Нефтепродукты представляют собой сложные смеси углеводородов различного строения и молекулярной массы, содержащие примеси сернистых, азотистых, кислородсодержащих соединений, а также металлоорганические компоненты. Их аналитическое исследование имеет ключевое значение для оценки качества топлива, смазочных материалов, битумов и сырья нефтехимической промышленности. Основные задачи аналитической химии в данной области включают определение фракционного состава, физико-химических характеристик, содержания примесей и стабильности продукта.
Фракционный анализ проводится методом перегонки при нормальном или пониженном давлении. Он позволяет установить температурные интервалы кипения отдельных фракций и количественное их распределение. Для легких дистиллятов (бензины, керосины) используется методическая база ASTM D86, в то время как для тяжелых нефтепродуктов и вакуумных остатков применяют перегонку в аппаратах с короткой насадкой или молекулярную дистилляцию.
Фракционный состав является критическим параметром при оценке моторных топлив, поскольку он определяет испаряемость, склонность к образованию паровых пробок и полноту сгорания.
Плотность характеризует состав и качество нефтепродукта. Она измеряется ареометрами, пикнометрами, а также современными цифровыми плотномерами на основе колебаний вибрационной трубки. Вязкость, тесно связанная с эксплуатационными свойствами масел и топлив, определяется капиллярными вискозиметрами (Оствальда, Уббелоде) либо ротационными приборами.
Определение содержания углерода, водорода, серы, азота и кислорода проводится методами элементного анализа, рентгенофлуоресцентной спектроскопии, высокотемпературного сжигания с последующей газоанализной детекцией.
Особое внимание уделяется сере, так как она снижает экологическую и эксплуатационную ценность топлива. Методы определения включают титриметрические варианты (метод Шидельса, метод Розинга), а также современную флуоресцентную детекцию и ИК-спектроскопию.
Газовая хроматография является основным инструментом для анализа индивидуального состава углеводородов в бензинах, керосинах и легких нефтяных фракциях. Используются капиллярные колонки с полярными и неполярными неподвижными фазами, что обеспечивает разделение парафиновых, изопарафиновых, нафтеновых и ароматических соединений.
Жидкостная хроматография применяется при исследовании тяжелых нефтепродуктов, масел и асфальтенов. Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) позволяет проводить групповой анализ по классам соединений.
ИК-спектроскопия используется для идентификации функциональных групп и оценки содержания ароматических и нафтеновых структур. УФ-спектроскопия применяется для определения ароматических углеводородов в бензинах и дизельных фракциях.
Ядерный магнитный резонанс (¹H и ¹³C ЯМР) дает сведения о распределении углеводородных цепей, изомерии и степени ароматичности. Масспектрометрия обеспечивает качественный и количественный анализ индивидуальных компонентов, включая полициклические ароматические углеводороды.
Содержание механических примесей устанавливается путем фильтрации и последующего взвешивания осадка. Вода определяется методом К. Фишера (титриметрический или кулонометрический вариант), а также дистилляцией с толуолом.
Кислотное число характеризует содержание органических кислот, что особенно важно для смазочных масел. Оно определяется титрованием растворов нефтепродукта в органическом растворителе щелочными растворами в присутствии индикатора или потенциометрически. Щелочное число оценивается аналогичным образом и отражает способность масла нейтрализовать кислые продукты окисления.
Стабильность топлива оценивается по склонности к образованию смолистых веществ и осадков при хранении. Применяются методы ускоренного окисления в автоклавах при повышенной температуре и давлении кислорода, а также спектрофотометрические методы для определения продуктов окисления.
Современные нефтепродукты содержат комплексные присадки: антиокислительные, антикоррозионные, депрессорные, моющие. Их количественное определение проводится с использованием ВЭЖХ, ИК-спектроскопии и масс-спектрометрии.
Присутствие следов ванадия, никеля, железа и других металлов в тяжелых нефтепродуктах определяется атомно-абсорбционной спектроскопией, индуктивно связанной плазмой с оптической эмиссией (ICP-OES) или масс-спектрометрией (ICP-MS).
ТГА применяется для исследования термического разложения нефтепродуктов, установления содержания смол, кокса и летучих компонентов. Он позволяет оценить термостойкость и особенности деструкции образцов.
Современные требования к качеству нефтепродуктов обусловлены не только эксплуатационными характеристиками, но и экологическими нормами. Особое внимание уделяется определению содержания бензола, ароматических соединений, серы и полициклических ароматических углеводородов, оказывающих токсическое воздействие.