Российские ученые выяснили, как можно растворить нефть в воде

0

Источник: AP 2019

Это поможет быстро и дешево изучать ее состав, а также создать новые методики переработки и добычи углеводородов, сообщает пресс-служба МФТИ.

Запасы легкой нефти неумолимо истощаются. Все большую роль в производстве бензина играет гидрокрекинг мазута, молекулярный состав которого крайне сложен и пока что не изучен. Установки гидрокрекинга дороги, не производятся в России и требуют использования специальных катализаторов.

Юрий Костюкевич

старший научный сотрудник лабораторий Сколтеха и МФТИ

Нефть, как сейчас считают ученые, представляет собой останки водорослей, фитопланктона и прочих обитателей древних морей Земли. Они осаждались на их дне на протяжении многих миллионов лет, где они постепенно спрессовывались, разогревались и разлагались, постепенно превращаясь в кероген, различные горючие сланцы, а затем и в классические углеводородные полезные ископаемые.

В зависимости от того, при какой температуре протекали эти превращения, конечный продукт этих метаморфоз может представлять собой как газ или жидкую нефть, состоящие из легких углеводородных молекул, так и чрезвычайно сложные по составу субстанции. В их число входят мазут, битумные пески или отложения различных сланцев, из которых нефть можно извлечь при помощи фрекинга.

В общей сложности, как отмечают Костюкевич и его коллеги, тяжелые фракции нефти могут содержать в себе около 400 тысяч различных органических молекул, точный состав, доли и свойства которых ученые пока не знают. Это мешает разделению подобных альтернативных источников углеводородов на компоненты и их оптимальному применению в промышленности.

Часть этих веществ, по словам химиков, можно выделить и определить, используя масс-спектроскопические методы, однако они не позволяют узнать точную формулу вещества и его пространственную конфигурацию, часто сильно влияющую на свойства органических соединений.

Ученые достаточно давно научились решать подобные проблемы, используя методику так называемого «изотопного обмена», заменяя часть атомов в сложных молекулах на их более тяжелые изотопы. Проще всего это осуществить, смешав изучаемые вещества с тяжелой и легкой водой, в результате чего дейтерий и кислород-18 заместят часть атомов в углеводородных цепочках.

Проблема заключается в том, что нефть в воде не растворяется, как это постоянно показывают различные утечки с танкеров и аварии на нефтедобывающих платформах в море. По этой причине химики раньше были вынуждены растворять ископаемые углеводороды не в чистой влаге, а в кислотах и щелочах, что меняло и искажало их состав.

Костюкевич и его коллеги придумали, как обойти эту проблему, используя так называемую сверхкритическую воду. Так ученые называют H2O, нагретую до сверхвысоких температур, значительно превышающих 100 градусов Цельсия, но при этом она остается в жидком состоянии. Яркий пример этого — выбросы так называемых «черных курильщиков» на дне океанов Земли, чья средняя температура превышает четыре сотни градусов.

Руководствуясь этой идеей, авторы статьи создали специальный реактор, позволявший им вводить нефть в пробирку со сверхкритической водой, нагретой и сжатой до разных температур и давлений.

Разогрев их до 360 градусов Цельсия и сжав до 300 атмосфер, химики добились желаемого — им удалось «растворить» нефть в воде и заставить их перемешаться.

Используя эту методику, Костюкевич и его коллеги изучили химический состав одной из марок легкой сибирской нефти. Ученые обнаружили в ней несколько тысяч молекул, используя классические методы масс-спектрометрии, а также несколько сотен веществ, в которые встроились атомы тяжелого водорода и кислорода. Анализ их свойств помог им восстановить трехмерную структуру этих молекул и раскрыть их состав.

«Мы научились различать фураны, пиридины, нафтеновые кислоты в сырой нефти, не прибегая к сложной процедуре перегонки. Надеемся, что наша работа позволит глубже понять структуру и состав нефти, поможет в разработке новых катализаторов для эффективной нефтепереработки и позволит улучшить контроль качества нефти в магистральных нефтепроводах», — заключает ученый.

Source link
[img]