Development of selective analytical methods for the characterization of complex crude oil mixtures
The demand for affordable and large-scale energy throughout the world drives people to focus on the fossil-based materials continuously; meanwhile, the depletion of light sweet crude oils has led to an increase in refining the unconventional and heavier petroleum feedstocks. However, the unwanted presence of heteroatoms (sulfur, nitrogen and oxygen)-containing compounds in heavier crude oils causes poisoning of refining catalysts and harms the environment after combustion. A better understanding of crude oil composition is the beginning to develop new methods to lower the heteroatoms content of fuels efficiently. High Resolution Mass Spectrometry (HRMS), such as Fourier Transforms Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry (FT-ICR MS) and High-field Orbitrap (HF Orbitrap) FTMS, has emerged as a powerful and valuable tool for detailed analysis of supercomplex crude oil mixtures at a molecular level. Even though the extraordinary complexity of crude oil and the inherent space charge effects in the ICR-cell as well as the ionization discrimination make it impossible to fully characterize crude oils. Selective analysis of crude oil is significant to gain a better understanding of the material. Electrospray Ionization Mass Spectrometry (ESI-MS) has proven efficient for the analysis of polar compounds in petroleum. This study is focusing on developing different derivatization techniques in combination with ESI-MS to characterize selectively the complex crude oil mixtures. In turn, the mechanistic studies of reactions promote a deeper exposition and better employment of the electrochemical character of ESI-MS. Theoretical calculations based on Quantum Mechanics (QM) as well as Proton Nuclear Magnetic Resonance (1H NMR) facilitate the illustration of reaction mechanism. The combination of analytical chemistry together with organic chemistry, electrochemistry and theoretical chemistry offers an efficient way to gain better understanding of complex crude oil mixtures.
Der weltweit große Bedarf an bezahlbarer Energie führt dazu, dass fossile Materialien weiterhin im Fokus stehen; gleichzeitig führt die Erschöpfung von Quellen leichter, süßer Öle zu einer erhöhten Prozessierung schwerer, unkonventioneller Öle. Der unerwünscht hohe Gehalt an heteroatomhaltigen (Schwefel, Stockstoff und Sauerstoff) Komponenten in schweren Ölen führt jedoch zu einer Vergiftung der bei der Raffinerie eingesetzten Katalysatoren und zu einer nach der Verbrennung erhöhten Umweltbelastung. Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Verfahren, um den Heteroatomgehalt von Treibstoffen zu senken, ist ein besseres Verständnis der Erdölzusammensetzung. Die hochauflösende Massenspektrometrie (HRMS), wie Fourier-Transform Ionenzyklotoron-Resonenz Massenspektrometrie (FT-ICR MS) oder Hochfeld Orbitrap (HF Orbitrap) FTMS, hat sich als schlagkräftige Methode zur Analyse hochkomplexer Erdöle auf molekularer Ebene entwickelt. Nichtsdestotrotz verhindern die hohe Komplexität der Probe, Space-Charge-Effekte in der ICR-Zelle oder Diskriminierungseffekte bei der Ionisation eine allumfassende Analyse von Erdölen. Selektive Analyse einzelner Komponenten ist wichtig, um ein besseres Verständnis von der Zusammensetzung zu erhalten. Die Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie (ESI-MS) ist eine effektive Methode zur Charakterisierung polarer Komponenten in Erdöl. Diese Arbeit behandelt die Entwicklung verschiedener Derivatisierungsmethoden, die mit Hilfe von ESI-MS eingesetzt werden können, um Erdölbestandteile selektiv zu untersuchen. Mechanistische Studien der Reaktionswege erlauben darüber hinaus ein tieferes Verständnis des elektrochemischen Charakters der Elektrospray Quelle. Theoretische, auf Quantenmechanik (QM) basierende, Berechnungen sowie Protonen-Magnetresonanz-Spektrometrie (1H NMR) erlauben einen Blick auf die Reaktionsmechanismen. Die Kombination analytischer Chemie und organischer Chemie mit Elektrochemie und theoretischer Chemie erlaubt eine effektive Möglichkeit, ein besseres Verständnis komplexer Erdölmischungen zu erlangen.
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