СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ATR-FTIR АНАЛИЗ ОБРАЗЦОВ МОТОРНОГО ТОПЛИВА

АННОТАЦИЯ

В работе выполнен сравнительный анализ образцов моторных топлив (бензины АИ-80, АИ-92, АИ-95 и дизельное топливо), отобранных на автозаправочных станциях г. Самарканда, методом ATR-FTIR-спектроскопии в диапазоне 4000–600 см⁻¹ без предварительной пробоподготовки. Во всех спектрах доминируют полосы валентных колебаний алифатических групп C–H (3000–2800 см⁻¹) и деформационные колебания CH₂ и CH₃ (1500–1300 см⁻¹), подтверждающие углеводородную природу топлив. Для бензинов АИ-92 и АИ-95 выявлены характерные признаки ароматических компонентов (≈3030, 1606 и 1496 см⁻¹), интенсивность которых возрастает с увеличением октанового числа. В спектре АИ-95 дополнительно обнаружены полосы в области 1200–1000 и около 964 см⁻¹, указывающие на присутствие кислородсодержащих добавок и более сложных фракций. Дизельное топливо характеризуется выраженной полосой ≈723 см⁻¹ и усилением сигналов 2922 и 2853 см⁻¹, что свидетельствует о преобладании длинноцепочечных парафиновых углеводородов. Показано, что ATR-FTIR-спектроскопия является перспективным экспресс-методом оперативного контроля качества моторных топлив, позволяющим проводить идентификацию типа топлива, выявление добавок и косвенную оценку его эксплуатационных характеристик.

ABSTRACT

A comparative analysis of motor fuel samples (gasolines AI-80, AI-92, AI-95 and diesel fuel) collected from filling stations in Samarkand was carried out using ATR-FTIR spectroscopy in the 4000–600 cm⁻¹ range without preliminary sample preparation. In all spectra, intense absorption bands of aliphatic C–H stretching vibrations (3000–2800 cm⁻¹) and CH₂/CH₃ deformation modes (1500–1300 cm⁻¹) were observed, confirming the hydrocarbon nature of the fuels. Gasolines AI-92 and AI-95 exhibit distinct spectral features of aromatic hydrocarbons (≈3030, 1606 and 1496 cm⁻¹), whose intensities increase with rising octane number. In the AI-95 spectrum, additional bands in the 1200–1000 cm⁻¹ region and near 964 cm⁻¹ indicate the presence of oxygen-containing additives and/or more complex fuel components. Diesel fuel is characterized by a pronounced band at ≈723 cm⁻¹ and enhanced absorptions at 2922 and 2853 cm⁻¹, reflecting the predominance of long-chain paraffinic hydrocarbons. The results demonstrate that ATR-FTIR spectroscopy is a promising rapid method for motor fuel quality control, enabling fuel type identification, detection of additives, and qualitative assessment of key performance-related properties.

Ключевые слова. ATR-FTIR; моторные топлива; бензин; дизельное топливо; октановое число; контроль качества.

Keywords: ATR-FTIR; motor fuels; gasoline; diesel fuel; octane number; quality control.

Введение

Современные моторные топлива представляют собой многокомпонентные углеводородные системы, эксплуатационные характеристики которых определяются не только фракционным составом, но и тонкими структурными особенностями молекулярных компонентов. Для бензинов ключевым параметром является октановое число, отражающее устойчивость топлива к детонационному сгоранию, тогда как для дизельных топлив определяющим показателем служит цетановое число, связанное со способностью к самовоспламенению [1–3].

Повышение октанового числа бензинов достигается за счёт изменения соотношения алифатических, ароматических и функционализированных углеводородов, а также введения кислородсодержащих антидетонационных добавок [4-6]. В этой связи методы, позволяющие быстро и надёжно оценивать структурный состав топлива без сложной пробоподготовки, приобретают особую актуальность.

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье в режиме ослабленного полного внутреннего отражения (ATR-FTIR) является одним из наиболее перспективных инструментов для экспресс-анализа нефтепродуктов [6–8]. Метод широко применяется для идентификации функциональных групп, сравнительного анализа топлив различных марок и установления корреляций между спектральными признаками и эксплуатационными параметрами [9–12].

