Микроэлементы нефти

Микроэлеме́нты не́фти — 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)[1]:

Группа
Период
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
 
Лантаноиды * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Актиноиды ** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

В среднем, концентрации этих микроэлементов уменьшаются в следующей последовательности[2]:

ClVFeCaNiNaKMgSiAlIBrHgZnPMoCrSrRbCoMnBaSeAsGaCsGeAgSbUHfEuReLaScPbAuBeTiSn.

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[3]:

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[4].

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[4]:

  • 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)[4].

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[4].

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[4].

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[4].

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[4].

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 %[4].

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[4].

Ещё одним элементом-неметаллом, присутствующим в нефти, является фосфор. Его содержание достигает 10−3 %[5]. О химической структуре фосфора известно, что в дистилляте присутствуют соединения, имеющие связи PC, 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[6].

Методы определения

Микроэлементы нефти можно определять химическими, физико-химическими и физическими методами анализа[7].

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[7].

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[7].

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[8].

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[9].

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[10].

Примечания

  1. Надиров Н. К., Котова А. В., Камьянов В. Ф. и др. Металлы в нефтях. — Алма-Ата: Наука, 1984. — С. 142. — 448 с.
  2. Давыдова С. Л., Тагасов В. И. Нефть и нефтепродукты в окружающей среде. — М.: Изд-во РУДН, 2004. — 163 с.
  3. Проскуряков В. А., Драбкин А. Е. Химия нефти и газа. — Санкт-Петербург: Химия, 1995. — С. 295—299. — 448 с. — ISBN 5-7245-1023-5.
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Батуева И. Ю., Гайле A. A., Поконова Ю. В. и др. Химия нефти. — Л.: Химия, 1984. — С. 283—298. — 360 с.
  5. Камьянов В. Ф., Аксенов В. С., Титов В. И. Гетероатомные компоненты нефти. — Новосибирск: Наука, 1983. — С. 175. — 239 с.
  6. Карцев А. А. Основы геохимии нефти и газа. — М.: Недра, 1969. — С. 89—97. — 272 с.
  7. 1 2 3 Колодяжный А. В., Ковальчук Т. Н., Коровин Ю. В., Антонович В. П. Определение микроэлементного состава нефтей и нефтепродуктов. Состояние и проблемы (Обзор) // Методы и объекты химического анализа. — 2006. — Т. 1, № 2. — С. 90—104. — ISSN 1991-0290.
  8. Сыркин А. М., Мовсумзаде Э. М. Основы химии нефти и газа. — Уфа: Из-во УГНТУ, 2002. — С. 88—89. — 109 с. — ISBN 5–7831–0495–7.
  9. Лурье М. А., Шмидт Ф. К. Конденсированные превращения эндогенного метана под воздействием серы — возможный путь генезиса нефти // Российский химический журнал. — 2004. — Т. 48, № 6. — С. 135—147.
  10. Добрянский А. Ф. Химия нефти. — Л.: Гостоптехиздат, 1961. — С. 182—184. — 224 с.

Литература

  • Малая горная энциклопедия. В 3 т. = Мала гірнича енциклопедія / (На укр. яз.). Под ред. В. С. Белецкого. — Донецк: Донбасс, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.
  • Плотникова И.Н. Элементный состав нефти и рассеянного органического вещества и методы их изучения. — Казань: Казанский университет, 2012. — 163 с.