Исследование спектральных свойств индивидуальных углеводородов и определение структурно-группового состава нефти и нефтепродуктов

Поскольку каждый углеводород имеет четко определенные полосы поглощения в ИК-спектре [21], данный метод удобен при исследовании свойств индивидуальных соединений. Так, с использованием величин абсолютных интенсивностей, рассчитанных квантовохимическими методами для молекул индивидуальных веществ (газовая фаза), проведен безэталонный количественный анализ растворов бензола, изооктана и их смесей различных концентраций в четыреххлористом углероде. На примере бензола (бензол в окружении 16 молекул растворителя) по программе „GAMESS” произведен усложненный расчет абсолютных интенсивностей. Интегральные интенсивности определяли из экспериментальных ИК-спектров методом приближенного интегрирования Симпсона с использованием абсолютных интенсивностей, рассчитанных для молекул индивидуального бензола в интервале концентраций от 10–1 до 5·10–1 моль·л–1, в котором выполняется закон Бера.

Использование ИК-спектрометрии в настоящее время является общепринятым подходом при выполнении комплексных исследований состава нефтей различных месторождений. Структурно-групповой состав нефтей и компонентов определяется по интенсивности характеристических полос поглощения в ИК-спектрах с использованием общей базовой линии с фиксированными точками 1850 и 650 см–1. Для средней молекулы оценивается содержание метиленовых групп (СН2) по полосе поглощения 720 см–1, метильных групп (СН3) по полосе поглощения 1380 см–1, сульфоксидных групп (SO) по полосе поглощения 1030 см–1 и карбонильных групп (СО) в области 1720–1700 см–1 относительно ароматических связей С=С-связей по полосе поглощения 1600 см–1.

Так, в работе ИК-спектрометрия использована для изучения химического состава твердых углеводородов. Для идентификации характеристических полос поглощения в ИК-спектрах парафиновых и твердых нефтяных углеводородов были сняты спектры жидких ароматических и парафино-нафтеновых углеводородов, выделенных жидкостной хроматографией на силикагеле из нефтяных масел и полупродуктов их производства. Присутствие неразветвленных парафиновых структур доказывалось сильными полосами поглощения при 720 и 1300 см–1. Степень разветвленности парафиновых цепей углеводородов оценивалась по полосам поглощения в области 1376 и 1464 см–1, которую предложено охарактеризовать с помощью коэффициента β, представляющего собой отношение интенсивностей наиболее характерных полос поглощения для СН3- и СН2-групп:

.

Чем больше это соотношение, тем выше степень разветвленности парафиновых структур в нефти и нефтепродуктах.

Для исследования ароматических структур наиболее информативны полосы поглощения 812–816 и 1600 см–1. Степень ароматичности может быть охарактеризована некоторыми коэффициентами, представляющими собой соотношение интенсивностей наиболее характерных полос поглощения для ароматических структур относительно метиленовых групп парафиновых структур:

и для ароматических структур относительно метиленовых групп парафиновых структур:

.

Чем больше это соотношение, тем больше степень ароматизации нефтепродуктов.

ИК-спектрометрия может быть также использована как непрямой метод определения количества нафтеновых структур, как было показано в работе при исследовании химического состава нафталанской нефти (Республика Азербайджан). Сравнительные данные структурно-группового состава исследованных фракций и ИК-спектрометрии свидетельствуют об их хорошем соответствии и надежности предлагаемого метода.

Спектральные коэффициенты, являющиеся отношением оптических плотностей полос поглощения на частотах 1710, 1600, 1380 и 720 см–1, использованы при определении изменения углеводородного и структурно-группового состава остаточных нефтей, извлекаемых экстракцией из нефтесодержащих пород [22], что позволило в совокупности с другими данными оценить вклады влияния таких основных факторов, как окисление нефти закачиваемой водой, изменение минерального состава породы, определяющих качественный состав остаточных нефтей в неоднородных терригенных пластах.

ИК-спектрометрия позволяет наряду со структурно-групповым анализом углеводородной части нефти и нефтепродуктов охарактеризовать и гетероатомсодержащие соединения. В работе с помощью инфракрасной спектрометрии в разбавленных растворах асфальтита в присутствии полярного растворителя хлороформа зарегистрировано появление валентных колебаний несвязанных гидроксильных и сульфоксидных групп, а также межмолекулярных и внутримолекулярных взаимодействий гидроксильных и сульфоксидных групп в зависимости от концентрации. В присутствии неполярного растворителя четыреххлористого углерода, обладающего низкой степенью обменного взаимодействия, в ИК-спектре наблюдаются поглощения валентных колебаний гидроксильных и сульфоксидных групп, связанных слабым внутримолекулярным взаимодействием.