关于碳酸哌嗪（PZ）与1-二甲基氨基-2-丙醇（DMA2P）水溶液混合物粘度的实验与理论研究

《The Journal of Chemical Thermodynamics》：Experimental and theoretical investigation on viscosity of carbonated piperazine (PZ) activated 1-dimethylamino-2-propanol (DMA2P) aqueous blends

本研究考察了303.2-323.2K、常压下碳酸盐化DMA2P-PZ水溶液的粘度，发现其与Weiland方程预测结果吻合良好（平均相对偏差2.18%），并推导了CO2扩散系数及活化能，证实该混合溶液在工业CO2捕获中具有应用潜力。

　　

陈建军|马建|胡继超|张攀|傅东|王乐萌

中国华北电力大学环境科学与工程学院，电厂烟气多污染物控制河北省重点实验室，保定071003，中华人民共和国

摘要

在本研究中，我们探讨了1-二甲基氨基-2-丙醇（DMA2P）和哌嗪（PZ）的碳酸盐水溶液在303.2至323.2 K温度范围内的粘度数据。DMA2P和PZ的浓度分别介于30 wt%至50 wt%和2.5 wt%至7.5 wt%之间。实验粘度值通过Weiland方程进行计算和预测，计算结果与实验结果吻合良好，平均相对偏差为2.18%。此外，CO₂在碳酸DMA2P-PZ水溶液中的粘度活化能（Ea）和扩散系数（D_CO2）分别使用Arrhenius型表达式和修正的Stokes-Einstein方程进行推导。研究结果表明，DMA2P-PZ吸收剂在CO₂捕获过程中具有广阔的应用前景。

引言

近几十年来，来自各行各业的二氧化碳（CO₂）排放量大幅增加，对大气环境造成了严重威胁，并加速了全球变暖[1]。目前，CO₂捕获被认为是减少CO₂排放的最有效策略之一[2]、[3]、[4]。利用有机胺溶剂的化学吸收技术是目前最为成熟和主流的技术[5]、[6]、[7]、[8]。然而，没有一种单一的胺类物质同时具备所有理想的特性（如高反应速率、低再生能耗和强大的CO₂吸收能力）[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。因此，研究人员正在努力开发出具有最佳性能的胺类吸收剂。多项研究表明，混合胺类物质可以有效解决这一问题[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。

哌嗪（PZ）是一种含有两个仲氨基的环状二胺，与传统的单乙醇胺（MEA）相比，在反应速率、CO₂吸收能力、热稳定性和循环利用性方面表现出更优越的性能[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。1-二甲基氨基-2-丙醇（DMA2P）作为一种叔醇胺，由于其高吸收能力和较低的内能，在CO₂捕获领域受到了广泛关注[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。文献表明，DMA2P与其它胺类物质混合使用可显著提升CO₂的捕获效率[36]、[37]、[38]、[39]。鉴于DMA2P和PZ的优良特性，可以推测DMA2P-PZ水溶液可能成为一种有潜力的CO₂捕获溶剂。在我们之前的研究中[40]，我们探讨了分压和溶液浓度对N₂-平衡CO₂在2-二乙醇胺（DEAE）-PZ、DEAE-MEA、DMA2P-PZ和DMA2P-MEA水溶液中的吸收性能的影响。结果表明，DMA2P-PZ水溶液在所有CO₂分压下均表现出更高的CO₂吸收能力。

通常情况下，增加溶液中胺类物质的浓度可以提高混合胺的吸收性能，从而提高吸收速率、增强吸收能力并减少溶剂用量。然而，随着胺浓度的升高，粘度迅速增加，会显著影响气液传质过程，从而导致CO₂吸收速率的下降。这种现象在高CO₂负荷下尤为明显，此时粘度通常达到峰值。因此，深入理解粘度对于新型吸收剂的开发至关重要。粘度数据对于评估吸收剂的质量传递和动力学性能至关重要，并在过程模拟和吸收器设计中发挥着关键作用[41]、[42]、[43]。

最近，文献中报道了多种DMA2P水溶液的粘度数据。Li等人[44]研究了DMA2P和DMA2P+苄胺（BZA）水溶液的粘度，并根据实验数据获得了粘度偏差、活化自由能过剩和Grunberg-Nissan相互作用参数等粘度特性。在我们之前的研究中，我们探讨了不同条件下CO₂负载和未负载DMA2P-MEA水溶液的粘度[36]。Afkhamipour和Mofarahi[45]也研究了DMA2P水溶液的粘度，并基于Eyring理论和非随机双液模型（NRTL）对实验数据进行了计算和预测。目前，关于DMA2P-PZ水溶液粘度的实验和理论研究仍较为缺乏。本文首次提供了碳酸化DMA2P-PZ水溶液的实验粘度数据及其热力学性质。

本研究的主要目的是通过实验和理论方法确定碳酸化DMA2P-PZ水溶液的粘度，并分析CO₂负载、温度和胺浓度的影响。为此，我们在303.2 K至323.2 K的大气压范围内实验测定了CO₂未负载和CO₂负载DMA2P-PZ水溶液的粘度。DMA2P（w_{DMA2P）和PZ（wPZ）的质量分数分别保持在0.300至0.500和0.025至0.075之间。实验粘度值通过Weiland方程进行计算和预测。同时，我们探讨了质量分数、温度和CO2负载对粘度的影响关系，并使用Arrhenius型表达式和修正的Stokes-Einstein方程推导了CO2在碳酸化DMA2P-PZ水溶液中的扩散系数（DCO2）和粘度活化能（Ea）。}

材料与化学品

本研究中使用的化学品详见表1。DMA2P和PZ的水分含量（质量百分比）分别为0.5%和0.05%（根据供应商提供的Karl Fischer方法测定）。制备未负载溶液时使用了去离子水。所有化学品的称量均采用分析天平（Jingtian FA1604A，95%置信度下的不确定度为0.2 mg）。考虑到纯度和水分含量，w_{DMA2P和wPZ的不确定度得到了控制。}

结果与讨论

本研究中使用的粘度计和实验程序的准确性和可靠性已在之前的研究中得到验证[30]。本研究测量了中国国家计量研究院生产的四种标准粘度液体的粘度。将本实验所得数据与中国国家计量研究院认证的数据进行了比较，测量范围为303.2 K至323.2 K的大气压条件。

结论

本研究探讨了DMA2P-PZ碳酸盐水溶液在303.2至323.2 K温度范围内的粘度变化情况。实验结果能够很好地反映粘度随温度、DMA2P和PZ的质量分数以及CO₂负载的变化而变化。此外，我们还根据粘度数据计算并分析了CO₂的活化能和扩散系数。研究结果表明：

• (1)
  温度，

作者贡献声明

陈建军：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目规划、概念构思。马建：撰写 – 初稿撰写、实验研究、数据分析。胡继超：实验研究。张攀：实验研究。傅东：撰写 – 审稿与编辑、项目管理。王乐萌：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、方法学研究、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52206011和52106009）和中央高校基本科研业务费（项目编号：2024MS175和2024MS170）的支持。