Предложен оригинальный метод твердофазной микроэкстрации углеводородов из воды с применением центрифуги. Приведены сравнительные результаты хроматографического элюирования веществ из водного раствора и минимальный предел обнаружения для ароматических и алифатических соединений.

С применением методов ИК-спектрометрии и хромато-масс-спектрометрии исследованы процессы биоокисления углеводородов нефти и определены наиболее значимые биоиндикаторы. характеризующие активность биодеструктивных процессов в условиях глубинных скважин Вахского месторождения.

Проведены микробиологические и физико-химические исследования воды и донных отложений щелочных озер Хакасии. Минерализация воды разных озер составляет от 20 до 135 г/дм3. При активном участии бактериального сообщества идут процессы синтеза и деструкции органических веществ, регенерация химических элементов и вовлечения их в биогеохимические циклы. В составе органического вещества, экстрагированного из воды и донных осадков оз. Тус, определены фталаты, алканы, ароматические углеводороды, фенолы и кислородсодержащие соединения природного и антропогенного происхождения.

Изучены химический состав высоковязкой нефти Монголии и влияние нефтевытесняющих композиций на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ) на распределение углеводородов (УВ) в процессе термостатирования системы нефть-композиция (нефть-вода) в лабораторных условиях. Показано, что присутствие композиции в системе приводит к перераспределению и изменению состава УВ нефтяной фазы и увеличению содержания нефтяных компонентов в водной фазе, особенно заметному при использовании ПАВ; в нефти увеличивается доля легких алканов С10-С15, в водной фазе преобладают алканы и циклогексаны С16-С25.

Предложен оригинальный способ пробоподготовки водных объектов для определения углеводородных примесей с использованием твердофазной микроэкстрации (ТФМЭ). Элюирование веществ осуществляют микроколичеством экстрагента (5 мкл на 2 мг сорбента) с помощью центрифуги. Разработаны специальные патроны для центрифугирования. В качестве сорбентов изучены Porapak Q и Tenax TA, выбран оптимальный растворитель для каждого сорбента. Использование ТФМЭ с помощью центрифуги позволяет определять углеводородные примеси в воде на уровне до -0.3 мкг/л.

Проведено теоретическое исследование атомной и электронной структуры сплавов и гидридов палладия в рамках теории функционала электронной плотности. Рассчитаны равновесные параметры решеток, полные и парциальные плотности электронных состояний, энергии связи и абсорбции водорода. Обсуждаются роль структурных и электронных факторов и их влияние на поглощение водорода в сплавах палладия.

Использован классический хроматографический метод для расчета теплот сорбции орто- пара- спиновых изомеров воды на активированном угле СКТ с помощью неселективного хроматографического детектора по теплопроводности. На основе экспериментов и расчетов получены следующие значения теплот сорбции: Qорто=-38.9 кДж/моль, Qпара=-46.8 кДж/моль. По литературным данным установлено, что оценочные значения теплот сорбции воды как единого вещества лежат в диапазоне 40-45 кДЖ/моль.

Методами теории функционала плотности проведено теоретическое изучение сорбции водорода в интерметаллических сплавах B2-TiMe (Ме=Ni, Co, Pd) с симметричной границей наклона Е5 (310) и поверхностью (310). Анализируется влияние водорода на электронные характеристики сплавов в зависимости от позиции сорбции на границах раздела. Показано, что энергия сорбции водорода зависит от его локального окружения, но в целом водород на границах раздела предпочитает позиции, обогащенные титаном, тогда как энергия сорбции водорода в позициях, обогащенных металлом, уменьшается с заполнением электронами d-оболочки второго компонента сплава. Проведены расчеты зернограничных и поверхностных энергий, а также энергий сегрегации водорода к границам раздела. Показано, что сорбция водорода в сплавах титана приводит к уменьшению работы Гриффится и способствует хрупкому разрушению по границам наклона.

Исследована сорбция гуминовых кислот на различных типах кремнийсодержащих материалов. Показано, что взаимодействие фрагментов гуминовых кмслот с минеральной поверхностью будет зависеть от кислотно-основных, поверхностно-активных свойств и от состава минеральной поверхности сорбента, Увеличение содержания алюминия в сорбенте усиливает взаимодействие гуминовых веществ с минеральной поверхностью Установлено, что гуминовые кислоты торфа лучше сорбируются на кремнийсодержащей поверхности за счет преобладания кислородсодержащих групп в составе фрагментов.

