7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 1/28

C h a p t e r 3      

K i n e t i c s a n d D i s s o c i a t i o n C o n s t a n t s (      p K       a     ) o f   

P o l y a m i n e s o f I m p o r t a n c e i n P o s t - C o m b u s t i o n      

C a r b o n D i o x i d e ( C O            2     ) C a p t u r e S t u d i e s    

F . K h a l i l i ,      †    A . V . R a y e r ,      †    A . H e n n i ,      * , †    A . L . L . E a s t ,      ‡   

a n d P . T o n t i w a c h w u t h i k u l      †   

†   I n d u s t r i a l S y s t e m s E n g i n e e r i n g a n d A p p l i e d S c i e n c e , ( I n t e r n a t i o n a l T e s t    

C e n t r e f o r C a r b o n C a p t u r e ) , U n i v e r s i t y o f R e g i n a , R e g i n a , S K S 4 S 0 A 2 ,    

C a n a d a      ‡   D e p a r t m e n t o f C h e m i s t r y a n d B i o c h e m i s t r y , U n i v e r s i t y o f R e g i n a , R e g i n a ,    

S K S 4 S 0 A 2 , C a n a d a      *   E - m a i l : a m r . h e n n i @ u r e g i n a . c a      

P s e u d o - r s t - o r d e r o v e r a l l r a t e c o n s t a n t s f o r t h e l o s s o f C O          2   

v i a r e a c t i o n w i t h d i f f e r e n t t y p e s o f a m i n e s w e r e m e a s u r e d      

u s i n g a s t o p p e d - o w t e c h n i q u e a t 2 9 8 . 1 5 K . P o l y a m i n e s a n d      

c y c l i c a m i n e s w e r e f o u n d t o h a v e h i g h e r r e a c t i o n r a t e s t h a n      

l i n e a r p r i m a r y a n d s e c o n d a r y a m i n e s . T h e r e f o r e , s i x a q u e o u s    

c y c l i c p o l y a m i n e s o l u t i o n s w e r e s t u d i e d a t ( 2 9 8 . 1 5 t o 3 1 3 . 1 5 )    

K o v e r a c o n c e n t r a t i o n r a n g e o f ( 2 0 t o 1 2 0 ) m o l · m            - 3    u s i n g .  

T h e o v e r a l l r e a c t i o n o r d e r s w e r e c a l c u l a t e d u s i n g t h e e m p i r i c a l     p o w e r l a w k i n e t i c s a n d w e r e f o u n d t o b e f r a c t i o n a l i n o r d e r ,  

f o r p r a c t i c a l l y a l l s t u d i e d c y c l i c p o l y a m i n e s . T h e o v e r a l l r a t e      

c o n s t a n t s w e r e t t e d w i t h t h e C r o o k s - D o n n e l l a n t e r m o l e c u l a r    

r a t e e x p r e s s i o n t o d e t e r m i n e e l e m e n t a r y r a t e c o n s t a n t s . I n      

a d d i t i o n , t h e d i s s o c i a t i o n c o n s t a n t s (      p K      a     ) w e r e d e t e r m i n e d      

u s i n g t h e p o t e n t i o m e t r i c t i t r a t i o n m e t h o d a t ( 2 9 8 , 3 0 3 , 3 1 3 a n d      

3 2 3 ) K , a n d p r e d i c t e d u s i n g q u a n t u m c h e m i s t r y t e c h n i q u e s    

( I E F P C M c o n t i n u u m s o l v a t i o n m o d e l ) . A t r e n d w a s f o u n d f o r    

t h e v a r i a t i o n o f t h e        p K      a     w i t h t h e a d d i t i o n o f d i f f e r e n t r a d i c a l    g r o u p s t o t h e c y c l i c b a s e m o l e c u l e s . C o m p u t a t i o n a l t e c h n i q u e s    

t e s t e d f o r t h e p r e d i c t i o n o f        p K      a     i n v o l v e d        B 3 L Y P          a n d M P 2 l e v e l s    

o f e l e c t r o n i c s t r u c t u r e t h e o r y , t h e a d d i t i o n o f a n e x p l i c i t w a t e r    

m o l e c u l e i n s i d e t h e c o n t i n u u m c a v i t y , a n d a s p e c i a l s c a l i n g o f      

© 2 0 1 2 A m e r i c a n C h e m i c a l S o c i e t y      

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 2/28

t h e c a v i t y r a d i i f o r t h e i o n s . T h e p r o c e d u r e d e v e l o p e d i n t h i s    

s t u d y r e d u c e d t h e e r r o r f o u n d i n a p r e v i o u s t e c h n i q u e f o r c y c l i c      

a m i n e s b y 6 2 % .  

1 . I n t r o        d u     c t i o n      

I n o r d e r t o s a t i s f y e n v i r o n m e n t a l c o m b u s t i o n s t a n d a r d s , a c i d g a s e s s u c h a s    

C O      2     a n d H          2     S m u s t b e r e m o v e d f r o m g a s e o u s s t r e a m s i n r e n i n g , a n d i n c h e m i c a l    

a n d g a s a s s o c i a t e d p r o d u c t i o n p l a n t s . N a t u r a l g a s a n d s y n t h e t i c f u e l s s u c h a s    

c o a l g a s i c a t i o n a n d s h        a l e     o i l c o v e r b r o a d r a n g e s o f b o t h a c i d g a s c o m p o s i t i o n      

a n d p r e s s u r e (      1     ) . T h e m o s t c o m m o n s o l v e n t s u s e d t o c a p t u r e C O          2     a r e t h e      

a l k a n o l a m i n e s s u c h a s t h e m o n o e t h a n o l a m i n e ( M E A ) , d i e t h a n o l a m i n e ( D E A )    

a n d n - m e t h y l d i e t h a n o l a m i n e ( M D          E A      ) . T h e s e a m i n e s a r e u s e d c o m m e r c i a l l y i n      

 p o s t - c o m b u s t i o n C O      2     c a p t u r e a s a q u e o u s s o l u t i o n o r i n a q u e o u s o r g a n i c m e d i u m          o r i n c o m b i n a t i o n w i t h a q u e o u s p o t a s s i u m c a r b o n a t e s o l u t i o n s (      2     ) . 

C O      2     c a p t u r e b y c h e m i c a l a b s o r p t i o n u s i n g a q u e o u s s o l u t i o n o f a m i n e u s e s    

a b s o r p e r a b d s t r i p p e r u n i t s . T h i s t e c h n o l o g y n e e d s t o o v e r c o m e t h e c h a l l e n g e      

o f r e d u c i n g t h e e n e r g y , t h e e n v i r o n m e n t a l i m p a c t a n d t h e c a p t u r e c o s t . F i n d i n g      

a b e t t e r s o l v e n t i s t h e p a t h t o s o l v e t h e s e i s s u e s . H i g h c y c l i c c a p a c i t y , f a s t    

a b s o r p t i o n r a t e , h i g h e q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y a n d l o w e n t h a l p y o f      

a b s o r p t i o n a r e s o m e o f t h e f a c t o r s t o b e c o n s i d e r e d i n t h e s e l e c t i o n o f t h e b e s t    

s o l v e n t . B o t h c a p i t a l a n d c a p t u r e c o s t s o f C O          2     r e m o v a l d e p e n d o n t h e C O          2   

a b s o r p t i o n a n d d e s o r p t i o n r a t e s .    S o     l v e n t s w i t h f a s t r e a c t i o n r a t e s c a n r      e d     u c e t h e      h e i g h t o f t h e p a c k i n g r e q u i r e d i n b o t h t h e a b s o r b e r a n d s t r i p p e r . E n e r g y i n t h e      

s t r i p p e r c a n b e s a v e d b y f a s t e r s o l v e n t s a n d b y a c h i e v i n g a c l o s e r e q u i l i b r i u m          

i n t h e a b s o r b e r (      3     ) . S i n c e 1 9 6 0 ,      v a r i      o u s p r i m a r y , s e c o n d a r y a n d t e r t i a r y a m i n e s    

w e r e s t u d i e d f o r t h e i r r e a c t i o n r a t e w i t h C O          2     t o n d o u t f a s t e r s o l v e n t s a n d m a n y      

s t u d i e s w e r e p u b l i s h e d i n t h e l i t e r a t u r e , a n d r e v i e w e d b y B l a u w h o f f e t a l . (      4     ) ,  

V e r s t e e g e t a l . (      5     ) , a n d m o r e r e c e n t l y b y V a i d y a e t a l . (      6     ) I n t h i s w o r k , a s c r e e n i n g      

s t u d y w a s p e r f o r m e d o n d i f f e r e n t t y p e s o f a m i n e s ( p r i m a r y , s e c o n d a r y , t e r t i a r y ,    

c y c l i c a n d p o l y a m i n e s ) u s i n g a w e l l e s t a b l i s h e d s t o p p e d - o w p r o c e d u r e i n o r d e r    

t o n d t h e b e s t s o l v e n t s b a s e d o n t h e i r k i n e t i c s r a t e s a t 2 9 8 . 1 5 K . S i x c y c l i c      a q u e o u s p o l y a m i n e s w e r e s t u d i e d a t ( 2 9 8 . 1 5 t o 3 1 3 . 1 5 ) K o v e r a c o n c e n t r a t i o n      

r a n g e o f ( 2 0 t o 1 2 0 ) m o l · m            - 3   . 

T h e b a s c i t y o f t h e s o l v e n t , q u a n t i e d b y t h e        p K      a     o f i t s c o n j u g a t e a c i d , i s    

a n i m p o r t a n t f u n d a m e n t a l p r o p e r t y w h i c h a f f e c t s t h e k i n e t i c s a n d p o s s i b l y t h e      

m e c h a n i s m o f t h e c a p t u r e p r o c e s s (      3     –     6     ) . A l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e        p K      a   

o f a n a c i d o r b a s e w i t h i t s c a t a l y t i c e f f e c t o n t h e r e a c t i o n r a t e w a s r e p o r t e d b y      

B r ø n s t e d e t a l . (      4     ) M a n y l i t e r a t u r e s t u d i e s r e p o r t e d o n a B r ø n s t e d r e l a t i o n s h i p      

 b e t w e e n t h e r a t e c o n s t a n t o f t h e r e a c t i o n o f a m i n e s w i t h C O      2     a n d t h e b a s i c i t y o f      

s u c h a m i n e s (      4     –     8     ) . T h e f o l l o w i n        g B      r ø n s t e d r e l a t i o n s h i p w a s r e p o r t e d b y V e r s t e e g      e t a l . (      5     ) f o r a q u e o u s p r i m a r y a n d s e c o n d a r y a l k a n o l a m i n e s :    

a n d f o r t e r t i a r y a m i n e s (      5     ) :  

4 4   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 3/28

B e c a u s e o f t h e e s s e n t i a l n e e d f o r      p K      a     v a l u e s , i t w o u l d b e u s e f u l t o p r e d i c t t h e      

a q u e o u s      p K      a     o f n e w a m i n e s b y a p r i o r m e a n s . O n e d i r e c t w a y i s t h e c a l c u l a t i o n      o f s u c h v a l u e s u s i n g a w i d e l y p o p u l a r q u a n t u m c h e m i s t r y p r o g r a m ( G a u s s i a n      

0 3 ) w i t h a c o n t i n u m s o l v a t i o n m o d e l , i n w h i c h t h e s o l v e n t i s a p p r o x i m a t e d a s a      

d i e l e c t r i c c o n t i n u u m . A s t u d y o f t h i s k i n d w a s r e p o r t e d b y d a S i l v a a n d S v e n d s e n      

(    9     ) , a n d i m p r o v e d b y o u r p r e v i o u s w o r k t o p r e d i c t t h e a q u e o u s      p K      a     v a l u e s    

w i t h i n ± 1 (      1 0     ) . T h e p r o c e d u r e a n d t h e c h o i c e o f c o n f o r m e r s f o r t h e s t u d i e d      

a l k a n o l a m i n e s w e r e r e c e n t l y p u b l i s h e d .  

2 . E x p e r i m e n t a l S e t u p      

2 . 1 . D e t e r m i n a t i o n o f C h e m i c a l K i n e t i c s    

A s t o p p e d o w t e c h n i q u e w a s u s e d f o r t h e d i r e c t m e a s u r e m e n t o f p s e u d o      

r s t - o r d e r k i n e t i c s ,      k     0     , f o r d i f f e r e n t a q u e o u s a n d n o n - a q u e o u s d i a m i n e s , a s w e l l    

a s p r i m a r y , s e c o n d a r y a n d t e r t i a r y a l k a n o l a m i n e s . T h e e x p e r i m e n t a l s e t u p i s    

a s t a n d a r d S F - 5 1 s t o p p e d o w u n i t f r o m H i - T e c h S c i e n t i c L t d . , U K . I t i s a n      

a s s e m b l y o f f o u r m a j o r u n i t s ; a s a m p l e - h a n d l i n g u n i t , a c o n d u c t i v i t y - d e t e c t i o n      

c e l l , a n A / D c o n v e r t e r a n d a m i c r o p r o c e s s o r . T h e s a m p l e - h a n d l i n g u n i t i s    c o m p r i s e d o f a s t a i n l e s s s t e e l c a s e w h i c h p r o v i d e s s u p p o r t a n d a n e n c l o s u r e f o r    

t h e s a m p l e o w c i r c u i t . S c h e m a t i c s o f t h e s a m p l e h a n d l i n g u n i t i s s h o w n i n      

F i g u r e 1 . T h e e n t i r e o w c i r c u i t , w i t h t h e e x c e p t i o n o f t h e s t o p / w a s t e s y r i n g e , i s    

e n c l o s e d i n a t h e r m o s t a t a n d m a i n t a i n e d a t a c o n s t a n t t e m p e r a t u r e b y a n e x t e r n a l    

w a t e r b a t h w i t h i n ± 0 . 1 K . T h e f r o n t p a n e l o f t h e s a m p l e h a n d l i n g u n i t d i s p l a y s a      

t e m p e r a t u r e i n d i c a t o r w i t h a r e s o l u t i o n o f 0 . 1 K a n d a n a i r p r e s s u r e i n d i c a t o r . A        

 p n e u m a t i c a i r s u p p l y i s u s e d t o c o n t r o l t h e m o v e m e n t o f d r i v e p l a t e l o c a t e d a t t h e   

 b o t t o m o f t h e i n t e r n a l s y r i n g e s t h a t c o n t a i n s t h e C O      2     s o l u t i o n a n d a m i n e s o l u t i o n .  

D u r i n g a n e x p e r i m e n t a l r u n , a f r e s h s o l u t i o n o f C O          2   

  i s l o a d e d i n t o o n e s y r i n g e      

a n d a f r e s h s o l u t i o n o f a m i n e i s l o a d e d i n t o t h e o t h e r .  

