Главная – Журналы – Химия в интересах устойчивого развития 2019 номер 1

Глубокоуважаемые коллеги!

Международный научный журнал “Химия в интересах устойчивого развития”, основанный в 1993 г. академиком В. А. Коптюгом, в прошлом году отметил 25-й юбилей. Год от года публикационная активность журнала растет, расширяется круг авторов и читателей.

В этом году химия, особенно в интересах устойчивого развития, вызывает повышенное внимание, поскольку Генеральная ассамблея ООН объявила 2019 год – Международным годом Периодической таблицы химических элементов в честь Периодического закона, открытого Дмитрием Менделеевым 150 лет назад. Большой и бесценный вклад в развитие нашего журнала внесли академик Н. З. Ляхов, являвшийся главным редактором на протяжении более 20 лет, и зав. редакцией С. В. Леонова. В последние годы были объективные и субъективные трудности в работе редакции и редколлегии. В этот непростой период председатель СО РАН академик В. Н. Пармон, как главный учредитель журнала, оказал нам твердую поддержку. На заседании Президиума СО РАН 14 февраля 2019 г. утвержден новый состав редколлегии и главный редактор. В ближайшее время к нам присоединятся авторитетные члены редколлегии из стран дальнего зарубежья. Мы благодарны учредителям журнала: Сибирскому отделению РАН, Институту химии твердого тела и механохимии СО РАН, Институту катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, Новосибирскому институту органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН и присоединившемуся к ним “Федеральному исследовательскому центру угля и углехимии СО РАН” (г. Кемерово) за однозначную и всестороннюю поддержку. На настоящий момент подписаны все учредительные документы, на работу пришли активные и мотивированные сотрудники – канд. хим. наук Е. В. Матус в качестве ответственного секретаря и А. В. Тимошок – зав. редакцией, восстановлены деловые отношения с Издательством СО РАН. В редакции журнала определены пути решения накопившихся вопросов в кратчайшие сроки. В ближайших планах размещение английской версии номеров за последние годы на сайте до 01 июля 2019 г., и тем самым повышение цитируемости в международной базе данных на платформе Web of Science (WoS). Мы стремимся к тому, чтобы тысячи пользователей платформы WoS по всему миру имели доступ к полнотекстовым англоязычным версиям статей нашего журнала.

Для оптимизации работы редакции намечен переход на современное специализированное программное обеспечение “Электронная редакция”. Продолжая хорошие традиции журнала, особое внимание мы будем уделять качеству публикаций, повышению требований к рукописям статей и их рецензированию, активной работе членов редколлегии с авторами. С учетом современных вызовов, несомненно, с Вашей помощью, будем обновлять тематику и рубрикатор журнала. Мы приглашаем авторов к публикации своих научных работ в журнале “Химия в интересах устойчивого развития” и искренне надеемся на плодотворное сотрудничество!

1–5 октября 2018 г. в Институте химии нефти (ИХН) Сибирского отделения РАН (Томск) прошла юбилейная X Международная конференция “Химия нефти и газа”. Эта конференция, проводимая регулярно раз в три года, состоялась ровно через 30 лет после первого форума. Академический институт, в стенах которого проводилась конференция, почти полвека занимается химией нефтей России: исследованием их состава, строения и свойств, а также процессов и механизмов превращения нефтяных компонентов, научной разработкой способов повышения нефтеотдачи и глубокой переработки углеводородного сырья.

В форуме приняли участие более 200 специалистов, в том числе 57 молодых ученых, аспирантов и студентов. Участники конференции прибыли из разных городов нашей огромной страны (Новосибирск, Кемерово, Якутск, Мос­ква, Владивосток, Казань, Бугульма, Сыктывкар, Омск, Сургут, Пермь, Ханты-Мансийск, Красноярск, Уфа, Нижневартовск, Архангельск, Дзержинск), а также из Франции, Норвегии, Дании, Сербии, Монголии, Казахстана, Вьетнама, Китая. Повышенный интерес к конференции объясняется не только актуальностью ее тематики, но и широкой известностью ИХН СО РАН в России и за рубежом.