Методом проекционных присоединенных волн (PAW) в рамках теории функционала электронной плотности (DFT) изучена энергетика связи водорода с металлами IVB группы, а также взаимодействие водорода с примесями Зd-переходных и простых металлов (Al, Ga, Si, Ge). Установлено, что растворимость водорода в Ti, Zr и Hf увеличивается при их легировании металлами середины Зd-периода. Анализируется взаимосвязь между энергией взаимодействия водорода с примесью, искажениями решетки и электронной структурой исследуемых систем. Показано, что примеси не влияют на предпочтительность позиций сорбции водорода в титане, но могут изменять ее в цирконии и гафнии. Анализируется влияние примеси и водорода на электронную структуру металлов. Полученные результаты показали, что в изученных металлах взаимодействие водорода с примесями переходных и простых металлов определяются разными механизмами: притяжение водорода примесями переходных металлов обусловлено размерным эффектом, тогда как отталкивание водорода простыми металлами может быть связано с электронными факторами.

В предлагаемой книге на основании системного комплексного анализа оригинальных данных автора и последних литературных данных освещены практически все аспекты многоплановой проблемы нефтяного загрязнения различных районов Мирового океана. Учитывая, что основу нефтей составляют углеводороды, в книге в основном рассматривается поведение углеводородов во всех формах миграции и во всех океанских внешних сферах: (атмо-, крио-, био-, гидро-, латосфере) с учетом просачивающихся углеводородов из осадочной толщи. Проведена подробная инвентаризация источников поступления ангропогенных и природных углеводородов. На основании биогеохимического подхода описаны закономерности количественного и качественного распределения углеводороов: алифатических (в том числе алкановых) и полициклических ароматических. Установлены особенности распределения углеводородв в экосистемах высокоширотных акваторий Арктики и Антарктики, в импактных и фоновых районах. Особое внимание уделено их поведению в морях, где в настоящее время уже происходит добыча и интенсивная транспортировка нефти: в Баренцевом, Карском, Белом, Балтийском, Черном и Каспийском. Установлено, что антропогенные углеводороды, выносимые реками, оседают в области смешения речных и морских вод (маргинальных фильрах) и не попадают в открытые морские воды. При таком подходе представляется возможным получить достаточно объективное представление о нефти как о токсическом факторе, а также о реальных и потенциально возможных последстивиях нефтяного загряжнения морских акваторий. Результаты работы могут быть использованы для решения экологических задач: в процессе экспертизы и при мониторинговых исследованиях, для рекомендаций по применению средств и методов предотвращения и борьбы с нефтяным загрязнением.

В этой книге затронуты вопросы взаимосвязи физико-химических явлений в окружающей среде с изменениями климата и экологической ситуации на Земле, что определяет междисциплинарность ее содержания. Показана важнейшая роль взаимодействий на межфазных границах минерал/вода в процессах формирования и выветривания горных пород, в миграции химических элементов и веществ. Многочисленные практические примеры реальных природных экосистем и регионов, а также предлагаемые задачи помогают лучше понять необходимость тщательного изучения физико-химического аспекта биогеохимических процессов на уровне наноразмерных структур, без чего невозможно создание глобальной сети экологического мониторинга. Книга не имеет аналогов по содержанию и предназначена для студентов, аспирантов и преподавателей разных специальностей: геология, биология, химия, физика, охрана окружающей среды, химические технологии, электротехника и нанотехнологии.

Для регенерации трансформаторного и индустриального масел до уровня товарных предложены фильтры, представляющие собой комбинации полипропиленовых волокнистых сульфокислотных сорбентов с дисперсными ферромагнитными материалами. При использовании таких фильтров из производственного цикла исключается традиционная сернокислотная очистка.

