СПОСОБ ДЛЯ ОТБОРА ПЛЕНОК НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR SAMPLING OIL AND OIL PRODUCTS FILMS FROM WATER SURFACE AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к области аналитических исследований пленок из нефти и нефтепродуктов, в частности к методам отбора проб для последующих анализов.
Известен пробоотборник для оценки толщины слоя нефти над водой (Патент РФ на изобретение №2534791, опубл. 10.12.2014. МПК G01N 1/10. G01F 23/04) [1], содержащий тонкостенный прозрачный вертикальный корпус из материала, который не смачивается нефтью и нефтепродуктами. Корпус выполнен без дна и имеет постоянную по высоте площадь внутреннего сечения и острую кромку в нижней части. В верхней части корпус конусообразно сужен и соединен с отводом гибкой формы, к которому присоединены два крана: боковой - для пропуска воздуха и центральный - для пропуска жидкостей.
Данная конструкция пробоотборника не позволяет проводить анализ отобранной пленки с высокой точностью. Недостаточная точность анализа обусловлена тем, что корпус пробоотборника выполнен из несмачиваемого материала, что не позволяет обеспечить медленное стекание пробы и, как следствие, осаждение нефтяной пленки на поверхности пробоотборника в достаточном количестве. Указанный недостаток устранен в заявляемом решении.
Известен также пробоотборник для оценки толщины слоя нефти над водой (Патент РФ на изобретение №2452933, опубл 10.12.2014. МПК G01N 1/10. G01F 23/04) [2], содержащий тонкостенный вертикальный корпус с ручкой в верхней части и конусную седловину клапана в нижней части, а также шар для перекрытия седловины. Шар подвешен на леске к ручке с обеспечением двух положений шара относительно седловины. Причем в нижней точке крепления лески к ручке шар свободно лежит на седловине и перекрывает ее, а в верхней точке крепления шар приподнят над седловиной.
Недостаток этого изобретения - также невысокая точность анализа отобранной пробы. Невысокая точность анализа обусловлена тем, что конструкцией устройства не предусмотрено осаждение пленки на поверхности пробоотборника. В заявляемом решении указанный недостаток устранен.
В качестве прототипа выбраны наиболее близкие по технической сущности к предлагаемому решению способ и устройство, описанные в статье «Определение концентрации нефтепродуктов и масел в пленках на поверхности воды с помощью твердоэлектролитного анализатора» (Б.К. Зуев, В.В. Коваленко, Е.В. Кульбачевская, А.Ю. Оленин, В.В. Ягов. Определение концентрации нефтепродуктов и масел в пленках на поверхности воды с помощью твердоэлектролитного анализатора // Журнал аналитической химии. - 2001. - Т. 65. - №5. - С. 543-547) [3].
Способ для отбора пленок нефтепродуктов с поверхности воды, описанный в статье [3], заключается в следующем. Пробы органических веществ, находящихся на границе вода-воздух, отбирают с помощью пробоотборника (зонда), погружаемого в воду и затем извлекаемого из воды. В процессе извлечения пробоотборника (зонда) органическая пленка переносится с поверхности воды на пробоотборник (зонд). Далее зонд помещают в высокотемпературный реактор, через который прокачивают бинарную смесь кислород-инертный газ, после чего с помощью датчика кислорода регистрируют изменение содержания кислорода в бинарной смеси. Количество органического вещества, перенесенного на поверхность пробоотборника, определяют по количеству кислорода, затраченного на окисление пробы в высокотемпературном реакторе.
Устройство для отбора пленок нефтепродуктов и определения общего содержания органических веществ на поверхности воды, описанное в статье [3], состоит из пробоотборника (зонда), источника аргона, дозирующей твердоэлектролитной ячейки (ТЭЯ), реактора с измерительной ТЭЯ, устройства перемещения пробы, кюветы с водой, блока управления и регистрации, побудителя расхода газа. Пробоотборник представляет собой тонкую круглую пластинку диаметром несколько мм, изготовленную из платиновой фольги или фторопластовой пленки.
К недостаткам способа и устройства, выбранных в качестве прототипа, относится, в первую очередь, невысокая точность анализа отобранной пробы, обусловленная тем, что невозможно точно определить площадь поверхности водной фазы, с которой отбирается проба. Способ и устройство прототипа позволяют проводить качественный анализ нефтяной пленки, однако выполнение количественного анализа не представляется возможным. Кроме того, сложность выполнения отбора пробы для анализа не позволяет применять его в полевых условиях.
Технической задачей, решаемой в предлагаемом решении (способе и устройстве), являются повышение точности анализа, возможность проведения количественного анализа органических веществ в отобранной пробе, а также возможность отбора проб для анализа в полевых условиях.
