Основы метода ионной хроматографии

КУРСОВАЯ РАБОТА

Ионохроматографическое определение неорганических анионов в нефти

 

Руководитель				О.П. Калякина
		подпись, дата
Студент НБ15-04Б, 081509413				В.В. Пузик
			подпись, дата

 

 

Красноярск 2017

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................................................................................................3

1 Литературная часть………………………………………………………………..5

1.1 Основы метода ионной хроматографии……………………………………….5

1.1.1 Двухколоночная ионная хроматография…………………………………….7

1.2 Коррозионное действие солей, содержащихся в нефти…………………….. 11

1.3 Обессоливание и обезвоживание нефти………………………………………14

1.4 Потенциометрическое титрование…………………………………………….16

2 Экспериментальная часть………………………………………………………..19

2.1 Реактивы, приборы и оборудование ………………………………………….19

2.2 Методика эксперимента………………………………………………………..20

2.3 Объекты исследования…………………………………………………………21

2.4 Пробоподготовка……………………………………………………………….21

2.5 Обсуждение результатов……………………………………………………….21

Выводы……………………………………………………………………………...25

Список использованных источников……………………………………………..26

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В транспортировке нефти и ее переработке основные проблемы коррозионного износа связаны с наличием сероводорода, неорганических солей, механических примесей в виде песка, глины и других пород, а так же воды. При перегонке нефти примеси могут частично оседать на стенках труб, что приводит к ускорению износа аппаратуры. Перегонка нефти, содержащей соли, становится невозможной из-за интенсивной коррозии аппаратуры, а так же отложения солей в трубах печей и теплообменниках. В частности, ионы хлора оказывают большое влияние на внутренние стенки трубопровода, вызывая наиболее опасную локальную коррозию, которая развивается с высокой скоростью и вследствие малых размеров обнаруживается только в момент выхода оборудования из строя. Поэтому коррозия часто является причиной возникновения пожароопасных и взрывоопасных ситуаций.

В связи с вышеперечисленным, перед химиками стоит важная практическая задача определения неорганических анионов в сырой нефти.

Современным чувствительным, селективным, экспрессным и универсальным методом анализа неорганических ионов является ионная хроматография, поэтому именно этот физико-химический метод анализа был выбран мной для исследования образцов нефти.

Целью данной работы является определение неорганических анионов в образцах нефти методом двухколоночной ионной хроматографии.

Объектами исследования являются образцы нефти из северных месторождений.

Задачами данной работы являются:

1) Освоить метод ионной хроматографии и способы пробоподготовки нефти

2) Провести сравнительное исследование концентраций неорганических анионов в образцах.

3) Провести сравнительное исследование между методом потенциометрического титрования и методом двухколоночной ионной хроматографии.

 

Литературная часть

Экспериментальная часть

Реактивы, приборы и оборудование

 

При выполнении работы использовались следующие реактивы:

ГСО 7262-96 состава раствора хлорид-ионов, ОАО «Уральский завод химических реактивов»;

ГСО 7258-96 состава раствора нитрат-ионов, ОАО «Уральский завод химических реактивов»;

ГСО 7789-2000 состава раствора фторид-ионов, ОАО «Уральский завод химических реактивов»;

ГСО 7253-96 состава раствора сульфат -ионов, ОАО «Уральский завод химических реактивов»;

карбонат натрия, х.ч.;

гидрокарбонат натрия, х.ч.;

н-гексан, х.ч.;

азотная кислота, х.ч.;

вода деионизованная;

2 образца нефти северных месторождений Красноярского края.

В работе были использованы следующие приборы и посуда: колбы мерные объемом 25, 50, 100, 500 мл, ГОСТ 1770-74; мерные пипетки объемом 1, 5, 10 мл; воронки стеклянные ГОСТ 8613-75; мерный цилиндр объемом 100 мл, ГОСТ 1770-74; химические стаканы объемом 50, 100, 200 мл, ГОСТ 1770-74; бумажные фильтры «Синяя лента» диаметром 9 см; весы лабораторные Mettler Toledo XP603S, микрошприц Hamilton.