C O      2     s o l u t i o n s w e r e p r e p a r e d b y b u b b l i n g r e s e a r c h g r a d e C O          2     f o r a t l e a s t    

h a l f a n h o u r t h r o u g h t h e d e s i r e d m e d i u m w i t h w a t e r f o r a n a q u e o u s s o l u t i o n a n d      

m e t h a n o l o r e t h a n o l f o r a n o n - a q u e o u s s o l u t i o n . T h e c o n c e n t r a t i o n o f C O          2     i n t h e      

l i q u i d m e d i u m w a s m e a s u r e d i n a g a s c h r o m a t o g r a p h ( G C - 6 8 9 0 f r o m A g i l e n t ) . I t    

w a s t h e n d i l u t e d w i t h t h e c h o s e n m e d i a t o k e e p t h e C O          2     s o l u t i o n a t l e a s t 1 0 t i m e s    

l o w e r t h a n t h e a m i n e s o l u t i o n i n o r d e r t o a c h i e v e p s e u d o r s t - o r d e r c o n d i t i o n s .  

T h e p s e u d o r s t - o r d e r r a t e c o n s t a n t s o f t h e a q u e o u s s o l u t i o n o f E D A o b t a i n e d      

f o r d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s a r e c o m p a r e d w i t h p r e v i o u s l y p u b l i s h e d d a t a (      1 1     )  

i n F i g u r e 2 . A r e p r o d u c i b i l i t     y o f     4 % ( a b s o l u t e a v e r a g e d e v i a t i o n o f 1 5 s e t s o f      

k     0     v a l u e s f r o m t h        e i r    m e a n v a l u e ) a n d a n e s t i m a t e d u n c e r t a i n t y o f 5 % ( a b s o l u t e      

a v e r a g e d e v i a t i o n o f t h e o b t a i n e d v a l u e f r o m t h e l i t e r a t u r e v a l u e ) w e r e o b s e r v e d      

w h e n c o m p a r e d t o p u b l i s h e d d a t a . B y t t i n g t h e e m p i r i c a l p o w e r - l a w k i n e t i c s    

t o t h e d a t a o f t h e e x p e r i m e n t a l l y f o u n d p s e u d o r s t o r d e r c o n s t a n t s f o r C O          2     a s  

s h o w n i n F i g u r e 2 , t h e r e a c t i o n o r d e r o f t h e a m i n e w a s d e t e r m i n e d .  

4 5   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 4/28

 F i g u r e 1 . S c h e m a t i c d i a g r a m o f s t o p p e d o w i n s t r u m e n t  

 F i g u r e 2 . P s e u d o r s t o r d e r r e a c t i o n f o r ( E D A + H       2     O ) s o l u t i o n . ♦ , 2 9 8 . 1 5 K ; ◊ ,  

2 9 8 . 1 5 K          1 1   ;    ▴           , 3 0 3 . 1 5 K ;      ▵           , 3 0 3 . 1 5 K          1 1   ; ▪ , 3 0 8 . 1 5 K ; □ , 3 0 8 . 1 5 K          1 1   ; ● , 3 1 3 . 1 5 K ;    

○ , 3 1 3 . 1 5 K          1 1   ; - - - P o w e r l a w k i n e t i c s .  

4 6   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 5/28

2 . 2 . D e t e r m i n a t i o n o f t h e D i s s o c i a t i o n C o n s t a n t (      p K       a     )  

0 . 0 1 M a q u e o u s s o l u t i o n s o f a m i n e s w e r e p r e p a r e d u s i n g d e i o n i z e d d o u b l e      

d i s t i l l e d w a t e r . T h e s o l u t i o n w a s m a i n t a i n e d a t t h e e x p e r i m e n t a l t e m p e r a t u r e a n d      

 b l a n k e t e d w i t h a s l o w s t r e a m o f n i t r o g e n . T h e a m i n e s o l u t i o n s ( 5 0 m L ) w e r e   

t i t r a t e d w i t h 0 . 1 M H C l . T w e n t y e q u a l p o r t i o n s ( 0 . 5 m L ) o f t h e t i t r a n t w e r e a d d e d      

t o t h e s o l u t i o n a n d t h e        p H       v a l u e w a s r e a d w h e n t h e e q u i l i b r i u m w a s r e a c h e d . T h e      

 p K      a     v a l u e s w e r e d e t e r m i n e d u s i n g t h e A l b e r t a n d S e r j e a n t p r o c e d u r e (      1 2     ) .    p K      a   

v a l u e s o f p i p e r a z i n e ( P Z ) , f r o m t h e e x p e r i m e n t a l w o r k a r e d i s c u s s e d a n d t h e s a m e      

 p r o c e d u r e w a s u s e d t o c a l c u l a t e t h e     p K      a     v a l u e s o f o t h e r c y c l i c a m i n e s .  

P Z i s a d i a c i d i c b a s e a n d i t i o n i z e s i n a q u e o u s s o l u t i o n a s f o l l o w s :    

w h e r e        P Z H       +     r e p r e s e n t s t h e m o n o p r o t o n a t e d p i p e r a z i n e , a n d        P Z H       2     2 +     d e n o t e s t h e      

 p i p e r a z i n i u m i o n . C o n s i d e r i n g t h e m o l e f r a c t i o n o f w a t e r a s u n i t y a n d e x p r e s s i n g   

t h e c o n c e n t r a t i o n o f h y d r o n i u m i o n ,      [ H       3     O      +     ]    , a s    [ H       +     ]    , t h e        p K      a     v a l u e s o f        P Z      c a n b e      

w r i t t e n a s :    

T h e l a s t t e r m s i n e q u a t i o n s ( 5 ) a n d ( 6 ) a r e t h e t h e r m o d y n a m i c c o r r e c t i o n s . T h e      

c a l c u l a t i o n p r o c e d u r e s w e r e e x p l a i n e d i n A l b e r t a n d S e r j e a n t (      1 2     ) . 0 . 5 m l o f t h e      

t i t r a n t H C l w a s a d d e d t o 5 0 m L s o l u t i o n o f 0 . 0 1 M            P Z      i n 1 0 p a r t s ( 5 m l ) t o c a l c u l a t e      

t h e r a t i o s o f        [ P Z H            +     ] / [ P Z ]    a n d t h e n e x t 1 0 p a r t s o f 0 . 5 m l w e r e a d d e d t o n d t h e      

r a t i o s o f        [ P Z H            2     2 +     ] / [ P Z H       +     ]    . T h e c o r r e s p o n d i n g        p H       v a l u e s a f t e r e a c h a d d i t i o n o f      

t i t r a n t w e r e r e c o r d e d . T h e s e r a t i o s w e r e u s e d i n e q u a t i o n s 5 a n d 6 t o n d        p K      a ( 1 )    a n d   

 p K      a ( 2 )    v a l u e s . T h e r m a l c o r r e c t i o n s w e r e s u b t r a c t e d f r o m t h e        p K      a ( 1 )    v a l u e s a n d t h e      

a v e r a g e v a l u e s w e r e c a l c u l a t e d a s t h e r s t      p K      a     o f     P Z      . C o r r e s p o n d i n g l y t h e r m a l    

c o r r e c t i o n s f o r t h e s e c o n d d i s s o c i a t i o n c o n s t a n t s (      p K      a ( 2 )   ) w e r e d e d u c t e d t o n d      

t h e a v e r a g e v a l u e a s t h e s e c o n d        p K      a     . T h e D e b y e - H ü c k e l e q u a t i o n w a s u s e d t o      

c a l c u l a t e t h e a c t i v i t y c o e f c i e n t s :    

4 7   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 6/28

w h e r e t h e t e r m s      A     a n d     B      a r e c a l l e d t h e D e b y e - H ü c k e l e q u a t i o n c o n s t a n t s a n d v a r y      

w i t h t h e d i e l e c t r i c c o n s t a n t a n d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s o l v e n t .    z     i    i s t h e i o n v a l a n c e      

a n d t h e t e r m            k     i    i s t h e i o n i c s i z e p a r a m e t e r , i . e . t h e m e a n d i s t a n c e o f a p p r o a c h      

o f t h e i o n s .    I     r e p r e s e n t s t h e i o n i c s t r e n g t h a n d d e p e n d s o n t h e c o n c e n t r a t i o n o f      

t h e s o l u t i o n . T h e v a l u e s o f        A     a n d     B      f o r d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s w e r e t a k e n f r o m          M a n o v e t a l . (      1 3     ) T h e i o n i c s i z e p a r a m e t e r s (      k     i   ) v a l u e s w e r e a l s o o b t a i n e d f r o m t h e      

l i t e r a t u r e (      1 4     ) . T h e c a l c u l a t i o n o f t h e i o n i c s t r e n g t h f o l l o w s d i f f e r e n t p r o c e d u r e s    

f o r t h e r s t a n d s e c o n d        p K      a     s    a s s h o w n i n t h e w o r k o f A l b e r t a n d S e r j e a n t (      1 3     ) . 

3 . R e a c t i o n K i n e t i c s a n d M e c h a n i s m          

T h e r e a c t i o n k i n e t i c s o f C O          2     w i t h p r i m a r y , s e c o n d a r y a n d s t e r i c a l l y h i n d e r e d      

a m i n e s H X Y N ( H , X , a n d Y b o n d e d t o N ) c a n b e e x p l a i n e d w i t h e i t h e r t h e      

z w i t t e r i o n m e c h a n i s m o r t h e s o - c a l l e d “ t e r m o l e c u l a r ” m e c h a n i s m , w h e r e a s t h e      r e a c t i o n w i t h t e r t i a r y a m i n e s i s i n t e r p r e t e d u s i n g a m e c h a n i s m d e s c r i b e d b y t h e      

 b a s e - c a t a l y z e d h y d r a t i o n o f C O      2     . 

3 . 1 . Z w i t t e r i o n M e c h a n i s m          

T h e z w i t t e r i o n m e c h a n i s m w a s p r o p o s e d b y D a n c k w e r t s (      1 5     ) f o r    

a l k a n o l a m i n e s , d r a w i n g u p o n a n e a r l i e r i d e a f o r p u r e a m i n e s . T h i s t w o - s t e p      

m e c h a n i s m a s s u m e s a f o r m a t i o n o f a n i n t e r m e d i a t e z w i t t e r i o n w h i c h t h e n      

u n d e r g o e s a d e p r o t o n a t i o n b y b a s i c m o l e c u l e s r e s u l t i n g i n c a r b a m a t e f o r m a t i o n :    

A p p l y i n g t h e s t e a d y - s t a t e p r i n c i p l e t o t h e i n t e r m e d i a t e z w i t t e r i o n , t h e r a t e o f      

r e a c t i o n o f C O          2     (    r     C O      2     ) i n a q u e o u s s o l u t i o n s c a n b e d e s c r i b e d a s :    

w h e r e        k     o v     i s t h e o v e r a l l r e a c t i o n r a t e c o n s t a n t f o r C O          2     l o s s ,      K      B      =     k     2     Z    k     B      /   k     b     , a n d        k     2   

  Z    ,  

k     b     ( b = b a c k w a r d s ) a n d        k     B      (    B      = b a s e ) a r e t h e e l e m e n t a r y r a t e c o n s t a n t s i n s t e p s ( 8 )    

a n d ( 9 ) .    B      d e n o t e s a n y p r o t o n - a c c e p t i n g s p e c i e s p r e s e n t ; i f o n e c o n s i d e r s {        H       2     O      ,  

O H       -  ,    H X Y N            } , t h e n o n e h a s e l e m e n t a r y r a t e c o n s t a n t s      k     B      = {     k     W        ,    k     O H       −     ,    k     H X Y N            } a n d      

t h e c o r r e s p o n d i n g c o m p o s i t e s      K      B      i n e q u a t i o n ( 1 0 ) .  

E q u a t i o n ( 1 0 ) i s v e r y g e n e r a l a n d s h o u l d c o v e r m o s t c a s e s . F i t t i n g t h i s    

e q u a t i o n t o e x p e r i m e n t a l d a t a w o u l d g i v e v a l u e s f o r t h e t h r e e        K      B      ’ s a s w e l l a s      k     2     Z    ,  

 b u t t h i s 4 - p a r a m e t e r f u n c t i o n o f t e n h a s i n d e t e r m i n a c y p r o b l e m s . D a n c k w e r t s (    1 5     )  

 p o i n t e d o u t t w o l i m i t i n g c a     s e s ,      a r i s i n g i f        k     b     < < ∑      B      k     B      [    B      ] [ e q u a t i o n ( 1 1 ) ] o r      k     b     > >   

∑      B      k     B      [    B      ] [ e q u a t i o n ( 1 2 ) ] :    

4 8   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 7/28

E q u a t i o n ( 1 2 ) , l i k e ( 1 0 ) , a l l o w s f o r f r a c t i o n a l o r d e r s o f t h e a m i n e b e t w e e n 1 a n d 2 .  

3 . 2 . “ T e r m o l e c u l a r ” M e c h a n i s m          

I t t u r n s o u t t h a t t h e l i m i t i n g        r a t e        l a w i n e q u a t i o n ( 1 2 ) i s i d e n t i c a l t o t h e C r o o k s -    

D o n n e l l a n e x p r e s s i o n , w h i c h a r o s e f r o m a s s u m i n g t h a t t h e m e c h a n i s m c o n s i s t s o f      

o n e e l e m e n t a r y t e r m o l e c u l a r s t e p (      1 6     ) :  

T h e r e a r e t h e o r e t i c a l o b j e c t i o n s t o t e r m o l e c u l a r e l e m e n t a r y s t e p s , a s a n y s t e p      

w h i c h r e q u i r e s s i m u l t a n e o u s c o l l i s i o n o f 3 e n t i t i e s i s v e r y r a r e . I t i s m o r e l i k e l y      

t h a t t h e s i n g l e s t e p s t a r t s w i t h t w o o f t h e t h r e e r e a c t a n t s i n i t i a l l y c o m p l e x e d , e i t h e r    

a s    B . H X Y N            ,    H X Y N . C O          2     ( C r o o k s - D o n n e l l a n (      1 6     ) ) , o r t h e z w i t t e r i o n        H       +     X Y N C O O      −    

( D a n c k w e r t s (      1 5     ) ) . H e n c e , t h e u s e o f e q u a t i o n ( 1 2 ) d o e s      n o t    c o n r m o r d e n y t h e      

e x i s t e n c e o f a n y o n e o f t h e s e s u p p o s e d i n i t i a l c o m p l e x e s . T h e l a b e l “ t e r m o l e c u l a r ”      

f o r t h e r a t e l a w i n [ e q u a t i o n ( 1 2 ) ] s h o u l d b e t a k e n t o m e a n t h a t t h i s r a t e l a w a r i s e s    i n t h e l i m i t t h a t t h e i n t e r m e d i a t e , r e g a r d l e s s o f i t s n a t u r e , i s i n a s u f c i e n t l y r a p i d      

e q u i l i b r i u m w i t h r e a c t a n t s a s t o m a k e t h e t w o - s t e p r e a c t i o n a p p e a r t o b e o n e s t e p .  

 N o t e t h a t i t w o u l d b e i n c o r r e c t p r a c t i c e t o e q u a t e e q u a t i o n ( 1 2 ) w i t h e q u a t i o n ( 1 1 ) . 

