Химия твердого топлива, 2019, № 2, стр. 30-36

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Объектом исследований служили образцы сырой тяжелой нефти с территорий нефтедобывающего района Балаханы Апшеронского полуострова, а также образцы нефтезагрязненных почв, находящихся в непосредственной близости от скважин того же месторождения.

Влажность почв (полевую и гигроскопическую) определяли по методике [6]. Микробиологические исследования были проведены сразу после отбора образцов почв. Фитотоксичность почв определяли по прорастанию семян и длине проростков пшеницы [7].

Осаждение асфальтенов из экстрактов исходной нефти проводили 40-кратным по объему количеством петролейного эфира с температурой кипения 40–70°С. Методом жидкостно-адсорбционной хроматографии на колонке с двойным сорбентом (внизу – окись алюминия, вверху – силикагель: 40/100 мкм; хроматограф “Chemapol” Чехия) деасфальтенизаты разделяли на фракции, элюированные гексаном, бензолом и смесью бензол-этанол (1:1).

Содержание нефтепродуктов в почвах определяли весовым методом после экстракции углеводородов из навески почвы горячим гексаном в аппарате Сокслета [8]; степень деструкции нефтяных загрязнений – весовым методом на минеральной синтетической среде с добавлением 1 об. % нефтепродуктов, в динамических условиях на круговой качалке (160 об./мин) при 30–32°С. Длительность эксперимента составила 7 сут. В качестве контроля использовали колбы со средой и нефтепродуктами, без инокулирования.

Количественное определение остаточной нефти и нефтепродуктов проводили весовым методом. Для этого после окончания роста содержание колб подвергали экстракции хлороформом. Хлороформный экстракт отделяли центрифугированием в течение 30 мин и высушивали в стакане над 3 г безводного сульфита натрия. Аликвоты (5 мл) хлороформного экстракта переносили в предварительно взвешенные с точностью до 0.0001 г градуированные пробирки в положении под углом 45°, помещали в вентилируемый термостат при 70–75°С на 3.5–4.0 ч и затем выдерживали при 35–40°С в течение ночи и взвешивали.

Структурно-групповой состав исследуемых фракций определен методом фурье-спектроскопии на инфракрасном спектрометре Varian 3600 в диапазоне 4000–400 см^–1.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Тяжелые нефти характеризуются повышенной плотностью и вязкостью, обусловленными высоким содержанием смолисто-асфальтеновых веществ и гетероатомных соединений.

Нефти Апшеронского нефтегазоносного района имеют плотность 890–924.7 кг/м³, содержат смолы 2–16%, парафин до 13%, асфальтены до 1.2% [9, 10]. Плотность масляной фракции балаханской тяжелой нефти составляет 932.5 кг/м³. В балаханской масляной нефти содержится значительная доля насыщенных углеводородов, количество которых в 4.1–4.3 раза превышает ароматические, за исключением фракции 400–450°С.

В составе насыщенных углеводородов нефтей Апшеронского нефтегазоносного района, добываемых на суше, преобладают нафтеновые углеводороды, которые составляют более 70% [11].

Объектом исследования служила неокисленная в природных условиях сырая тяжелая балаханская нефть, характеризующаяся высокой плотностью.

Были изучены особенности преобразования нефтезагрязнений в процессе их микробиологической деградации в почве в течение 60 сут, в частности изменение фракционного состава выделенных из загрязненных почв (6.2%) нефтей после их биодеградации различными выделенными из нефтезагрязненных почв углеводород-окисляющими микроорганизмами в жидких средах и в почвах, отражающие качественные и количественные изменения состава нефти. Исходные и остаточные нефтепродукты разделяли на три группы: гексановую, бензольную и этанол-бензольную фракции. Результаты их исследований приведены в табл. 1.

При сравнении нефтяных загрязнений скважин с сырой нефтью установлено, что в отличие от добавляемых нефтей нефтяные загрязнения не содержат легких фракций и характеризуются более высокой плотностью. Из табл. 1 следует, что плотность нефтяного экстракта (0.9440 г/см³) значительно выше плотности сырой нефти (0.9320 г/см³), что очевидно связано со снижением в его составе масел и увеличения доли смолистых веществ – от 7.5 до 27.2%.

При определении степени превращения подвергнутой биоокислению нефти возникает необходимость детального исследования элементного и функционального составов веществ.

Методом фурье-ИК-спектроскопии был изучен углеводородный состав нефтей месторождения Балаханы: сырой, выделенной из нефтезагрязненных почв, подверженных биодеградации в жидкой среде и в условиях вегетативного эксперимента.

Многокомпонентность состава, молекулярная структура нефтяных систем обуславливают сложную картину полос поглощения с искажением их форм и интенсивностей. Следовательно, очень часто прямая качественная интерпретация, а тем более количественные расчеты, связывающие интенсивность поглощения с содержанием той или иной функциональной группы, становятся затруднительными.

