Etude des mécanismes de dégradation des amines utilisées pour le captage du CO2 dans les fumées

Degradation mechanisms study of new amines used for CO2 capture in flue gas

• Auteur / Autrice : Hélène Lepaumier
• Direction : Dominique Picq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Chambéry
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux Organiques à Propriétés Spécifiques (Chambéry ; 1999-2011)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effluents gazeux

Détérioration

Amines

Dioxyde de carbone

Mots clés libres

Captage du CO2

Mécanismes

Relations structure-propriétés

Résumé

Le captage du CO2 en post-combustion par absorption avec une amine est à l'heure actuelle la technologie la plus avancée pour réduire les émissions de dioxyde de carbone liées aux rejets industriels. Le principal problème associé a l'absorption chimique du CO2 est la dégradation de l'amine par CO2 ou O2 entrainant un impact préjudiciable sur Ie procédé : perte de solvant, moussage, encrassement, corrosion. Dans l'optique de développer de nouvelles amines plus stables chimiquement, ce travail compare la dégradation de 17 molécules différentes, choisies afin d'établir des relations structure-propriétés : des alcanolamines, des di- et triamines. Le rôle de la température, de CO2 et O2 sur la dégradation a été étudié. La séparation, l'identification et la quantification des produits de dégradation obtenus ont été réalisées à l'aide de diverses techniques analytiques complémentaires (chromatographie gazeuse, spectrométrie de masse, chromatographie ionique, RMN). Différents mécanismes réactionnels ont été proposés afin d'expliquer la formation des composés. D'une manière générale, des réactions de type radicalaidé (désalkylation, alkylation, cyclisation, formation de pipérazinones) sont mises en jeu dans le cas de la dégradation sous O2 alors que sous CO2, des réactions de type ionique (désalkylation, alkylation, addition, cyclisation, formation d'oxazolidinones et d'imidazolidinones) sont principalement observées. De grandes différences de stabilité entre les 17 amines ont été constatées, en particulier lors de la dégradation sous CO2, L'identification des produits de dégradation et des principales réactions a permis de mettre en évidence certaines relations entre la structure de la molécule et sa stabilité chimique : l'influence de la nature de la fonction amine, l'effet de la longueur de la chaine alkyle séparant les deux hétéroatomes, l'impact d'une structure cyclique ou de l'encombrement stérique.

Global warming leads to reduce greenhouse gas emissions. Post combustion CO2 capture with solvent is the most advanced technology to reduce CO2 emissions in industrial fumes. A major problem associated with chemical absorption of CO2 using the benchmark ethanolamine (MEA) is solvent degradation through irreversible side reactions with CO2 and O2 which leads to numerous harmful impacts to the process : corrosion, solvent loss, foaming, fouling, and viscosity increase. So, developing new amines with higher chemical stability is essential. This work is based on the chemical stability study of 17 different molecules. Their structures have been chosen in order to establish structure-property relationships : alkanolamines, known for gas treatment application (MEA, DEA, MDEA, AMP. . . ), diamines, and triamines without alcohol function. Impact of temperature, CO2, and O2 on degradation has been studied. Strong experimental conditions have been used to observe significant degradation after a 15 days experiment. Separation, identification and quantification of degradation products have been performed by using different testing instructions such as gas chromatography, mass spectrometry, ionic chromatography and NMR. Different mechanisms are proposed to explain most of degradation compounds. Radical reactions (desalkylation, alkylation, ring-closure reactions and piperazinones formation) are involved under O2 pressure whereas CO2 induces ionic reactions (desalkylation, alkylation, addition, ring-closure reactions and oxazolidinones or imidazolidinones formation). Large discrepancies of stability are noticed among the different amines. Knowledge of degradation products and reaction mechanisms has thus permitted to establish some relationships between structure and chemical stability : for example, role of the amine function (primary, secondary, tertiary), impact of alkyl chain length between the two amino groups and steric hindrance.