S o m e w o r k e r s ( e . g . B l a u w h o f f e t a l . (      4     ) ) h a v e a s s u m e d t h e z w i t t e r i o n      

m e c h a n i s m a n d d e r i v e d v a l u e s f o r i t s e l e m e n t a r y r a t e c o n s t a n t s . V a l u e s f o r t h e      

k     W        a n d     k     O H       −     r a t e c o n s t a n t s , f o r t h e u n c a t a l y z e d r e a c t i o n b e t w e e n C O          2     a n d e i t h e r    

w a t e r o r t h e h y d r o x i d e i o n s , c a n b e d e t e r m i n e d b y t h e c o r r e l a t i o n s p r o p o s e d b y      

P i n s e n t e t a l . m a n y y e a r s a g o (      1 7     ) . I n t h e c u r r e n t w o r k , r e s u l t s p u b l i s h e d i n r e f .  

(    4     ) f o r p r i m a r y a n d s e c o n d a r y a m i n e s w e r e u s e d i n d e t e r m i n i n g t h e i n t i a l g u e s s e s    f o r    K      W        a n d     K      O H       −     i n t s o f e q u a t i o n s ( 1 0 ) a n d ( 1 2 ) . C a l c u l a t i o n s w i t h o u t p r o p e r    

i n t i a l g u e s s e s c a n l e a d t o e r r o n e o u s r e s u l t s i n e s t i m a t i n g t h e r a t e c o n s t a n t s (      K      a     ,  

 K      W        a n d     K      O H       −     ) . 

3 . 3 . B a s e C a t a l y s i s M e c h a n i s m          

T h i s m e c h a n i s m s e e m s i m p o r t a n t o n l y f o r t e r t      i a r y        a m i n e s , w h i c h w e r e n o t    

s t u d i e d i n t h i s w o r k , b u t t h e t h e o r y i s p r e s e n t e d h e r e f o r c o m p l e t e n e s s . D o n a l d s o n      

a n d N g u y e n (      1 8     ) p r o p o s e d a d i f f e r e n t t e r m o l e c u l a r m e c h a n i s m f o r t h e r e a c t i o n o f      C O      2     w i t h t e r t i a r y a m i n e :    

A g a i n , a t r u e t e r m o l e c u l e c u l a r e l e m e n t a r y s t e p i s u n l i k e l y , a n d t h e m e c h a n i s m i s    

m o r e l i k e l y t o h a v e a n i n i t i a l r a p i d e q u i l i b r i u m i n c o n s e q u e n t i a l t o r a t e :    

4 9   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 8/28

A n a d d i t i o n a l p o s s i b i l i t y f o r t h e C O          2     l o s s r a t e c o u l d b e t h e u n c a t a l y z e d r e a c t i o n :    

 b u t t h i s w a s d e e m e d u n i m p o r t a n t b y L i t t e l , V e r s t e e g , a n d v a n S w a a i j (    1 9     ) . T h e y      

w e n t o n t o s t r a i g h t f o r w a r d l y d e r i v e t h e r a t e e x p r e s s i o n f r o m t h e t e r m o l e c u l a r    

m e c h a n i s m ( 1 4 ) :    

w h e r e        k     2     B     =     k     3     [    H       2     O      ] s h o u l d b e i n d e p e n d e n t o f a m i n e c o n c e n t r a t i o n .  

B l a u w h o f f e t a l . (      4     ) s t u d i e d t h e k i n e t i c s o f s e v e r a l a m i n e s a n d c o n c l u d e d t h a t    

a n i n c r e a s e i n a m i n e        p K      a     i n c r e a s e s t h e r a t e o f C O          2     l o s s f o r p r i m a r y , s e c o n d a r y , a n d      

t e r t i a r y a m i n e s . I n t h i s w o r k , [      O H       -  ] i o n s c o n t r i b u t i o n s a r e c a l c u l a t e d u s i n g t h e      

r e l a t i o n s g i v e n b y A s t a r i t a e t a l . (      2 0     ) :  

w h e r e        α     i s t h e C O          2     l o a d i n g i n a m i n e s o l u t i o n ( a l w a y s l o w i n s t o p p e d - o w        

e x p e r i m e n t s ) , a n d        K      p    i s t h e e q u i l i b r i u m c o n s t a n t f o r :    

T h e v a l u e o f        K      W        w a s e s t i m a t e d b a s e d o n t h e c o r r e l a t i o n o f B a r t h e t a l . (      2 1     ) a n d      

t h e v a l u e s o f        K      p    f o r e a c h a m i n e w e r e e s t     i m       a t e d u s i n g t h e e x p e r i m e n t a l      p K      a     v a l u e s .  

 p K      a     v a l u e s w e r e m e a s u r e d u s i n g t h e e x p e r i m e n t a l s e t - u p d e s c r i b e d i n o u r p r e v i o u s    

w o r k (      2 2     ) . D e p e n d i n g u p o n t h e o r d e r o f t h e r e a c t i o n s , a l l e x p e r i m e n t a l d a t a f o r    

t h e s t u d i e d a q u e o u s c y c l i c a m i n e s w e r e t e s t e d w i t h e q u a t i o n s ( 1 0 ) , ( 1 1 ) , o r ( 1 2 ) .  

T h e e q u a t i o n w i t h t h e b e t t e r A A D % ( P e r c e n t i l e A b s o l u t e A v e r a g e D e v i a t i o n ) a n d      

 R      2    w a s c h o s e n t o i n t e r p r e t t h e m e c h a n i s m o f r e a c t i o n s .  

4 . R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n      

4 . 1 . S c r e e n i n g o f D i f f e r e n t T y p e s o f A m i n e s    

U s i n g t h e s t o p p e d - o w t e c h n i q u e , k i n e t i c ( p s e u d o - r s t o r d e r ) r a t e c o n s t a n t s    

(    k     0     ) w e r e d e t e r m i n e d f o r d i f f e r e n t t y p e s o f a m i n e s ( P r i m a r y a m i n e s : 1 - a m i n o -    

5 0   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 9/28

 p r o p a n o l ( 1 - A P ) , 3 - a m i n o - p r o p a n o l ( 3 - A P ) , e t h y l a m i n o e t h a n o l ( E A E ) ; S e c o n d a r y   

a m i n e s : e t h y l e n e d i a m i n e ( E D A ) , 1 , 3 - d i a m i n o p r o p a n e ( D A P ) , 2 - ( a m i n o e t h y l )    

e t h a n o l a m i n e ( A E E A ) ; C y c l i c a m i n e : p i p e r a z i n e ; P o l y a m i n e : n - ( 2 - a m i n o e t h y l ) -    

1 , 3 - p r o p a n e d i a m i n e ( N A E D P ) ) a t 2 9 8 . 1 5 K o v e r a c o n c e n t r a t i o n r a n g e o f ( 2 0      

t o 1 2 0 ) m o l · m            - 3   

. I t w a s o b s e r v e d ( F i g . 3 ) t h a t p o l y a m i n e s a n d c y c l i c a m i n e s    h a v e h i g h e r r e a c t i o n r a t e s t h a n l i n e a r p r i m a r y a n d s e c o n d a r y a m i n e s : t h e t r e n d      

o f t h e r a t e s o f r e a c t i o n f o l l o w e d b y t h e a m i n e s w a s p o l y a m i n e s > c y c l i c a m i n e s >      

s e c o n d a r y a m i n e s > p r i m a r y a m i n e s . T h e C O          2     a b s o r p t i o n r a t e i n c r e a s e d w i t h t h e      

i n c r e a s e i n - N H g r o u p s i n t h e a m i n e s . I n c r e a s e i n – O H g r o u p s i n a m i n e s d e c r e a s e d      

t h e r a t e o f t h e r e a c t i o n d u e t o t h e i r e l e c t r o n w i t h d r a w i n g e f f e c t a n d a t e n d e n c y t o      

f o r m i n t r a m o l e c u l a r h y d r o g e n b o n d i n g (      2 1     ) . I n c r e a s e i n t h e n u m b e r o f – C H          3     a n d   

 – C H      2     g r o u p s i n c r e a s e s t h e r a t e o f t h e r e a c t i o n d u e t o t h e i r e l e c t r o n d o n o r e f f e c t t o      

t h e n i t r o g e n a t o m .  

T h e o r d e r o f t h e r e a c t i o n i n a m i n e (      n     ) w a s f o u n d b y t t i n g t h e d a t a w i t h a      

 p o w e r l a w e x p r e s s i o n . T o m i m i c R o c h e l l e e t a l . (    2 3     ) , t h e s e c o n d - o r d e r r e a c t i o n      

c o n s t a n t s      k     2     f r o m e q u a t i o n ( 1 1 ) w e r e d e t e r m i n e d a t 2 9 8 . 1 5 K a n d        E      a     v a l u e w a s    

c a l c u l a t e d u s i n g t h e A r r h e n i u s p l o t ( l n        k     2     v s . 1 /     T      ) f o r t h e t e m p e r a t u r e r a n g e      

( 2 9 8 . 1 5 - 3 1 3 . 1 5 ) K . T h e s c r e e n i n g r e s u l t s a r e s i m i l a r t o t h e r e s u l t s o f R o c h e l l e e t    

a l . (      2 3     ) o b t a i n e d f r o m B r ø n s t e d p l o t ( F i g u r e 4 ) b y c o m p a r i n g t h e s e c o n d o r d e r    

r e a c t i o n r a t e c o n s t a n t (      k     2     ) o f v a r i o u s a m i n e s w i t h r e s p e c t t o t h e i r      p K      a     (    2 3     ) . F r o m          

F i g u r e s 3 a n d 4 , i t i s n o t a b l e t h a t t h e r e w a s a c o n s i d e r a b l e r e d u c t i o n i n t h e r e a c t i o n      

r a t e s w h e n t h e p r i m a r y – O H g r o u p w a s e x c h a n g e d w i t h a s e c o n d a r y – O H g r o u p      

( e x a m p l e 3 - A P t o 1 - A P ) .  

 F i g u r e 3 . C o m p a r i s o n o f p s e u d o - r s t o r d e r r a t e c o n s t a n t s ( k     0     ) f o r C O          2   

a b s o r p t i o n r e a c t i o n o f v a r i o u s a m i n e s a t 2 9 8 . 1 5 K : □ , N A E D P ; ○ , P Z ; ◊ , D A P ;      ▵           , 

 E D A ;    ▿             , 3 - A P ; × , 1 - A P ; ▪ , E A E ; - - - E q . 1 1 .  

5 1   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 10/28

 F i g u r e 4 . B r ø n s t e d c o r r e l a t i o n o f C O      2     r e a c t i o n r a t e s w i t h a m i n e s . ( d a t a i n t h i s    

   g u r e w a s a d a p t e d f r o m R o c h e l l e e t a l . ( 2 3 ) ) 

B o t h s t o p p e d - o w e x p e r i m e n t a n d        p K      a     s t u d i e s c o n c l u d e d t h a t c y c l i c a m i n e s    

a r e m o r e s u i t a b l e f o r C O          2     c a p t u r e t h a n o t h e r a m i n e s d u e t o t h e i r h i g h a b s o r p t i o n      

r a t e s . H i g h e r s e c o n d o r d e r r a t e c o n s t a n t s f o r p o l y a m i n e s a n d c y c l i c a m i n e s m e a n      t h a t t h e d e p r o t o n a t i o n r e a c t i o n o f c a r b a m a t e s w a s v e r y f a s t i n t h e s e a m i n e s . B y      

c o m p a r i n g E D A , A E E A a n d E E A , i t c a n b e o b s e r v e d t h a t t h e s t e r i c h i n d r a n c e      

e f f e c t f o r t h e r e a c t i o n k i n e t i c s o f f e r e d b y t h e – O H g r o u p i s g r e a t e r t h a n t h e e f f e c t    

c a u s e d b y t h e – C H          3     g r o u p . T h e o r d e r o f t h e r e a c t i o n i n c r e a s e d i n t h e c a s e o f      

E E A a n d d e c r e a s e d i n t h e c a s e o f A E E A . T h e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y o f t h e      

a m i n e c a n b e n o t e d f r o m t h e a c t i v a t i o n e n e r g i e s d e r i v e d f r o m t h e r a t e c o n s t a n t s .  

A m o n g t h e a m i n e s s t u d i e d , P Z h a s t h e l o w e s t a c t i v a t i o n e n e r g y a n d E E A h a s    

t h e h i g h e s t a c t i v a t i o n e n e r g y . T h i s i m p l i e s t h a t t h e h i g h e s t h i n d r a n c e e f f e c t i n      

E E A f o r – N H g r o u p i s t h e r e a s o n f o r i t s h i g h a c t i v a t i o n e n e r g y a n d i t d e c r e a s e s    a s t h e h i n d r a n c e e f f e c t i s r e d u c e d . T w o – N H g r o u p s i n P Z c o n t r i b u t e t o i t s l o w        

a c t i v a t i o n e n e r g y , i n d i c a t i n g t h a t t h e r e a c t i o n p r o c e e d s v e r y f a s t b y f o r m i n g      

z w i t t e r i o n i o n s . S i m i l a r c o n c l u s i o n w a s m a d e b y B i s h n o i a n d R o c h e l l e (      2 4     ) f o r    

t h e i n c r e a s e i n t h e z w i t t e r i o n f o r m a t i o n r a t e b y a r e d u c t i o n i n s t e r i c h i n d r a n c e      

a r o u n d t h e a m i n e g r o u p .  

5 2   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 11/28

4 . 2 . S c r e e n i n g o f C y c l i c A m i n e s    

T h e s e c o n d o r d e r r e a c t i o n r a t e c o n s t a n t s (      k     2     ) o f t h e c y c l i c a m i n e s a r e      

h i g h e r t h a n t h o s e o f o t h e r t y p e s o f a m i n e s , w h i c h w a s c o n r m e d b y b o t h t h e      

s t o p p e d - o w e x p e r i m e n t w i t h t h e s a m e c o n c e n t r a t i o n s , a n d t h e B r ø n s t e d p l o t    o f t h e a m i n e s w i t h s i m i l a r      p K      a     ( F i g u r e 4 ) . R o c h e l l e e t a l . (      2 3     ) r e v i e w e d t h e      

k i n e t i c s t u d i e s f o r t h e c y c l i c a m i n e s s t u d i e d b y o t h e r r e s e a r c h e r s u s i n g d i f f e r e n t    

e q u i p m e n t s f o r d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s a n d t e m p e r a t u r e s . G r a e m e e t a l . (      2 5     ) a n d      

S i n g h e t a l . (      2 6     ) c o n d u c t e d s c r e e n i n g s t u d i e s f o r s e v e r a l c y c l i c a m i n e s f r o m t h e i r    

c a p a c i t y f o r C O          2     s o l u b i l i t y a n d t h e i r a b s o r p t i o n r a t e w i t h C O          2     . S i n g h e t a l . (      2 6     )  

i n v e s t i g a t e d t h e e f f e c t o f d i f f e r e n t s u b s t i t u t e d s a t u r a t e d a n d u n s a t u r a t e d c y c l i c      

a m i n e s u s i n g a n a b s o r b e n t v e s s e l . T h e c o n c l u s i o n d e r i v e d f r o m t h a t w o r k w a s ,    

a n a m i n e g r o u p s u b s t i t u t i o n i n a s a t u r a t e d c y c l i c r i n g i n c r e a s e s t h e p r o t o n a t i o n      

r e a c t i o n , t h u s i n c r e a s i n g t h e a b s o r p t i o n r a t e a n d i n c r e a s e s t h e a b s o r p t i o n c a p a c i t y .  