Указанная техническая задача решается за счет того, что в известном способе, включающем погружение пробоотборника в исследуемую среду, анализ пленки, осажденной на поверхности пробоотборника, перед отбором пробы пробоотборник с открытым вентилем предварительно отжигают в печи при температуре 500-1000°С в течение 5-20 минут. Затем пробоотборник охлаждают до температуры окружающей среды, после чего погружают в исследуемую среду и контролируют глубину погружения по рискам на внешней стороне пробоотборника, регулируя с помощью прецизионного вентиля отбираемый объем. Объем отбираемой пробы контролируют по рискам шкалы, нанесенной на внешней стороне пробоотборника. Затем водную фазу медленно, со скоростью перемещения поверхности воды внутри пробоотборника 10-300 мм/мин, сливают из отобранной пробы, при этом пленка органического вещества оседает на внутренней поверхности пробоотборника
Для анализа пленка, осажденная на пробоотборнике, может быть извлечена посредством десорбции растворителем, например тетрахлорметаном.
Анализ пленки, осажденной на внутренней поверхности пробоотборника, может быть также проведен экспресс-методом, для этого пробоотборник подключают к датчику, определяющему содержание кислорода в воздухе, нагревают в печи в потоке воздуха, проходящего через внутренний объем пробоотборника, до температуры 500-1000°С. С помощью датчика кислорода определяют количество кислорода, необходимое для окисления веществ, входящих с состав пленки. Затем проводят качественный и количественный анализ для определения содержания органических веществ в пленке.
Поставленная задача решается также благодаря тому, что в известном устройстве, содержащем пробоотборник из инертного материала, указанный пробоотборник выполнен в виде полого цилиндра с развитой внутренней поверхностью с соотношением диаметра внутреннего сечения к высоте 1:3-1:10. Пробоотборник с одной стороны может быть закрыт пробкой из инертного материала, а с другой стороны выполнен с наконечником, в котором установлен прецизионный вентиль, на внешней поверхности пробоотборника выполнены риски для измерения объема отбираемой пробы. Пробоотборник может быть выполнен из кварца, стекла или керамического материала.
Отличительные признаки предлагаемого технического решения-способа отбора пленок нефти и нефтепродуктов с поверхности воды следующие. Пробоотборник предварительно отжигают в печи при температуре 500-1000°С и охлаждают до температуры окружающей среды. При открытом вентиле пробоотборник погружают в водную среду, по рискам с внешней стороны пробоотборника контролируют глубину погружения пробоотборника и объем пробы жидкости внутри пробоотборника и отбирают фиксированную пробу. Затем медленно сливают водную фазу из пробоотборника, при этом скорость перемещения границы поверхности воды внутри пробоотборника 10-300 мм/мин. Далее проводят анализ пленки, перенесенной на внутреннюю поверхность пробоотборника, на содержание органических веществ.
Отличительными признаками предлагаемого технического решения - устройства отбора пленок нефти и нефтепродуктов с поверхности воды является то, что пробоотборник выполнен в виде полого цилиндра с развитой внутренней поверхностью с соотношением диаметра внутреннего сечения к высоте 1:3-1:10, имеет пробку из инертного материала с одной стороны и с другой стороны наконечник с установленным в нем прецизионным вентилем. На внешней поверхности пробоотборника выполнены риски для измерения объема отбираемой пробы.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1. Устройство пробоотборника
Фиг. 2. Отжиг пробоотборника
Фиг. 3. Положение пробоотборника перед отбором пробы
Фиг. 4. Набор пробы
Фиг. 5. Удаление воды из пробоотборника
Фиг. 6. Растворение пленки
Фиг. 7. Определение содержания органических веществ в пленке, где:
1 - Полый цилиндр;
2 - Риски для определения объема жидкости;
3 - Прецизионный вентиль;
4 - Наконечник;
5 - Открытый конец трубки;
6 - Пробка;
7 - Печь для отжига;
8 - Водная среда (фаза);
9 - Пленка нефти или нефтепродуктов;
10 - Растворитель пленки;
11 - Датчик кислорода;
12 - Побудитель расхода газа;
13 - Поток воздуха.
Отбор пленок нефти и нефтепродуктов с поверхности воды и анализ полученных проб осуществляется следующим образом.
Перед применением пробоотборник 1 (фиг. 1) предварительно подвергают отжигу в печи 7 (фиг. 2) в атмосфере воздуха при температуре 500-1000°С в течение 5-20 мин. Температура и время отжига определяются материалом пробоотборника 1. При отжиге с поверхности пробоотборника 1 удаляются посторонние органические вещества. Во избежание попадания пыли внутрь после отжига пробоотборник 1 закрывается пробкой 6 (фиг. 1) из инертного материала и охлаждается до температуры окружающей среды, например 18-28°С.