Учитывая эти факторы, для оценок используют спектральные коэффициенты, рассчитанные как соотношение оптических плотностей характеристических полос поглощения, полученных из ИК-спектров нефтяных фракций, что также дает лишь приблизительную оценку изменений, происходящих в составе нефти и ее фракций [12, 13]. Более оптимальным является вариант, когда по данным ИК-спектров проводится интегрально-структурный анализ, и спектральные коэффициенты рассчитываются как отношение интегральных интенсивностей соответствующих полос поглощения.

На основании интегрально-структурного анализа и с применением фурье-ИК-спектроскопии в диапазоне 400–4000 см^–1 с разрешением 2 см был составлен набор коэффициентов (С₁–С₂₁), позволяющий охарактеризовать изменение химической структуры компонентов нефти, подвергнувшихся биодеградации. Коэффициенты С₁–С₂₁ вычисляли как соотношение результатов интегрирования соответствующих полос поглощения, что позволило определить относительное содержание рассматриваемых структурных фрагментов в изучаемых образцах с достаточно высокой степенью достоверности. Изучены качественные и количественные (как суммарные, так и по фракционному составу) изменения основных структурных фрагментов образцов нефтей, подвергнувшихся деградации.

Состав нефтепродуктов исследовали для установления закономерности распределения отдельных структурных групп в зависимости от фракционного состава и также для выявления особенностей структурно-групповых характеристик нефтей в процессе биодеградации.

Спектральные коэффициенты, характеризующие химическую структуру соединений нефтей определяли в максимумах соответствующих полос поглощения: алифатических (720, 1380, 1465 см^–1) и ароматических структур (1600–1610 см^–1), карбонильных групп в кислотах и эфирах (1710 и 1740 см^–1), сульфонильных групп (1030 см^–1), а также конденсированных полиметиленовых групп (965–974 см^–1) и метиловых групп в боковых цепях (743–753 см^–1).

Использовали следующие коэффициенты: C₁ = S₁₆₀₀/S₇₂₀ (ароматичности); C₂ = S₁₇₁₀/S₁₄₆₀ (окисленности); C₃ = S₁₃₈₀/S₁₄₆₀ (разветвленности); C₄ = S₇₂₀ + S₁₃₈₀/S₁₆₂₀ (алифатичности) и C₅ = = S₁₀₃₀/S₁₄₆₀ (осерненности).

Из табл. 2 следует, что в продуктах биодеградации по сравнению с исходной нефтью увеличиваются значения коэффициентов ароматичности (от 1.80 до 4.75) и окисленности (от 0 до 1.7) за счет увеличения кислородсодержащих групп (альдегиды, кетоны, кислоты), главным образом в спирто-бензольных смолах, что свидетельствует о протекающих процессах биологического окисления нефтепродуктов. Следует отметить, что общее содержание кислот в условиях деградации углеводородов растет по отношению к контрольному опыту для всех образцов, подвергшихся деградации.

Пути окисления нормальных парафинов микроорганизмами изучены достаточно подробно [14]. В преобладающем большинстве случаев в результате первичной ферментативной атаки молекулы н-парафина происходит окисление терминального атома углерода. Первыми стабильными продуктами окисления углеводородов являются первичные спирты. Следующий этап составляют обычные биологические превращения спирта в альдегид и альдегида в кислоту.

Микробиологическое окисление алкенов может включать следующие реакции: а) окисление метильной группы с образованием ненасыщенных кислот; б) образование эпоксидов по двойной связи; в) образование диолов. Ненасыщенные углеводороды могут окисляться одновременно и по метильной концевой группе, и по двойной связи молекулы [15].

Циклоалканы поддаются биологическому разложению труднее алканов, что связано с наличием цикла, который окисляется сложнее, чем молекулы с линейной структурой [16]. Штаммы, способные деградировать циклоалканы, имеют специфические ферментные системы, окисляющие циклогексан до циклогексанола, а его – до адипиновой, валериановой, муравьиной кислот. Если принять во внимание, что в процессе биодеградации нефти Балаханского месторождения нафтены, содержащие молекулы с усредненной цикличностью (1–4), уменьшаются по отношению к контрольному опыту, то вполне возможно, что увеличение кислотных структур будет происходить за счет кислот, образовавшихся в процессе деградации этих нафтеновых углеводородов.

Ароматические углеводороды наиболее токсичны для живых организмов [17, 18]. Микроорганизмы гидроксилируют ароматические углеводороды с последующим раскрытием бензольного кольца.

Алкилированные бензолы окисляются значительно интенсивнее, чем сам бензол. При этом соединение окисляется в основном за счет боковых алкильных цепей [19].