A s u b s t i t u t i o n o f o n e m e t h y l g r o u p i n c r e a s e d t h e a b s o r p t i o n r a t e b y i n c r e a s i n g      

t h e b a s i c i t y o f t h e c o m p o u n d s t o p r o v i d e f a s t e r p r o t o n a t i o n r e a c t i o n . B u t t h e      

a b s o r p t i o n c a p a c i t y v a r i e d d e p e n d i n g o n t h e p o s i t i o n o f t h e s u b s t i t u t i o n o f m e t h y l    

g r o u p . A l l u n s a t u r a t e d c y c l i c a m i n e s s h o w e d p o o r a b s o r p t i o n r a t e a n d c a p a c i t y .  

G r a e m e e t a l . (      2 5     ) c o n c l u d e d i n t h e i r s c r e e n i n g e x p e r i m e n t t h a t a m i n e s    

t h a t e x h i b i t e d t h e f a s t e s t i n i t i a l a b s o r p t i o n r a t e w e r e a l l p o l y a m i n e s w i t     h w      e l l  

s e p a r a t e d a m i n e f u n c t i o n a l i t y i n s t r u c t u r a l l y s i m i l a r e n v i r o n m e n t s . T h e d i s t a n c e      

o f t h e h y d r o x y l f u n c t i o n a l i t y ( – O H ) f r o m t h e a m i n e a n d t h e s t r u c t u r a l f e a t u r e s    

a r o u n d i t h a d a s i g n i c a n t e f f e c t o n t h e s o l u b i l i t y o f C O          2     c a p a c i t y b y f o r m a t i o n      

o f i n t r a m o l e c u l a r h y d r o g e n b o n d b e t w e e n a m i n e a n d h y d r o x y l g r o u p s . T h e r e a r e      

f o u r c y c l i c a m i n e s a m o n g t h e t o p s i x s o l v e n t s s c r e e n e d b y G r a e m e e t a l . (      2 5     ) T h e y      

w e r e r a n k e d a s f o l l o w s : h o m o p i p e r a z i n e > p i p e r a z i n e > 1 , 4 , 7 - t r i a z a c y c l o h e x n a e      

> t a n s - N - h y d r o x y e t h y l - 1 a n d 4 - d i a m i n o c y c l o h e x a n e . P i p e r i d i n e a n d p i p e r a z i n e      

w h i c h a r e h e t e r o c y c l e s h a v e f a s t e r r e a c t i o n r a t e t o w a r d c a r b a m a t e f o r m a t i o n (      2 7     ) . 

A m o n g t h e c y c l i c a m i n e s , P Z i s c o n s i d e r e d t o b e t h e b e s t s o l v e n t a n d a n      

a c c e l e r a t o r i n m a n y C O          2     c a p t u r e s t u d i e s , b e c a u s e o f i t s h i g h l o a d i n g c a p a c i t y      

( m o l      C O 2     / m o l      P Z      ) a n d f a s t a b s o r p t i o n r a t e (      2 4     ,    2 8     ) . M D E A a c t i v a t e d w i t h P Z        

i s b e i n g u s e d a s a s o l v e n t f o r h i g h c a p a c i t y C O          2     r e m o v a l a n d f o u n d m a j o r    

a p p l i c a t i o n i n a m m o n i a a n d s y n t h e s i s g a s p r o d u c t i o n (      2 9     ) . P Z h a s a n a b i l i t y      

t o b e e f f e c t i v e a t v e r y l o w a c t i v a t o r      c o n     c e n t r a t i o n w i t h M D E A a n d p r o v i d e s    

a f a s t r a t e a n d h i g h c a p a c i t y t o r e m o v e C O          2     f r o m i n d u s t r i a l g a s e s . T h e r e f o r e ,    

t h e k i n e t i c s o f t h e r e a c t i o n o f C O          2     w i t h s i x c y c l i c a m i n e s ( d e r i v a t i v e s o f P Z ) i n      

a q u e o u s s o l u t i o n s h a v e b e e n s t u d i e d a t ( 2 9 8 . 1 5 - 3 1 3 . 1 5 ) K o v e r a c o n c e n t r a t i o n      

r a n g e o f ( 2 0 - 1 2 0 ) m o l · m            - 3    u s i n g t h e s t o p p e d - o w t e c h n i q u e . ( p i p e r a z i n e ( P Z ) ,    

1 - m e t h y l p i p e r a z i n e ( 1 - M P Z ) , 2 - m e t h y l p i p e r a z i n e ( 2 - M P Z ) , 1 - e t h y l p i p e r a z i n e      

( 1 - E P Z ) , N - ( 2 - h y d r o x y e t h y l ) p i p e r a z i n e ( 1 - H E P Z ) a n d 3 - m o r p h o l i n o p r o p y l    

a m i n e ( 3 - M O P A ) . T h e i r m o l e c u l a r s t r u c t u r e s a n d o t h e r d e t a i l s a r e g i v e n i n T a b l e      

1 . 

T h e m e a s u r e d p s e u d o r s t - o r d e r r a t e c o n s t a n t s (      k     0     ) a r e p l o t t e d a g a i n s t t h e      

c o n c e n t r a t i o n ( m o l · m            - 3   ) i n F i g        u r e     5 s h o w i n g a n e x p e c t e d i n c r e a s e i n p s e u d o r s t -    

o r d e r r a t e c o n s t a n t (      k     0     ) w i t h c o n c e n t r a t i o n a s w e l l a s t e m p e r a t u r e i . e . t h e r e a c t i o n i s    

f a v o r e d b y a r i s e i n t e m p e r a t u r e a n d c o n c e n t r a t i o n . F i g u r e 5 r e p r e s e n t s t h e p s e u d o -    

r s t o r d e r r a t e c o n s t a n t s (      k     0     ) f o r t h e s i x s t u d i e d c y c l i c a m i n e s a t 2 9 8 . 1 5 K . A l l    

5 3   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 12/28

c y c l i c a m i n e s w e r e f o u n d t o h a v e f r a c t i o n a l r e a c t i o n o r d e r w i t h r e s p e c t t o a m i n e      

v a r y i n g f r o m 1 t o 2 ( E x c e p t P Z ) . P Z h a s t h e h i g h e s t r e a c t i o n r a t e a n d 1 - M P Z t h e      

l o w e s t . T h e t r e n d o f r e a c t i o n r a t e s a r e g i v e n a s ( P Z > 2 - M P Z > 1 - E P Z > 3 - M O P A        

> H E P Z > 1 - M P Z ) . A q u e o u s 2 - M P Z h a s a n a b s o r p t i o n r a t e s i m i l a r t o a q u e o u s    

 p i p e r a z i n e , b u t b o t h P Z a n d 2 - M P Z a r e s o l i d i n n a t u r e a t r o o m t e m p e r a t u r e . 

T a b l e 1 . D e t a i l s o f t h e s t u d i e d c y c l i c a m i n e s    

5 4   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 13/28

 F i g u r e 5 . C o m p a r i s o n o f p s e u d o - r s t o r d e r r a t e c o n s t a n t s f o r C O      2     a b s o r p t i o n i n      a q u e o u s c y c l i c a m i n e s a t 2 9 8 . 1 5 K : ● , P Z ; ▪ , 1 - M P Z ; ♦ , 2 - M P Z ;      ▵           , H E P Z ;      ▾             , 

3 - M O P A ; ○ , 1 - E P Z ; - - - E q . 1 2 .  

A l l e x p e r i m e n t a l d a t a f o r t h e a q u e o u s s i x c y c l i c a m i n e s w e r e t t e d w i t h      

a p o w e r l a w k i n e t i c s t o d e t e r m i n e t h e o r d e r o f t h e r e a c t i o n (      n     ) a n d t t e d w i t h      

e q u a t i o n s ( 1 0 ) , ( 1 1 ) o r ( 1 2 ) t o d e t e r m i n e t h e s e c o n d o r d e r r a t e a n d t h e m e c h a n i s m          

o f t h e r e a c t i o n w i t h C O          2     . A n A r r h e n i u s r a t e e q u a t i o n w a s u s e d t o o b t a i n t h e v a l u e      

o f t h e a c t i v a t i o n e n e r g y f o r t h e r e a c t i o n s . T h e c a l c u l a t e d s e c o n d o r d e r r e a c t i o n      

c o n s t a n t s f o r a l l t h e s i x a m i n e s a r e l i s t e d i n T a b l e s ( 2 - 7 ) w i t h t h e i r s t a t i s t i c a l    a n a y l s i s .     p K      a     v a l u e s w e r e t a k e n f r o m K h a l i l i e t a l . (      2 2     ) i n o r d e r t o c a l c u l a t e      

t h e [      O H       -  ] c o n t r i b u t i o n (      p K      a     v a l u e o f 3 - M O P A w a s m e a s u r e d i n t h i s w o r k a n d      

t h e v a l u e s l i s t e d i n T a b l e 8 ) . T h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t c o r r e l a t i o n s f o r t h e s e      

d i s s o c i a t i o n c o n s t a n t s w e r e a l s o d e r i v e d . E q u a t i o n ( 1 2 ) c o r r e s p o n d i n g t o t h e      

t e r m o l e c u l a r m e c h a n i s m t t e d t h e d a t a b e t t e r t h a n e q u a t i o n s ( 1 0 ) a n d ( 1 1 ) . T h i s    

c o n r m s t h a t t h e z w i t t e r i o n d e p r o t o n a t i o n i s t h e r a t e - d e t e r m i n i n g s t e p a n d i t i s    

s l o w c o m p a r e d t o t h e r e v e r s e r e a c t i o n . A c c o r d i n g t o B l a u w h o f f e t a l . (      4     ) , t h i s    

i n d i c a t e s t h a t t h e l a r g e r p a r t o f t h e z w i t t e r i o n i s r e v e r t e d t o C O          2     a n d a m i n e a n d      

t h a t o n l y a s m a l l p a r t i s c o n v e r t e d t o c a r b a m a t e . S e c o n d - o r d e r r e a c t i o n c o n s t a n t    (    k     2     ) w a s c a l c u l a t e d f r o m e q u a t i o n ( 1 1 ) t o e s t i m a t e        E      a     u s i n g t h e A r r h e n i u s p l o t ( l n      

k     2     v s . 1 /     T      ) f o r t h e t e m p e r a t u r e r a n g e ( 2 9 8 . 1 5 - 3 1 3 . 1 5 ) K . B u t i t s h o u l d b e n o t e d      

t h a t t h e o r d e r o f t h e r e a c t i o n w a s t a k e n a s u n i t y . C y c l i c a m i n e s 2 - M P Z , 3 - M O P A        

a n d H E P Z s h o w e d p o o r t t i n g w i t h e q u a t i o n ( 1 1 ) , b e c a u s e t h e r e a c t i o n o r d e r s f o r    

t h e s e a m i n e s w e r e f a r g r e a t e r t h a n u n i t y .  

5 5   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 14/28

T a b l e 2 . S e c o n d o r d e r r e a c t i o n c o n s t a n t s f o r ( P Z + H            2     O ) s o l u t i o n      

T / K      P a r a m e t e r s     ( E q . 1 2 )  

2 9 8 . 1 5 3 0 3 . 1 5 3 0 8 . 1 5 3 1 3 . 1 5      

 K       a     ( m       6   

· m o l      − 2   

· s    − 1   

)     0 . 0 3 5 3 0 . 0 2 3 4 0 . 0 1 1 1 . 2 9 6 E - 1 4       K       w      ( m       6    · m o l      − 2    · s    − 1   )     2 . 5 3 E - 0 4 3 . 0 5 E - 0 4 3 . 4 7 E - 0 4 4 . 1 1 E - 0 4      

 K       O H       -  ( m       6   · m o l      − 2    · s    − 1   )     1 . 8 9 E - 0 2 9 . 2 0 E - 0 3 4 . 6 6 E - 0 3 4 . 1 8 E - 0 1      

O r d e r (      n     ) { A c t u a l }       0 . 9 6 1 1 . 0 7 6 1 . 1 3 4 1 . 0 2 8      

R       2    0 . 9 9 9 7 0 . 9 9 9 9 1 . 0 0 0 0 0 . 9 4 5 6      

A A D %               1 . 4 0 . 8 0 . 3 1 . 6      

k     2     Z     ( m       3   · m o l      − 1   · s    − 1   )    ( E q . 1 1 ) 1 6 . 7 ± 0 . 3 3 1 8 . 6 1 ± 0 . 2 1 1 9 . 9 5 ± 0 . 0 9 2 2 . 6 5 ± 0 . 9 3      

O r d e r (      n     ) { A s s u m e d }       1 1 1 1      

R       2    0 . 9 8 9 6 0 . 9 9 6 2 0 . 9 9 9 4 0 . 9 4 4 7      

A A D %               7 . 5 4 . 2 1 . 5 1 . 7      

T a b l e 3 . S e c o n d o r d e r r e a c t i o n c o n s t a n t s f o r ( 1 - M P Z + H            2     O ) s o l u t i o n      

T / K      P a r a m e t e r s     ( E q . 1 2 )  

2 9 8 . 1 5 3 0 3 . 1 5 3 0 8 . 1 5 3 1 3 . 1 5      

 K       a     ( m       6    · m o l      − 2   · s    − 1   )     0 . 0 2 5 9 0 . 0 2 6 9 0 . 0 2 6 3 . 3 1 0 E - 0 2      

 K       w      ( m       6    · m o l      − 2    · s    − 1   )     8 . 8 7 E - 0 5 1 . 0 1 E - 0 4 1 . 1 9 E - 0 4 1 . 2 7 E - 0 4      

 K       O H       -  ( m       6   · m o l      − 2    · s    − 1   )     4 . 6 4 E - 0 2 3 . 3 3 E - 0 5 3 . 3 2 E - 0 2 2 . 8 3 E - 0 1      

O r d e r (      n     ) { A c t u a l }       1 . 2 3 1 1 . 1 9 7 1 . 2 3 6 1 . 2 5 2      

R       2   

0 . 9 9 9 4 0 . 9 9 9 5 0 . 9 9 9 5 0 . 9 9 9 5      A A D %               1 . 9 1 . 8 1 . 6 1 . 8      

k     2     Z     ( m       3   · m o l      − 1   · s    − 1   )    ( E q . 1 1 ) 6 . 9 0 ± 0 . 2 5 7 . 6 5 ± 0 . 2 6 8 . 5 6 ± 0 . 2 4 9 . 5 5 ± 0 . 3 2      

O r d e r (      n     ) { A s s u m e d }       1 1 1 1      

R       2    0 . 9 6 7 5 0 . 9 7 0 8 0 . 9 7 8 2 0 . 9 7 1 7      

A A D %               1 4 1 3 1 0 1 2      

5 6   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 15/28

T a b l e 4 . S e c o n d o r d e r r e a c t i o n c o n s t a n t s f o r ( 1 - E P Z + H            2     O ) s o l u t i o n      

T / K      P a r a m e t e r s     ( E q . 1 2 )  

