Введение к работе
Актуальность темы исследования. Основополагающим понятием теории строения водных растворов неэлектролитов является представление о водородных связях (Н-связи) с энергией 15-20 кДж/моль, не отражающее полноты существующих межмолекулярных взаимодействий.
Обнаружены энергетически слабые межмолекулярные взаимодействия, например, в бинарных системах "вода-углеводород", где последние имеют различное электронное и пространственное строение. Слабые спектральные эффекты, однозначно не интерпретируемые, являются объективной трудностью изучения этих взаимодействий, что обуславливает малоизученность систем "вода-углеводород". Наиболее перспективно с этих позиций изучение релаксационных характеристик структурообразующего элемента воды -кислорода методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) 170, ввиду высокой чувствительности этих спектральных параметров к тонким структурным изменениям.
Спектроскопия ЯМР пО в комплексе с другими физико-химическими методами (ЯМР 'Н, УФ-, ИК-спектрофотометрия, хромато-масс-спектрометрия) обладаег уникальными потенциальными возможностями в анализе структурных изменений водной матрицы при растворении индивидуальных соединений и сложных многокомпонентных смесей природного происхождения (нефть, нефтепродукты). Успешное применение метода требует создания комплекса корректных методик для оценки влияния органических веществ на строение водных растворов, количественного определения в воде соединений многокомпонентных систем природного происхождения и выявления наиболее эффективных путей использования такой информации.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 93-03-5593, № 9б-03-34297а "Исследование состояния системы "вода-углеводород" методами спектроскопии ядерного магнитного резонанса на ядрах 'Н, 2Н, 13С и 170". Методика количественного определения относительного содержания атомов водорода, углерода в многокомпонентных смесях органических соединений синтетического и природного происхождения зарегистрирована Госстандартом России (№ RU.0001.510099).
Лель работы - изучение слабых межмолекулярных взаимодействий в системах "вода-углеводород" методом спектроскопии ЯМР 170 и, сопряженных с этими взаимодействиями, спектральных эффектов (ЯМР !Н, УФ-, ИК-спектрофотометрия, хромато-масс-спектрометрия), а также закономерностей межфазового распределения в системах "вода-смесь углеводородов природного происхождения".
Научная новизна и практическая значимость работы - впервые проведено систематическое изучение межмолекулярных взаимодействий в водных системах углеводородов различного электронного и пространственного
строения и многокомпонентных смесей природного происхождения (нефть и продукты ее переработки). Обнаружено различное влияние на строение водной матрицы алифатических и ароматических углеводородов, обусловленное взаимодействием молекул воды с л-электронной плотностью бензольного ядра и метановыми, метильными, метиленовыми группами углеводородов. Выявлено, доминирующее над эффектами гидрофобной гидратации, "дестабилизирующее" действие ароматических углеводородов при растворении в воде. Проведена обработка формы линии сигнала ядер пО для определения количественного соотношения областей "сильных" (быстрая релаксация) и "слабых" (медленная релаксация) водородных связей в водной матрице, зависящего от механизма взаимодействия растворенного углеводорода с молекулами воды. Впервые обнаружен экстремальный характер изменения во времени фрагментного состава нефтяных фракций (эффект "деароматизации"), определяющийся соотношением ароматических и алифатических углеводородов в пленке исходной многокомпонентной смеси, контактирующей с водой. Методом гетероядерного двойного резонанса 170—\1И\- оценено соотношение вкладов в межмолекулярное взаимодействие, как молекул матрицы воды, так и межкомпонентных взаимодействий в системах "вода-ароматический углеводород" и "вода-алифатический углеводород".
Обнаруженные в бинарных системах закономерности использованы для исследования процессов ассоциации молекул воды в системах "вода-углеводороды природного происхождения". Полученные результаты позволяют использовать метод спектроскопии ЯМР 170 для распознавания отдельных классов органических соединений в воде без их выделения.
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 9 работ. Результаты исследования представлялись и обсуждались: Proceedings of first Russia-Japan Joint Symposium on Petroleum, Natural Gas and Petrochemistry (Tomsk, 1993); 3 Республиканская конференция по интенсификации нефтехимических процессов "Нефтехимия-94" (Нижнекамск, 1994); Всесоюзная конференция по анализу объектов окружающей среды "Экоаналитика-94, 96" (Краснодар); П-Всероссийский семинар "Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях", Казань, 1995; International conference "Fundamental and applied problems of environment protection", Tomsk, 1995; V-Всероссийский семинар по спектроскопии ЯМР, Москва, 1997.
Объем и структура диссертации.Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, заключения и библиографии. Работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, 22 рисунка. Выносимые на защиту результаты исследования содержатся в главе 2, в главе 1 представлен обзор литературы, в главе 3 описаны объекты исследования и техника эксперимента, список цитируемой литературы включает 130 ссылок.