Важной особенностью современной науки является ее междисциплинарный характер. Проб­лематика конференции, представлена тремя направлениями. В разделе “Химия нефти и газа” сделаны доклады, посвященные закономернос­тям распределения углеводородных, гетеро­атомных и высокомолекулярных соединений в нефтях, газовых конденсатах и органическом веществе пород; новым методам исследования нефтей, состава и структуры нефтяных компонентов; природным битумам и горючим сланцам – нетрадиционным источникам углеводородов; лабораторному моделированию влияния природных и техногенных факторов на состав и свойства нефтей и природных битумов. Среди участников, выступивших с докладами, были такие известные ученые, как чл.-кор. РАН В. А. Каширцев (Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, Новосибирск), проф. Г. Н. Гордадзе (Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина, Москва), проф. К. Стоянович (Белградский университет, Сербия).

В разделе “Увеличение нефтегазоотдачи, подготовка, транспорт нефти и газа” рассмотрены физико-химические, микробиологические и комплексные методы увеличения нефте-, газо- и конденсатоотдачи, в том числе для месторож­дений с трудноизвлекаемыми запасами, что в последние годы становится все более актуальным из-за снижения объема добычи легких и средних нефтей, а также падения объема добычи нефти на месторождениях, находящихся на поздней стадии разработки.

В этой же секции были затронуты следующие темы: влияние методов увеличения нефтеотдачи на состав извлекаемой нефти; новые технологии обработки призабойной зоны нефтяных и газовых скважин; перспективные технологии подготовки и транспорта нефти и газа; проблемы добычи, подготовки и транспорта высоковязких и высокопарафинистых нефтей; проблемы освоения нефтегазовых месторождений Арктического региона. Доклады представили такие авторитетные ученые, как чл.-кор. РАН С. Г. Псахье (Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск), проф. Л. К. Алтунина (Институт химии нефти СО РАН, Томск), проф. Н. П. Запивалов (Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, Новосибирск).

Третье направление “Рациональное использование углеводородного сырья” включало в себя доклады о новых подходах к переработке углеводородного сырья (нефтей, природных битумов, горючих сланцев); новых способах химической переработки газообразных углеводородов, а также нетрадиционных способах углуб­ленной переработки нефти; новых продуктах и материалах из нефти, углеводородных газов и синтез-газа. Рассмотрены новые способы и технологии очистки, переработки и утилизации промышленных отходов нефтегазового комплекса. В числе приглашенных докладчиков выступили известные ученые: проф. F. J. Cadete Santos Aires (Лионский университет, Франция), чл.-кор. РАН В. А. Лихолобов и д-р хим. наук А. В. Лавренов (Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, Омск).

В рамках конференции проведены 8-я Школа молодых ученых “Химия нефти и газа-2018” и конкурс научных работ молодых ученых.

В работе форума приняли участие ученые и специалисты 20 научно-исследовательских и отраслевых институтов России, 12 зарубежных институтов, университетов и организаций, специалисты 7 организаций и предприятий нефте- и газодобывающей промышленности, включая производителей лабораторного и прочего оборудования, представители органов власти и общественных организаций.

Конференция показала, что научные достижения и практическая значимость представленных докладов по химии нефти и газа соответствуют современному международному уровню. Заключением столь представительного форума стало принятие важного решения о необходимости продолжения исследований:

– в области химического состава и геохимии нефти и газа с целью использования полученных результатов для прогноза и оценки нефтегазоносности недр, качества и свойств углеводородных флюидов;

– в области химии и физико-химии дисперсных углеводородных систем;

– по созданию новых технологических подходов для увеличения нефтегазоотдачи плас­тов, особенно трудноизвлекаемых запасов, подготовки и транспорта тяжелого углеводородного сырья;

– по разработке новых материалов и технологий для рационального использования природных ресурсов Арктики;

– по добыче и переработке нетрадиционных видов углеводородного сырья – тяжелых нефтей, природных битумов, горючих сланцев, природных газов и др.;

– по созданию эффективных катализаторов и технологий с их использованием по переработке легкого углеводородного сырья, включая метан;

– в области решения экологических проблем в нефтегазовой отрасли.