2 9 8 . 1 5 3 0 3 . 1 5 3 0 8 . 1 5 3 1 3 . 1 5      

 K       a     ( m       6   

· m o l      − 2   

· s    − 1   

)     1 . 5 0 E - 1 0 2 . 0 5 E - 1 0 2 . 1 3 E - 1 0 1 . 2 3 E - 1 0       K       w      ( m       6    · m o l      − 2    · s    − 1   )     1 . 2 2 E - 0 4 1 . 4 0 E - 0 4 1 . 5 9 E - 0 4 1 . 7 7 E - 0 4      

 K       O H       -  ( m       6   · m o l      − 2    · s    − 1   )     4 . 2 1 E - 0 2 1 . 9 2 E - 0 2 1 . 0 0 E - 0 2 1 . 6 5 E - 0 2      

O r d e r (      n     ) { A c t u a l }       1 . 0 6 6 1 . 0 3 6 1 . 0 6 9 1 . 0 8 4      

R       2    0 . 9 8 6 0 0 . 9 7 7 8 0 . 9 8 2 1 0 . 9 9 5 9      

A A D %               5 . 9 7 . 4 6 . 7 7 . 9      

k     2     Z     ( m       3   · m o l      − 1   · s    − 1   )    ( E q . 1 1 ) 6 . 7 4 ± 0 . 1 3 7 . 7 3 ± 0 . 1 9 8 . 7 7 ± 0 . 1 9 9 . 7 4 ± 0 . 1 1      

O r d e r (      n     ) { A s s u m e d }       1 1 1 1      

R       2    0 . 9 8 4 6 0 . 9 7 6 0 0 . 9 8 0 5 0 . 9 7 1 7      

A A D %               5 . 6 7 . 1 6 . 5 7 . 8      

T a b l e 5 . S e c o n d o r d e r r e a c t i o n c o n s t a n t s f o r ( 2 - M P Z + H            2     O ) s o l u t i o n      

T / K      P a r a m e t e r s     ( E q . 1 2 )  

2 9 8 . 1 5 3 0 3 . 1 5 3 0 8 . 1 5 3 1 3 . 1 5      

 K       a     ( m       6    · m o l      − 2   · s    − 1   )     4 . 4 3 E - 0 2 6 . 1 3 E - 0 2 1 . 3 6 E - 0 1 2 . 0 9 E - 0 1      

 K       w      ( m       6    · m o l      − 2    · s    − 1   )     5 . 7 8 E - 0 5 5 . 9 5 E - 0 5 9 . 0 2 E - 0 6 1 . 3 8 E - 1 1      

 K       O H       -  ( m       6   · m o l      − 2    · s    − 1   )     1 . 1 2 E - 0 2 3 . 6 9 E - 0 3 1 . 0 7 E - 0 2 4 . 8 9 E - 0 1      

O r d e r (      n     ) { A c t u a l }       1 . 5 2 2 1 . 3 8 9 1 . 2 8 8 1 . 2 7 3      

R       2   

0 . 9 9 9 5 0 . 9 9 9 5 0 . 9 9 9 8 0 . 9 8 2 1      A A D %               1 . 8 1 . 8 2 . 2 2 . 7      

k     2     Z     ( m       3   · m o l      − 1   · s    − 1   )  

( E q . 1 1 )    1 2 . 1 8 ± 0 . 5 2 1 4 . 7 1 ± 0 . 7 9 1 8 . 2 3 ± 1 . 5 6 2 3 . 6 3 ± 3 . 0 9      

O r d e r ( n ) { A s s u m e d }       1 1 1 1      

R       2    0 . 9 8 4 6 0 . 9 7 6 0 0 . 8 9 0 6 0 . 7 9 9 4      

A A D %               1 9 2 3 3 8 5 9      

5 7   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 16/28

T a b l e 6 . S e c o n d o r d e r r e a c t i o n c o n s t a n t s f o r ( 3 - M O P A + H            2     O ) s o l u t i o n      

T / K      P a r a m e t e r s     ( E q . 1 2 )  

2 9 8 . 1 5 3 0 3 . 1 5 3 0 8 . 1 5 3 1 3 . 1 5      

 K       a     ( m       6   

· m o l      − 2   

· s    − 1   

)     4 . 2 9 E - 0 2 6 . 4 9 E - 0 2 1 . 2 8 E - 0 1 0 . 2 4 0       K       w      ( m       6    · m o l      − 2    · s    − 1   )     1 . 5 2 E - 0 4 1 . 6 3 E - 0 4 1 . 2 5 E - 0 4 4 . 4 5 E - 0 5      

 K       O H       -  ( m       6   · m o l      − 2    · s    − 1   )     6 . 4 5 E - 0 3 1 . 1 0 E - 0 2 4 . 2 9 E - 0 3 3 . 2 1 E - 0 2      

O r d e r (      n     ) { A c t u a l }       2 . 2 5 7 1 . 8 8 0 1 . 5 5 1 1 . 4 7 7      

R       2    0 . 9 9 9 2 0 . 9 9 9 5 0 . 9 9 9 6 0 . 9 9 8 3      

A A D %               3 . 6 2 . 2 3 . 7 1 0 . 3      

k     2     Z     ( m       3   · m o l      − 1   · s    − 1   )  

( E q . 1 1 )    6 . 6 2 ± 0 . 4 4 8 . 0 3 ± 0 . 6 0 1 1 . 0 8 ± 1 . 3 5 1 5 . 8 8 ± 2 . 6 8      

O r d e r ( n ) { A s s u m e d }       1 1 1 1      

R       2    0 . 9 1 2 1 0 . 8 9 3 6 0 . 7 9 9 3 0 . 7 0 9 7      

A A D %               2 3 2 7 5 1 8 7      

T a b l e 7 . S e c o n d o r d e r r e a c t i o n c o n s t a n t s f o r ( H E P Z + H            2     O ) s o l u t i o n      

T / K      P a r a m e t e r s     ( E q . 1 2 )  

2 9 8 . 1 5 3 0 3 . 1 5 3 0 8 . 1 5 3 1 3 . 1 5      

 K       a     ( m       6    · m o l      − 2   · s    − 1   )     4 . 9 1 E - 0 2 4 . 5 6 E - 0 2 4 . 8 8 E - 0 2 5 . 2 8 E - 0 2      

 K       w      ( m       6    · m o l      − 2    · s    − 1   )     5 . 4 4 E - 0 5 7 . 5 1 E - 0 5 8 . 4 4 E - 0 5 9 . 6 8 E - 0 5      

 K       O H       -  ( m       6   · m o l      − 2    · s    − 1   )     1 . 0 0 E - 0 2 4 . 7 4 E - 0 2 7 . 2 9 E - 0 4 5 . 9 6 E - 0 4      

O r d e r (      n     ) { A c t u a l }       1 . 3 9 2 1 . 4 0 6 1 . 4 1 8 1 . 5 1 7      

R       2    0 . 9 9 9 3 0 . 9 9 9 2 0 . 9 9 9 2 0 . 9 9 9 2      

A A D %               3 . 9 3 . 6 3 . 5 3 . 4      

k     2     Z     ( m       3   · m o l      − 1   · s    − 1   )  

( E q . 1 1 )    6 . 8 9 ± 0 . 4 9 7 . 7 6 ± 0 . 4 6 1 1 . 0 8 ± 1 . 3 5 1 5 . 8 8 ± 2 . 6 8      

O r d e r ( n ) { A s s u m e d }       1 1 1 1      

R       2    0 . 9 1 2 1 0 . 9 3 3 0 . 9 3 5 7 0 . 9 3 9 0      

A A D %               3 6 2 7 2 6 2 5      

5 8   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 17/28

T a b l e 8 . D i s s o c i a t i o n c o n s t a n t s f o r a q u e o u s 3 - M O P A        

 p K       a      l n K       p    = A + B / T K            p    ( 2 9 8 . 1 5 K )  

T / K 2 9 8 . 1 5 3 0 3 . 1 5 3 0 8 . 1 5 3 1 3 . 1 5 A B        

3 - M O P A          9 . 9 8 9 . 7 3 9 . 5 8 9 . 5 1 - 0 . 3 0 7 - 6 7 3 0 1 . 1 6 E - 1 0      

T a b l e 9 l i s t s t h e o r d e r o f t h e r e a c t i o n s , t h e s e c o n d o r d e r r e a c t i o n r a t e c o n s t a n t s    

a n d t h e a c t i v a t i o n e n e r g i e s o f t h e s t u d i e d c y c l i c a m i n e s d e r i v e d b y a s s u m i n g t h e      

r a t e t o b e u n i t y . A c t i v a t i o n e n e r g i e s a n d t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f t h e s e c o n d      

o r d e r r e a c t i o n r a t e c o n s t a n t s w e r e c a l c u l a t e d u s i n g a n A r r h e n i u s - r e l a t i o n .  

F i g u r e 6 r e p r e s e n t s t h e B r ø n s t e d - p l o t f o r t h e s t u d i e d a m i n e s a t d i f f e r e n t    

t e m p e r a t u r e s . F o r a l l c y c l i c a m i n e s , a l i n e a r r e l a t i o n s h i p e x i s t s b e t w e e n l n        k     2     a n d   

 p K      a     . A s t h e        p K      a     i n c r e a s e s t h e s e c o n d o r d e r r a t e c o n s t a n t s f o r t h e c y c l i c a m i n e s    d e c r e a s e s . T h i s i n d i c a t e s t h a t t h e a l k a l i n i t y o f t h e s o l u t i o n i n u e n c e s t h e r a t e o f      

t h e r e a c t i o n b e t w e e n C O          2     a n d t h e a m i n e . F r o m t h i s p l o t , t h e e f f e c t o f m e t h y l    

g r o u p ( - C H          3     ) c a n a l s o b e o b s e r v e d . T h e b a s i c i t y o f t h e p i p e r a z i n e m o l e c u l e      

d e c r e a s e s w h e n i t i s h i n d e r e d b y t h e p o s i t i o n o f m e t h y l g r o u p , t h e r e b y r e d u c i n g      

t h e r e a c t i o n r a t e w i t h C O          2     . 

 F i g u r e 6 . B r ø n s t e d p l o t f o r t h e s t u d i e d c y c l i c a m i n e s . 

5 9   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 18/28

T a b l e 9 . S e c o n d o r d e r r e a c t i o n c o n s t a n t s a n d o r d e r o f t h e r e a c t i o n w i t h C O            2   

f o r a q u e o u s c y c l i c a m i n e s o l u t i o n s    

 A m i n e O r d e r ( n )    k     2     Z     ( m      3   · m o l      - 1   · s     - 1    )   ( E q . 1 1 )     E      a     ( k J · m o l      - 1    ) 

P Z       0 . 9 6 - 1 . 1 1 5 . 2 4      

1 - M P Z 1 . 1 9 - 1 . 2 5 1 6 . 8 5      

1 - E P Z 1 . 2 0 - 1 . 2 5 1 9 . 1 0      

2 - M P Z 1 . 2 7 - 1 . 9 3 3 4 . 1 3      

3 - M O P A 1 . 0 - 2 4 5 . 6 1      

H E P Z           1 . 2 7 - 1 . 3 7 4 4 . 2 4      

5 . D i s s o c i a t i o n C o n s t a n t s (      p K       a     ) o f C y c l i c A m i n e        s  

T h e d i s s o c i a t i o n c o n s t a n t i s o n e o f t h e m a i n f a c t o r s i n t h e c h o i c e o f a c h e m i c a l    

s o l u t i o n f o r a c i d g a s r e m o v a l o r i n t h e i n t e r p r e t a t i o n o f t h e k i n e t i c m e c h a n i s m          

f o r t h e a b s o r p t i o n o f t h e a c i d g a s i n t h e s o l u t i o n (      3 0     ) . I n f o r m a t i o n a v a i l a b l e      

f r o m t h e d i s s o c i a t i o n c o n s t a n t s a r e m a i n l y a m e a s u r e o f t h e b a s i c s t r e n g t h o f      

t h e c h e m i c a l s o l u t i o n ( a m i n e ) a t a s p e c i c t e m p e r a t u r e . I n f o r m a t i o n a b o u t a      

t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t d i s s o c i a t i o n c o n s t a n t p r o v i d e s t h e c h a n g e i n t h e r e a c t i o n      

e n t h a l p y b y i n d i c a t i n g t h e c h a n g e o f t h e b a s i c s t r e n g t h o f t h e a b s o r b e n t w i t h i n a      g i v e n t e m p e r a t u r e r a n g e i n t h e a b s o r p t i o n / d e s o r p t i o n a n d c o o l i n g / h e a t i n g c y c l e      

f o r a c o n v e n t i o n a l a c i d g a s r e m o v a l p l a n t (      3 1     ) .    p K      a     i s d e n e d a s t h e n e g a t i v e o f      

t h e l o g a r i t h m o f t h e e q u i l i b r i u m c o n s t a n t (      K      a     ) f o r t h e r e a c t i o n :    

w h e r e        [ H       +     ]   ,   [ A     -   ]    a n d     [ H A ]      r e p r e s e n t t h e c o n c e n t r a t i o n s o f t h e s o l u t i o n s p e c i e s i n      

m o l · L          - 1   . T h e n ,      p K      a     w i l l b e d e r i v e d a s :    

6 0   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 19/28

I t i m p l i e s t h a t a s o l u t i o n w i t h 5 0 % d i s s o c i a t i o n h a s a        p H       e q u     a l t o        t h e     p K      a     o f   t h e a c i d . F o r b a s e s , t h e d i s s o c i a t i o n c o n s t a n t s a r e r e p o r t e d a s      p K      a     v a l u e s f o r t h e      

c o n j u g a t e a c i d (      3 2     ) :  

A n i o n i z a t i o n c o n s t a n t      K      b     w a s u s e d f o r t h e r e a c t i o n :    

a n d     p K      b     i s r e l a t e d t o        p K      a     b y :  

T h e b a s i c i t y o f t h e s o l v e n t , q u a n t i e d b y t h e        p K      a     o f i t s c o n j u g a t e a c i d , i s a      

k e y f a c t o r f o r t h e r e a c t i o n r a t e a n d a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f t h e s o l v e n t i n t h e p r o c e s s    (    2 2     ) . A l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e        p K      a     o f a n a c i d o r a b a s e a n d i t s r e a c t i o n r a t e      

w a s d e r i v e d b y B r ø n s t e d e t a l . (      7     ) I n a p r e v i o u s s e c t i o n , a B r ø n s t e d r e l a t i o n s h i p      

 b e t w e e n t h e r a t e c o n s t a n t o f t h e r e a c t i o n o f a m i n e s w i t h C O      2     a n d t h e b a s i c i t y o f      

s u c h a m i n e s w a s d i s c u s s e d .    p K      a     v a l u e s o f a l k a n o l     a m i    n e s a r e a v a i l a b l e i n t h e o p e n      

l i t e r a t u r e a t d i f f e r e        n t t e        m p e r a t u r e s (      2 2     ,    3 2     –     3 5     ) . T h e e x p e r i m e n t a l d e t e r m i n a t i o n o f      

t h e     p K      a     v a l u e s f o r v e c y c l i c d i a m i n e s h a v e b e e n r e p o r t e d i n o u r w o r k a t d i f f e r e n t    

t e m p e r a t u r e s . T h e e x p e r i m e n t a l s e t - u p a n d i t s d e t a i l s w e r e r e p o r t e d i n o u r p r e v i o u s    

w o r k (      2 0     ) . 

