基于钌离子催化氧化法剖析热改质对油砂沥青渣油分子组成的影响.docxVIP

基于钌离子催化氧化法剖析热改质对油砂沥青渣油分子组成的影响

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展，能源需求持续攀升，传统石油资源的储量逐渐减少，人们对非常规油气资源的开发利用愈发重视。油砂作为一种重要的非常规能源，其储量丰富，在全球能源供应中占据着重要地位。据统计，全球油砂资源中可采储量巨大，加拿大的油砂资源尤为突出，其阿尔伯达省油砂集中了世界上大部分已知的油砂资源。我国也拥有一定量的油砂资源，约为100亿t，主要分布在新疆、青海、西藏等地，且品质较好，出露点多、面广、层多。

油砂沥青渣油是油砂经过开采、分离等初步处理后得到的产物，其具有高黏度、高沥青质含量、高杂原子和痕量金属含量以及高碳残留等特点。这些特性使得油砂沥青渣油难以直接进行加工利用，限制了其在石油工业中的应用。如何有效利用油砂沥青渣油，提高其附加值，成为了石油领域研究的关键问题之一。

热改质技术作为一种重要的油砂沥青渣油处理方法，能够通过热裂解等反应，将高黏度、重质的油砂沥青渣油转化为轻质液体产品，改善其物理化学性质。在热裂解过程中，油砂沥青渣油中的大分子烃类会发生断链、脱氢等反应，生成小分子的烃类，从而降低产品的黏度，提高其流动性。热改质技术还能有效降低液体产品中沥青质、金属和杂原子的含量，使得热转化获得的液体产物可以通过后续的催化裂化或催化加氢裂化等工艺进一步转化为优质的燃料和高附加值的石油化学品。因此，热改质技术对于提高油砂沥青渣油的利用效率和经济价值具有重要意义。

深入了解热改质前后油砂沥青渣油的分子组成变化，对于优化热改质工艺、提高产品质量具有关键作用。分子组成的变化直接影响着油砂沥青渣油的反应活性、产物分布以及最终产品的性能。通过研究分子组成变化，可以为热改质工艺的条件优化提供理论依据，例如确定最佳的反应温度、压力和反应时间等参数，从而提高轻质产品的收率和质量，降低生产成本。

钌离子催化氧化法（RICO）是一种有效的研究分子组成的方法，在石油化学领域得到了广泛应用。该方法利用钌离子（Ru??）作为氧化剂，对与芳环及烯键相连的碳原子和有机官能团具有高度选择性。在温和的反应条件下，它可以将大分子中的稠环芳烃氧化为各种苯多元酸，同时使与芳烃相连或含杂原子官能团的脂族结构以脂肪酸的形式出现在产物中。这些氧化产物的分布能够反映出有机大分子结构单元的组成及单元间相互连接的信息。与其他分析方法相比，钌离子催化氧化法具有反应条件温和、氧化产物二次反应少、能提供丰富的分子结构信息等优势。在研究石油沥青质的分子结构时，该方法能够定量测定与沥青质芳香核相连的烷基侧链和烷基桥链的分布，推断芳香环系的缩合形式。因此，采用钌离子催化氧化法研究热改质前后油砂沥青渣油的分子组成，能够深入揭示热改质过程中分子结构的变化规律，为热改质技术的发展和应用提供有力的技术支持和理论指导。

1.2国内外研究现状

在油砂沥青渣油热改质方面，国内外开展了大量的研究工作。国外对加拿大油砂沥青的研究较为深入，开发了多种热改质技术，如延迟焦化、流化焦化等。延迟焦化技术在工业上应用广泛，其原理是将重质油在高温下进行热裂解和缩合反应，生成气体、液体和焦炭。流化焦化则具有快速加热速率的特点，能够获得低干燥气体和焦炭产率、高液体产率，操作更加灵活。这些技术旨在将油砂沥青渣油转化为更易于加工和运输的产品，以满足市场需求。国内针对油砂沥青渣油的热改质研究也取得了一定进展，如对新疆油砂沥青采用改性斜发沸石催化剂进行催化改质，实现了油砂沥青减粘率超过80%，脱氮率在45%-52%之间，脱硫率高于75%，同时大量非烃被催化裂化为轻质油。研究人员还对内蒙古油砂沥青的流化热转化进行了研究，发现热转化后液体产品的平均分子结构参数发生了明显改变，芳碳率略有增加、环烷碳率大幅度增加，而烷基碳率则明显减少。

在油砂沥青渣油分子组成分析方面，随着分析技术的不断发展，多种先进的分析方法被应用于该领域。傅立叶变换离子回旋共振高分辨质谱（FT-ICRMS）能够通过测量精确分子质量获取分子组成信息，实现不同元素组成化合物的有效识别。但石油中的大部分化合物不能被商业离子源直接电离，或存在严重的电离歧视效应。为解决这一问题，研究人员开发了一系列创新性的组分分离和石油组学分析方法。选择性钌离子催化氧化方法将饱和烃类化合物转化为醇类，可调控固相磺化方法将芳香烃转化为磺酸盐，以实现不同类型化合物在高分辨质谱上的分子组成分析。

钌离子催化氧化法在石油分子组成研究中已取得了一些应用成果。Mojelsky及其同事用该方法研究石油沥青质和石油中高分子量的馏分，着重阐述了沥青质的分子结构，发现不同来源的沥青质结构中均以烷基侧链和烷基桥为主，含有少量的生物标志物。沥青质