Les pétroles utilisés en raffinage étant de plus en plus lourds et chargés en métaux et hétéroélements, il est d’une grande importance pour les activités de raffinage de connaître la spéciation de ces espèces au sein des produits pétroliers et leurs comportements durant les procédés de raffinage. Afin d’apporter des réponses à cette problématique des techniques de caractérisation élémentaire et moléculaire ont été utilisées notamment par ICP MS Haute Résolution et FT ICR MS respectivement. Ces techniques analytiques sont appliquées à différents échantillons pétroliers provenant parfois de procédés de raffinage et les informations obtenues au niveau élémentaire et moléculaire sont utilisées de manières complémentaires pour améliorer notre compréhension des mécanismes se produisant au sein de nos échantillons durant les activités de raffinage. / The crude oils available for the refining industry are heavier and heavier and more concentrated in metals and heteroelements. It is thus of great importance to study the speciation of these species within the petroleum products and their behavior during the refining processes. To answer that problematic, elemental and molecular characterization techniques have been used, mainly High Resolution ICP MS and FT ICR MS for the elemental and molecular characterization respectively. The analytical techniques quoted are used for the analysis of several petroleum products sometimes originating from refining processes and the information obtained at the elemental and molecular level are combined to improve our understanding of the mechanisms occurring within our samples during refining activities.

La présence d'hétéroatomes et métaux dans des fractions lourdes de pétrole brut peuvent entraîner la désactivation des catalyseurs d’hydrotraitement et d’hydrocraquage. Les composés contenant ces éléments sont connus pour être inclus dans des agrégats macromoléculaires d’asphaltènes, qui sont considérées comme les composants les plus problématiques des produits pétroliers. Ces travaux ont pour objectif d’apporter une meilleure compréhension de l’environnement chimique de ces espèces et des phénomènes d’agrégation pour optimiser les processus de raffinage. Des techniques de séparation comme la chromatographie de perméation de gel ou Gel Permeation Chromatography (GPC), Advanced Polymer chromatographie (APC) et la chromatographie sur couche mince d’haute performance ou High Performance Thin Layer Chromatography (HPTLC) ont été combinées avec des techniques d’analyse élémentaire comme la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif ou Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) et la spectrométrie de masse moléculaire d’haute résolution pour la caractérisation des fractions pétrolières lourdes. Les profils de distribution en taille d’espèces qui contiennent du vanadium, du nickel et du soufre, les hétéroatomes et métaux les plus abondants dans les produits pétroliers, ont été déterminés par GPC couplé à une détection élémentaire par ICP MS. Les paramètres ayant le plus d’impact sur la distribution en taille et l’évolution des agrégats dans les solutions de différentes coupes pétrolières ont été optimisés. Cela nous a permis de faire différentes comparaisons, entre de nombreuses charges et effluents de procédés, ainsi que d’autres séries d’échantillons ou de mélanges provenant d’unités-pilotes d’hydrotraitement. Les résultats obtenus ont pu être mis en regard de caractéristiques macroscopiques comme la viscosité. Le couplage du nouveau système APC avec l’ICP MS a été mis au point avec succès. Cette technique a permis de réaliser des cartographies d’échantillons pétroliers plus rapides qu’en GPC tout en consommant moins de solvant. Cependant, les différences des chromatogrammes APC obtenus par rapport aux profils GPC suggèrent des interactions indésirables avec la phase stationnaire, qui ont été l’objet d’une évaluation approfondie.Enfin, un dernier type de séparation a été évaluée. L’HPTLC, qui utilise des plaques à usage unique, peut être appliquée à la séparation de produits lourds par polarité, et ce sans étapes de déasphaltage préalable, contrairement aux colonnes de chromatographie liquide qui peuvent être détériorées à cause de l'adsorption irréversible et de la précipitation des asphaltènes. Différents types de plaques et éluants ont été testés afin de développer une méthode simple pour la séparation des fractions SAR (Saturés, Aromatiques et Résines) des échantillons de distillat sous vide ou Vacuum Gas Oil (VGO). Ce travail avait pour but des migrations en une seule étape et analyse UV qui pourrait être mis en œuvre pour l’analyse de routine dans les laboratoires de contrôle avec une adsorption irréversible réduite. Des résultats très prometteurs ont été obtenus avec l’utilisation de plaques de cellulose pour la séparation des familles de polarité différentes au sein des agrégats d’asphaltènes. Des tests sur l'analyse directe des plaques par Désorption-Ionisation par Électronébulisation (DESI) MS, l'analyse directe en temps réel ou Direct Analysis in Real Time (DART) MS et Ablation Laser (LA) ICP MS ont été effectués. / The presence of heteroatoms and metals in heavy fractions of crude oil can cause the deactivation of hydrotreatment and hydrocracking catalysts. Compounds containing these elements are known to be included in macromolecular asphaltene aggregates, which are considered the most problematic components of heavy oil. This thesis aimed for a better understanding of the chemical environment of these species and on the aggregation phenomenon to optimize refining processes. Separation techniques such as Gel Permeation Chromatography (GPC), Advanced Polymer Chromatography (APC) and High Performance Thin Layer Chromatography (HPTLC) were combined with elementary analysis techniques such as Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP MS) or high-resolution molecular mass spectrometry for the characterization of heavy fractions of crude oil. Here, the size profiles of species that contain vanadium, nickel and sulfur, the most abundant heteroatoms and metals present in petroleum products, were determined by GPC online with elemental detection by ICP MS. The parameters having the most significant impact on size distribution and the evolution over time of aggregates from solutions of different petroleum cuts were optimized. This allowed the comparison between various feeds and effluents and other series of samples and mixtures from pilot units of refining processes by GPC ICP MS. Results obtained could be related to macroscopic characteristics such as viscosity. Hyphenation of the new APC System to ICP MS has been successfully completed. It allowed the mapping of petroleum samples faster than GPC, therefore with less solvent consumption. However, the differences of the APC chromatograms obtained with respect to the GPC profiles suggested significant unwanted interactions of the highly polar compounds of the petroleum samples with the stationary phase, which have been thoroughly studied. Finally, another type of separation was evaluated. HPTLC, of single-use plates, can be applied to the analysis of heavy petroleum products by polarity without prior deasphalting steps while chromatography columns can be deteriorated because of the irreversible adsorption and asphaltene precipitation. To this end, various types of plates and eluents were tested to develop straightforward SAR (Saturates, Aromatics and Resins) separations of Vacuum Gas Oil (VGO) samples. This method, based on single-step migrations with reduced irreversible adsorption and UV monitoring, could be implemented for routine analysis in control laboratories. Very promising results were obtained by the use of cellulose plates for the separation of different families within asphaltene aggregates. Tests on Desorption ElectroSpray Ionization (DESI) MS, Direct Analysis in Real Time (DART) MS and Laser Ablation (LA) ICP MS analyses of the plates have been performed.