Целью настоящего исследования является сравнительный ATR-FTIR анализ бензинов марок АИ-80, АИ-92, АИ-95 и дизельного топлива с установлением спектральных закономерностей, связанных с ростом октанового числа и различиями в молекулярной структуре.

Материалы и методы

Образцы автомобильных бензинов марок АИ-80, АИ-92 и АИ-95, а также дизельного топлива, были отобраны на автозаправочных станциях г. Самарканда и исследованы методом ATR-FTIR спектроскопии с применением спектрометра без предварительной химической обработки. Регистрацию спектров проводили в диапазоне 4000–600 см⁻¹ при комнатной температуре с использованием ATR-приставки с кристаллом высокого показателя преломления.

Метод ATR-FTIR основан на явлении полного внутреннего отражения инфракрасного излучения на границе раздела «кристалл–образец». Вблизи поверхности кристалла формируется затухающая (эвенесцентная) волна, проникающая в исследуемое вещество на глубину порядка 1 мкм. Поглощение энергии этой волны колебательными модами молекул образца приводит к формированию характерного ИК-спектра [13-16].

Интенсивности полос оценивали визуально, по глубине минимумов на спектрах, с классификацией «сильно / средне / слабо / отсутствует». Такой подход широко применяется при сравнительном анализе сложных углеводородных смесей и позволяет выявлять качественные различия состава [17].

Результаты и обсуждение

На рисунках 1-4 представлены ATR-FTIR спектры трех образцов бензинов различных марок и одного образца дизельного топлива

Рисунок 1. ИК спекктр бензина АИ-80

Рисунок 2. ИК спектр бензина АИ-92

Рисунок 3 ИК спектр бензина АИ-95

Рисунок 4. ИК спектр дизельного топлива

Расшифровка ИК спектров приводит к следующим заключениям

Во всех исследованных образцах доминируют полосы валентных колебаний C–H алифатических групп в области 3000–2800 см⁻¹, а также деформационные колебания CH₂ и CH₃ в диапазоне 1500–1300 см⁻¹, что подтверждает углеводородную природу топлив.

Для бензинов АИ-92 и АИ-95 в спектрах выявлены дополнительные признаки ароматических углеводородов, включая полосу около 3030 см⁻¹, соответствующую валентным колебаниям C–H в sp²-гибридизированных системах, а также полосы ~1606 и ~1496 см⁻¹, связанные с колебаниями ароматического кольца. Интенсивность этих полос возрастает при переходе от АИ-80 к АИ-95.

В спектре бензина АИ-95 дополнительно проявляются полосы в области 1200–1000 см⁻¹ и сигнал около 964 см⁻¹, которые могут быть отнесены к колебаниям связей C–O и внеплоскостным колебаниям =C–H. Эти особенности указывают на присутствие кислородсодержащих добавок или более сложных углеводородных компонентов, характерных для высокооктановых бензинов.

Дизельное топливо отличается выраженной полосой около 723 см⁻¹, соответствующей rocking-колебаниям длинных фрагментов –(CH₂)_n–, а также усилением полос 2922 и 2853 см⁻¹, что свидетельствует о преобладании длинноцепочечных парафиновых углеводородов.

Таким образом, полученные спектральные данные демонстрируют чёткую связь между октановым числом бензинов и интенсивностью ароматических и функциональных маркеров в ATR-FTIR спектрах. Увеличение доли ароматических углеводородов и кислородсодержащих компонентов приводит к росту устойчивости топлива к детонации, что спектрально проявляется усилением полос в областях 3030, 1600–1500 и 1200–1000 см⁻¹ [18,19].

Диагностическая интерпретация анализа ATR-FTIR спектрах изученных образцов бензина и дизеля приводится в таблице 1.

Таблица 1.

Диагностическая интерпретация ATR-FTIR спектров бензинов и дизельного топлива^*

*Условные обозначения: С — сильно; М — средне; Сл — слабо; Н — нет/не выявляется по спектру.

В отличие от бензинов, дизельное топливо характеризуется спектральными признаками, типичными для парафиновых систем, что коррелирует с его высокой воспламеняемостью и цетановыми характеристиками [20]. Отсутствие выраженного ароматического блока подчёркивает принципиальное различие механизмов воспламенения бензиновых и дизельных топлив.

Таким образом, ATR-FTIR спектроскопия позволяет не только идентифицировать тип топлива, но и проводить качественную оценку его эксплуатационных свойств на основе молекулярной структуры.