5 . 1 . R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n      

T a b l e 1 0 s h o w s t h e r s t a n d s e c o n d        p K      a     v a l u e s o f c y c l i c a m i n e s . A s o b s e r v e d      

i n t h e s e t a b l e s , t h e        p K      a     v a l u e s o f P Z c a l c u l a t e d i n o u r w o r k , a r e i n g o o d a g r e e m e n t    

( ± 0 . 0 5 ) w i t h t h e d a t a r e p o r t e d b y H e t z e r e t a l . (      3 6     ) A m o n g t h e c y c l i c a m i n e s    

s t u d i e d i n t h i s w o r k P Z a n d 2 - M P Z h a v e t h e h i g h e s t      p K      a     v a l u e s a n d D M P Z h a s    

t h e l o w e s t v a l u e . S e c o n d a r y a m i n e s a r e s t r o n g e r b a s e s t h a n t e r t i a r y a m i n e s .  

T h e r e f o r e , D M P Z , w i t h t w o t e r t i a r y a m i n e g r o u p s , i s t h e w e a k e s t b a s e , a n d P Z        

a n d 2 - M P Z , w i t h t w o s e c o n d a r y a m i n e g r o u p s , a r e t h e m o s t b a s i c a m i n e s . D u e t o      

t h e s t e r i c e f f e c t , 2 - M P Z i s a w e a k e r b a s e t h a n P Z . T h e m e t h y l ( −        C H       3     ) g r o u p o n        α   

c a r b o n i n t h i s a m i n e c a u s e s s t e r i c h i n d r a n c e t o t h e s o l v a t i o n o n c a t i o n f o r m a t i o n      

w h i c h l o w e r s t h e b a s i c i t y . I n t r      a m o     l e c u l a r h y d r o g e n b o n d i n g a l s o l o w e r s t h e      

 b a s i c i t y . H E P Z , a n a l k a n o l a m i n e w i t h a n i n t r a m o l e c u l a r h y d r o g e n b o n d i n g   

t e n d e n c y h a s a s a l o w e r      p K      a     v a l u e t h a n 1 - E P Z (      3 7     ) . 

6 1   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 20/28

T a b l e 1 0 . F i r s t a n d s e c o n d        p K       a     v a l u e s o f a m i n e s a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s    

 p K       a ( 1 )  

T / K      A m i n e   

2 9 8 3 0 3 3 1 3 3 2 3      P Z       9 . 7 8 9 . 6 6 9 . 3 9 9 . 1 7      

2 - M P Z           9 . 5 7 9 . 4 6 9 . 1 6 8 . 9 7      

1 - M P Z           9 . 1 4 8 . 9 9 8 . 7 9 8 . 6 5      

1 - E P Z           9 . 2 0 9 . 0 8 8 . 9 3 8 . 7 2      

H E P Z           9 . 0 9 8 . 9 5 8 . 7 5 8 . 6 3      

D M P Z           8 . 3 8 8 . 2 7 8 . 0 6 7 . 8 4      

 p K       a ( 2 )  

T / K      A m i n e   

2 9 8 3 0 3 3 1 3 3 2 3      

P Z       5 . 3 5 5 . 2 7 5 . 0 2 4 . 9 3      

2 - M P Z           5 . 2 4 5 . 1 9 4 . 9 2 4 . 8 4      

1 - M P Z           4 . 6 3 4 . 4 0 4 . 3 1 4 . 1 8      

1 - E P Z           4 . 7 6 4 . 5 8 4 . 4 8 4 . 3 1      

H E P Z           3 . 9 2 3 . 8 9 3 . 7 4 3 . 6 0      

D M P Z           3 . 8 1 3 . 7 0 3 . 6 4 3 . 4 5      

T o s u m u p a n d p r e s e n t a c l e a r p i c t u r e f o r t h e c h a n g e o f        p K      a     w i t h t h e a d d i t i o n      

o f d i f f e r e n t r a d i c a l s t o P Z , w e s u g g e s t t h e f o l l o w i n g r u l e s . S t a r t i n g w i t h t h e P Z        

m o l e c u l e w i t h t w o s e c o n d a r y a m i n e s , t h e a d d i t i o n o f a m e t h y l g r o u p ( - C H          3     ) o n a n y      c a r b o n o f t h e r i n g i n t r o d u c e s a h i n d r a n c e e f f e c t a n d l o w e r s t h e        p K      a     . T h e a d d i t i o n      

o f a n e t h y l g r o u p ( C H          3     - C H      2     ) t o P Z f u r t h e r l o w e r s t h e        p K      a     . T h e a d d i t i o n o f a m e t h y l    

g r o u p l o w e r s t h e p K a m o r e t h a n i n t h e c a s e o f a n e t h y l g r o u p . T h e a d d i t i o n o f a      

h y d r o x y l g r o u p ( - O H ) t o 1 - E P Z o r a h y d r o x y l g r o u p t o P Z r e d u c e s t h e        p K      a     f u r t h e r    

t h a n a n y p r e v i o u s a d d i t i o n ( h y d r o g e n b o n d i n g ) . F i n a l l y , t h e a d d i t i o n o f a m e t h y l    

r a d i c a l ( - C H          3     ) t o e a c h s e c o n d a r y a m i n e o f P Z t o f o r m t e r t i a r y a m i n e s ( D M P Z )    

l e a d s t o t h e l o w e s t      p K      a     . T h e s e c o n c l u s i o n s a r e v a l i d f o r t h e r s t a n d s e c o n d        p K      a   

o f t h e s t u d i e d a m i n e s . I n t h e p r e s e n t s t u d y , t h e c a l c u l a t e d        Δ S °     v a l u e s f r o m t h e      

V a n ’ f H o f f e q u a t i o n w e r e a l m o s t n e g i l i g i b l e c o m p a r e d t o t h e c o n t r i b u t i o n o f t h e      ( − Δ      H       ° /   T      ) t e r m . T h e h i g h e r t h e v a l u e o f − Δ          H       ° , t h e l a r g e r i s t h e s h i f t i n b a s i c i t y f r o m          

l o w t e m p e r a t u r e ( h i g h b a s i c i t y l e a d i n g t o b e t t e r a b s o r p t i o n o f C O          2     ) t o t h e h i g h e r    

t e m p e r a t u r e ( l o w b a s i c i t y l e a d i n g t o b e t t e r r e g e n e r a t i o n o f C O          2     ) . A c c o r d i n g l y ,    

2 - M P Z a n d P Z s h o u l d b e t h e m o s t a t t r a c t i v e a m i n e s f o r g a s s w e t t e n i n g i n t e r m s    

o f c y c l i c c a p a c i t y .  

6 2   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 21/28

5 . 2 .      p K       a     P r e d i c t i o n U s i n g C o m p u t a t i o n a l C h e m i s t r y      

A q u e o u s      p K      a     o f a m i n e s c a n b e p r e d i c t e d b y d i r e c t c a l c u l a t i o n u s i n g a p o p u l a r    

q u a n t u m c h e m i s t r y p r o g r a m ( G a u s s i a n 0 3 ) w i t h a c o n t i n u u m s o l v a t i o n m o d e l , i n      

w h i c h t h e s o l v e n t i s a p p r o x i m a t e d a s a d i e l e c t r i c c o n t i n u u m . A c o m p u t a t i o n a l    

s t u d y o f s o m e a l k a n o l a m i n e s w a s r e p o r t e d b y d a S i l v a a n d S v e n d s e n i n 2 0 0 3      

(    9     ) , b u t t h e y d e e m e d t h e i r r e s u l t s t o o i n a c c u r a t e a n d i t w a s i m p r o v e d b y K h a l i l i    

e t a l . (      1 0     ) i n 2 0 0 9 . I n t h i s w o r k , w e a r e r e p o r t i n g t h a t t e c h n i q u e t o c a l c u l a t e      

a q u e o u s      p K      a     v a l u e s t o ± 1        p K      a     a c c u r a c y f o r t h e s u b s t i t u t e d P Z s w h i c h w e r e u s e d      

i n t h e k i n e t i c s c r e e n i n g e x p e r i m e n t . T h e a m i n e s s t u d i e d a r e l i s t e d i n T a b l e 1 1      

w i t h t h e i r e x p e r i m e n t a l      p K      a     v a l u e s . T h e i m p r o v e n t s p r o v i d e d i n o u r w o r k a r e ( i )    

r e d u c t i o n o f c a v i t i e s a r o u n d c a t i o n s ( a n e l e c t r o s t r i c t i o n t e c h n i q u e ) a n d t h e u s e      

o f e x p l i c i t s o l v e n t m o l e c u l e s i n s i d e t h e c a v i t i e s ( a s e m i c o n t i n u u m t e c h n i q u e ) ;    

( i i ) t h e e q u a t i o n s t o c a l c u l a t e        p K      a     w e r e d e v e l o p e d t h r o u g h t h e c o n t i n u u m          

s a l v a t i o n m e t h o d s ; ( i i i ) t o f o r m a l i z e a n a p p r o x i m a t i o n f o r t h e e n t r o p y o f m u l t i p l e      

c o n f o r m e r s ; ( i v ) h i s t o r i c a l p r o b l e m s i n v o l v e d i n a b i n i t i o        p K      a     c a l c u l a t i o n s t o      

i m p r o v e t h e p r e d i c t i o n s i n f u t u r e .  

T a b l e 1 1 . E x p e r i m e n t a l      p K       a     v a l u e s o f t h e b a s e s i n v e s t i g a t e d i n o u r w o r k        

 B a s e N a m e o r A b b r e v i a t i o n p K      a     ( 2 9 8 . 1 5 K ) R e f    

C      4     H      9     N      2     ( C H      3     ) 2 - m e t h y l p i p e r a z i n e 9 . 5 7 (      1 0     )  

C      4     H      9     N      2     ( C      2     H      5     ) 1 - e t h y l p i p e r a z i n e 9 . 2 0 (      1 0     )  

C      4     H      9     N      2     ( C H      3     ) 1 - m e t h y l p i p e r a z i n e 9 . 1 4 (      1 0     )  

C      4     H      9     N      2     ( C      2     H      4     O H ) 1 - ( 2 - h y d r o x y e t h y l ) p i p e r a z i n e 9 . 0 9 (      1 0     )  

C      4     H      8     N      2     ( C H      3     )    2      1 , 4 - d i m e t h y l p i p e r a z i n e 8 . 3 8 (      1 0     )  

O ( C H          2     C H      2     )    2     N H m o r p h o l i n e 8 . 5 0 (      3 7     )  

H N ( C H          2     C H      2     )    2     N H p i p e r a z i n e 9 . 7 3 (      3 7     )  

5 . 3 . T h e o r y o f        p K       a     C a l c u l a t i o n      

T h e     p K      a     o f a b a s e        B      i s a s c a l e d v e r s i o n o f Δ          r    G      (   a q     )   , t h e f r e e e n e r g y c h a n g e o f      

t h e a c i d - d i s s o c i a t i o n r e a c t i o n :    

w h e r e        R      i s t h e g a s      c o     n s t a n t a n d        T      i s t e m p e r a t u r e . B a s i c i t y i n c r e a s e s w i t h Δ          r    G      (   a q     )  

a n d h e n c e w i t h        p K      a     . Δ      r    G      (   a q     )    c a n b e e x p r e s s e d a s :    

6 3   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 22/28

T h e h a l f - r e a c t i o n e n e r g y Δ          h     G      (   a q     )   (    B H       +    →        B      ) i s t h e q u a n t i t y o f i n t e r e s t i n t h i s w o r k .  

I t i s c o m p u t e d a s t h e d i f f e r e n c e o f t w o f r e e e n e r g i e s o f c o m p o u n d s i n s o l u t i o n :    

G      ( a q )   ( H + )   , i s i n d e p e n d e n t o f b a s e a n d i s d i f c u l t t o d e t e r m i n e , a q u e o u s    

H      +    e x i s t s i n s e v e r a l f o r m s , l i k e H          3     O      +    , H      5     O      2 +   , a n d H          9     O      4 +    (    3 8     ) . T h e b e s t v a l u e      

f o r    G      ( a q )   ( H       +     )    i s - 2 7 0 . 3 k c a l · m o l      - 1    (    G      ( g )  ( H       +     )    = - 6 . 3 k c a l · m o l      - 1   ( 1 a t m ) (      3 9     ) +   

 Δ     s o l v       G ( H       +     )    = - 2 6 4 . 0 k c a l · m o l      - 1    ( 1 a t m g a s → 1 m o l · L          - 1    a q u e o u s s o l u t i o n )    

(    4 0     ) ) . S e m i c o n t i n u u m t e c h n i q u e w a s u s e d t o d e t e r m i n e t h e f r e e e n e r g i e s o f t h e      

c o m p o u n d s i n t h e s o l u t i o n . I n o r d e r t o r e d u c e        p K      a     - p r o p o r t i o n a l e r r o r w i t h a      

s e m i c o n t i n u u m t e c h n i q u e a n e x p l i c i t w a t e r m o l e c u l e w a s a d d e d i n s i d e t h e s o l u t e      

c a v i t y (      4 0     ) . A n e m p i r i c a l a p p r o a c h w a s u s e d t o e l i m i n a t     e t h     e k n o w n s y s t e m a t i c      

e r r o r f o r p r e d i c t i v e u s e s b y d i f f e r e n t r e s e a r c h e r s (      4 1     –     4 3     ) . 

A d a m (      4 4     ) a n d T a o (      4 5     ) , h a v e f o u n d p h e n o m e n a l a c c u r a c y ( ± 0 . 2 ) f o r a s i n g l e      

c l a s s o f c o m p o u n d s b y t a k i n g t h i s a p p r o a c h f u r t h e r , r e p l a c i n g        p K      a ( t h e o )    i n e q u a t i o n      

( 3 2 ) w i t h s o m e o t h e r c o m p u t a b l e p r o p e r t y o f t h e s o l u t e m o l e c u l e . O f t h e d i r e c t    

 p K      a     c o m p u t a t i o n s t u d i e s ( i . e . n o t b a s e d o n l i n e a r r e g r e s s i o n s l i k e e q u a t i o n ( 3 2 ) ,    

t h e f e w t h a t h a v e r e p o r t e d c o m p u t e d        p K      a     a c c u r a c y o f b e t t e r t h a n ± 1 w e r e s t u d i e s    

o f a h a n d f u l o f c o m p o u n d s w i t h i n a s i n g l e c l a s s a n d s m a l l      p K      a     r a n g e s (      4 6     –     4 9     ) ,  

w h e r e t h e s l o p e e r r o r s w e r e h a r d t o o b s e r v e a n d c o n s t a n t - s h i f t e r r o r s m i g h t h a v e      

c a n c e l l e d t h e m . A g o o d e x a m p l e w o u l d b e t h e w o r k o f d a S i l v a e t a l . (      5 0     ) , w h o s e      

r e s u l t s f o r c a r b o x y l i c a c i d s l o o k e d v e r y g o o d , b u t w h o s e e n s u i n g r e s u l t s f o r t h r e e      

o t h e r c l a s s e s o f c o m p o u n d s s h o w e d l a r g e c l a s s - d e p e n d e n t e r r o r s (      5 1     ) . S i m i l a r    

r e s u l t s c a n b e a c h i e v e d f o r P Z o f        p H       r a n g e 8 - 1 1 .  

