Капля знаний в бочке нефти. Что таят в себе углеводороды

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. многие углеводороды имеют одинаковый элементный состав: столько-то атомов углерода, столько-то — водорода и кислорода, но разное строение, то есть являются изомерами друг друга.

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.

Но растворить нефть в воде все-таки можно, если это сверхкритическая вода, температура которой значительно превышает 100 градусов Цельсия .

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 360 градсов Цельсия вместе с тяжелой водой (в которой водород заменен дейтерием) или тяжелокислородной (кислород 16O заменен на 18O) при давлении более 300 атмосфер в течение часа.

Как растворяют нефть в воде. Источник: МФТИ

«Изотопные метки могут вставать только в определенные места молекулы по аналогии с принципом ключ-замок,  — 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», — объясняет руководитель лаборатории масс-спектрометрии Сколтеха, профессор МФТИ Евгений Николаев.

В итоге, исследователи научились различать фураны, пиридины, нафтеновые кислоты в сырой нефти, не прибегая к сложной процедуре перегонки.Эта 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.

Александр Ильин