Москва, 11 июн - ИА Neftegaz.RU. Ученые из МФТИ, Сколтеха, ОИВТ РАН и МГУ ( Юрий Костюкевич, Александр Жеребкер, Михаил Сергеевич Власкин, Виталий Александрович Рознятовский,
Юрий К. Гришин, Евгений Николаев) смогли доказать, что под давлением и при повышении температуры возможно получить водный раствор нефти, и провели анализ его состава.
Работа опубликована в июньском 2019 г. номере журнала Analytical and Bioanalytical Chemistry.
Метод растворения нефти соответствует принципам «зеленой химии», т.к. позволяет отказаться от использования небезопасных для экологии растворителей.
Поскольку нефть практически не используется в чистом виде, необходимо знать, из каких компонентов состоит исходное сырье на молекулярном уровне, прежде чем заниматься его переработкой.
Всего этих компонентов в нефти - около 400 тыс., а состав зависит от месторождения, где был добыт продукт.
Сложность заключается в том, что разделить нефть на отдельные компоненты крайне трудно.
Так, сейчас все еще малоизучены тяжелые (неулетучивающиеся при нагреве до 300оС) фракции.
Известно только, что они состоят, в большинстве своем, из фенолов, кетонов, карбазолов, пиридинов, хинолинов, дибензофуранов и карбоновых кислот.
Но в некоторых есть еще и сера, ее наличие зависит от места, где была добыта нефть.
Кроме того, многие углеводороды по составу похожи, а по структуре - отличаются, то есть являются изомерами друг друга.
Эти различия крайне важны, т.к. из-за них вещества обладают различными химическими свойствами.
А углеводороды из тяжелых фракций нефти состоят из большего количества атомов, что дает еще больше вариантов структур для каждого соединения.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или масс-спектроскопия может дать информацию о элементном составе вещества и молекулярной массе, но не всегда в силах различить изомеры и не определяет структуру соединений.
Изотопный обмен, проводимый как в растворе, так и в газовой фазе, в сочетании с масс-спектрометрией высокого разрешения был использован для определения видовых структурных фрагментов отдельных молекул в сырой нефти и гуминовых веществах (превращения органического вещества после фотосинтеза).
В обычных условиях нефть не растворяется в воде (это самый чистый источник изотопов кислорода и водорода), поэтому для проведения обмена в растворе требуются жесткие условия, такие как концентрированные кислоты или щелочи ( основания), которые могут значительно модифицировать образец.
Но сильнодействующие растворители способны и сами менять состав образца, что отрицательно влияет на результат исследования.
Ученым удалось описать использование дешевого и простого аналитического подхода для проведения обмена H / D ( тяжелая вода) и 16O / 18O ( тяжелокислородная) в сырой нефти с использованием только воды в качестве источника изотопов.
Ранее было известно, что нерастворимые в воде соединения могут быть растворены в перегретой, так называемой сверхкритической воде, температура которой значительно превышает 100оС, поэтому было решено применить этот подход и к нефти.
Образец нагревали до 360оС вместе с тяжелой водой (в которой водород заменен дейтерием) или тяжелокислородной (кислород 16O заменен на 18O) при давлении более 300 атмосфер в течение часа.
Реакцию контролировали с помощью масс-спектрометрии с Фурье-преобразованием высокого разрешения.
Хотя изотопный обмен приводит к усложнению спектра, разрешающая способность современных масс-спектрометров достаточна для определения количества обменов для каждой молекулы одновременно.
Удалось определить количество обменов 16O / 18O у 276 видов и количество обменов H / D у 150 видов, что дало больше информации о структуре входящих в состав нефти соединений.
Эти результаты позволяют глубже исследовать сырую нефть и другие неполярные образцы на молекулярном уровне.
Исследование пробы методом масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения было выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 2014/15). 18-79-10127).
Разработка реактора осуществлялась при поддержке Российского научного фонда (грант № 162). 17-19-01617).
ЯМР-эксперименты проводились при поддержке “Программы развития”МГУ им.М. В. Ломоносова.
Ю. Костюкевич - автор работы, старший научный сотрудник лабораторий Сколтеха и МФТИ - говорит, что в случае с нефтью этот метод значительно упростит процесс переработки вещества.
Поскольку запасы легкой нефти стремительно истощаются, роль гидрокрекинга мазута в производстве бензина растет.
Состав этого вещества крайне сложен и не изучен, а установки гидрокрекинга дороги, не производятся в России и требуют использования специальных катализаторов.
Сейчас ученые научились различать фураны, пиридины, нафтеновые кислоты в сырой нефти, не прибегая к сложной процедуре перегонки.
Это поможет глубже понять структуру и состав нефти, а также разработать новые катализаторы для эффективной нефтепереработки, что будет способствовать улучшению контроля качества нефти в магистральных нефтепроводах.
Автор: А. Шевченко, О. Бахтина