5 . 4 . C o m p u t a t i o n a l P r o c e d u r e s    

A l l c a l c u l a t i o n s w e r e d o n e u s i n g t h e G a u s s i a n 0 3 s o f t w a r e p r o g r a m          

a n d t h e        6 - 3 1 1 + + G * *        b a s i s s e t . S o l v e n t e f f e c t s w e r e c o m p u t e d u s i n g t h e      

c o n t i n u u m s o l v a t i o n m e t     h o d     I E F P C M (      5 2     ) w i t h        U A 0     r a d i i f o r s p h e r i c a l c a v i t i e s .  

T h e e l e c t r o n i c s t r u c t u r e l e v e l s o f t h e o r y t e s t e d f o r I E F P C M c a l c u l a t i o n s ( i n c l u d i n g      

g e o m e t r y o p t i m i z a t i o n ) w e r e        B 3 L Y P          a n d     M P 2     . G e o m e t r y o p t i m i z a t i o n s w i t h      

I E F P C M m i n i m i z        e     E      e     l e c     + Δ G      e l   . A l l      E      n u c     ( 0 )  g @ g    t e r m s w e r e c o m p u t e d o n l y w i t h      

 B 3 L Y P      a t    B 3 L Y P          g a s - p h a s e - o p t i m i z e d g e o m e t r i e s . F o r n e u t r a l a m i n e , a h y d r o g e n      

a t o m o f t h e e x p l i c i t w a t e r m o l e c u l e w a s h y d r o g e n - b o n d e d t o t h e n i t r o g e n a t o m i n      

a m i n e , w h i l e f o r p r o t o n a t e d a m i n e t h e n e w p r o t o n a t t a c h e d t o n i t r o g e n a t o m            w a s  

h y d r o g e n - b o n d e d t o t h e o x y g e n o f w a t e r m o l e c u l e . T h e u s e o f o n e e x p l i c i t w a t e r    

m o l e c u l e w a s n a m e d a s      M o d e l I I        , t o d i s t i n g u i s h f r o m            M o d e l I        , w h e r e n o e x p l i c i t    

w a t e r i s u s e d . T h e u t i l i t y o f a c o n s t a n t s c a l e f a c t o r t o c o n t r a c t t h e r a d i i o f c h a r g e d      

“ u n i t e d a t o m s ” w a s t e s t e d t o a c c o m m o d a t e e l e c t r o s t r i c t i o n . I n s t e a d o f t h e d e f a u l t    

6 4   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 23/28

f a c t o r o f 1 . 0 f o r t h e N H          x     g r o u p s o f p r o t o n a t e d a m i n e s , 0 . 9 w a s u s e d . T h i s w a s    

r e f e r r e d t o a s “ s p e c i a l s c a l i n g ” . C o n f o r m e r c h o i c e s a n d e n t r o p y c a l c u l a t i o n s a r e      

e x p l a i n e d i n o u r p r e v i o u s w o r k (      1 0     ) . T h e c o n f o r m e r s u s e d w e r e t h e o n e s w i t h      

l o w e s t i n e n e r g y f r o m I E F P C M /      B 3 L Y P          c a l c u l a t i o n s .  

5 . 5 .      p K       a     R e s u l t s    

I n o r d e r t o c a l c u l a t e t h e        p K      a     v a l u e s u s i n g e q u a t i o n ( 2 9 ) , w e m u s t c o n v e r t    

 Δ G      ( a q )    t o     Δ     r    G      ( a q )    v i a e q u a t i o n ( 3 0 ) , b y a d d i n g t h e c o n t r i b u t i o n        G      ( a q )   ( H       +     )  . I n   

t h i s w o r k , e m p i r i c a l c h o i c e s f o r      G      ( a q )   ( H       +     )   w a s t a k e n . T h i s p a r a m e t e r w a s t t e d      

 b y m i n i m i z i n g t h e r o o t m e a n s q u a r e ( r m s ) o f c a l c u l a t e d     p K      a     v a l u e s v e r s u s    

e x p e r i m e n t a l v a l u e s . F i t t i n g w a s d        o n     e f o r e a c h m o d e l a n d l e v e l o f t h e o r y . I t    

w a s a l s o d o n e t o c o n v e r t t h e r e s u l t s o f d a S i l v a a n d S v e n d s e n (      9     ) f r o m r e l a t i v e      

 Δ G      ( a q )    v a l u e s i n t o b e s t p o s s i b l e        p K      a     v a l u e s . T h e r e s u l t s a r e s h o w n i n T a b l e      

1 2 . T h e r m s e r r o r s r e v e a l t h a t t h e b e s t r e s u l t s a r e o b t a i n e d f r o m M o d e l I I w i t h      

d e f a u l t r a d i i s c a l i n g . T h e b e s t t w o t e c h n i q u e s o f T a b l e 1 2 w e r e u s e d t o c o m p u t e      

t h e     p K      a     v a l u e s i n T a b l e 1 1 . T h i s i n c l u d e d r e t t i n g o f        G      ( a q )   ( H       +     )    t o m i n i m i z e      

r m s e r r o r . T h i s r e s u l t e d i n t w o t t i n g p a r a m e t e r s f o r e a c h m o d e l l i n g t e c h n i q u e ,    

a n d i m p r o v e d t h e r m s e r r o r s b y 4 2 - 4 5 % c o m p a r e d t o s i n g l e - p a r a m e t e r r e s u l t s    

( T a b l e 1 3 ) . O u r m o s t a c c u r a t e p r o c e d u r e f o r t h e c a l c u l a t i o n o f t h e        p K      a     o f b a s e s    

s t u d i e d i n t h i s w o r k i s      M o d e l I I        w i t h t h e e x p l i c i t w a t e r t e c h n i q u e e m p l o y i n g      

I E F P C M / M P 2 / 6 - 3 1 1 + + G * * f o r t h e o p t i m i z e d g e o m e t r i e s a n d e n s u i n g e n e r g i e s ,    

w i t h        E      n u c     ( 0 )   g @ g    t e r m s c o m p u t e d w i t h        B 3 L Y P          / 6 - 3 1 1 + + G * * a t a C          1     - s y m m e t r y      

g a s - p h a s e c o n f o r m e r g e o m e t r y , s t a t i s t i c a l e n t r o p y c o r r e c t i o n s a n d        G      ( a q )   ( H       +     ) 

v a l u e s o f - 2 6 6 . 9 6 k c a l / m o l f o r a c y c l i c b a s e s a n d - 2 6 9 . 6 3 k c a l / m o l f o r c y c l i c      

 b a s e s . I t p r o d u c e d a n r m s e r r o r o f 0 . 6 8 f o r t h e     p K      a     o f t h e 1 7 c o m p o u n d s s t u d i e d      

h e r e . T h e b e s t e x p e r i m e n t a l v a l u e f o r      G      ( a q )   ( H       +     )   i s - 2 7 0 . 3 k c a l / m o l . I n t e r e s t i n g l y ,    

t h e t t e d v a l u e s i n o u r c o m p u t a t i o n a l w o r k a r e c l o s e t o t h i s v a l u e f o r t h e c y c l i c      

m o l e c u l e s w i t h n o e l e c t r o s t r i c t i o n s c a l i n g , a n d a c h e m i c a l l y m e a n i n g f u l      a b i n i t i o      

 p r o c e d u r e i n w h i c h t h e e m p i r i c a l t t i n g o f     G      ( a q )   ( H       +     )   i s r e p l a c e d b y p r o p e r l y x i n g      

i t s e x p e r i m e n t a l v a l u e w i l l b e p u r s u e d i n f u t u r e w o r k .  

T a b l e 1 2 . C o m p a r i s o n o f T h e o r e t i c a l a n d E x p e r i m e n t a l      p K       a     R e s u l t s    

 B 3 L Y P    

 M o d e l I   

 B 3 L Y P    

 M o d e l I   

 B 3 L Y P    

 M o d e l I I   

 M P 2   

 M o d e l I I   

 B 3 L Y P    

 M o d e l I I   

 M P 2   

 M o d e l I I   

 B a s e R e f ( 9 ) D e f . s c .  a    S p . s c .   a    S p . s c .   a     D e f . s c .  a     D e f . s c .  a    e x p t      b   

m o r p h o l i n e 1 0 . 9 7 9 . 6 1 9 . 2 1 8 . 9 7 9 . 8 1 9 . 5 6 8 . 5 0      

 p i p e r a z i n e     c    1 2 . 4 9 1 2 . 2 1 1 1 . 2 6 1 0 . 8 7 1 2 . 0 2 1 1 . 6 1 9 . 7 3      

r m s e r r o r 1 . 7 9 1 . 8 5 1 . 4 7 1 . 3 0 1 . 2 2 1 . 0 0      

a    “ D e f . s c . ” m e a n s d e f a u l t r a d i i s c a l i n g , “ S p . s c . ” m e a n s s p e c i a l s c a l i n g ;      b    F o r r e f e r e n c e s    

s e e T a b l e 1 1 ;      c    p K      a ( 1 )  

6 5   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 24/28

T a b l e 1 3 . C o m p a r i s o n o f t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l      p K       a     r e s u l t s , i n c l u d i n g      

e x t r a p i p e r a z i n e s    

o n e t t i n g       p a r a m e t e r   

t w o t t i n g       p a r a m e t e r s  

 B a s e      B 3 L Y P M P 2 B 3 L Y P M P 2        E x p t      a   

M o r p h o l i n e         9 . 1 3 9 . 0 4 7 . 6 5 7 . 8 9 8 . 5 0      

P i p e r a z i n e        b    1 1 . 3 4 1 1 . 1 0 9 . 8 6 9 . 9 5 9 . 7 3      

2 - m e t h y l p i p e r a z i n e        b    1 1 . 0 1 1 0 . 4 6 9 . 5 3 9 . 3 1 9 . 5 7      

1 - e t h y l p i p e r a z i n e        b    1 0 . 9 5 1 0 . 6 0 9 . 4 7 9 . 4 5 9 . 2 0      

1 - m e t h y l p i p e r a z i n e        b    1 0 . 4 0 1 0 . 0 2 8 . 9 2 8 . 8 7 9 . 1 4      

1 - ( 2 - h y d r o x y e t h y l ) p i p e r a z i n e        b    1 0 . 4 9 1 0 . 0 8 9 . 0 1 8 . 9 3 9 . 0 9      

1 , 4 - d i m e t h y l p i p e r a z i n e        b    1 0 . 6 5 1 0 . 3 7 9 . 1 7 9 . 2 1 8 . 3 8      

r m s e r r o r       1 . 4 8 1 . 1 8 0 . 8 1 0 . 6 8      

a    F o r r e f e r e n c e s s e e T a b l e 1 1 ;      b     p K      a ( 1 )  

6 . C o n c l u s i o n      

S c r e e n i n g o f p r i m a r y , s e c o n d a r y , p o l y a n d c y c l i c a m i n e s w a s p e r f o r m e d u s i n g      

a s t o p p e d - o w t e c h n i q u e a t 2 9 8 . 1 5 K o v e r a c o n c e n t r a t i o n r a n g e o f ( 2 0 t o 1 2 0 )    

m o l · m            - 3   . P o l y a m i n e s a n d c y c l i c a m i n e s h a v e h i g h e r p s e u d o r s t o r d e r r e a c t i o n      

r a t e s c o m p a r e d t o l i n e a r s e c o n d a r y a n d p r i m a r y a m i n e s . C o n s e q u e n t l y , s i x      

c y c l i c a m i n e s w e r e s t u d i e d b e t w e e n ( 2 9 8 . 1 5 a n d 3 1 3 . 1 5 ) K o v e r a c o n c e n t r a t i o n      

r a n g e o f ( 2 0 t o 1 2 0 ) m o l · m            - 3   . P Z h a d t h e h i g h e s t r e a c t i o n r a t e a n d 1 - M P Z t h e      

l o w e s t . A t t h e s a m e t e m p e r a t u r e , t h e t r e n d o f r e a c t i o n r a t e s i s g i v e n a s ( P Z >      

2 - M P Z > 1 - E P Z > 3 - M O P A > H E P Z > 1 - M P Z ) . T h e t e r m o l e c u l a r m e c h a n i s m          

w a s u s e d f o r c a l c u l a t i n g t h e r a t e p a r a m e t e r s b y t t i n g t h e e x p e r i m e n t a l d a t a .  

H i g h e r s e c o n d o r d e r r a t e c o n s t a n t s f o r p o l y a m i n e s a n d c y c l i c a m i n e s m e a n t h a t    

t h e d e p r o t o n a t i o n r e a c t i o n s o f c a r b a m a t e s w e r e v e r y f a s t f o r t h e s e a m i n e s . T h e      

d i s s o c i a t i o n c o n s t a n t s o f t h e c o n j u a g a t e a c i d s o f s i x c y c l i c d i a m i n e s ( P Z , 1 - M P Z ,    

2 - M P Z , 1 - E P Z , H E P Z a n d D M P Z ) w e r e m e a u r e d u s i n g a p o t e n t i o m e t r i c t i t r a t i o n      

m e t h o d a t ( 2 9 8 , 3 0 3 , 3 1 3 a n d 3 2 3 ) K . A t r e n d i s p r o p o s e d r e l a t i n g t h e v a r i a t i o n      

o f     p K      a     w i t h t h e a d d i t i o n o f d i f f e r e n t r a d i c a l g r o u p s t o t h e b a s e P Z m o l e c u l e .    p K      a   

v a l u e s o f p i p e r a z i n e s w e r e c o m p u t e d u s i n g q u a n t u m c h e m i s t r y t e c h n i q u e s a n d      

t h e I E F P C M c o n t i n u u m s o l v a t i o n m o d e l . O f s e v e r a l t e c h n i q u e s t e s t e d , t h e b e s t    

o n e i n v o l v e d t h e i n c o r p o r a t i o n o f a n e x p l i c i t w a t e r m o l e c u l e i n s i d e t h e c o n t i n u u m          

c a v i t y ( M o d e l I I ) . P r o p e r e n t r o p y c o r r e c t i o n s , o f t e n n e g l e c t e d i n        p K      a     s t u d i e s ,    

w e r e a l s o i n c l u d e d . T h e u s e o f a s e c o n d t t i n g p a r a m e t e r f o r t h e s e c o m p o u n d s    

d r a m a t i c a l l y l o w e r e d t h e o v e r a l l r m s e r r o r b y 4 2 - 4 5 % . O u r b e s t t e c h n i q u e      

r e d u c e d t h e e r r o r s f o u n d i n a p r e v i o u s t e c h n i q u e (      9     ) f o r s i m i l a r c o m p o u n d s b y      

6 2 % (      1 0     ) . 