Разработана новая конструкция фильтра для очистки нефтесодержащих вод, основанная на принципе трансформирования турбулентного потока жидкости в ламинарное течение. Этот принцип реализован с помощью перфорированных дисков, расположенных в корпусе фильтра на определенном расстоянии между собой и от входного патрубка. Проведена оптимизация конструкционно-структурных вариантов фильтра, соответствующих наивысшей адсорбционной емкости фильтрующего волокнистого материала. Конструкция фильтра легко модернизируется. Выявлены некоторые закономерности изменения адсорбционной емкости фильтра в зависимости от его конструкционных параметров, физико-химических свойств сорбента, природы углеводородного загрязнителя (сорбата) и гидродинамических условий фильтрования нефтесодержащих вод.

На основе использования бытового и промышленного стеклобоя, красной глины и органических добавок разработана экологически безопасная технология получения стеклокерамического материала — гранулированной фильтрующей пеностеклокерамики. Представлены лабораторные и эксплуатационные испытания полученного фильтрующего материала, его пригодности для очистки различных типов вод. Комплекс оксидов и гидроксидов, полученный на поверхности пеностеклокерамических гранул, позволяет удалять из воды железо и марганец.

Исследовано влияние сверхкритической воды (СКВ) и пирита на превращения пропилена при равномерном (1,5 К/мин) нагреве реагентов до 718 К. Продукты проанализированы методами ИК, 1Н ЯМР сперктроскопии, масс- и хроматомасспектрометрии. Исходя из температурных зависимостей давления реагентов установлено, что в отсутствие воды добавление пирита способствует снижению температуры начала олигомеризации пропилена. В отсутствие пирита добавление воды приводит к подавлению олигомеризации пропилена. Обнаружен синергетический эффект СКВ и пирита на превращение пропилена. Показано, что в присутствии пирита образуются сероводород, тиолы и метилпроизводные тиофена, а также увеличивается выход ароматических и полиароматических углеводородов. Обсуждаются механизмы наблюдаемых процессов.

В работе проведен анализ и исследована динамика распределения нефтепродуктов в воде и донных осадках водоемов, находящихся на территории нефтегазодобывающего комплекса Томской области. Показано, что в поверхностной воде Томской области в 2014 г., по сравнению с 2013 г., увеличилось количество взвешенных веществ, Синтетических поверхностно-активных веществ, сухого остатка и фосфатов. Концентрация нефтепродуктов в воде р. Обь в границах Томской области составляет 2-6 ПДК для водных объектов рыбохозяйственного значения. В 2013 г. предприятиями Александровского и Каргасокского районов Томской области в поверхностные воды было сброшено 825,11 и 401.83 тыс. м3 сточных вод, соответственно, из них нормативно-очищенных 709,99 и 42,74 тыс. м3, соответственно. В 2013 г. значения 8 и 13 показателей качества воды водных объектов этих районов увеличились на 4-70 % по сравнению с 2012 г. Выявлено, что наиболее загрязненные участки реки Васюган наблюдаются в среднем и верхнем ее течении на территории относительно "старых" нефтепромыслов. Площадь загрязненных участков была определена с использованием литературных и спутниковых данных.

Приведены результаты исследования состава ароматических полициклических углеводородов (ПАУ) и других органических примесей в пробах подземных вод в районе Обь-Томского междуречья - в зоне подземного водозабора Томска. Произведено сопоставление состава ПАУ в водах, почве и породе водоносного горизонта. Оценены скорости фильтрации органических загрязняющих веществ с поверхности почвы в подземные водоносные горизонты. Показана незащищенность продуктивных горизонтов от поверхностного влияния и повсеместная загрязненность подземных вод ПАУ. Отмечена тенденция ухудшения качества подземных вод под действием техногенной нагрузки на зону питания водозабора.

Методом масс-спектрометрии исследован групповой состав и распределение нафтеноароматических углеводородов нефтей Западной Сибири. В значимых концентрациях в нефтях присутствуют нафтеномоноароматические углеводороды, содержащие от 1 до 6 насыщенных циклов с общей формулой CnH2n-z, где z - 8, 10, 12, 14, 16, 18. Во всех нефтях доминируют нафтеномоноарены с одним насыщенным циклом. Отмечено увеличение содержания соединений с 3-6 насыщенными циклами в молекуле с ростом глубины залегания нефтей. Нафтенобиарены, содержащие от 1 до 6 насыщенных циклов, с общей формулойCnH2n-z, где z -14, 16, 18, 22, 24 присутствуют в нефтях в концентрациях от 20.0 до 54.0 мас.% на биароматическую фракцию. Для большинства нефтей характерно преобладание структур с 1 и 2 насыщенными циклами в молекуле. Зависимости цикличности нафтенобиаренов от природы исходного органического вещества не прослеживается. Отсутствие связи степени цикличности от типа ОВ, видимо, обусловлено тем, что поликонденсированные нафтенобиарены в большей степени отражают степень катагенетической преобразованности ОВ.