Работу выполняли на высокоэффективном жидкостном хроматографе LC-20 Prominence с кондуктометрическим детектором в варианте двухколоночной (разделяющая колонка120×5 мм КанК-АСт, 14 мкм; подавительная колонка СПС-SAC, 50 мкм, 200×6 мм с катионитом в H⁺-форме). В качестве элюента применяли карбонатный буферный раствор (1,9 мМNa₂CO₃+ 2,4мМ NaHCO₃). Объем вводимой пробы 20мкл. Скорость потока элюента составляла 1,0 мл/мин. Температура термостата колонки 33 °С.

Внешний вид хроматографа LC-20 Prominence представлен на рисунке 3:

Рисунок 3 - Высокоэффективный жидкостной хроматограф LC-20 Prominence

 

Методика эксперимента

 

Предварительно готовили исходные растворы для приготовления элюентов 0,1 М Na₂CO₃ и 0,1 М NaHCO₃. Для этого в колбы вместимостью 500 мл помещали 5,3 г Na₂CO₃ и 4,2 г NaHCO₃ и, перемешивая, доводили деионизованной водой до метки.

Элюент готовили следующим образом: в колбу вместимостью 500 мл добавляли 9,5 мл 0,1 М Na₂CO₃ и 12,0 мл 0,1 М NaHCO₃ и, перемешивая, доводили деионизованной водой до метки. Получали раствор рабочего элюента 2,4 мМ NaHCO₃ и 1,9 мМ Na₂CO₃.

 

Объекты исследования

Объектом исследования были образцы нефти северных месторождений Красноярского края. Образцы были предоставлены ИНиГ СФУ.

 

2.4 Пробоподготовка

 

В ходе изучения дипломной работы известно, что оптимальная область определения концентрации неорганических анионов в экстракте нефти при объемном соотношении нефти и экстрагента 1:10, температуре экстрагента 90°С и времени экстрагирования 20 мин [15].

Способ «горячей экстракции»

Для определения неорганических анионов в нефти пробу экстрагировали деионизованной водой, нагретой до температуры 90 ºC. в соотношении 1 мл нефти к 10 мл деионизированной воды.

Перед введением в хроматограф полученные экстракты помещали в делительную воронку вместимостью 50 мл, добавляли 2,5 мл гексана и экстрагировали в течение 10 мин, периодически открывая пробку.

После расслоения смеси нижний водный слой фильтровали через шприцевой фильтр. В делительной воронке оставляли немного водного слоя, чтобы избежать попадания в колбу гексанового экстракта.

 

Обсуждение результатов

Ранее было установлено [16], что наилучшее разделение F^-, CI^-, NO₃^-, SO₄^2- - ионов на применяемой хроматографической системе наблюдается при использовании элюента состава 2.4 мМ NaHCO₃ и 1,9 мМ Na₂CO₃ при скорости элюента 1,0 мл/мин. Поэтому в данных оптимальных условиях проводили разделение смеси неорганических анионов.

Результаты анализа стандартного раствора представлены на рисунке 4 и в таблице 3:

Ионный хроматограф LC-20 Prominence. Разделяющая колонка 120×5 мМ КанК-АСт 14 мкм, ν=1,0 мл/мин. Состав элюента: 1,9 мМ Na₂CO₃+2,4 мМ NaHCO₃

Рисунок 4 – Результаты анализа стандартной смеси анионов

 

Таблица 3 - Результаты анализа стандартного раствора

Ион	Время удержания, мин	Площадь пика
Cl-	6,119
SO42-	14,928
NO3-	10,585

 

На рисунках 5 и 6 приведены хроматограммы вытяжки из нефти при экстракции горячей водой, результаты определения неорганических анионов в образцах нефти - в таблице 4.