Группы С=С распределены во всех исследуемых фракциях балаханской нефти примерно одинаково (чуть меньше их содержание в бензольной фракции). В результате процесса деградации их содержание слегка растет в гексановой и уменьшается в бензольной и спирто-бензольной фракциях. Из данных табл. 2 следует, что общее содержание ненасыщенных структур в процессе деградации практически не меняется. При сопоставлении деградационных изменений для ненасыщенных структур и метиленовых групп можно заметить, что обнаруживается симбатность только между изменениями н-парафиновых, ненасыщенных компонентов и метиленовых групп. Действительно, соотношение между структурами с С=С-связью и СН₂-группами (С₁₅) практически одинаковы и очень мало меняются для всех трех фракций (по отношению к контрольному опыту) в процессе деградации. Очевидно, это становится возможным только в том случае, когда обе эти структуры содержат одинаково изменяющиеся в процессе деградации фрагменты. Таковыми, по всей видимости, являются н-парафиновые цепи.

Из изложенного можно сделать вывод, что С=С-связи практически не подвержены химическому и микробиологическому влиянию.

Показано [20], что олефины легко окисляются микроорганизмами. Ферментные системы микроорганизмов при окислении олефинов образуют насыщенные кислородом продукты, в которых двойная связь оказывается неразрушенной. Поскольку продуктом распада является тетрадеценовая кислота, считается, что имеет место прямая атака на метильную группу олефина. Кроме того, описан еще один путь окисления олефинов – эпоксидирование двойной связи [21].

В ИК-спектрах сложно-эфирные группы могут быть идентифицированы по двум полосам поглощения: С=О (С₁₇) и С–О–С (С₉), а карбоксисодержащие структуры идентифицируютя только по полосе 1740 см^–1 и могут быть описаны только коэффициентом С₁₇. В каждой фракции имеются карбонилсодержащие структуры, содержание которых при деградации меняется – уменьшается в гексановой и растет в бензольной и спирто-бензольной фракциях. Это могут быть компоненты с участием кетонов и альдегидов, которые трансформируются в кислотные фрагменты, полученные в результате окислительных процессов при деградации.

По данным ИК-спектров, в исходной нефти идентифицированы две структуры, содержащие серу и описываемые коэффициентами С₁ и С₈, сульфиды, меркаптаны, соединения, содержащие С–S–C-, C–S–H-связи, (С₁) и сульфоксиды (С₈). Рассматривалось поведение этих структур в отдельности (табл. 2), и оценивался их совместный вклад в процесс деградации, при которой относительное осернение уменьшается в гексановой и бензольной фракциях и растет в спирто-бензольной. В процессе деградации они ведут себя по-разному. Так, структуры, содержащие сульфидные связи (С₁), легко окисляются во всех трех фракциях и интенсивность деградационных изменений составляет 2.9; 1.4 и 2.1 для гексановой, бензольной и спирто-бензольной фракций соответственно. Сульфоксидные компоненты (С₈) меньше подвержены деградационным изменениям: для гексановой, бензольной и спирто-бензольной фракций максимальные по отношению к контрольному опыту изменения относительного содержания составляют 1.2; 1.5 и 1.1 соответственно (табл. 2). Общее содержание серы в процессе деградации уменьшается.

Присутствие азота в образцах нефти было установлено для структур, в которых имеются NH- и NH₂-группы по полосе валентных колебаний NH-связей при 1620 см^–1. Аминогруппы присутствуют в контрольных образцах во всех трех фракциях: в бензольной и спирто-бензольной их содержание по отношению к насыщенным углеводородам (С₁₄) и алифатическим структурам (С₁₄) одинаковы, а в гексановой – примерно в 2 раза больше. В процессе деградации в гексановой и бензольной фракциях содержание аминогрупп уменьшается, а в спирто-бензольной – растет (табл. 2).

Виниловые производные сложных эфиров (С₁₈) присутствуют в контрольных образцах всех трех фракций, главным образом в спирто-бензольной, в гексановой и бензольной фракциях в очень небольших количествах.

В образцах исходной нефти и опытах по биодеградации обнаружены комплексы металлов с карбонильной группой по типу Ме–О–С…Ме–О–С (С₁₉). Их содержание увеличивается при переходе от гексановой к бензольной фракций (табл. 2).

При переходе от гексановой к спирто-бензольной доля разветвленных структур увеличивается, уменьшается алифатичность, т.е. доля парафиновых структур, что говорит об увеличении ароматики. Также увеличивается окисленность нефти, определяемая из отношения содержания карбонильных групп к ароматическим структурам. Таким образом, микробиологические процессы способствуют ароматизации и депарафинизации исследованной нефти. При этом также увеличивается степень окисленности спирто-бензольных смол за счет увеличения кислородсодержащих групп. Среди продуктов окисления идентифицированы альдегиды, кетоны, сложные и ненасыщенные эфиры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Структурное разнообразие состава нефтей, выделенных из загрязненных почв, свидетельствует о том, что преобразование нефти представляет собой динамический процесс, в котором задействованы все компоненты нефтяной смеси, трансформирующиеся одновременно, но, очевидно, с различными скоростями. Из индивидуальных классов органических соединений наименьшей скоростью превращения отличаются полициклические ароматические углеводороды, что способствует их депонированию в смолисто-асфальтеновых комплексах.