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).
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда