生态添加剂对船用发动机油参数及微生物分布影响的前沿研究

《Scientific Reports》：Research on the impact of ecological additives on selected parameters and the microbiological distribution of marine engine oil

本研究针对船用发动机油微生物污染加剧与性能退化问题，创新性地引入银化合物（离子溶液与胶体纳米银）及有效微生物（液态与陶瓷态）作为生态添加剂。通过系统评估其对闪点、水分含量、酸值（TAN）、碱值（TBN）、粘度及微生物分布的影响，发现陶瓷态有效微生物（EM(C)）与银溶液（SS）在维持油品理化稳定性（如抑制水分增加、稳定碱值）和显著抑制细菌（最高降低40倍）、真菌（最高降低65倍）生长方面表现优异。该研究为替代传统化学杀菌剂提供了环境友好的解决方案，对延长润滑油寿命、降低维护成本具有重要工程应用价值。

　　

随着航运业和内燃机技术的快速发展，船用发动机油在高温、高压及复杂化学环境下面临着日益严峻的挑战。一方面，发动机设计趋向高功率密度、长换油周期，对润滑油的耐久性提出了更高要求；另一方面，生物燃料的推广使用使得润滑油更易受到微生物污染，导致油品降解、设备腐蚀和性能下降。传统上，人们常使用化学杀菌剂来控制微生物滋生，但这些物质可能对环境和非目标微生物造成危害，且其应用范围受到严格限制。因此，开发高效、环保的替代方案已成为润滑工程领域亟待解决的关键问题。

在此背景下，格丁尼亚海事大学的Rafat Krakowski及其团队在《Scientific Reports》上发表了一项创新性研究，探讨了两种生态添加剂——银化合物（包括离子型银溶液和非离子型胶体纳米银）以及有效微生物（Effective Microorganisms, EM，以液态和陶瓷管两种形式存在）——对船用发动机油（Marinol RG 1230）关键参数和微生物分布的影响。这些添加剂此前在环境治理、农业和医疗领域已有应用，但将其用于润滑油尚属首次。研究旨在评估这些添加剂能否在抑制微生物生长的同时，维持或改善油品的核心性能指标，从而为开发下一代绿色润滑技术提供科学依据。

为开展研究，作者采用了几个关键技术方法：首先，将四种添加剂按2%的体积浓度分别加入新旧发动机油中，并在受控条件下（温度20±2°C，避光） homogenize（均质化）和储存4周；其次，利用闭口杯闪点测定仪（ASTM D7094）、卡尔·费休滴定仪（测定水分含量）、自动滴定仪（测定TAN和TBN）和粘度计等设备系统评估了油品的理化参数；第三，参照ASTM D6974-3标准，通过膜过滤法和微生物培养技术（使用TSA和MEA培养基）定量分析了油样中细菌和真菌的菌落形成单位（CFU/dm³）；最后，使用SW 680/1 Delfin柴油发动机进行了100小时的模拟运行测试（包括空转和20 kW负载条件），以考察添加剂在实际工况下的表现。所有统计分析均基于配对t检验（显著性水平α=0.01）进行。

微生物学测试

研究发现，使用后的发动机油（UO）中微生物污染显著增加，细菌数量从新油（NO）的1.6×10⁶CFU/dm³升至1.5×10⁷CFU/dm³，真菌数量从1.8×10⁴CFU/dm³升至3.6×10⁵CFU/dm³。所有添加剂均表现出抑制微生物生长的效果，其中银溶液（SS）的抗菌效果最强，使细菌数量降至3.8×10⁵CFU/dm³（降低约40倍）；陶瓷态有效微生物（EM(C)）的抗真菌效果最突出，使真菌数量降至5.5×10³CFU/dm³（降低约65倍）。胶体纳米银（CN）和液态EM（EM(F)）也分别使细菌和真菌数量降低了6倍和47倍。结果表明，银基添加剂主要通过释放Ag⁺离子破坏微生物细胞结构，而EM则通过代谢竞争和产生有机酸等机制抑制有害菌群，两者协同作用可提供快速且持久的抗菌保护。