Заключение

В ходе проведённого исследования продемонстрирована высокая информативность метода ATR-FTIR спектроскопии для сравнительного анализа бензинов различных марок и дизельного топлива без применения сложной пробоподготовки и разрушения образцов. Полученные спектры наглядно отражают молекулярно-структурные особенности исследуемых топлив и позволяют выявить закономерные различия, обусловленные как типом топлива, так и его эксплуатационным назначением.

Установлено, что повышение октанового числа бензинов от АИ-80 к АИ-95 сопровождается последовательным усилением спектральных признаков ароматических углеводородов, включая валентные колебания sp²-гибридизированных связей C–H в области около 3030 см⁻¹ и характерные полосы колебаний ароматического кольца в диапазоне 1600–1500 см⁻¹. Дополнительное появление и рост интенсивности полос в области 1200–1000 см⁻¹ и около 964 см⁻¹ для бензина АИ-95 свидетельствуют о наличии кислородсодержащих компонентов и более сложных углеводородных фракций, традиционно используемых для повышения антидетонационной стойкости топлива. Эти спектральные особенности подтверждают структурную природу роста октанового числа и согласуются с современными представлениями о механизмах подавления детонации в бензиновых двигателях.

В отличие от бензинов, дизельное топливо характеризуется доминированием полос, соответствующих длинноцепочечным алифатическим структурам, прежде всего интенсивной полосой rocking-колебаний –(CH₂)_n– около 723 см⁻¹, а также усилением валентных колебаний C–H в области 2920–2850 см⁻¹. Такой спектральный профиль отражает преобладание парафиновых углеводородов и принципиально иной механизм воспламенения дизельного топлива, связанный с его цетановыми характеристиками, а не с устойчивостью к детонации.

Полученные результаты показывают, что ATR-FTIR спектроскопия может рассматриваться не только как метод качественной идентификации моторных топлив, но и как эффективный инструмент структурной диагностики, позволяющий косвенно оценивать эксплуатационные параметры топлива на основе молекулярного состава. Использование относительных интенсивностей диагностических полос открывает возможность создания экспресс-критериев для различения бензинов с различным октановым числом, выявления добавок и контроля стабильности состава при хранении и эксплуатации.

В целом, проведённое исследование подтверждает перспективность ATR-FTIR спектроскопии для применения в задачах оперативного контроля качества моторных топлив, научных исследований в области нефтехимии и разработки интеллектуальных систем мониторинга топливных композиций. Полученные спектральные закономерности могут служить основой для дальнейшего построения корреляционных моделей между ИК-параметрами и физико-химическими показателями топлива, включая октановое и цетановое числа, что представляет существенный практический и научный интерес.

Список литературы:

