Nové ekologické prísady do mazív by mohli chrániť vodné turbíny

Každoročne sa na celom svete spotrebuje obrovské množstvo mazacieho oleja pre motory a priemyselné stroje, pričom približne polovica objemu sa nakoniec dostane do životného prostredia. Hoci sú k dispozícii mazivá prijateľné z hľadiska životného prostredia, nie sú optimalizované pomocou prísad, ktoré môžu výrazne zlepšiť výkon a zároveň predstavovať minimálny vplyv na životné prostredie v prípade náhodného úniku.

S cieľom vytvoriť netoxické, biologicky odbúrateľné a vysoko výkonné mazacie prísady pre vodné turbíny sa výskumníci obrátili na takzvané iónové kvapaliny (ďalej len ako IK). Sú to organické kvapalné soli, ktoré sa dobre miešajú s olejom, znižujú trenie medzi ložiskami a prevodmi a sú stabilné v rôznych teplotách.

Tím vedcov z oblasti materiálov a životného prostredia v ORNL pracoval na návrhu, syntéze a testovaní najlepších kandidátskych IK fosforečnanu amónneho a fosforečnanu fosforečného, ktoré poskytujú dobrú kombináciu vlastností.

Po pridaní do základových olejov IK preukázali až o 50 % nižšie trenie a desaťnásobné zníženie opotrebovania zariadení v porovnaní s komerčne dostupným prevodovým olejom. Spĺňali pritom americké federálne normy pre environmentálnu toxicitu a biologickú odbúrateľnosť.

Projekt vychádza z viac ako 20 rokov výskumu IK v ORNL, vrátane vývoja mazacích prísad určených na zníženie opotrebovania motorov a zvýšenie úspory paliva vo vozidlách.

„Naša predchádzajúca práca nám ukázala, že je možné výrazne zvýšiť výkonnosť mazív pridaním len 1 % alebo dokonca pol percenta IK,“ povedal Jun Qu z ORNL, ktorý vedie projekt.

Tentoraz sa vedci snažili vytvoriť netoxickú prísadu na použitie v turbínach inštalovaných vo vodnom prostredí, ktoré vyrábajú elektrickú energiu pomocou vĺn, prílivu a odlivu, oceánskych a riečnych prúdov. Tím sa najprv snažil odstrániť z kandidátskych IK potenciálne toxické prvky, ako sú fluór a chlór, a kovy, ako sú zinok a železo. Zamerali sa tiež na vytvorenie IK zložených z kratších uhľovodíkových reťazcov, konkrétne z reťazcov obsahujúcich menej ako šesť atómov uhlíka, ktoré sa všeobecne považujú za menej toxické.

Vedci zistili, že reťazec so štyrmi uhľovodíkmi je najlepší. Kratší ako štvoruhlíkový reťazec totiž viedol k vzniku IK, ktoré sa zle miešali s olejom a boli menej tepelne stabilné.

Testovanie trenia sa uskutočnilo s kovovými kúskami simulujúcimi ozubené kolesá turbín a ložiská, ktoré boli potiahnuté mazivom obsahujúcim IK. Výsledné opotrebovanie povrchu kovových kusov sa charakterizovalo pomocou elektrónovej mikroskopie. Tím pritom tvrdí, že tieto konkrétne IK sa pritom vyrábajú pomerne jednoducho a dajú sa ľahko rozšíriť na komerčné účely.

Na určenie vplyvu prísad na životné prostredie boli vykonané testy toxicity a biologickej odbúrateľnosti. Pri testoch toxicity sa použili Ceriodaphnia, drobné planktónne kôrovce, ktoré sú všeobecne známe ako vodné blchy. Tie majú krátky životný cyklus a rýchlu mieru rozmnožovania a sú veľmi citlivé na podmienky prostredia.

Zatiaľ čo ekologicky prijateľné základné mazacie oleje nemali na kôrovce žiadny vplyv, zistilo sa, že komerčné prísady do mazív a dve skoré zlúčeniny IK sú pre organizmy extrémne toxické, čo spôsobilo 100 % úmrtnosť v priebehu jedného až troch dní po vystavení. Konečné návrhy tímu pre prísady IK s krátkym reťazcom fosforečnanu amónneho a fosforečnanu fosforečného viedli k až 90 - 100 % miere prežitia po siedmich dňoch.

Zistilo sa, že finálne mazivá so zvýšeným obsahom IK sú v porovnaní so štandardnými mazacími prísadami vysoko biologicky odbúrateľné. Testovanie zahŕňalo vystavenie zlúčenín vodným mikróbom a následné meranie rýchlosti produkcie oxidu uhličitého, keď mikróby rozkladali materiály. Vysokoúčinné mazivá šetrné k životnému prostrediu navrhnuté špeciálne pre morské energetické turbíny sú dôležité aj z iných dôvodov, vrátane životnosti zariadenia.

Očakáva sa, že projekt sa ďalej zameria na ďalší vývoj mazacích prísad IK špeciálne na použitie v prílivových turbínach, ktoré pracujú v oceáne a sú vystavené potenciálnej kontaminácii morskou vodou a extrémnym tlakom a teplotám. Článok o výskume bol nedávno publikovaný v magazíne ACS Sustainable Chemistry & Engineering.