润滑油闪点

添加剂的类型对油品闪点有不同影响。在新油中，液态EM（EM(F)）和陶瓷EM（EM(C)）使闪点略有下降（分别至222.1°C和221.4°C），而银溶液（SS）和胶体纳米银（CN）则使闪点小幅升高（至225.4°C和225.2°C）。在使用后的油中，胶体纳米银（CN）仍保持最高闪点（225.22°C），较未添加添加剂的使用油（223.5°C）提高约1.7°C，表明银基添加剂有助于提升油品的热稳定性。统计分析显示，CN的闪点升高具有显著性（p=0.03），而其他添加剂的影响不显著。

柴油中的水分含量

水分含量是影响润滑油性能的关键因素。新油的基础水分含量为0.10%。添加液态EM（EM(F)）导致水分大幅上升至0.48%，银溶液（SS）和胶体纳米银（CN）分别使水分升至0.38%和0.41%，而陶瓷EM（EM(C)）对水分无显著影响（保持0.10%）。在使用油中，未添加添加剂时水分增至0.16%，而添加EM(F)后进一步升至0.58%，SS和CN分别使水分达到0.47%和0.53%，EM(C)仍保持与基础使用油相同的水分水平（0.16%）。结果表明，除陶瓷EM外，多数添加剂因本身含水而提高了油品水分，但通过表面活性剂（如PVP）形成的稳定乳液未超出安全界限（饱和点约1%）。

润滑油的酸值和碱值

酸值（TAN）和碱值（TBN）是衡量油品老化程度和中和酸性物质能力的重要指标。新油的TAN为0.521 mgKOH/g，添加胶体纳米银（CN）后显著降至0.282 mgKOH/g（p=0.04），其他添加剂也略有降低。使用后，未添加添加剂的油TAN升至0.809 mgKOH/g，而添加SS和EM(C)的油TAN分别为0.704 mgKOH/g和0.925 mgKOH/g，表明SS在抑制酸值上升方面效果较好。碱值（TBN）方面，新油为11.82 mgKOH/g，使用后未添加添加剂的油降至11.52 mgKOH/g。液态EM（EM(F)）使TBN进一步降至11.27 mgKOH/g，而SS的使用油TBN最高（11.39 mgKOH/g），说明银基添加剂能更好地保持油品的碱储备。统计上，所有添加剂对TBN的影响均不显著（p>0.05），表明它们未加速碱值的消耗。

发动机油的运动粘度和密度测试

粘度是润滑油的核心性能参数。在40°C下，新油粘度为153.37 mm²/s，添加陶瓷EM（EM(C)）和银溶液（SS）后粘度略升至161.75 mm²/s和162.44 mm²/s，而液态EM（EM(F)）和胶体纳米银（CN）使粘度降至144.10 mm²/s和147.84 mm²/s。在100°C下，所有样品的粘度变化均保持在±5%以内，符合运行要求。使用后，未添加添加剂的油粘度在40°C时降至124.31 mm²/s，而添加EM(C)和SS的油粘度最接近新油水平（146.50 mm²/s和153.96 mm²/s），表明这两种添加剂能有效维持粘度的稳定性。在-10°C的低温条件下，EM(C)和SS也表现出较好的粘度保持性，减少了油品在冷启动时的流动阻力。

本研究通过系统实验证实，银化合物和有效微生物作为生态添加剂，在抑制船用发动机油微生物污染的同时，对油品关键参数的影响总体可控。其中，陶瓷态有效微生物（EM(C)）和银溶液（SS）表现尤为突出：EM(C)在水分控制、碱值稳定性和抗真菌方面优势明显；SS则在提升闪点、抑制酸值上升和抗菌方面效果显著。这两种添加剂协同使用有望替代传统化学杀菌剂，降低环境毒性，延长润滑油服务寿命。然而，研究也存在一定局限性，如实验室条件未能完全模拟真实海洋环境，且仅测试了单一油品和添加剂浓度。未来工作需聚焦于长期实机验证、添加剂复配优化及其对发动机磨损的直接影响。总体而言，该研究为润滑工程的绿色化提供了创新路径，对实现航运业可持续发展具有重要意义。