С использованием метода хромато-масс-спектрометрии проанализирован молекулярный состав алкилзамещенных моноциклических ароматических углеводородов асфальтита Ивановского месторождения. В отличие от большинства нефтей и природных битумов, асфальтит характеризуется необычным составом соединений практически всех изобарно-гомологических рядов этого класса углеводородов. К числу особенностей их состава относится явное преобладание 1-алкил-2,3,6-триметилбензолов состава С12-С23 с изопреноидной цепью нерегулярного строения. Такие соединения являются производными изорениератина - каротиноида, который содержтся в аноксигенных фотосинтезирующих зеленых серных бактериях семейства Chlorobiaceae (род Сhlorobium). Среди алкилтолуолов состава С13-С25 явно преобладают орто-изомеры, что указывает на невысокий уровень катагенной преобразованности объекта. н-Алкилбензолы практически отсутствуют в ряду моноалкилбензолов: последние представлены полным набором изомеров фенилалканов состава С17-С19. Такие сорединения в составе природным битумов идентифицированы впервые.

Методом микрокалориметрии определены интегральные теплоты межфазного взаимодействия жидких алифатических и ароматических углеводородов с волокнами и порошками полиакроилонитрила, полипропилена, глиной и песчаником при 293 и 303 К. Получены зависимости теплоты адсорбции углеводородов от массового соотношения сорбат:адсорбент. Теплота и продолжительность установления равновесия процесса взаимодействия углеводородов с твердыми поверхностями зависят в основном от структуры адсорбента.

Изучен индивидуальный состав моно-ароматических углеводородов нефтей Западной Сибири, залегающих в меловых и юрских отложениях. Среди моно-ароматических углеводородов идентифицированы н-алкил-, метилалкил- и этилалкилбензолы. Показано, что данные по составу алкилбензолов наряду с насыщенными и ароматическими углеводородами - биомаркерами несут информацию о биологических источниках и условиях формирования нефтей.

Для количественного выделения антраценовых углеводородов из смеси с фенантренами и другими соединениями предложены оптимальные условия аддуктообразования с малеиновым ангидридом. Методом ГЖХ исследован индивидуальный состав антрацена и С1-С3-антраценов, выделенныхпо прилагаеому способу из концентратов триароматических углеводородов нефтей, месторождений Ц. Оха, Катангли (о. Сахалин) и Дороховское (Урало-Поволжье). С помощью синтезированных индивидуальных соединений впервые в нефтях идентифицированы 2-этилантрацен, 1,3- и 2,3-диметилантрацены, а также рассчитаны индексы удержания для некоторых С2- и С3-замещенных антраценовых углеводородов для хроматографической фазы SE-54.

Проведен термолиз сырой нефти при температуре 350оС в течение 1 ч без и в присутствии алюмосиликатов в изотермическом режиме. Проанализирован состав газообразных и жидких продуктов термолиза. По сравнению с исходной нефтью при термическом и термокаталитическом воздейстивии в жидких продуктах реакции снижается количество смол и асфальтенов и возрастает содержание масел. Изучен индивидуальный состав насыщенных (алканов, стеранов, терпанов) и алкилароматических (соединений ряда бензола, нафталина, фенантрена) углеводородов. Показано, что термическое воздействие приводит к увеличению содержания более термически устойчивых м- и n-изомеров алкилтолуолов и алкилфенантренов. Рассчитаны геохимические параметры по составу алкилзамещенных бензолов, нафталинов и фенантренов.

