Прорыв российских ученых в переработке нефти

Нефть - штука полезная. Если бы она состояла только из углеводородов, то это было бы прекрасно. Но матушка-природа, создавая нефть, несколько усложнила нам задачу, подмешав в нефть некоторые неприятные добавки. Главной примесью в нефти являются органические соединения серы: тиолы, сульфиды и циклические соединения.

В зависимости от месторождения, их количество в пересчёте на чистую серу может колебаться от сотых долей процента по массе до 6%. Туркменская, бакинская и сахалинская нефть содержат минимальное количество серы, а вот уральская и сибирская насыщена ей по максимуму. Но больше всех «повезло» американцам: в нефти их месторождения «Пойнт» содержится 14% серы.

Основную часть серосодержащих примесей составляют тиолы – аналоги спиртов, в которых кислород заменён на серу. Про них и будем в основном говорить.

Проблема

Чем плохи тиолы в нефти? Можно сказать, что всем.

Во-первых, они дурно пахнут. Запах одного из компонентов сложной смеси сернистых примесей в нефти многим хорошо знаком. В России в бытовой газ добавляют небольшое количество этантиола – аналога этилового спирта, в котором вместо кислорода стоит сера. Поскольку его запах мы отчётливо ощущаем при концентрации нескольких долей микрограмма (одной миллионной доли грамма) в литре воздуха, то это позволяет очень быстро узнать об утечке газа. Кстати, скунсы вырабатывают смесь тиолов, которую и используют в качестве химического оружия. А теперь представьте себе запах на нефтяных месторождениях.

Во-вторых, тиолы ядовиты. Углеводороды – тоже не подарок, но в сочетании с сернистой органикой – это просто убийственная смесь и для человека, и для окружающей среды. А как же этантиол в газе? Там его такой мизер, что унюхать можно, а отравиться – нет.

В-третьих, тиолы – химически агрессивны. Они портят, например, катализаторы нефтехимического производства. Из-за них нефтедобывающее оборудование приходится изготавливать из дорогих специальных сплавов. Наличие небольших примесей сернистых соединений в моторном топливе приводит к снижению его октанового числа, а также быстрой коррозии двигателей

Как было раньше

Отсюда понятно, что сернистые примеси следует тщательно удалять из сырой нефти и как-то их утилизировать. Как это делалось до сих пор? От простых сернистых соединений – тиолов избавлялись щелочной очисткой, а более сложные (циклические и ароматические) требовали и более сложных методов. Но независимо от метода на выходе получался сероводород, из которого можно получить серную кислоту и чистую серу. А ещё на выходе получались вредные кислотные и щелочные стоки. Как говорится, что в лоб, что по лбу. Одна отрава получается.

Но химики-то ж знали формулы всех этих веществ и знали, что из них можно получить разные полезные вещества – более ценные, чем серная кислота и сера. В чём же загвоздка? Почему не получали? Одно дело нарисовать химическую реакцию на бумаге, а совсем другое – провести её в колбе. Но не всё, что получается в лаборатории, можно перенести в промышленность. В лаборатории химик может себе позволить делать с веществом то, что ему хочется и получать нужный результат. И пусть реакция идёт целую неделю при высоком давлении и высокой температуре, но идёт же!

Для промышленности же, конечно, важно и время проведения реакции, и условия. Слишком жёсткие условия увеличивают материало- и энергоёмкость производства. А если скорость реакции невелика, то получаем ещё и фактор времени. А время – деньги, как известно. Вот потому-то, сколь ни заманчива была идея прямого превращения сернистых примесей нефти в другие продукты, кроме серы и кислоты, существовавшие методы их синтеза оказывались слишком затратными с экономической точки зрения.

Решение

Ускорить реакцию и смягчить условия помогают специальные вещества – катализаторы. Автомобилистам это слово должно быть знакомо. Любой химик вам скажет, что химия катализаторов – это скорее искусство, чем наука. Подобрать нужный катализатор или каталитическую систему – это большая удача. В истории химии есть примеры, как каталитические свойства некоторых веществ были обнаружены чисто случайно. Облегчает задачу химикам опыт, накопленный учёными за 180 лет, прошедших со дня, когда шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус предложил термин «катализ». Не совсем в темноте блуждают исследователи в поисках катализаторов, а с ярким фонариком в руках.

Довольно большую группу катализаторов представляют собой соединения палладия – благородного металла платиновой группы. И как нам повезло! Самое крупное в мире месторождение палладия находится в России (Норильск, Талнах). Осталось только найти соединение палладия для катализа реакций тиолов с образованием полезных продуктов.

Такой катализатор был получен группой химиков под руководством члена-корреспондента Российской академии наук В.П. Ананикова в Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского. Катализатор представляет собой комплекс палладия с азотсодержащим циклическим соединением.

А дальше, что делаем? Тиолы сами по себе летучи, и их легко выделить из нефти. Берем какой-нибудь тиол, смешиваем его с производным ацетилена и добавляем к смеси замечательный катализатор от академика Ананикова. И довольно быстро мы получим хороший и полезный продукт, который уже не воняет. Реакция проходит в одну стадию с большим выходом (96%) и высокой чистотой получаемого продукта (99%). То, что доктор прописал! Одностадийный синтез – мечта химика-технолога.

А что же делать с другими примесями: сульфидами и циклическими соединениями? Это не проблема. Их можно довольно легко по известным методикам превратить во всё те же тиолы, а дальше поступить с ними, как сказано выше.

Что же за продукт мы в итоге получаем? А получаем мы штуку со сложным названием: виниловый тиоэфир. Со словом винил многие знакомы. Так называют чёрные пластинки с музыкой. А всё из-за материала, из которого они сделаны – поливинилхлорида. Раз в названии есть «винил», то из этого винилового тиоэфира можно получить какой-нибудь поливинил.

И действительно, из виниловых тиоэфиров получаются полимеры, обладающих высокой термической и химической стойкостью, а также интересными оптическими свойствами. В таких материалах заинтересована электронная и оптическая промышленность, а также производители медицинского оборудования.

Открытие наших химиков позволяет теперь превратить вонючую неприятность в источник обогащения. И поскольку приоритет в этом деле принадлежит нашей стране, то им нужно побыстрее воспользоваться для блага и процветания нашей Родины. Нефть – это наше богатство, которое мы должны использовать полностью.