高压下含二氧化碳与不含二氧化碳的3-氨基-1-丙醇水溶液及其与2-氨基-2-甲基-1-丙醇混合物的密度

《ACS Omega》：Densities of CO2-Loaded and Unloaded 3-Amino-1-propanol Aqueous Solutions and Their Blends with 2-Amino-2-methyl-1-propanol at High Pressures

碳捕获与封存（CCS）中，3-氨基-1-丙醇（AP）和2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）混合水溶液的密度特性及CO?负载效应被系统研究。通过振动管密度计测定不同压力（0.1-100 MPa）和温度（293.15-393.15 K）下AP、AMP及混合溶液的密度，发现密度随压力增加而升高（最大增幅约10%），随温度升高而降低（最高降幅达5.7%）。引入CO?负载后，密度显著上升（30% AP溶液密度增加约7.5%），且热膨胀系数（κ?）与摩尔体积（V?,0）呈现压力依赖性。元素分析表明，CO?负载及AMP存在时，溶液中Cr、Fe、Ni、Mo浓度显著升高，腐蚀性增强，需谨慎选择反应器材料。研究采用修正Tammann-Tait方程（R2>0.998）实现高精度拟合，为CCS工艺优化提供关键热力学参数。

　　在当前全球面临气候变化和环境污染的背景下，碳捕集与封存（CCS）以及碳捕集与利用（CCU）技术成为减少二氧化碳（CO?）排放的重要手段。这些技术的核心在于捕获并存储或转化CO?，而胺类水溶液因其在化学结合CO?方面的高效性，成为这类过程中的关键介质。然而，对于高压力和高温系统中这些溶液的一些物理性质，现有的物理化学数据库仍存在信息不足的问题。本研究提供了关于3-氨基-1-丙醇（AP）水溶液在CO?载荷和未载荷状态下的密度数据，以及其与2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）混合物在高压力条件下的密度信息。实验数据覆盖了广泛的温度范围（293.15 K至393.15 K）和压力范围（最高至100 MPa），对CO?捕集技术的开发和优化具有重要意义。

AP和AMP均是新型的烷醇胺，它们被广泛认为是CO?捕集过程中的潜在候选材料。AP含有羟基，有助于质子转移，从而提高CO?的吸收速率。而AMP和AP的混合物已被证实为高效的吸收剂，工业实践中的应用进一步证明了其在CO?捕集中的价值。尽管AP和AMP的单独使用已展现出良好的性能，但它们的混合物在实际应用中可能表现出不同的物理和化学特性，这需要进一步的研究以确保其在高温高压环境下的稳定性与效率。此外，CO?的载荷对溶液的物理性质也具有显著影响，例如密度和热膨胀系数的变化。在这一研究中，实验数据不仅涵盖了未载荷的AP溶液和其与AMP的混合物，还包括载荷CO?后的AP溶液，这为全面理解其在不同条件下的行为提供了基础。

在实验方法方面，研究使用了振动管密度计（Anton Paar DMA HPM）进行密度测量，该仪器通过电磁场激发振动管的共振，从而测量液体密度。为了确保实验的准确性，仪器在实验前进行了校准，并使用了标准物质如水和真空进行验证。同时，研究还结合了ICP-MS技术，对载荷和未载荷的胺溶液进行了多元素分析，以评估其对金属材料的腐蚀性。实验中使用的AP和AMP均为高纯度化学品，而水则为高纯度或分析级。为了排除实验中的气泡干扰，所有溶液在测量前均经过超声波浴处理。实验数据被用于计算摩尔体积和等温膨胀系数，并与已知的物理化学模型进行了对比。

