«Зелёный» способ определения состава нефтепродуктов дешевле традиционных в полторы тысячи раз

Можно определять состав бензина, регистрируя свечение (люминесценцию) специальных сенсоров, реагирующих на компоненты нефтепродуктов.

Такой метод соответствует принципам «зелёной» химии и требует только одного грамма «незелёных» — вредных для окружающей среды — реагентов на 9000 анализов. При этом стоимость проведения одного анализа очень низкая — всего 30 копеек за измерение. Поэтому новый подход станет выгодной и экологичной альтернативой методу жидкостной хроматографии, который используется сегодня.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optical Materials.

Бензин содержит несколько десятков видов ароматических соединений — органических веществ с углеродным кольцом. По их составу определяется марка этого нефтепродукта — например АИ-92, АИ-95, АИ-98. Номер в названии определяет октановое число — показатель, который отражает, насколько плавно сгорает топливо и насколько низка вероятность его самовоспламенения. Как правило, чем больше ароматических соединений, тем выше октановое число, и тем более полно и равномерно сгорает бензин. Если же ароматических соединений в составе бензина слишком много, то он склонен к образованию нагара, который приводит к быстрому износу двигателя. Поэтому, чтобы техника, работающая на двигателях внутреннего сгорания, служила дольше, нужно контролировать содержание ароматических веществ в бензине.

Сейчас для определения состава бензина используется высокоэффективная жидкостная хроматография. В трубку, заполненную сорбентом (твёрдым носителем, который часто представляет собой высушенный гель из кремниевых кислот), наливают образец бензина, смешанного с растворителем. Проходя по трубке, бензин разделяется на составляющие (фракции), так как разные вещества протекают через сорбент с разной скоростью. В качестве растворителей обычно используются токсичные и пожароопасные вещества, такие как гексан, хлористый метилен или ацетонитрил. Исследователи пытаются снизить количество токсичных отходов, и поэтому ищут новые способы определения состава бензина.

Специалисты Ивановского государственного химико-технологического университета (Иваново) и Тихоокеанского государственного университета (Хабаровск) предложили использовать для анализа вещество-люминофор BODIPY, свечение которого зависит от содержания отдельных компонентов бензинов. Это соединение авторы получили, смешав пиррол — органическое соединение в виде кольца из атомов углерода и азота — и бензальдегид, углеродное кольцо с кислородом и некоторыми другими атомами.

Исследователи добавили люминофор в бензин, предварительно измерив его плотность и вязкость. Затем полученный образец поместили в спектрофлуориметр — прибор, который считывает длину волны и интенсивность свечения сенсора и оценивает содержание в бензинах и иных светлых нефтепродуктах суммарного количества ароматических компонентов. Для сравнения химический состав такого же образца определили с помощью стандартного метода жидкостной хроматографии. Оказалось, что с помощью BODIPY можно узнать содержание ароматических соединений в образце с погрешностью не более 3%. Кроме того, учёным удалось установить связь между количеством ароматических соединений, вязкостью и интенсивностью флуоресценции. Так, чем больше в бензине содержалось ароматических соединений, тем выше была ее вязкость и сильнее свечение.

Учёные подсчитали, что предприятие, использующее для определения состава бензина высокоэффективную жидкостную хроматографию, производит в год 30 литров токсичных отходов. Кроме того, хроматографическая колонка рассчитана на 100 анализов и стоит в среднем около 50 тысяч рублей, тогда как для предлагаемого метода нужен лишь датчик стоимостью 30 копеек за образец. Чтобы получить люминофор BODIPY, необходимо использовать около одного грамма «незелёных» — токсичных для окружающей среды — реагентов, при этом полученного продукта хватит на 9000 анализов. Таким образом, новый подход соответствует принципам зелёной химии. Методом уже заинтересовался Ивановский химический завод.

«В дальнейшем мы планируем доработать соединения-люминофоры, чтобы обеспечить большую чувствительность и меньшую погрешность в определении количества ароматических соединений. Благодаря нашему исследованию на предприятиях можно будет перейти к более удобным в эксплуатации сенсорным материалам, в том числе многоразовым. А за счёт совмещения нескольких люминофоров мы сможем расширить перечень детектируемых веществ в образцах», — рассказывает участник проекта Юрий Марфин, доктор химических наук, профессор Тихоокеанского государственного университета.