Ионный хроматограф LC-20 Prominence. Разделяющая колонка 120×5 мм КанК-АСт 14 мкм, ν=1,0 мл/мин. Состав элюента: 1,9 мМ Na₂CO₃+2,4 мМ NaHCO₃

Рисунок 5 - Хроматограмма вытяжки из нефти. Экстрагент – бидистиллированная вода (T=90±2 °C)

 

Ионный хроматограф LC-20 Prominence. Разделяющая колонка 120×5 мм КанК-АСт 14 мкм, ν=1,0 мл/мин. Состав элюента: 1,9 мМ Na₂CO₃+2,4 мМ NaHCO₃

Рисунок 6 - Хроматограмма вытяжки из нефти. Экстрагент – бидистиллированная вода (T=90±2 °C)

 

Таблица 4 – Содержание неорганических анионов в образцах нефти северных месторождений Красноярского края (экстрагент - бидистиллированная вода (T=90±2 °C)), n=3, P=0,95

Номер пробы	Анион	Время удерживания, мин	С, мг/л
	Cl-	6,072	6,09±0,04
NO3-	10,29	0,42±0,02
SO42-	15,01	0,52±0,02
	Cl-	6,087	103±4
NO3-	10,31	0,71±0,02
SO42-	15,03	0,54±0,02
	Cl-	6,075	2,51±0,02
NO3-	10,32	0,62±0,02
SO42-	15,02	0,31±0,02
	Cl-	6,141	3,91±0,02
SO42-	15,162	0,06±0,01

ВЫВОДЫ

 

1. Методом ионной хроматографии были определены неорганические анионы в различных образцах нефти.

2. В пробах нефти были обнаружены хлорид-, нитрат- и сульфат- ионы. Концентрации анионов составили:

Хлорид-ион: от 3,91±0,02мг/л до103±4 мг/л

Нитрат-ион: от 0,42±0,02 мг/л до 0,71±0,02 мг/л

Сульфат-ион: от 0,06±0,01 мг/л до 0,54±0,02 мг/л

Так же было обнаружено, что проба №4 не содержит нитрат-ион.

3. Был проведен сравнительный анализ характеристик потенциометрического и ионохроматографического методов, из которого следует вывод, что метод ионной хроматографии является более экспрессным и чувствительным методом, что делает его более предпочтительным при проведении анализа.

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Ионохроматографическое определение неорганических анионов в нефти

 

Руководитель				О.П. Калякина
		подпись, дата
Студент НБ15-04Б, 081509413				В.В. Пузик
			подпись, дата

 

 

Красноярск 2017

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................................................................................................3

1 Литературная часть………………………………………………………………..5

1.1 Основы метода ионной хроматографии……………………………………….5

1.1.1 Двухколоночная ионная хроматография…………………………………….7

1.2 Коррозионное действие солей, содержащихся в нефти…………………….. 11

1.3 Обессоливание и обезвоживание нефти………………………………………14

1.4 Потенциометрическое титрование…………………………………………….16

2 Экспериментальная часть………………………………………………………..19

2.1 Реактивы, приборы и оборудование ………………………………………….19

2.2 Методика эксперимента………………………………………………………..20

2.3 Объекты исследования…………………………………………………………21

2.4 Пробоподготовка……………………………………………………………….21

2.5 Обсуждение результатов……………………………………………………….21

Выводы……………………………………………………………………………...25

Список использованных источников……………………………………………..26

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В транспортировке нефти и ее переработке основные проблемы коррозионного износа связаны с наличием сероводорода, неорганических солей, механических примесей в виде песка, глины и других пород, а так же воды. При перегонке нефти примеси могут частично оседать на стенках труб, что приводит к ускорению износа аппаратуры. Перегонка нефти, содержащей соли, становится невозможной из-за интенсивной коррозии аппаратуры, а так же отложения солей в трубах печей и теплообменниках. В частности, ионы хлора оказывают большое влияние на внутренние стенки трубопровода, вызывая наиболее опасную локальную коррозию, которая развивается с высокой скоростью и вследствие малых размеров обнаруживается только в момент выхода оборудования из строя. Поэтому коррозия часто является причиной возникновения пожароопасных и взрывоопасных ситуаций.

В связи с вышеперечисленным, перед химиками стоит важная практическая задача определения неорганических анионов в сырой нефти.

