Новости

9 октября, 2024 17:26

«Электронный нос» определит размеры месторождений нефти

Исследователи обучили «электронный нос» — прибор, который распознает, какие химические вещества содержатся в воздухе, — определять происхождение нефти по фракции летучих органических веществ. Так как нефть — смесь разных углеводородов, и их соотношение отличается в разных источниках, такое устройство можно будет использовать, чтобы определять места разливов нефти, загрязнивших почву, а также для проведения экологического мониторинга на нефтеперерабатывающих предприятиях и исследований месторождений нефти. «Электронный нос» в 20 раз дешевле, чем сложные приборы, использующиеся сейчас для определения состава газовых смесей, и благодаря этому сферу применения технологии можно будет значительно расширить, — например, использовать в полевых условиях. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Hazardous Materials.
Работа над настройкой алгоритмов «электронного носа». Источник: Тимур Сабиров.

«Электронный нос» — современная технология, позволяющая определить, какие летучие химические вещества содержатся в газовых смесях, например, в воздухе. Этот прибор работает подобно человеческому носу: он анализирует запах целиком — то есть сразу все соединения, — и должен быть «обучен», чтобы определить целевой запах. Этим он отличается от тандемных газовых хромато-масс-спектрометров, которые используются в лабораториях для определения химического состава веществ и последовательно проверяют каждый содержащийся в смеси компонент. Тандемные газовые хромато-масс-спектрометры, несмотря на высокую точность и чувствительность, слишком дорогие и громоздкие, чтобы использоваться в полевых условиях, например, при экологическом мониторинге: определении загрязнения почвы нефтью или при анализе состава нефти и нефтяных пластов на добывающих предприятиях. Применение «электронного носа» значительно удешевило и упростило бы химический анализ ввиду его мобильности и компактности, однако для этого прибор нужно верно настроить и обучить.

Ученые из Сколковского института науки и технологий (Москва) с коллегами предложили использовать «электронный нос» для определения компонентов нефти. Из трех месторождений в Казахстане исследователи взяли девять образцов нефти с разными характеристиками: более легкую и более тяжелую, так как они существенно отличаются по составу летучей углеводородной фракции. Легкая быстрее испаряется, а потому хуже определяется спустя какое-то время после разливов, тогда как более тяжелая испаряется медленно и попадает в окружающую среду в малом количестве, поэтому определить ее источник сразу может быть сложно. Образцы нефти добавляли к пробе почвы и 30 минут выдерживали под потоком воздуха в газоаналитической установке. Затем поток воздуха с летучими веществами исследовали «электронным носом».

Для обучения «электронного носа» использовали систему искусственного интеллекта, а именно модель «случайного леса». В такой модели алгоритм анализирует последствия принятия серии связанных между собой решений и получает результат. Ученые смогли так настроить обработку данных с восьми датчиков прибора, что «электронный нос» определял источник происхождения нефти с высокой точностью вне зависимости от ее летучести. Более того, даже спустя 12 часов после приготовления образцов, когда нефть уже частично выветрилась, прибор смог определить ее наличие в почве.

Преимущество использования «электронного носа» состоит в том, что прибор стоит примерно в 20 раз дешевле, чем тандемный газовый хромато-масс-спектрометр. Кроме того, если последний занимает несколько квадратных метров в лаборатории, то «электронный нос» портативен и компактен — по размеру он сопоставим с небольшой книгой. Это позволит использовать устройство для самых разных целей: с его помощью в полевых условиях можно будет определять загрязнение почвы нефтью, соответствие выбросов с нефтеперерабатывающих предприятий норме и многое другое.

«Предложенный нами подход можно применять на месторождениях нефти, чтобы определить, насколько продуктивен тот или иной пласт. "‎Электронный нос" по "запаху" летучей фракции нефти в воздухе установит ее химические характеристики. Предполагаю, что с помощью "электронного носа" также можно уточнить район нового месторождения нефти», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Валерий Зайцев, аспирант лаборатории наноматериалов Сколковского института науки и технологий.
«Мы будем продолжать наше грантовое исследование в рамках стартапа в "Сколтехе" — предложим предприятиям устройство, алгоритм определения и обучения прибора для конкретной задачи. Планируется, что наше устройство для мониторинга выбросов будет использоваться на предприятиях. Словом, сейчас наша цель — внедрить и коммерциализировать разработку. Параллельно мы будем пытаться научить "электронный нос" чувствовать запахи, как чувствуем их мы. Например, определять, является ли запах приятным или неприятным, и насколько», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Федор Федоров, кандидат технических наук, старший преподаватель лаборатории наноматериалов в Центре фотоники и фотонных технологий Сколковского института науки и технологий.
В исследовании также участвовали ученые из Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева (Казахстан), Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН (Москва), Сианьского университета архитектуры и технологий (Китай) и Московского государственного университета имени Н.Э. Баумана (Москва).

Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ

31 октября, 2024
Российские физики определили индексы, позволяющие прогнозировать поведение лазеров
Российские ученые при участии исследователей из НИУ ВШЭ изучили особенности генерации эрбиевых волок...
30 октября, 2024
Защитное композитное покрытие из графена и никеля для авиации и медицины
Защитный слой из композита на основе графена и никеля повышает прочность металлической поверхности...