Механическая обработка цеолитов в мельницах различного типа является перспективным методом их модифицирования, не требующим сложного аппаратурного оформления и не дающим вредных сточных вод. Кроме этого, сухое смешение представляет единственный способ, позволяющий вводить в состав цеолита наноразмерные порошки металлов без изменения их свойств. В предлагаемой работе сухим механическим смешением цеолита структурного типа ZSM-5 с силикатным модулем 40 и порошка никеля со средним размером частиц 50 нм из расчета 0.5 мас. % приготовлены никельсодержащие цеолитные образцы, которые подвергались механической обработке в шаровой вибромельнице в течение 24-120 ч. Для сохранения свойств нанопорошка никеля и предотвращения его окисления полученные катализаторы не прокаливались. Степень кристалличности исходного цеолита и его механически обработанных форм определена с помощью методов ИК-спектроскопии и рентгеноструктурного анализа. Кислотные свойства катализаторов изучены методом термопрограммированной десорбции аммиака, позволяющим определить распределение кислотных центров по силе и их количество. Изменение каталитической активности и селективности исходного цеолита и механически обработанных никельсодержащих образцов исследовано в модельной реакции превращения н-гексана. Показано, что предварительная механообработка Ni/ZSM-5 снижает его степень кристалличности, силу и концентрацию кислотных центров. Установлено, что, варьируя длительность механической обработки, можно направленно изменять маршрут каталитической реакции, что позволяет увеличить выход катализата с улучшенными экологическими характеристиками в результате снижения в нем содержания н-алканов, ароматических углеводородов и алкенов с одновременным повышением доли изо- и циклоалканов.

Подобраны оптимальные условия и проведен синтез нанотрубок диоксида титана с использованием получаемых в промышленности рутильных пигментов. Исследованы их физико-химические свойства и каталитическая активность. Показано, что окисление сернистых соединений дизельной фракции в присутствии фотокатализаторов на основе нанотрубок диоксида титана позволяет эффективно и просто произвести очистку нефтепродукта.

Представлены результаты лабораторных испытаний разработанной в Институте химии нефти СО РАН термотропной композиции МЕГА для повышения нефтеотдачи и ограничения водопритока с двумя гелеобразующими компонентами - полимерным и неорганическим, на основе системы “соль алюминия - простой эфир целлюлозы - карбамид - вода”. Технология направлена на повышение коэффициента нефтеотдачи за счет увеличения охвата пласта при заводнении, паротепловом и пароциклическом воздействии и ограничение водопритока в широком температурном интервале (60-220 °С). В результате непосредственно в пласте образуется наноструктурированная система типа “гель в геле” с улучшенными структурно-механическими свойствами. Благодаря образующимся в пласте гелям сдерживается прорыв воды или пара из нагнетательных скважин в добывающие и перераспределяются фильтрационные потоки флюидов в нефтяном пласте, что приводит к стабилизации либо снижению обводненности продукции окружающих добывающих или пароциклических скважин, увеличению добычи нефти.

Приведены результаты экспериментов по моделированию процессов нефтяного загрязнения донных осадков в условиях замкнутых природных водоемов. Для вычленения возможного нефтяного загрязнения на нефтеносных территориях установлены геохимические индикаторы вклада нефтяных флюидов в органическое вещество современных осадков. В качестве индикаторов нефтяных загрязнений донных осадков природных водоемов могут служить три- и тетраметилпроизводные нафталина и дибензотиофена, присутствие флуоренов, диметил-бензантраценов и хризенов, а также стеранов и гопанов.

Исследован состав продуктов крекинга битума месторождения Баян-Эрхэт (Монголия) при различных продолжительности процесса, температурах, а также в присутствии радикалобразующих добавок (стирола, пероксида бензоила и ди- трет -бутилпероксида). Показаны характерные особенности изменения вещественного и фракционного составов продуктов крекинга в зависимости от условий. Исследован характер трансформации смолисто-асфальтеновых компонентов.

