Химики РФ разработали метод оценки нефтяного сырья по инфракрасному спектру

Научный коллектив из нескольких институтов и вузов разработал новую методику оценки сырья для получения нефтяного игольчатого кокса при помощи инфракрасного спектра. Это будет полезно, в частности, для производства электродов и аккумуляторов, сообщили в пресс-службе Минобрнауки России.

«Исследователи из МФТИ, AIRI, Университета ИТМО, НИУ ВШЭ и Объединенного института высоких температур РАН разработали экспериментально-вычислительный подход, который помогает по инфракрасным спектрам оценивать состав сырья для производства игольчатого кокса. Метод может ускорить отбор сырья для производства электродов, аккумуляторов и других углеродных материалов. Работа опубликована в журнале Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy», — отметили в пресс-службе.

Игольчатый кокс — ценный углеродный материал с высокой проводимостью, термостойкостью и прочностью. Его качество во многом определяется составом исходного нефтяного сырья: долей ароматических соединений, насыщенных углеводородов, смол, асфальтенов, серы и других примесей. Однако между химическим составом сырья и итоговыми свойствами кокса лежит цепочка сложных превращений, которую сложно прогнозировать.

«Мы предлагаем подход, который позволяет извлекать сравнительную информацию о ключевых функциональных группах сырья непосредственно из инфракрасных спектров — относительно простого и доступного метода — и тем самым приблизиться к быстрой оценке сырья до коксования», — рассказал старший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ Илья Копаничук.

Предыдущие исследования с применением инфракрасной спектроскопии показывали, что отдельные полосы в спектре соответствуют гидроксильным, карбонильным, ароматическим и другим функциональным группам. Однако для нефтяных смесей этого недостаточно, поскольку в одной области спектра могут накладываться полосы от различных компонент. Из-за этого трудно однозначно связать конкретную полосу с определенной фракцией сырья.

Чтобы решить эту задачу, исследователи МФТИ совместно с коллегами из Научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО получили инфракрасные спектры промышленных образцов сырья. Затем они рассчитали простые спектральные показатели для интерпретации спектров по различным признакам: вкладу ароматических, насыщенных и кислородсодержащих компонентов, а также соотношению CH3 и CH2 — показателю разветвленности углеводородных цепей.

Параллельно создали компьютерные модели нефтяных смесей. В этих моделях состав был заранее известен: ученые задавали доли ароматических соединений, парафинов, нафтенов и асфальтенов. Для этих смесей рассчитали спектры и проследили, как изменение состава влияет на форму спектра. После этого исследователи применили методы анализа данных: линейные модели — для оценки основных фракций состава, а нейросеть — для более тонкого признака, соотношения CH3 и CH2.

Подход уже сейчас позволяет ранжировать образцы сырья по содержанию ароматики, насыщенных углеводородов и кислородсодержащих групп, что помогает быстро выявлять различия между партиями. Для полноценного количественного прогноза свойств кокса и абсолютных концентраций компонентов нужна дополнительная работа: расширение выборки и привязка к результатам дополнительных более дорогих аналитических методов.