IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

В связи с большими объемами фальсификации нефтепродуктов и увеличением объемов переработки нефти в нефтепродукты, важным представляется возможность экспрессной, дешевой и доступной оценки качества бензинов и других НП. Одним из таких методов является ИК-спектроскопия.

Автомобильный транспорт является основным потребителем нефтяного топлива. В настоящее время в мире эксплуатируется более 600 млн автомобилей, а в 2010 году их число, возможно, возрастет до 1 млрд. штук. Автомобильный парк России составляет лишь 3,5% от численности эксплуатируемых в мире автомобилей. В то же время это один из самых динамично развивающихся секторов мирового автомобильного рынка.

Суммарное мировое потребление моторных топлив составляет около 1,75 млрд.т/год, в том числе на долю автомобильных бензинов приходится более 800 млн.т/год.

Ассортимент и качество вырабатываемых и применяемых бензинов определяются структурой автомобильного парка страны, техническими возможностями отечественной нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Современные автомобильные бензины должны удовлетворять ряду требований, обеспечивающих экономичную и надежную работу двигателя, и требованиям эксплуатации: иметь хорошую испаряемость, позволяющую получить однородную топливовоздушную смесь оптимального состава при любых температурах; иметь групповой углеводородный состав, обеспечивающий устойчивый, бездетонационный процесс сгорания на всех режимах работы двигателя; не изменять своего состава и свойств при длительном хранении и не оказывать вредного влияния на детали топливной системы, резервуары, резинотехнические изделия и др. В последние годы экологические свойства топлива выдвигаются на первый план.

Отрицательное влияние выбросов автотранспорта на окружающую среду приводит к необходимости ужесточать нормы на состав отработавших газов автомобилей. Продукты сгорания бензинов, содержащиеся в отработавших газах автомобиля, поступают в атмосферу, загрязняя окружающую среду. С целью снижения вредных выбросов автомобилями их стали оборудовать каталитическими системами нейтрализации отработавших газов, что потребовало ужесточения требований к качеству применяемого бензина.

Совершенствование конструкции двигателей и автомобилей, повышение качества вырабатываемых и применяемых бензинов должно сопровождаться общим повышением культуры эксплуатации автомобильного транспорта [3].

1. ИК-спектроскопия

ИК-спектроскопия основана на явлении поглощения химическими веществами инфракрасного излучения с одновременным возбуждением колебаний молекул. Инфракрасное излучение представляет собой электромагнитную волну и характеризуется длиной волны λ, частотой ν и волновым числом , которые связаны следующей зависимостью [4]:

где с — скорость света, а n — показатель преломления среды.

В спектроскопии поглощения, частным случаем которой является ИК-спектроскопия, происходит поглощение молекулами фотонов определённой энергии, которая связана с частотой электромагнитной волны через постоянную Планка. При поглощении фотона происходит возбуждение — увеличение энергии молекулы: она переходит из основного колебательного состояния E₁ в некоторое возбуждённое колебательное состояние E₂ так, что энергетическая разница между этими уровнями равна энергии фотона. Энергия поглощённого инфракрасного излучения расходуется на возбуждение колебательных переходов для веществ в конденсированном состоянии. Для газов поглощение кванта ИК-излучения приводит к колебательным и вращательным переходам [4].

Обычно в эксперименте прибор испускает одновременно все длины волн инфракрасного излучения, включая ближнюю ИК-область (14 000 — 4000 см^–1), среднюю ИК-область (4000 — 400 см^–1) и дальнюю ИК-область (400 — 10 см^–1). Поглощение излучения веществом количественно описывается законом Бугера — Ламберта — Бера [4]. А спектр получается при построении зависимости пропускания или оптической плотности от длины волны (частоты, волнового числа).

Для того чтобы поглощение излучения произошло, необходимо выполнение двух условий. Во-первых, поглощаются лишь волны такой частоты, которая совпадает с частотой того или иного колебания молекулы. Во-вторых, колебание должно вызывать изменение дипольного момента молекулы. По этой причине молекулы, не имеющие дипольного момента (например, H₂, N₂, O₂, а также соли без ковалентных связей и металлы), не поглощают инфракрасное излучение. Интенсивность полос в ИК-спектре пропорциональна квадрату изменения дипольного момента.

3. Экспериментальная часть

Для проведения сравнительных исследований были отобраны образцы 92 (АИ 92), 95 (АИ 95) бензинов и дизельного топлива (ДТ) с четырех различных заправочных станций (АЗС) г. Дубны (табл.1).

Табл.1. Проведенные сравнительные экспериментальные исследования

нефтепродукт	АЗС № 1	АЗС №2	АЗС №3	АЗС №4
АИ 92	+	+	+	+
АИ 95	-	+	-	+
ДТ	-	+	-	-

Согласно паспортам, которые описывали фактическое качество имеющихся бензинов, были выбраны следующие возможные направления исследования:

• определение содержания предельных углеводородов

• определение содержания ароматических углеводородов

• определение наличия серосодержащих компонентов

• определение наличия азотсодержащих компонентов (монометиланилина)

От каждого образца отбиралась аликвота 0.7 мл и помещалась для исследования на приставку НПВО ИК-Фурье спектрометра IRAffinity-1S (Shimadzu, Япония). Получены спектральные данные в ИК-области (4000-700 см⁻¹). Далее были проведены анализ и сопоставление полученных спектров.

Результаты и обсуждение

Анализ бензина с АЗС №2

На АЗЭ №2 были отобраны следующие образцы нефтепродуктов: ДТ, АИ-92, АИ-95 (см. рис. 1).