Изучена прямая неокислительная конверсия метана и его смеси с водой в плазме барьерного разряда в газообразные и жидкие продукты. Основными продуктами превращения метана являются водород (~60 %) и этан (~29 %), газообразные углеводороды С₃-С₄ (~10 %) и алканы С₅₊ (~1 %), преимущественно изомерного строения. В обоих случаях конверсия метана составляет 9.5-9.7 %, что соответствует энергозатратам на его превращение порядка 46 эВ/молекула. Наличие воды на стенках плазмохимического реактора создает условия для эффективного вывода продуктов из разрядной зоны и позволяет предотвратить образование депозита на поверхности электродов, что подтверждается результатами ИК-спектроскопии. Рассмотрен механизм неокислительной конверсии метана в плазме барьерного разряда (БР). Показано, что инициирование реакции происходит в результате столкновения молекул метана с электронами разряда. В результате диссоциации электронно-возбужденной молекулы метана образуется преимущественно метильный и метиленовый радикалы, атомарный и молекулярный водород, дальнейшее образование продуктов реакции происходит по радикальному механизму. Проведено моделирование кинетики превращения парогазовой смеси метан - вода в БР с использованием эффективной константы скорости электронно-молекулярной реакции и простого выражения для оценки ее значения. Выражение для оценки эффективной константы связывает действительную константу скорости электронно-молекулярной реакции с ключевыми параметрами плазмы БР и позволяет упростить процедуру его моделирования. Модель химической кинетики превращения метана включает в себя 74 реакции. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными. Анализ коэффициентов чувствительности реакций показал, что рост молекулярной массы продуктов реакции происходит преимущественно за счет процессов с участием метиленового радикала.

Изучено влияние бутилбромида на термические превращения мальтенов тяжелой нефти Усинского месторождения (Республика Коми). Крекинг мальтенов проводили при 450 °С в течение 2 часов в изотермическом режиме в присутствии инициирующей добавки - бутилбромида. Получены данные по материальному балансу процесса, составу жидких продуктов крекинга. Изучены изменения в углеводородном составе продуктов крекинга. Показано, что добавка бутилбромида (0,7 % мас. от массы сырья) приводит к увеличению выхода дистиллятных фракций с температуры начала кипения до 360 °С в 1.8 раза по сравнению с крекингом без добавки. Установлено, что при крекинге мальтенов с бутилбромидом наряду с глубокой деструкцией смол преобразованию подвергаются и масла за счет реакций деалкилирования и дегидрирования.

Рассмотрены возможности дистанционного зондирования как метода оценки экологического состояния труднодоступных территорий. С применением свободно распространяемых спутниковых снимков среднего пространственного разрешения MODIS исследована динамика изменения состояния растительного покрова антропогенно нарушенных территорий Томской обл. в условиях негативного воздействия нефтедобычи. Проведена оценка состояния растительного покрова по значению нормализованного вегетационного индекса NDVI. Проанализирована динамика состояния растительного покрова в период вегетации за 9-летний период с 2010 по 2018 гг. В работе пошагово изложен алгоритм обработки спутниковых данных средствами геоинформационной системы ArcGis 10.2.2. Проведен анализ значений вегетационных индексов NDVI фоновой территории Оглатского заказника и пяти территорий нефтегазовых месторождений Томской области: Лугинецкого, Оленьего, Ломового, Катыльгинского и Западно-Катыльгинского. Установлено, что для исследуемых территорий тенденция изменения значений индекса однотипна: высокие значения в 2016 г. и минимальные - в 2012 г. Анализ динамики изменения средних значений нормализованного вегетационного индекса NDVI в период вегетации показал улучшение состояния растительного покрова с 2012 до 2016 гг., но значительное снижение его значений с 2016 по 2018 гг. на всех исследуемых территориях.

Исследован процесс осадкообразования водонефтяных эмульсий парафинистых и высокопарафинистых нефтей с различным содержанием воды. Изучено влияние присадок на основе полиалкилметакрилатов на количество и состав осадков водонефтяных эмульсий. Показано, что ингибирующая способность присадки К-210 увеличивается при осадкообразовании водонефтяных эмульсий парафинистой нефти по сравнению с исходной нефтью, при этом эффективность ее зарубежного аналога присадки Flexoil снижается. Установлено, что характер изменения в составе парафиновых углеводородов осадков эмульсий и безводных нефтяных систем в присутствии присадок совпадает, следовательно, действие присадок при появлении воды в нефтяной системе сохраняется.

