Иллюстрация. «Растворение нефти в воде». Дизайнер: @tsarcyanide, пресс-служба МФТИ
[columns size=»2/3″ last=»false»]
Исследователи из МФТИ, Сколтеха, ОИВТ РАН и МГУ предложили новый подход к исследованию состава нефти. Они доказали, что при повышении температуры и давления возможно получить водный раствор, и провели анализ его состава. Метод соответствует принципам «зеленой химии», позволяя отказаться от использования небезопасных для экологии растворителей. Работа опубликована в журнале Analytical and Bioanalytical Chemistry.
В чистом виде нефть практически не используется. Чтобы сделать процесс переработки максимально эффективным, необходимо знать, из каких компонентов состоит исходное сырье. В нефти их насчитывается более 400 000, причем состав образца зависит от месторождения, где он был добыт. Исключительная сложность состава не позволяет разделить нефть на отдельные компоненты. До сих пор относительно мало изучены тяжелые (неулетучивающиеся при нагреве до 300оС) фракции. Известно, что в основном они состоят из фенолов, кетонов, карбазолов, пиридинов, хинолинов, дибензофуранов и карбоновых кислот. В образцах из некоторых месторождений, помимо всего вышеперечисленного, встречаются соединения, содержащие серу. При этом многие углеводороды имеют одинаковый элементный состав: столько-то атомов углерода, столько-то — водорода и кислорода, но разное строение, то есть являются изомерами друг друга.
Сильно различающиеся структуры, естественно, обладают и разными химическими свойствами. Углеводороды из тяжелых фракций нефти состоят из большего количества атомов, что дает еще больше вариантов структур для каждого соединения.
Метод масс-спектроскопии дает информацию о элементном составе вещества и молекулярной массе, но не всегда в силах различить изомеры. Дополнительную информацию можно получить с помощью изотопного обмена. Этот метод основан на том, что кислород (или водород) в различных соединениях, в данном случае в нефти с разной интенсивностью замещается своим изотопом, тем же элементом, но обладающим иной массой. Самый удобный и безопасный источник изотопов кислорода и водорода — вода, однако при обычных условиях нефть в ней не растворяется, поэтому ранее применялись высококонцентрированные кислоты или щелочи. Но кислота, особенно при высоких температурах, разрушает органические соединения, тем самым изменяя состав образца.
Тем не менее 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. Авторы работы доказали, что при повышении температуры и давления получить водный раствор нефти возможно, и провели анализ ее состава. 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.
[/columns]
Процесс растворения нефти в перегретой воде
[columns size=»2/3″ last=»false»]
Ученые сравнивали масс-спектры исходного образца и образца после реакции обмена. Полученные данные позволили получить больше информации о структуре входящих в состав нефти соединений. Подобный метод может применяться для исследования и других сложных неполярных соединений на молекулярном уровне.
«Изотопные метки могут вставать только в определенные места молекулы по аналогии с принципом ключ-замок, — говорит Евгений Николаев, руководитель лаборатории масс-спектрометрии Сколтеха, профессор МФТИ. — Измеряя количество обменов методом масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения мы можем получать информацию о структуре молекул даже тогда, когда выделить чистое вещество и установить его структуру другими методами невозможно».
«Запасы легкой нефти неумолимо истощаются. Все большую роль в производстве бензина играет гидрокрекинг мазута, молекулярный состав которого крайне сложен и неизучен. Установки гидрокрекинга дороги, не производятся в России и требуют использования специальных катализаторов. Мы научились различать фураны, пиридины, нафтеновые кислоты в сырой нефти, не прибегая к сложной процедуре перегонки, — рассуждает Юрий Костюкевич, автор работы, старший научный сотрудник лабораторий Сколтеха и МФТИ. — Надеемся, что наша работа позволит глубже понять структуру и состав нефти, поможет в разработке новых катализаторов для эффективной нефтепереработки и поспособствует улучшению контроля качества нефти в магистральных нефтепроводах».
[/columns]