Проведя анализ образцов, было установлено, что в дизельном топливе на длинах волн 3000-2850 и 1500-1350 см^-1, в отличие от АИ-92 и АИ-95, были найдены различия в интенсивности пиков. Следовательно, в дизельном топливе содержание веществ, содержащих связи С-Н st , CH3δas, CH2δ больше, чем в других образцах.

Рис.1. ИК-спектр ДТ, АИ-92, АИ-95 на АЗС №2

В образце АИ-95, в отличие от АИ-92, интенсивность пиков больше на длинах волн 1200-1150 и 1100-1050 см^-1. Можно предположить, что данные колебания соответствуют колебаниям С=О и О-Н в оксигенатных группировках, которые, согласно паспорту, могут присутствовать в данном виде бензина. Так же было сделано предположение, что на длине волны 800-700, кроме связей CH2δ, могут находиться C-S st, что не противоречит паспорту [1, 2].

Анализ бензина с АЗС №4

На заправочной станции № 4 были отобраны нефтепродукты АИ-92, АИ-95, полученные спектры представлены на рис. 2.

Рис.2. ИК-спектры АИ-92, АИ-95 на АЗС №4

Проведя анализ в данных образцах было обнаружено, что в АИ-95, в отличие от АИ-92, интенсивность пиков на длинах волн 3000-2850 см^-1 выше, из чего можно сделать вывод, что в данном образце процентное содержание веществ содержащих связи C-H st больше. На длине волны 1250-700 см^-1 видны пики, соответствующие соединениям оксигенатов, повышающих октановое число [1,2].

Анализ бензинов АИ-92 с разных АЗС

На рис. 3 представлено наложение спектров образцов АИ-92 с заправочных станций № 1-4.

Рис.3. ИК-спектры бензина АИ-92: АЗС №1 (синий), №2 (сиреневый), №3 (красный), № 4 (зеленый)

При наложении спектров бензинов, отобранных с различных заправочных станций, видно, что спектры практически идентичны. Одинаковая интенсивность наблюдается практически на всех длинах волн, но на 3000-2850 и 800-700 см^-1 интенсивность пиков соответствующих образцу №2, больше чем в других образцах. Можно предположить, что в данном образце процентное содержание веществ содержащих связи C-H st и CH2δ больше , чем в остальных. Также для бензина с АЗС № 2 видно на длинах волн 1200-1150 и 1100-1050 см^-1 усиление пиков, что показывает повышенное содержание оксигенатов [1,2].

Анализ бензинов АИ-95 с разных АЗС

На рис.4 представлено наложение спектров образцов АИ-95 с АЗС №№2, 4.

Рис.4. ИК-спектры АИ-95 на АЗС №2 (синий) , №4 (красный)

Было обнаружено, что интенсивность пиков на длинах волн 1200-1050 и 800-700 см^-1, в образце с заправочной станции №2, процентное содержание веществ содержащих связи CH2δ больше, чем в образце с АЗС №4. Также на длинах волн 1200-1150 и 1100-1050 см^-1 наблюдается усиление пиков, что снова указывает на повышенное содержание оксигенатов. В паспортах описано содержание сложных эфиров (С5) в качестве таких оксигенатов.

Спектры были проанализированы на предмет обнаружения колебательных пиков, подтверждающих наличие ароматических аминов и серосодержащих компонентов.

Для бензинов АИ-92 и АИ- 95, отобранных с АЗС №№2, 4 в области 1340-1250 см^-1 заметны пики невысокой интенсивности. Их возможно было бы отнести к колебаниям первичных ароматических аминов (R-NH₂), но дополнительных пиков на 3472 и 3378 см^-1, подтверждающих наличие аминогруппы не наблюдается.

Наличие серосодержащих компонентов можно подтвердить рядом наблюдаемых пиков небольшой интенсивности в области 750-690 см^-1 , 1040, 1520, 3050 см^-1, что является характеристическим набором полос для тиофена, также, возможно, сера содержится в других соединениях, поскольку в областях 1100, 1200 и 1400 см^-1 также наблюдается ряд небольших пиков, что соответствует целому ряду соединений, содержащих S=O связи [1,2].

Данная информация не противоречит показаниям испытаний, указанных в паспорте образцов рассмотренных нефтепродуктов.

Выводы

• С помощью метода ИК-Фурье спектроскопии можно установить качественный состав и основные компоненты сложных смесей, таких как нефтепродукты;

• Метод ИК-Фурье спектроскопии не подходит для количественного определения валового содержания азотсодержащих и серосодержащих веществ;

• ИК спектроскопия позволяет определять функциональные группы органических соединений, входящих в состав бензинов и тем самым контролировать их качество по ряду показателей (серосодержащие компоненты, октановое число, оксигенаты).

• ИК-спектры рассмотренных образцов бензинов не противоречат информации, указанной в паспортах качества.

• На АЗС № 2 по сравнению с другими заправочными станциями в бензинах наблюдается повышенное содержание оксигенатов. Определить возможное превышение, по сравнению с указанными паспортными данными, методом ИК-спектроскопии не представляется возможным.

1. Списоклитературы

1. Тарасевич Б.Н. ИК спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы. Изд-во МГУ. Москва, 2012. 55с.

2. Тарасевич Б.Н. Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье. Подготовка проб в ИК спектроскопии. Изд-во МГУ. Москва, 2012. 55с.

3. Черниговский автофорум. [Электронный ресурс]// 2010. 10 августа. URL: http://bycar.com.ua/index.php?PHPSESSID=20a546366e7713af81b4d0094382865(дата обращения 08.04.2016)

4. Википедия. Инфракрасная спектроскопия [Электронный ресурс]// URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Инфракрасная_спектроскопии

Код для цитирования: Скопировать