Методом хромато-масс-спектрометрии изучены содержание и химический состав органических жирорастворимых компонентов (липидов) снегового покрова, торфа и вод верхового участка, типичного для южной тайги Бакчарского болота (северо-восточные отроги Большого Васюганского болота). Показано, что состав липидов болотных вод подвержен сезонным колебаниям и формируется за счет соединений, образовавшихся в торфяной залежи и попадающих с атмосферными осадками, а также компонентов болотных растений. Содержание липидов в воде связано с динамикой уровня болотных вод, количеством выпавших атмосферных осадков и температурой воздуха. В начале весны количество липидных компонентов в болотных водах максимальное, их состав практически идентичен торфяным соединениям. При разбавлении воды тающим снегом содержание липидов снижается, при этом в снегу увеличивается доля основных групп липидов: н -алканов и н -альдегидов, а также циклических моно- и сесквитерпеноидов, присутствующих в болотных растениях раннего вегетационного периода. Повышение температуры воздуха и низкое количество атмосферных осадков приводят к росту в воде доли липидов, продуцируемых водными растениями, и соединений, входящих в состав смолы хвойных пород (дегидроабиетиновая кислота и ее производные). С увеличением количества дождевых осадков в воде снижается разнообразие состава и содержание липидов, при этом преобладают н -алканы С₂₅ и С₂₇, а также карбоновые кислоты. Снижение количества атмосферных осадков в конце лета сопровождается ростом содержания в болотной воде тритерпеноидов, стероидов, длинноцепочечных эфиров карбоновых кислот и токоферола. Кроме того, появляются характерные для березы бетулин и его производные, а также насыщенные нефтяные гопаны, попавшие в воду в результате проведения в августе технических работ на исследованном участке. Через месяц, в сентябре воды очищаются от продуктов антропогенной деятельности, резко повышается содержание биологических тритерпеноидов, а среди них - α- и β-амиринов, которыми обогащены брусника и клюква.

Методом хромато-масс-спектрометрии изучено распределение природных и антропогенных компонентов, а также соединений смешанного происхождения в осадках озер юга Сибири, степного и горного Алтая, характеризующихся различной степенью минерализации (от 0 до 300 г/дм³). Оценен вклад основных источников органического вещества в состав донных отложений. Определены специфические нефтяные соединения. Установлено, что формирование состава донных осадков происходит главным образом за счет соединений биогенного и смешанного происхождения. Выявлены участки с повышенным содержанием загрязняющих компонентов: нефтяных и пирогенных углеводородов, а также изоалкилбензолов - вероятных продуктов деградации поверхностно-активных веществ.

Представлен твердофазный способ получения массивных двухкомпонентных сульфидных катализаторов путем механохимического сочетания коммерческих порошков молибденита, кобальта и никеля. Приведены физико-химические характеристики катализаторов, обсуждается их активность в модельных реакциях гидродесульфирования дибензотиофена, 4,6-диметилдибензотиофена, в том числе, в присутствии карбазола и фенантрена, а также в процессе гидроочистки S-компонентов дизельной фракции.

Обобщены результаты исследования состава и структуры смолисто-асфальтеновых веществ малосмолистой и тяжелой высокосмолистой нефтей комплексом физико-химических методов исследования (экстракция, жидкостно-адсорбционная хроматография, элементный анализ, криоскопия в бензоле, ИК- и ЯМР ¹Н-спектроскопия, структурно-групповой анализ, селективная химическая деструкция сульфидных, эфирных и сложноэфирных связей, хромато-масс-спектрометрия). Выявлены сходства и различия структурно-группового состава смол и асфальтенов и азотистых оснований смол. Исследованы составы фрагментов, связанных в молекулах смол и асфальтенов через эфирные и сульфидные мостики, а также соединений, адсорбированных/окклюдированных молекулами асфальтенов. Установлено, что особенности состава и строения молекул смол и асфальтенов зависят от химической природы исходных нефтей.

