Группе российских ученых, среди которых Юрий Костюкевич из МФТИ и Сколтеха, удалось совершить настоящий прорыв в исследовании нефти. Они обнаружили способ "растворять" нефть в воде, изменяя параметры окружающей среды — давление и температуру. Благодаря этому революционному подходу стало возможным значительно упростить и удешевить анализ состава нефти, открыть новые горизонты в ее переработке и облегчить получение ценных компонентов из трудноизвлекаемых нефтяных фракций.
Современные вызовы нефтепереработки
Запасы легкодоступной нефти сокращаются с каждым годом, что заставляет ученых, инженеров и промышленников уделять больше внимания альтернативным путям получения топлива и сырья. Важнейшим элементом в этом направлении становится гидрокрекинг мазута. Однако его молекулярный состав остается крайне сложным и в значительной степени неизученным. Современные гидрокрекинговые установки обладают высокой стоимостью, большинство из них не производится в России и требуют уникальных катализаторов, на разработку которых также идут значительные ресурсы.
По словам Юрия Костюкевича, старшего научного сотрудника лабораторий Сколтеха и МФТИ, именно разработка новых методов анализа и глубокого понимания структуры тяжелых нефтяных фракций откроет перед отечественной промышленностью уникальные возможности для самостоятельного производства современных установок и катализаторов.
Многообразие органических молекул в нефтяных фракциях
Современные исследования показывают, что нефть — это результат длительных природных процессов, в ходе которых органические остатки древней флоры и фауны морских экосистем миллионы лет подвергались осаждению, прессованию и разложению. В зависимости от температуры и условий, в результате этих трансформаций формируются разнообразные продукты: от легких газов и жидкой нефти до сложных миксов мазута, битумных песков и сланцевых отложений.
В состав тяжелых фракций нефти входит до 400 тысяч различных органических молекул, что осложняет их раздельное изучение. Точное определение структуры и химических свойств этих компонентов необходимо для извлечения максимальной пользы из имеющихся ресурсов и развития более экологичных и эффективных технологий переработки углеводородов.
Сложности анализа и новые методы
Классические методы массовой спектрометрии позволяют идентифицировать отдельные вещества, однако они не способны раскрыть трехмерную организацию молекул и специфику их химических связей. Особенно это актуально для сложных органических соединений, где пространственное расположение атомов непосредственно влияет на химические свойства вещества.
Долгое время ученые решали подобные задачи с помощью "изотопного обмена": заменяли отдельные атомы в молекуле на их тяжелые изотопы посредством смешивания органического вещества с тяжелой и обычной водой. Однако, поскольку нефть практически не растворяется в воде, приходилось использовать кислоты и щелочи, что приводило к изменению исходного состава нефти и искажению результатов анализа.
Сверхкритическая вода: ключ к успеху
Юрий Костюкевич и его команда предложили использовать уникальные свойства сверхкритической воды. Обычно вода закипает при 100°C, однако если ее нагреть до гораздо более высоких температур — например, до 360°C, и одновременно увеличить давление до 300 атмосфер, молекулы воды сохраняют жидкое состояние, но приобретают совершенно новые характеристики. Подобные условия существуют в глубинах океана у горячих гидротермальных источников — так называемых "черных курильщиков".
Экспериментируя с различными параметрами температуры и давления, ученым удалось добиться того, что нефть начала растворяться в сверхкритической воде, в результате чего ее молекулы смешались с молекулами воды на атомарном уровне. Это открыло дорогу к применению инновационной методики анализа состава даже самых тяжелых фракций нефти.
Новые горизонты нефтехимии и промышленности
Применяя сверхкритическую воду в специальном реакторе, ученые исследовали химический состав легкой сибирской нефти, выявив тысячи молекулярных соединений с помощью масс-спектрометрии. Особенно интересны те из них, в которых произошла замена атомов водорода и кислорода на их тяжелые изотопы — их пространственная конфигурация раскрывает дальнейшие секреты структуры углеводородов.
Одним из главных достижений команды стало обнаружение и различие в сырой нефти таких соединений, как фураны, пиридины и нафтеновые кислоты, причем это удалось осуществить без необходимости сложной перегонки на лабораторных установках. Ученые получили подробные сведения о строении этих молекул и их взаимосвязях, что прямо влияет на качество и свойства нефти.
Оптимистичный взгляд в будущее
Исследование, проведенное Юрием Костюкевичем и его коллегами из МФТИ и Сколтеха, является важной вехой для российской нефтехимии и химической науки в целом. Новый способ анализа структуры нефти при помощи сверхкритической воды способен стать основой для разработки современных катализаторов, облегчить производство топлива и создать эффективные системы контроля качества нефти в нефтепроводах. Подход, созданный российскими учеными, открывает перспективы для экономии ресурсов, уменьшения себестоимости переработки и внедрения передовых технологий в промышленность.
Не вызывает сомнений, что такие научные достижения станут фундаментом для новых открытий, а творческий подход исследователей, работающих на стыке науки и промышленности, будет и дальше придавать мощный импульс развитию отечественных технологий. В ближайшие годы инновационные решения МФТИ и Сколтеха помогут вывести российскую нефтехимию на совершенно новый уровень, укрепив технологическую независимость и повысив эффективность переработки углеводородного сырья.
Изображение: lakowatz/Фотобанк RU.123.RF
Источник: scientificrussia.ru