Для отбора пробы прецизионный вентиль 3 открывают, пробку 6 извлекают из цилиндра и пробоотборник 1 медленно вертикально опускают в воду (водную среду 8) (фиг. 3), на поверхности которой содержатся нефть или нефтепродукты в виде пленки 9. Глубину погружения пробоотборника 1 контролируют с помощью рисок 2 (фиг. 4). Отбор пробы происходит с поверхности воды известной площади, определяемой внутренним сечением пробоотборника 1. При погружении пробоотборника в водную среду (фиг. 4) вода, а также нефть или нефтепродукты в виде пленки 9 поступают во внутреннюю часть пробоотборника 1. Необходимый объем пробы отбирают, регулируя его с помощью вентиля 3 по рискам 2 на внешней поверхности пробоотборника 1.
Для осаждения органической пленки, находящейся в пробоотборнике 1, на его внутреннюю поверхность прикрывают вентиль 3 и начинают медленно извлекать пробоотборник из воды так, чтобы уровень воды в пробоотборнике был выше уровня поверхности воды, с которой отбирают пробу (фиг. 5). При этом открытый конец пробоотборника 5 может оставаться погруженным в водную фазу 8. Скорость перемещения верхней границы воды внутри пробоотборника может варьироваться от 10 до 300 мм/мин и зависит от толщины определяемой пленки на поверхности воды. По мере снижения уровня воды в пробоотборнике 1 пленка из отобранной пробы осаждается на его внутренней поверхности. После слива всего объема водной фазы из пробоотборника проводится анализ пленки 9, осажденной на внутренней поверхности пробоотборника 1.
Возможны два варианта анализа:
1. - С десорбцией пленки растворителем с последующим качественным и количественным анализом на содержание органического вещества в пленке.
2. - Прямой анализ суммарного содержания органических веществ в пленке непосредственно в пробоотборнике 1.
1. Десорбция пленки. При закрытом вентиле 3 через открытый конец 5 в пробоотборник 1 наливают известный объем растворителя 10, например тетрахлорметана, для извлечения пленки с поверхности пробоотборника, затем закрывают конец 5 пробкой 6 и встряхивают пробоотборник. При этом органические вещества, находящиеся на внутренней поверхности пробоотборника 1, переходят в раствор (фиг. 6). После этого определяют содержание органического вещества пленки с помощью аналитических методов, например ИК-спектроскопии, хроматографии или окситермографии.
2
2. Прямой анализ суммарного содержания органических веществ в пленке. Для экспресс-анализа (фиг. 7) пробоотборник 1 с сорбированной на внутренней поверхности пленкой подключают к датчику кислорода 11 и к побудителю расхода газа 12, затем пробоотборник помещают в высокотемпературную печь 7 с возможностью прогрева до 500-1000°С, прокачивают поток газа (например, воздух) 13, содержащего кислород, через внутренний объем пробоотборника, одновременно регистрируют изменение содержания кислорода в потоке газа 13. Количество кислорода, затраченное на окисление, - величина, аналогичная химическому потреблению кислорода (ХПК). Величина ХПК широко используется для определения суммарного содержания органических веществ в воде. В данном случае для характеристики органической пленки на поверхности воды можно использовать величину ХПК, деленную на площадь внутреннего сечения пробоотборника (в мг·О/см).
Предложенный способ для отбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды и устройство для его осуществления позволяют повысить точность анализа отобранной пробы на содержание органических веществ за счет того, что площадь поверхности, с которой отбирается проба, точно известна, эта площадь соответствует площади внутреннего сечения пробоотборника. Кроме того, точность анализа повышает предварительный отжиг пробоотборника, так как при отжиге удаляются органические вещества с поверхности пробоотборника. Так как предлагаемое устройство достаточно простое и негабаритное, оно может быть использовано для отбора проб в природных водоемах с последующим качественным и количественным анализом в лабораторных условиях. Это расширяет сферу его применения. Выполнение пробоотборника с развитой внутренней поверхностью способствует более эффективному оседанию органической пленки за счет увеличения площади поверхности для осаждения пленки, что также повышает точность анализа.
Список литературы
1. Патент РФ на изобретение №2534791, опубл. 10.12.2014. МПК G01N 1/10. G01F 23/04.
2. Патент РФ на изобретение №2452933, опубл. 10.12.2014. МПК G01N 1/10. G01F 23/04.
3. Б.К. Зуев, В.В. Коваленко, Е.В. Кульбачевская, А.Ю. Оленин, В.В. Ягов. Определение концентрации нефтепродуктов и масел в пленках на поверхности воды с помощью твердоэлектролитного анализатора // Журнал аналитической химии. - 2001. - Т. 65. - №5. - С. 543-547.