Современным чувствительным, селективным, экспрессным и универсальным методом анализа неорганических ионов является ионная хроматография, поэтому именно этот физико-химический метод анализа был выбран мной для исследования образцов нефти.

Целью данной работы является определение неорганических анионов в образцах нефти методом двухколоночной ионной хроматографии.

Объектами исследования являются образцы нефти из северных месторождений.

Задачами данной работы являются:

1) Освоить метод ионной хроматографии и способы пробоподготовки нефти

2) Провести сравнительное исследование концентраций неорганических анионов в образцах.

3) Провести сравнительное исследование между методом потенциометрического титрования и методом двухколоночной ионной хроматографии.

 

Литературная часть

Основы метода ионной хроматографии

 

Ионная хроматография – метод разделения органических и неорганических ионов, высокоэффективный вариант ионообменной хроматографии с применением кондуктометрического детектирования разделенных ионов.

В основе метода ионной хроматографии лежит процесс ионного обмена между ионообменником и анализируемым раствором.

Ионная хроматография представляет собой вариант колоночной элюентной ионообменной хроматографии. Подвижная фаза (элюент) служит для перемещения веществ через хроматографическую систему. Разделение в этом случае происходит благодаря разному сродству компонентов определяемой смеси к неподвижной фазе и, следовательно, разным скоростям перемещения по колонке. Неподвижной фазой в ионообменной хроматографии является ионообменник.

Ионный обмен заключается в том, что некоторые вещества (ионообменники) при погружении в раствор электролита поглощают из него катионы или анионы, выделяя в раствор эквивалентное число других ионов с зарядом того же знака.

Разделение анионов производится на анионообменниках, содержащих фиксированные группы -NR₃, -NHR₂, -NH₂R и анионы как противоионы. Наиболее распространенными элюентами при определении анионов являются (1-5)'10~3 М растворы карбоната, гидрокарбоната или гидроксида натрия.

Время и порядок элюирования анионов определяется их зарядом и размером гидратированного иона. Ионы удерживаются тем сильнее, чем больше их заряд и размер гидратированного иона. Элюирующая способность подвижной фазы возрастает с увеличением концентрации ионов, содержащихся в ней, и их сродства к ионообменнику.

Результатом ионхроматографического исследования является хроматограмма - график зависимости электропроводности исследуемого раствора от времени анализа, т.е. каждый пик на хроматограмме [1].

С помощью метода ионной хроматографии можно определить ионный состав практически любого жидкого объекта.

Особенности метода ионной хроматографии:

· возможность определения требуемых ионов за один анализ в пробах с мешающими ионами и/или органическими соединениями;

· универсальность - определение катионов и анионов (в том числе органических);

· широкий выбор проверенных методик по различным областям применения от экологического контроля до анализа напитков и технических продуктов.

Преимущества метода:

· низкий предел обнаружения метода с химическим подавлением фона до 2-4 мкг/л (для анионов);

· широкий линейный диапазон определения с электронным подавлением фона 5-25000 мкг/л (для хлорид-аниона);

· минимальная величина пробы 200-500 мкл;

· возможность автоматизации всех стадий процесса от пробоподготовки до детектирования;

· относительно высокая производительность при использования автосамплера.

Ограничения метода:

· ограниченно используется для анализа органических соединений;

· ограниченно используется для анализа металлов;

· ограниченно используется для анализа полимеров;

· не используется для анализа газов

Широкое распространение ионной хроматографии в геологии, биохимии, фармацевтике и медицине, а также для контроля объектов окружающей среды и пищевых продуктов обусловлено рядом ее несомненных достоинств:

- возможностью одновременного определения большого спектра неорганических и органических катионов или анионов;

- высокой чувствительностью определения без предварительного концентрирования, селективностью и экспрессностью;

- малым объемом анализируемой пробы;

- широким диапазоном определяемых концентраций;

- возможностью использования различных детекторов и их комбинаций, что позволяет обеспечить селективность и малое время определения;

отсутствием предварительной пробоподготовки во многих случаях [2].