Приведены результаты исследования процесса формирования эмульсий в парафинистых и высокосмолистых нефтях. Показано влияние состава смолисто-асфальтеновых компонентов и содержания водной фазы в нефтях на температуру застывания, реологические свойства и энергию активации вязкого течения водонефтяных эмульсий. Установлено, что в водонефтяных эмульсиях с преобладанием в составе парафиновых углеводородов формируются крупные устойчивые глобулы воды, возрастает температура застывания, вязкость и энергия активации вязкого течения. Эмульсии высокосмолистих нефтей характеризуются образованием структур с мелкими глобулами воды, высокой вязкостью и низкой энергией активации вязкого течения. Установлена степенная зависимость размеров глобул воды в водонефтяных эмульсиях от соотношения содержания смолисто-асфальтеновых компонентов и парафиновых углеводородов.

Представлен анализ физико-химических свойств трудноизвлекаемых нефтей сибирской части Арктической зоны России, что актуально при современных тенденциях развития нефтегазовой промышленности: увеличение доли трудноизвлекаемых запасов в структуре сырьевой базы углеводородов, осложненных геолого-физическими характеристиками пластов и особыми аномальными физико-химическими свойствами, и смещение географии добычи углеводородов в восточные и арктические регионы страны со сложными природно-климатическими условиями добычи нефти. Предложен подход к исследованию свойств нефтей на основе классификации трудноизвлекаемых нефтей. Подход иллюстрируется на примере анализа особенностей разных типов арктических трудноизвлекаемых нефтей Сибири. В анализе использована типизация трудноизвлекаемых нефтей, предложенная на основе обобщения большого числа литературных данных. С использованием мировой базы данных по физико-химическим свойствам нефти проведен анализ распределения нефти с аномальными свойствами, учитывающие повышенную плотность, вязкость, высокое содержание серы, смол, асфальтенов, твердых парафинов, ванадия, никеля, повышенную или пониженную газонасыщенность нефти и др. Установлены месторождения со сложными условиями залегания продуктивных пластов, выделены следующие осложняющие факторы при их разработке: слабопроницаемые и низкопористые коллекторы, залежи с аномально высокой или аномально низкой пластовой температурой, ниже 4500 м глубиной залегания, на территориях распространения вечной мерзлоты и др. Проведен анализ данных о более 4200 образцах арктических нефтей, позволивший установить особенности физико-химических свойств трудноизвлекаемых нефтей, относящихся к различным нефтегазоносным бассейнам Арктической зоны, особенно сибирской ее части. Результаты исследования могут быть использованы для разработки новых и совершенствования существующих методов и технологий нефтедобычи и нефтепереработки в особых арктических условиях.

Исследована техническая керамика эпохи бронзы Барабинской лесостепи (III - начало II тыс. до н. э.). Методом термогравиметрии изучены образцы внутренних и внешних поверхностей литейных форм и тиглей. Установлено, что, независимо от местоположения на изделии, они имеют хорошее и очень хорошее качество обжига. Зафиксированы достоверные различия в потере массы между образцами внутренней и внешней поверхностей тиглей, что позволяет определять тип теплотехнического сооружения (открытое или закрытое), направление нагнетания воздуха на тигель (непосредственно на металл, т. е. нагнетание воздуха мехами производилось в емкость тигля или в бок изделия, на стенку), долговременность его использования. В литейной форме происходят другие процессы. При заливке металла в ней возникает большой градиент температуры: на поверхности соприкосновения с отливкой температура формы по величине приближается к температуре расплава. На внешней поверхности в этот момент она равна начальной температуре. Однако время температурного воздействия кратковременно и ограничено периодом застывания металла. Разница в потере массы между внутренней и внешней поверхностями может накапливаться только при длительном использовании формы и, таким образом, свидетельствовать о кратности применения изделия. При определении функционального различия технической керамики тигли и формы могут быть разведены на основе различий в потере массы внутренней и внешней поверхностей. Результаты термического анализа добавляют существенные объективные данные в реконструкцию технологии древнего бронзолитейного производства в Евразии.