Состав нефти определили, растворив ее в тяжелой воде

Хотя в норме одна из этих жидкостей в другой не растворяется, есть способ решить и эту проблему

Ученые из МФТИ, Сколтеха, ОИВТ РАН и МГУ предложили новый подход к исследованию состава нефти. Повысив температуру и давление смеси нефти с тяжеловодородной и тяжелокислородной водой в герметичной емкости, они провели точный анализ ее состава, сравнив скорость обмена молекул нефти и воды атомами водорода и кислорода. До сих пор сходных результатов удавалось добиться лишь при помощи агрессивных и экологически проблематичных растворителей. Метод соответствует принципам «зеленой химии» и позволяет отказаться от использования небезопасных для экологии растворителей.

В начале нефтяной эпохи основную часть добычи составляла легкая нефть, которую, среди прочего, и проще перерабатывать. Однако со временем ее запасы уменьшились, и сегодня все чаще добывают тяжелуюнефть, из которой легкие фракции, типа бензина, получать уже довольно сложно. Сегодня для этого очень часто применяют гидрокрекинг мазута: (расщепление углеводородных молекул, его составляющих). Но эффективный гидрокрекинг требует точного понимания молекулярного состава нефти, который для разных её видов сильно варьируется (нефть с одного месторождения, но из разных скважин уже может слегка отличаться — а нефть с разных месторождений заметно отличается почти всегда).

Кроме того, установки гидрокрекинга дороги и не производятся в России, а кроме того требуют использования специальных катализаторов. В таких условиях было бы желательно научиться точно определять состав тяжелых сортов нефти, чтобы максимизировать эффективность гидрокрекинга. Кроме того, глубже поняв состав нефти, проще будет создавать новые катализаторы для нефтепереработки, а также избежать прискорбных случаев вроде недавнего попадания загрязнителей в магистральный трубопровод «Дружба».

Исходно нефть может состоять из сотен тысячи различных молекул углеводородов. То есть просто разделить нефть на компоненты и проанализировать их отдельно практически невозможно. Особенно сложно изучать ее тяжелые фракции, не улетучивающиеся при нагреве до 300 °С. В образцах из некоторых месторождений, помимо всего вышеперечисленного, встречаются соединения, содержащие серу, которые могут отравить некоторые катализаторы.

Дополнительно усложняет анализ то, что многие углеводороды в составе нефти имеют количественно одинаковый элементный состав — одинаковое количество атомов углерода, водорода и кислорода — но при этом разное строение молекул, являющихся изомерами друг друга. Например, сравнительно простое соединение C6H6 — 6 атомов углерода и 6 атомов водорода, может представлять собой циклический бензол, а может — линейную цепочку (гекс-1,5-ен 3-ин). Обычный метод химического анализа — масс-спектроскопия — может посчитать атомы в молекулах, но не всегда в силах различить изомеры с одинаковым количественным составом.

Авторы новой работы предлагают получать дополнительную информацию о различных изомерах в нефти с помощью изотопного обмена. Он основан на том, что кислород или водород в нефти с разной интенсивностью замещается атомами того же кислорода или водорода, но с другой массой — например, тяжелым водородом. Самый удобный и безопасный источник изотопов кислорода и водорода — вода. В норме нефть в ней не растворяется, образуя пленку на поверхности. Можно растворить углеводороды в высококонцентрированных кислотах или щелочах при повышенной температуре. Но тогда есть шанс разрушить органические соединения, которые исследователи пытаются найти в образце нефти.

Исследователи нагрели образцы нефти до 360 °С с тяжелой водой (в которой водород заменен дейтерием), а также тяжелокислородной, где кислород 16O заменен на 18O. Нагрев велся при давлении более 300 атмосфер в течении часа.

Затем они сравнили спектры исходного образца нефти и ним уже после реакции. В результате удалось надежно установить структуру соединений, входивших в состав образца нефти. Авторы отмечают, что сходным образом можно изучать другие сложные органические соединения. Что особенно важно, новый метод хотя и не использует агрессивные и опасные компоненты, способен получать точную информацию о структуре молекул даже тогда, когда выделить чистое вещество и установить его структуру другими методами в принципе невозможно