Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




27.01.2021


27.01.2021


27.01.2021


27.01.2021


27.01.2021





Яндекс.Метрика





Микроэлементы нефти

18.03.2021

Микроэлементы нефти — химические элементы, присутствующие в нефти в количестве 0,02—0,03 % от общей её массы. Обнаружено более 60 микроэлементов, большая часть которых представлена металлами и содержится в основном в смолисто-асфальтеновых компонентах. Данные примеси определяются химическими, физико-химическими и физическими методами анализа.

Общая характеристика

В нефтях обнаружено более 60 элементов периодической системы химических элементов (выделены жёлтым цветом):

В среднем, концентрации этих микроэлементов уменьшаются в следующей последовательности:

Cl → V → Fe → Ca → Ni → Na → K → Mg → Si → Al → I → Br → Hg → Zn → P → Mo → Cr → Sr → Rb → Co → Mn → Ba → Se → As → Ga → Cs → Ge → Ag → Sb → U → Hf → Eu → Re → La → Sc → Pb → Au → Be → Ti → Sn.

Общее количество микроэлементов в нефти редко превышает 0,02—0,03 % от общей её массы, что затрудняет выделение и идентификацию соединений, в которые эти химические элементы входят. Известно, что микроэлементы могут находиться в нефти в виде мелкодисперсных водных растворов солей, тонкодисперсных взвесей минеральных пород, а также в виде комплексов и молекулярных соединений с органическими веществами. Такие соединения подразделяют на 5 видов:

  • элементоорганические соединения;
  • соли металлов, которые в кислотных функциональных группах замещают протон;
  • хелаты;
  • комплексы лигандов;
  • комплексы с гетероатомами или π-системой полиароматических асфальтеновых структур.

Металлы

Наибольшее количество микроэлементов в нефти представлено металлами. Металлические компоненты в основном содержатся в смолисто-асфальтеновых веществах (САВ) нефти. Ванадий, которого содержится в нефтях больше всего из этой группы, полностью концентрируется в САВ, а в масляных фракциях этот элемент практически полностью отсутствует. Никель также в основном находится в высокомолекулярных компонентах нефти, однако в небольших количествах он встречается и в маслянистых фракциях тяжёлой нефти. Также в относительно больших концентрациях в нефти присутствуют железо, щелочные и щелочноземельные металлы.

Концентрация ванадия достигает 10−2 %. Наиболее изученной формой данного металла в нефти являются его комплексы с порфиринами (ванадилпорфирины). Существуют также и непорфириновые соединения ванадия, их, как правило, разделяют на две группы:

  • комплексы с лигандами псевдопорфириновой структуры (хлорины, бензопорфирины и др.);
  • комплексы с тетрадентатными лигандами, имеющие смешанные донорные атомы (β-кетоимины, β-дикетоны, о-меркаптоанилы, β-дитионы).

Они различаются степенью ароматичности (первый тип имеет повышенную ароматичность) и устойчивостью к кислотному деметаллированию (первый тип обладает высокой устойчивостью).

Концентрация никеля достигает 10−3 %. Как и ванадий, никель встречается и в порфириновых, и в непорфириновых комплексах. По своей природе эти соединения аналогичны, и с возрастанием молекулярной массы нефти доля непорфириновых веществ возрастает, а доля порфириновых комплексов падает.

Хром и марганец в нефти находятся в соединениях, аналогичных ванадилпорфиринам и обнаруживаются в широком диапазоне нефтяных фракций. Железо содержится в нефти в концентрациях от 10−4 до 10−3 %. Природа его соединений не изучена, предполагается, что Fe также находится в виде порфириновых комплексов.

Цинк обнаружен в нефти в конентрациях от 10−5 до 10−3 %, ртуть — от 10−7 до 10−5 %. В основном эти эементы концентрируются в высококипящих фракциях и CAB. Их природа не выяснена, однако предполагается, что цинк может находиться в виде комплекса с порфиринами, а ртуть — в соединении с диалкил- или диарил-радикалами.

На долю щелочных и щелочноземельных металлов приходится 10−3—10−4 %. Эти микроэлементы являются составной частью пластовых вод. Они представлены в виде солей нефтяных кислот, фенолятов, тиофенолятов и встречаются во всех фракциях.

Также в нефти в незначительных концентрациях обнаружены радиоактивные элементы: урана — от 10−8 до 10−4 %, тория — от 10−8 до 10−7 %, радия — от 10−13 до 10−12 %.

Неметаллы

Наиболее распространёнными неметаллическими компонентами в нефти являются галогены. Их содержание в нефти колеблется от 10−2 до 10−4 % (хлора — 10−2 %, йода и брома от 10−3 до 10−4 %, фтор в нефти не обнаружен). Природа этих соединений не установлена, но известно, что при перегонке хлорорганических веществ в нефти выделяется хлороводород.

Ещё одним элементом-неметаллом, присутствующим в нефти, является фосфор. Его содержание достигает 10−3 %. О химической структуре фосфора известно, что в дистилляте присутствуют соединения, имеющие связи P—C, P—H и P—S. Также доказано, что фосфор в нефти относится именно к органическим соединениям, так как во время исследований был обнаружен только «дистиллятный» фосфор, а фосфаты (неорганические соединения фосфора) в дистиллят попасть не могут.

Методы определения

Микроэлементы нефти можно определять химическими, физико-химическими и физическими методами анализа.

К методам химического анализа относится титриметрия. Как правило, её применяют для определения таких элементов, как свинец, барий, кальций и цинк. Основным физико-химическим методом является фотометрия, которую используют при анализе нефтепродуктов на свинец, ванадий и мышьяк.

Стандартные химические и физико-химические методы определения микроэлементов

При определении микроэлементов в нефтепродуктах также широко применяются и физические методы анализа. Сюда относятся фотометрия пламени, атомно-абсорбционная спектрометрия и атомно-эмиссионная спектроскопия, атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой и рентгенофлуоресцентный анализ. Основным достоинством физических методов является то, что они способны определять одновременно большое количество различных микроэлементов в широком диапазоне их концентраций.

Стандартные физические методы определения микроэлементов (водные растворы после подготовки пробы) Стандартные физические методы определения микроэлементов (органические матрицы)

Роль микроэлементов в изучении нефтеобразования

Изучение микроэлементов интересно с точки зрения происхождения нефти, так как содержание некоторых элементов характерно в том числе для растений и животных, что может объяснять родственность с ними нефтей.

Однако, согласно обзору докторов химических наук М. А. Лурье и Ф. К. Шмидта, биогенная теория генезиса нефти не полностью объясняет то, как в нефть попали металлические компоненты. Согласно органической теории, никель и ванадий появились в нефтях в процессе многоступенчатого замещения меди в её комплексах и железа и магния в гемах и производных хлорофилла. Однако хлорофилл, как и гемоглобин, в нефти никогда не был найден, а порфирины могут быть абиогенного происхождения: они входят в состав метеоритов и синтезируются в соответствующих условиях, а также присутствуют в мантийных ксенолитах.

Отмечается также зависимость между содержанием в нефти серы и содержанием ванадия и никеля (чем больше сернистых соединений, тем больше V- и Ni-компонентов). Это даёт основание считать, что эти компоненты являются «первичными» и попали в нефть на стадии донных илов.