Статья о новой работе сотрудников четырех российских научно-исследовательских центров Физтеха, Объединенного института высоких температур РАН, Сколковского института науки и технологий и МГУ, описывающая сущность созданного ими инновационного метода изучения состава нефти, опубликована в немецком научном издании Analytical and Bioanalytical Chemistry. Объединенной командой столичных ученых было доказано: возрастание температуры и давления делает возможным растворение нефти в воде, и полученный раствор может быть успешно использован для анализа составляющих нефти. Методика полностью экологична, она освобождает от необходимости применения опасных для природы веществ, работая в согласии с законами «зеленой химии».
Нативная нефть практически не имеет сферы применения, обычно человечеству нужны только продукты ее переработки. Для повышения эффективности процесса нефтепереработки, нужно знание того, какие компоненты присутствуют в исходном материале. Необработанная нефть может быть разделена на почти полмиллиона составляющих, и содержание их в конкретном образце будет зависеть от того, из какого месторождения данная проба. Столь сложный состав мешает разделению нефти на отдельные ингредиенты. В итоге, многие ее фракции, особенно, тяжелые, которые не улетучиваются при температуре до 300°С все еще недостаточно исследованы. Основными их ингредиентами являются фенольные, карбазоловые, кетоновые, пиридиновые, хинолиновые соединения, дибензофурановые и карбоновые кислоты. Львиная доля углеводородов нативной нефти имеет практически один и тот же набор элементов. У них определенное количество основных атомов органических соединений, углерода, водорода и кислорода, у них одинаковая молекулярная масса, но они отличаются по своей структуре, другими словами, они являются изомерами.
Масс-спектрометрический анализ расскрывает элементный состав веществ и дает исчерпывающую информацию об их молекулярной массе, но, увы, различить изомеры у него получается далеко не всегда. Помогает в этом случае методика изотопного обмена, заключается она в том, что какой-либо из элементов (кислород либо водород) в сложных веществах, конкретно, например, в нефти, заменяется своим изотопом с различной степенью интенсивности. Самым безопасным и подходящим депо изотопов кислорода и водорода является конечно же вода, но всем известно, что без создания специальных условий нефть в ней раствориться не может, поэтому для этих целей приходилось использовать высококонцентрированные, а значит, максимально агрессивные кислоты или щелочи. Естественно, такие разрушительные по своему воздействию вещества, да еще в условиях высоких температур, полностью уничтожают первоначальную структуру органических соединений, тем самым радикально изменяя состав образца.
Достаточно давно известно, что не растворяющиеся в воде при обычных условиях вещества способны раствориться в перегретой, или как ее называют ученые, сверхкритической воде, с температурой в несколько раз, превышающей температуру кипения. Базируясь на данном факте, ученые решили применить его к исследованию нефти. В результате проведенной работы ими было доказано, что одновременный подъем уровня температуры и давления позволяет добиться растворения нефти в воде, а потом без труда анализировать ее состав. Пробы нефти и тяжелая вода (водород заменен дейтерием) или тяжелокислородная вода (изотоп кислород 16O заменен на изотоп кислород 18O) были нагреты до 360°С. Нагревание проводилось под превышающим триста атмосфер давлением 60 минут.
В ходе проводимого химического исследования было проведено тщательное сравнение масс-спектрограмм проб исходной нефти и той же пробы, подвергшейся реакции обмена. Этот способ позволил ученым получить намного более полные сведения о строение составляющих нефть соединений. Как считают авторы метода, в дальнейшем он может помочь и при изучении молекулярного состава других сложных соединений, имеющих неполярные ковалентные связи.
Как отметил профессор МФТИ Евгений Григорьевич Николаев, заведующий лабораторией масс-спектрометрии Сколковского института науки и технологий и один из авторов данной работы, изотопные метки способны включаться в строго определенные локусы молекулы, соответствуя им по типу «ключ-замок». Подсчитав все полученные обмены с помощью масс-спектрометрического анализа сверхвысокого разрешения можно собрать все необходимые сведения о строении молекул. Этот метод выделения чистого вещества и установления его архитектоники подходит для случаев, когда другие способы сделать это не работают.
Гарантия
Сервис
Подбор
Госзакупки