Представлены результаты исследования состава жидких, летучих продуктов и остатка конверсии высокосернистого природного асфальтита потоке сверхкритической воды при 400 оС, 30 МПа без и при добавлении в асфальтит алюминиевой и цинковой стружки (Al и Zn). Продукты исследованы с помощью методов элементного и рентгенодифракционного анализа, ИК-, ЯМР 1Н и масс-спектрометрии и ГХ/МС. Выделение тепла и водорода при окислении металлов сверхкритической водой обеспечило более глубокую конверсию и десульфуризацию асфальтита за счет его термической деструкции и гидрирования. Доля нерастворимого остатка конверсии уменьшилась при добавлении Al и Zn от 44,5 до 11,3 и 26,3 %, соответственно. Степень десульфуризации асфальтита при СКВ конверсии в присутствии Al составила более 70 %, а в присутствии Zn − более 60 %. Установлено, что при добавлении металлов к асфальтиту увеличилось содержание масел в жидких продуктах конверсии. Эти жидкие продукты характеризуются меньшим содержанием карбонилсодержащих веществ и сульфоксидов. Смолы и асфальтены жидких продуктов, полученных при СКВ конверсии в присутствии добавок, содержали больше азота и ароматических фрагментов, но меньше серы, чем полученные при конверсии без добавок. Добавление металлов привело к увеличению в жидких продуктах содержания полициклических ароматических углеводородов и гетероатомных соединений. В частности, в маслах увеличилось содержание таких соединений с общим числом колец от 3 до 6.

В работе развит метод гибридных клеточных автоматов, предназначенный для изучения поведения гетерогенных материалов и контрастных сред. Метод представляет собой комбинацию двух подходов - классических и подвижных клеточных автоматов. Верификация метода проведена путем равнения результатов моделирования сорбции углекислого газа в лигните с экспериментальными данными, предоставленными исследовательским отделом Веленской угольной шахты (Словения). С использованием полученных оценок параметров модели проведено численное исследование влияния газовой фазы на прочность и разрушение образцов лингита. Показано, что присутствие газовой атмосферы с давлением даже в 0.1 МПа приводит к изменению эффективной прочности угольных образцов и характера их разрушения. Разработанный метод может быть использован для исследования особенностей поведения сложных многокомпонентных сред, таких как угольные пласты в зоне горных выработок.

Методами ИК- и хроматомасс-спектрометрии исследовано распределение органических соединений в донных отложениях озер Алтая и Хакасии. Состав и содержание отдельных групп углеводородов и кислородсодержащих соединений свидетельствуют не только о природных, но и об антропогенных факторах образования органической составляющей донных отложений.

Проведено изучение состава насыщенных циклических углеодородов (цикланов или нафтенов) в нефтях разновозрастных отложений, месторождения которых расположены на территориях различных нефтегазоносных бассейнов. Установлено, что содержание цикланов в нефтях уменьшается от кайнозойских отложений к палеозойским. Для нефтей кайнозойских и мезозойских отложений в пределах одного возраста содержание цикланов тоже уменьшается по мере увеличения их глубины залегания. Групповой состав насыщенных циклических углеводородов нефтей разновозрастных отложений имеет схожий характер, где концентрации цикланов укладываются в ряд: моноцикланы бицикланы трицикланы тетрацикланы пентацикланы.

Проведен сравнительный анализ состава и распределения органических соединений в донных отложениях пресного оз. Мурашка (Томская обл.) и гиперсоленого оз. Мармышанское (Алтайский край). Идентифицированы ациклические, алициклические и ароматические углеводороды, нормальные алифатические кислоты и их эфиры, ациклические и алициклические кетоны, ациклические, алициклические и ароматические спирты, фосфаты, фураны и тиофены. Выявлены особенности состава органических соединений в озерах различной степени минерализации.

С использованием современных масс-спектральных и радиоспектрометрических методов установлен структурно-групповой состав мезозойских нефтей Восточно-Гобийского (Дзунбаянского) и Тамсагского нефтеносных районов, а также содержащихся в них углеводородов, смол и асфальтенов. Показаны доминирующая роль алканов, алкилмоноцикланов и алкилмоноаренов среди углеводородов и высокая распространенность алифатических структурных фрагментов в составе высокомолекулярных гетероорганических компонентов нефтей. Эти особенности состава свидетельствуют о том, что описанные нефти практически не были затронуты процессами микробиальной деградации.