研究发现，对于所有测试的胺溶液，密度随压力的增加而增加，随温度的升高而减少。这一趋势符合常规的物理性质变化规律。然而，在低浓度AP溶液中，等温膨胀系数出现了局部最小值，这可能与水的异常压缩性有关。此外，CO?的载荷不仅提高了溶液的密度，还降低了其热膨胀系数。这表明，CO?的加入对溶液的热力学行为产生了显著影响，可能是由于形成的离子对（如氨基碳酸盐）引起的电荷收缩效应。在金属腐蚀性方面，研究指出AP溶液在不同浓度下对金属的腐蚀性较低，但AMP和AP的混合物在载荷CO?后表现出更高的腐蚀性，尤其是在高温条件下。这种腐蚀性可能与CO?在溶液中的溶解度和形成的腐蚀产物有关，对于设备材料的选择和工艺设计提出了挑战。

本研究的结果不仅填补了高压力和高温条件下AP和AMP水溶液物理性质数据的空白，还为CO?捕集技术的进一步发展提供了重要参考。通过实验数据和理论模型的结合，研究人员能够准确预测溶液在不同条件下的行为，这对于优化CO?捕集过程、选择合适的材料以及设计高效设备具有重要意义。此外，实验中对数据不确定性的评估显示，密度测量的相对扩展不确定度在0.1%以下，这表明实验方法具有较高的精度。在载荷CO?的溶液中，密度的不确定度也控制在3%以内，这进一步证明了实验设计的严谨性。

研究还特别关注了不同胺浓度和CO?载荷对金属腐蚀性的影响。实验中，研究人员对Cr、Fe、Mo和Ni等金属的浓度进行了分析，这些金属的浓度可以反映溶液对金属材料的腐蚀程度。结果显示，AP溶液的腐蚀性较低，但AMP与AP的混合物在载荷CO?后表现出更高的腐蚀性，尤其是在高温条件下。这种现象可能与AMP在溶液中形成的离子对有关，这些离子对可能对金属表面产生腐蚀效应。此外，CO?的溶解度和浓度也影响了腐蚀性，载荷较高的溶液对金属的腐蚀作用更为显著。这些发现对于工业应用中的材料选择和腐蚀控制策略具有重要指导意义。

本研究还讨论了实验数据与现有文献的对比。例如，在未载荷的AP溶液中，实验数据与Hartono和Knuutila的研究结果相比，平均绝对偏差（AAD）在0.4%至0.7%之间，表明实验数据的可靠性。此外，对于AP和AMP的混合物，实验数据与文献中的研究结果一致，显示出良好的线性趋势，表明溶液在不同浓度下的行为可以被模型预测。这些数据不仅为CO?捕集技术提供了理论支持，还为实际工程设计提供了可靠的数据基础。

通过使用修改后的Tammann–Tait方程对实验数据进行拟合，研究人员能够准确描述溶液在不同温度和压力下的密度变化。该方程在实验数据的拟合中表现出色，捕捉了溶液在高压力下的非线性压缩性行为。此外，拟合参数的统计分析（包括标准差、最大偏差和平均绝对偏差）表明模型的准确性。这些数据对于优化CO?捕集系统、预测溶液在不同操作条件下的行为具有重要价值。

在CO?载荷的溶液中，研究发现随着CO?载荷的增加，摩尔体积和等温膨胀系数均有所下降。这一现象可能与CO?在溶液中形成的离子对有关，这些离子对可能引起溶剂的体积收缩。同时，研究还指出，在AP和AMP的混合物中，CO?的载荷可能进一步加剧腐蚀性，尤其是在高温条件下。这种腐蚀性不仅与溶液的化学成分有关，还可能受到操作条件（如压力和温度）的影响。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和数据处理，提供了关于AP和AMP水溶液在高压力和高温条件下的密度、摩尔体积和等温膨胀系数的详细数据。这些数据对于CO?捕集技术的开发、设备设计和材料选择具有重要意义。此外，研究还揭示了CO?载荷对溶液物理性质和腐蚀性的影响，为实际应用中的工艺优化提供了理论依据。未来的研究可以进一步探索这些溶液在不同操作条件下的行为，以及如何通过添加缓蚀剂来减少腐蚀性，从而提高CO?捕集系统的稳定性和经济性。