1. Danilov A.M. A new look at fuel additives (review) // Petroleum Chemistry. — 2020. — Vol. 60, № 2. — P. 147–154. — DOI: 10.1134/S0965544120020036.
2. Al Ibrahim E., Farooq A. Prediction of the derived cetane number and carbon/hydrogen ratio from infrared spectroscopic data // Energy & Fuels. — 2021. — Vol. 35, № 9. — P. 8141–8152. — DOI: 10.1021/acs.energyfuels.0c03899.
3. Bamerni F.M. A study of the relationship between the octane number and the chemical composition of regular, midgrade, and premium gasoline // Science Journal of University of Zakho. — 2024. — Vol. 12, № 1. — P. 75–80. — DOI: 10.25271/sjuoz.2024.12.1.1235.
4. Ахмедов У.К., Суяров М.Т., Махмудов М.Ж. Исследование антидетонационных характеристик низкооктанового бензина с добавлением октаноповышающих присадок // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. — 2022. — № 9(102). — URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14273 (дата обращения: 01.02.2026).
5. Al Ibrahim E., Farooq A. Octane prediction from infrared spectroscopic data // Energy & Fuels. — 2019. — DOI: 10.1021/acs.energyfuels.9b02816.
6. Benavides A., Zapata C., Benjumea P., Franco C.A., Cortés F.B., Ruiz M.A. Predicting octane number of petroleum-derived gasoline fuels from MIR spectra, GC-MS, and routine test data // Processes. — 2023. — Vol. 11, № 5. — Art. 1437. — DOI: 10.3390/pr11051437.
7. Biaktluanga L., Lalhruaitluanga J., Lalramnghaka J., Thanga H.H. Analysis of gasoline quality by ATR-FTIR spectroscopy with multivariate techniques // Results in Chemistry. — 2024. — Vol. 8. — Art. 101575. — DOI: 10.1016/j.rechem.2024.101575.
8. Barra I., Kharbach M., Qannari E.M., Hanafi M., Cherrah Y., Bouklouze A. Predicting cetane number in diesel fuels using FTIR spectroscopy and PLS regression // Vibrational Spectroscopy. — 2020. — Vol. 111. — Art. 103157. — DOI: 10.1016/j.vibspec.2020.103157.
9. Sales R.F., Barbosa-Patrício L.C., da Silva N.C. [et al.] Gasoline discrimination using infrared spectroscopy and virtual samples based on measurement uncertainty // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. — 2023. — Vol. 303. — Art. 123248. — DOI: 10.1016/j.saa.2023.123248.
10. Dalmiya A., Sheyyab M., Mehta J.M., Brezinsky K., Lynch P.T. Derived cetane number prediction of jet fuels and their functional group surrogates using liquid phase infrared absorption // Proceedings of the Combustion Institute. — 2023. — Vol. 39, № 1. — P. 1495–1504. — DOI: 10.1016/j.proci.2022.08.104.
11. Vrtiška D., Auersvald M., Mužíková Z., Šimáček P. Prediction of hydroperoxide number of diesel fuel using FTIR and chemometrics // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. — 2025. — Vol. 339. — Art. 126258. — DOI: 10.1016/j.saa.2025.126258.
12. Ghosh P., Hickey K.J., Jaffe S.B. Development of a detailed gasoline composition-based octane model // Industrial & Engineering Chemistry Research. — 2006. — Vol. 45, № 1. — P. 337–345. — DOI: 10.1021/ie050811h.
13. Babu K.B., Yadav M.M., Singh S., Yadav V.K. Fuel forensics: Recent advancements in profiling of adulterated fuels by ATR-FTIR spectroscopy and chemometric approaches // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. — 2024. — Vol. 312. — Art. 124049. — DOI: 10.1016/j.saa.2024.124049.
14. Mishra P., Roger J.M., Rutledge D.N., Woltering E. Two standard-free approaches to correct for external influences on near-infrared spectra to make models widely applicable // Postharvest Biology and Technology. — 2020. — Vol. 170. — Art. 111326. — DOI: 10.1016/j.postharvbio.2020.111326.
15. Мурадов В.Г., Санников Д.Г., Воронов Ю.Ю., Широков А.А. Исследование спектров поглощения бензинов по сравнению с изооктаном в области 1090–1220 нм // Известия Самарского научного центра РАН. — 2002. — Т. 4, № 2. — С. 315–318.
16. Бочаров В.Н., Ганеев А.А., Конюшенко И.О., Немец В.М., Пеганов С.А. Исследование многомерных абсорбционных аналитических сигналов бензинов в среднем ИК-диапазоне // Журнал аналитической химии. — 2019. — Т. 74, № 5. — С. 356–364. — DOI: 10.1134/S004445021902004X.
17. Cooper J.B., Wise K.L., Welch W.T., Sumner M.S., Wilt B.K., Bledsoe R. Comparison of near-IR, Raman, and mid-IR spectroscopies for the determination of BTEX in petroleum fuels // Applied Spectroscopy. — 1997. — Vol. 51, № 11. — P. 1613–1620. — DOI: 10.1366/0003702971939596.
18. Крылов А.С., Втюрин А.Н., Герасимова Ю.В. Обработка данных инфракрасной Фурье-спектроскопии. — М., 2005. — 48 с.
19. Тарасевич Б.Н. ИК-спектры основных классов органических соединений. — М.: Лаборатория знаний, 2012. — 560 с.
20. Barra I., Kharbach M., Bousrabat M., Cherrah Y., Hanafi M., Qannari E.M., Bouklouze A. Discrimination of diesel fuels marketed in Morocco using FTIR, GC-MS analysis and chemometrics methods // Talanta. — 2020. — Vol. 209. — Art. 120543. — DOI: 10.1016/j.talanta.2019.120543.