Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia desenvolveram aditivos lubrificantes que protegem os equipamentos das turbinas hidráulicas e o meio ambiente.



Todos os anos, cerca de 2,47 mil milhões de galões de óleo lubrificante são consumidos apenas nos Estados Unidos para motores e maquinaria industrial, de acordo com o DOE, sendo que cerca de metade acaba por chegar ao ambiente.

Embora estejam disponíveis lubrificantes ambientalmente aceitáveis, eles não são otimizados com aditivos que podem melhorar significativamente o desempenho e, ao mesmo tempo, causar um impacto ambiental mínimo se forem liberados acidentalmente. Para criar aditivos lubrificantes não tóxicos, biodegradáveis ​​e de alto desempenho para turbinas hidráulicas, os pesquisadores recorreram a líquidos iônicos, ou ILs:sais líquidos orgânicos que se misturam bem com o óleo, reduzem o atrito entre rolamentos e engrenagens e são estáveis ​​em diversas temperaturas.

Uma equipe de cientistas ambientais e de materiais do ORNL trabalhou em conjunto para projetar, sintetizar e testar ILs de fosfato de amônio e fosfato de fosfônio que fornecem uma boa combinação de propriedades.

Quando adicionados aos óleos básicos, os ILs demonstraram 50% menos atrito e uma redução de dez vezes no desgaste do equipamento em comparação com um óleo de engrenagem disponível comercialmente, ao mesmo tempo em que atendem aos padrões federais de toxicidade ambiental e biodegradabilidade, conforme descrito em ACS Sustainable Chemistry &Engineering .

O projeto baseia-se em mais de 20 anos de pesquisa de IL no ORNL, incluindo o desenvolvimento de aditivos lubrificantes concebidos para reduzir o desgaste do motor e aumentar a economia de combustível nos veículos.

"Nosso trabalho anterior nos mostrou que é possível aumentar drasticamente o desempenho dos lubrificantes com a adição de apenas 1% ou até meio por cento de ILs", disse Jun Qu do ORNL, que lidera o projeto e o grupo de Engenharia de Superfície e Tribologia do ORNL. .

Desta vez, os cientistas buscaram criar um aditivo atóxico para uso em turbinas instaladas em ambientes aquáticos, gerando eletricidade a partir das ondas, marés, correntes oceânicas e fluviais. Embora os LIs sejam geralmente considerados menos tóxicos que os ingredientes lubrificantes convencionais, o seu impacto no meio ambiente não foi estudado de perto.

“Do lado ambiental, há três fatores principais com os quais nos preocupamos com esses lubrificantes”, disse Teresa Mathews, líder do grupo de Biodiversidade e Saúde de Ecossistemas do ORNL. “Eles têm que ter alto desempenho, não queremos que sejam tóxicos para nenhum organismo aquático e, se houver um derramamento, não queremos que os lubrificantes sejam compostos que durem no meio ambiente. rapidamente."

Buscando uma fórmula mais limpa

A equipe procurou primeiro eliminar elementos tóxicos potenciais, como flúor e cloro, e metais como zinco e ferro dos ILs candidatos. Eles também se concentraram na criação de ILs compostos de cadeias mais curtas de hidrocarbonetos – cadeias contendo menos de seis átomos de carbono – que são geralmente consideradas menos tóxicas.

“Descobrimos que uma cadeia de quatro carbonos é o ponto ideal”, disse Qu. Ir abaixo de quatro carbonos resultou em um IL que não se misturava bem com o petróleo e era menos estável termicamente, acrescentou.

O teste de atrito foi realizado com peças metálicas simulando engrenagens de turbina e mancais revestidos com lubrificante contendo IL. O desgaste superficial resultante das peças foi caracterizado usando microscopia eletrônica no Center for Nanophase Materials Sciences, uma instalação do DOE Office of Science no ORNL.

Esses ILs específicos são bastante simples de produzir e podem ser facilmente ampliados para comercialização, disse Huimin Luo, químico da Divisão de Ciência de Manufatura do ORNL que liderou o trabalho de síntese química.

Para determinar o impacto ambiental dos aditivos, a ecotoxicologista Louise Stevenson do ORNL conduziu testes de toxicidade e biodegradabilidade no Laboratório de Toxicologia Ambiental do ORNL, onde avaliações são conduzidas rotineiramente para o DOE, o Departamento de Defesa e outras agências. Seguindo os protocolos da Agência de Proteção Ambiental, os testes de toxicidade utilizaram Ceriodaphnia, minúsculos crustáceos planctônicos comumente conhecidos como pulgas d'água que ficam na parte inferior da cadeia alimentar, têm um ciclo de vida curto e uma taxa de reprodução rápida, e são altamente sensíveis às condições ambientais.

Pequenos plânctons fornecem grandes insights

Os organismos “são como canários em uma mina de carvão em termos de toxicidade aquática porque filtram e interagem com muita água”, disse Stevenson. “Em um teste de sete dias, teremos três a quatro rodadas de reprodução com eclosão diária, para que possamos procurar efeitos letais e subletais, como impactos reprodutivos e de crescimento que afetam a sobrevivência da população”.

Embora os óleos básicos lubrificantes ambientalmente aceitáveis ​​não tenham tido efeito sobre os crustáceos, descobriu-se que os aditivos lubrificantes comerciais e dois primeiros compostos IL eram extremamente tóxicos para os organismos, resultando em 100% de mortalidade dentro de um a três dias após a exposição. Os projetos finais da equipe para aditivos de fosfato de amônio de cadeia curta e fosfato de fosfônio resultaram em taxas de sobrevivência de 90-100% após sete dias.

Os lubrificantes finais aprimorados com IL de alto desempenho também foram considerados altamente biodegradáveis ​​em comparação com os aditivos lubrificantes padrão. Os testes envolveram a exposição dos compostos a micróbios aquáticos e a medição da taxa de produção de dióxido de carbono à medida que os micróbios decompunham os materiais.

Lubrificantes ecológicos e de alto desempenho projetados especificamente para turbinas de energia marítima são importantes por outras razões, incluindo a durabilidade do equipamento. A tecnologia de lubrificantes atualmente em uso para turbinas marítimas foi emprestada de turbinas eólicas, que passam por manutenção a cada seis a 18 meses, disse Qu. Mas as turbinas de marés instaladas no oceano ou nos rios são normalmente concebidas para funcionar a cada seis anos e operam em condições muito mais adversas.

Espera-se que o projeto se concentre em seguida no desenvolvimento de aditivos lubrificantes IL especificamente para uso em turbinas de marés que operam no oceano e expostas a potencial contaminação da água do mar e a extremos de pressão e temperatura.

O projecto destaca a diversidade de conhecimentos e capacidades reunidos no ORNL para enfrentar uma ampla gama de desafios económicos, ambientais e sociais, observaram os cientistas.

Stevenson disse:"A química verde é um tema quente, e este é um exemplo de como realmente fazer isso e trabalhar em conjunto entre cientistas de materiais e cientistas ambientais para chegar a uma solução de forma colaborativa e produtiva."

Mais informações: Xin He et al, Minimizando a toxicidade e otimizando a lubrificação de líquidos iônicos para uma lubrificação ecológica, ACS Sustainable Chemistry &Engineering (2024). DOI:10.1021/acssuschemeng.3c06194
Informações do diário: ACS Química e Engenharia Sustentável

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge