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Intriguing Thermal Degradation Behavior of Aqueous Piperazine for Carbon Dioxide Capture: A First-Principles Assessment

哌嗪 化学 溶剂化 水溶液 乙二胺 反应机理 胺气处理 元动力学 计算化学 物理化学 分子动力学 有机化学 分子 催化作用
作者
Bohak Yoon,Gyeong S. Hwang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:10 (29): 9584-9590 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.2c02502
摘要

Thermal degradation of aqueous piperazine (PZ) for CO2 capture is experimentally known to yield a major product N-(2-aminoethyl)piperazine (AEP) and a minor product pair 1,1′-(1,2-ethanediyl)bis-piperazine (PEP) plus ethylenediamine (EDA), although the two reactions exhibit no substantial difference in thermodynamic favorability. This raises a question on factors affecting the rates of key reactions involved in PZ thermal degradation. Herein, we present the underlying mechanisms of PZ degradation and the relative rates of key steps involved based on ab initio metadynamics simulations. We have identified the reaction between PZ and protonated PZ resulting in an intermediate, 1-[2-(2-aminoethyl)amino]ethyl] piperazine (AEAEPZH+), and the subsequent reaction of AEAEPZH+ with PZ leading to AEP or PEP/EDA. Our simulations demonstrate that the free-energy barriers for these intermolecular reactions are largely determined by the local solvation structure and dynamics of the amine species involved. We also discuss the strong effects of temperature and molecular structure on the solvation environments. While offering an explanation for preferred AEP formation in 30 wt % PZ, our work sheds light on the possibility that both the mechanism and rate of the PZ degradation reaction can be altered with changes in temperature and amine concentration.
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