6 6   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 25/28

R e f e r e n c e s    

1 . S a t o r i , G . ; H o , W . S . ; S a v a g e , D . W . S t e r i c a l l y - H i n d e r e d A m i n e s f o r A c i d -    

G a s A b s o r p t i o n .    S e p . P u r i f . M e t h o d s      1 9 8 7        ,    1 6     ( 2 ) , 1 7 1 – 2 0 0 .  

2 . R a o , A . B .    T e c h n o l o g i e s : S e p a r a t i o n a n d c a p t u r e i n C a r b o n C a p t u r e a n d      S e q u e s t r a t i o n        ; W i l s o n , E . J . G e r a r d , D . , E d s . ; B l a c k w e l l : A m e s , I A , 2 0 0 7 .  

3 . R a y e r , A . V . ; S u m o n , K . Z . ; H e n n i , A . ; T o n t i w a c h w u t h i k u l , P . K i n e t i c s o f t h e      

r e a c t i o n o f C a r b o n D i o x i d e ( C O          2     ) w i t h C y c l i c A m i n e s U s i n g t h e S t o p p e d -    

F l o w T e c h n i q u e .    E n e r g y P r o c e d i a        2 0 1 1        ,    4     , 1 4 0 – 1 4 7 .  

4 . B l a u w h o f f , P . M . M . ; V e r s t e e g , G . F . ; v a n S w a a i j , W . P . M . A S t u d y o n      

t h e R e a c t i o n B e t w e e n C O          2     a n d A l k a n o l a m i n e s i n A q u e o u s S o l u t i o n s .    C h e m .  

 E n g . S c i .    1 9 8 4        ,    3 9     , 2 0 7 – 2 2 5 .  

5 . V e r s t e e g , G . F . ; v a n D i j c k , L . A . J . ; v a n S w a a i j , W . P . M . O n t h e K i n e t i c s    

B e t w e e n C O          2   

  a n d A l k a n o l a m i n e s b o t h i n A q u e o u s a n d N o n - A q u e o u s    

S o l u t i o n , A n O v e r v i e w .    C h e m . E n g . C o m m u n .    1 9 9 6        ,    1 4 4     , 1 1 3 – 1 5 8 .  

6 . V a i d y a , P . D . ; K e n i g , E . Y . C O          2     - A l k a n o l a m i n e s R e a c t i o n K i n e t i c s : A R e v i e w        

o f R e c e n t S t u d i e s .    C h e m . E n g . T e c h n o l .    2 0 0 7        ,    3 0     ( 1 1 ) , 1 4 6 7 – 1 4 7 4 .  

7 . B r ø n s t e d , J . N . ; G u g g e n h e i m , E . A . C o n t r i b u t i o n t o t h e T h e o r y o f A c i d a n d      

B a s i c C a t a l y s i s . T h e M u t a r o t a t i o n o f G l u c o s e .    J . A m . C h e m . S o c .    1 9 2 7        ,    4 9     ,  

2 5 5 – 2 5 8 4 .  

8 . P e n n y , D . E . ; R i t t e r , T . J . K i n e t i c S t u d y o f t h e R e a c t i o n B e t w e e n C a r b o n      

D i o x i d e a n d P r i m a r y A m i n e s .    J . C h e m . S o c . , F a r a d a y T r a n s I        1 9 8 3        ,    7 9     ,  

2 1 0 3 – 2 1 0 9 .  

9 . d a S i l v a , E . F . ; S v e n d s e n , H . F . P r e d i c t i o n o f t h e p K          a     V a l u e s o f A m i n e s U s i n g      

A b - i n i t i o M e t h o d s a n d F r e e - E n e r g y P e r t u r b a t i o n s .    I n d . E n g . C h e m . R e s .  

2 0 0 3        ,    4 2     , 4 4 1 4 – 4 4 2 1 .  

1 0 . K h a l i l i , F . ; H e n n i , A . ; E a s t , A . L . L . E n t r o p y C o n t r i b u t i o n s i n        p K      a   

c o m p u t a t i o n : A p p l i c a t i o n t o A l k a n o l a m i n e s a n d P i p e r a z i n e s .    J . M o l . S t r u c t .  

T H E O C H E M            2 0 0 9        ,    9 1 6     , 1 – 9 .  

1 1 . L i , J . ; H e n n i , A . ; T o n t i w a c h w u t h i k u l , P . R e a c t i o n K i n e t i c s o f C O          2   

i n A q u e o u s E t h y l e n e d i a m i n e , E t h y l e t h a n o l a m i n e a n d D i e t h y l    

m o n o e t h a n o l a m i n e S o l u t i o n s i n t h e T e m p e r a t u r e R a n g e o f 2 9 8 - 3 1 3 K U s i n g      

t h e S t o p p e d – F l o w T e c h n i q u e .     I n d . E n g . C h e m . R e s .     2 0 0 7        ,    4 6     ( 1 3 ) ,    

4 4 2 6 – 4 4 3 4 .  

1 2 . A l b e r t , A . ; S e r j e a n t , E . P .    T h e D e t e r m i n a t i o n o f I o n i z a t i o n C o n s t a n t s ; A      

 L a b o r a t o r y M a n u a l    , 3 r d e d . ; C h a p m a n a n d H a l l : 1 9 8 4 .  

1 3 . M a n o v , G . G . ; B a t e s , R . G . ; H a m e r , W . J . ; A c r e e , S . F . V a l u e s o f t h e C o n s t a n t s    

i n t h e D e b y e - H ü c k e l E q u a t i o n f o r A c t i v i t y C o e f c i e n t s .    J . A m . C h e m . S o c .  

1 9 4 3        ,    6 5     , 1 7 6 5 – 1 7 6 7 .  

1 4 . K i e l l a n d , J . I n d i v i d u a l A c t i v i t y C o e f c i e n t s o f I o n s i n A q u e o u s S o l u t i o n s .    J . 

 A m . C h e m . S o c .    1 9 3 7        ,    5 9     ( 9 ) , 1 6 7 5 – 1 6 7 8 .  

1 5 . D a n c k w e r t s , P . V . T h e R e a c t i o n o f C O          2     w i t h E t h a n o l a m i n e s .    C h e m . E n g .  

S c i .    1 9 7 9        ,    3 4     , 4 4 3 – 4 4 6 .  

1 6 . C r o o k s , J . E . ; D o n n e l l a n , J . P . K i n e t i c s o f t h e F o r m a t i o n o f N , N -    

D i a k y l c a r b a m a t e f r o m D i e t h a n o l a m i n e a n d C a r b o n D i o x i d e i n A n h y d r o u s    

E t h a n o l .    J . C h e m . S o c . , P e r k i n T r a n s .    1 9 8 8        ,    2     , 1 9 1 – 1 9 4 .  

6 7   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 26/28

1 7 . P i n s e n t , B . R . W . ; P e a r s o n , L . ; R o u g h t o n , F . W . J . T h e K i n e t i c s o f      

c o m b i n a t i o n o f C a r b o n D i o x i d e w i t h H y d r o x y l I o n s .     J . C h e m . S o c . ,  

 F a r a d a y T r a n s .    1 9 5 6        ,    5 2     , 1 5 1 2 – 1 5 2 0 .  

1 8 . D o n a l d s o n , T . L . ; N g u y e n , N . Y . C a r b o n D i o x i d e R e a c t i o n K i n e t i c s a n d      

T r a n s p o r t i n A q u e o u s A m i n e M e m b r a n e s .    I n d . E n g . C h e m . F u n d a m .    1 9 8 0        ,  1 9     , 2 6 0 – 2 6 6 .  

1 9 . L i t t e l , R . J . ; V e r s t e e g , G . F . ; v a n S w a a i j , W . P . M . K i n e t i c s o f C a r b o n      

D i o x i d e w i t h P r i m a r y a n d S e c o n d a r y A m i n e s i n A q u e o u s S o l u t i o n s . I .  

Z w i t t e r i o n D e p r o t o n a t i o n K i n e t i c s f o r D E A a n d D I P A i n A q u e o u s B l e n d s o f      

A l k a n o l a m i n e s .    C h e m . E n g . S c i .    1 9 9 2        ,    4 7     , 2 0 2 7 – 2 0 3 5 .  

2 0 . A s t a r i t a , G . ; S a v a g e , D . W . ; B i s i o , A .    G a s T r e a t i n g w i t h C h e m i c a l S o l v e n t s      ;  

J o h n W i l e y & S o n s : N e w Y o r k , 1 9 8 3 .  

2 1 . B a r t h , D . ; T o n d r e , C . ; D e l p u e c h , J . J . S t o p p e d - F l o w I n v e s t i g a t i o n s o f t h e      

R e a c t i o n K i n e t i c s o f C a r b o n D i o x i d e w i t h S o m e P r i m a r y a n d S e c o n d a r y      

A l k a n o l a m i n e s i n A q u e o u s s o l u t i o n s .    I n t . J . C h e m . K i n e t .    1 9 8 6        ,    1 8     ( 4 ) ,    

4 4 5 – 4 5 7 .  

2 2 . K h a l i l i , F . ; H e n n i , A . ; E a s t , A . L . L .    p K      a     v a l u e s o f s o m e p i p e r a z i n e a t 2 9 8 ,    

3 0 3 , 3 1 3 a n d 3 2 3 K .    J . C h e m . E n g . D a t a        2 0 0 9        ,    5 4     , 2 9 1 4 – 2 9 1 7 .  

2 3 . R o c h e l l e , G . T . ; B i s h n o i , S . ; C h i , S . ; D a n g , H . ; S n a t o s , J . F i n a l r e p o r t f o r P .  

O . N o . D E A F 2 6 - 9 9 F T 0 1 0 2 9 , U . S . D e p a r t m e n t o f E n e r g y , F e d e r a l E n e r g y      

T e c h n o l o g y C e n t e r , S e p t . 2 6 , 2 0 0 0 .  

2 4 . B i s h n o i , S . ; R o c h e l l e , G . T . A b s o r p t i o n o f C a r b o n D i o x i d e i n t o A q u e o u s    

P i p e r a z i n e : R e a c t i o n K i n e t i c s , M a s s T r a n s f e r a n d S o l u b i l i t y .    C h e m . E n g .  

S c i .    2 0 0 0        ,    5 5     , 5 5 3 1 – 5 5 4 3 .  

2 5 . G r a e m e , P . ; R o w l a n d , R . ; A l l p o r t , A . ; Y a n g , Q . ; B o w n , M . ; B u r n s , R . ;    

M a e d e r , M . ; A t t a l l a , M . C a r b o n D i o x i d e P o s t C o m b u s t i o n C a p t u r e : A        

 N o v e l S c r e e n i n g S t u d y o f t h e C a r b o n D i o x i d e A b s o r p t i o n P e r f o r m a n c e o f   

7 6 A m i n e s .    E n v i r o n . S c i . T e c h n o l .    2 0 0 9        ,    4 3     ( 1 6 ) , 6 4 2 7 – 6 4 3 3 .  

2 6 . S i n g h , P . ; J o h n , P . M . N . ; V e r s t e e g , G . F . S t r u c t u r e a n d A c t i v i t y R e l a t i o n s h i p s    

f o r A m i n e - b a s e d C O          2     A b s o r b e n t s — I I .    C h e m . E n g . R e s . D e s .    2 0 0 8        ,    8 7     ,  

1 3 5 – 1 4 4 .  

2 7 . S h a r m a , M . M . K i n e t i c s o f R e a c t i o n s o f C a r b o n y l S u l p h i d e a n d C a r b o n      

D i o x i d e w i t h A m i n e s a n d C a t a l y s i s b y B r ø n s t e d B a s e s o f t h e H y d r o l y s i s o f      

C O S .    T r a n s . F a r a d a y S o c .    1 9 6 5        ,    6 1     , 6 8 1 – 6 8 7 .  

2 8 . K a d i w a l a , S . ; R a y e r , A . V . ; H e n n i , A . H i g h P r e s s u r e S o l u b i l i t y o f C a r b o n      

D i o x i d e ( C O          2     ) i n A q u e o u s P i p e r a z i n e S o l u t i o n s .     F l u i d P h a s e E q u i l i b r i a      

2 0 1 0        ,    2 9 2     ( 1 − 2 ) , 2 0 – 2 8 .  

2 9 . A p p l , M . ; W a g n e r , U . ; H e n r i c i , H . J . ; K u e s s n e r , K . ; V o l d a m e r , K . ; F u r e s t ,    

E . R e m o v a l o f C O          2     a n d / o r H          2     S a n d / o r C O S f r o m G a s e s C o n t a i n i n g T h e s e      

C o n s t i t u e n t s . U . S . P a t e n t 4 3 3 6 2 3 3 , 1 9 8 2 .  

3 0 . K o h l , A . ; R i e s e n f e l d , F .    G a s P u r i c a t i o n        , 4 t h e d . ; G u l f P u b l . C o . : H o u s t o n ,    

1 9 8 5 .  

3 1 . H a m b o r g , E . S . ; V e r s t e e g , G . F . D i s s o c i a t i o n C o n s t a n t s a n d T h e r m o d y n a m i c      

P r o p e r t i e s o f A m i n e s a n d A l k n a o l a m i n e s f r o m ( 2 9 3 t o 3 5 3 ) K .    J . C h e m . E n g .  

 D a t a     2 0 0 9        ,    5 4     , 1 3 1 8 – 1 3 2 8 .  

3 2 . P e r r i n , D . D .    D i s s o c i a t i o n C o n s t a n t s o f O r g a n i c B a s e s i n A q u e o u s S o l u t i o n        ;  

B u t t e r w o r t h s : L o n d o n , 1 9 6 5 . S u p p l e m e n t , 1 9 7 2 .  

6 8   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 27/28

3 3 . H a m b o r g , E . S . ; V e r s t e e g , G . F . D i s s o c i a t i o n C o n s t a n t s a n d T h e r m o d y n a m i c      

P r o p e r t i e s o f A m i n e s a n d A l k n a o l a m i n e s f r o m ( 2 9 3 t o 3 5 3 ) K .    J . C h e m . E n g .  

 D a t a     2 0 0 9        ,    5 4     , 1 3 1 8 – 1 3 2 8 .  

3 4 . X u , S . ; O t t o , F . D . ; M a t h e r , A . E . D i s s o c i a t i o n C o n s t a n t s o f S o m e      

A l k a n o l a m i n e s .    C a n . J . C h e m .    1 9 9 3        ,    7 1     , 1 0 4 8 – 1 0 5 0 .  3 5 . L i t t e l , R . J . ; B o s , M . ; K n o o p , G . J . D i s s o c i a t i o n C o n s t a n t s o f S o m e      

A l k a n o l a m i n e s a t 2 9 3 , 3 0 3 , 3 1 8 , a n d 3 3 3 K .    J . C h e m . E n g . D a t a        1 9 9 0        ,    3 5     ,  

2 7 6 – 2 7 7 .  

3 6 . H e t z e r , H . B . ; R o b i n s o n , R . A . ; B a t e s , R . G . D i s s o c i a t i o n C o n s t a n t s o f      

P i p e r a z i n i u m I o n a n d R e l a t e d T h e r m o d y n a m i c Q u a n t i t i e s f r o m 0 t o 5 0 ° C .  

 J . P h y s . C h e m .    1 9 6 8        ,    7 2     , 2 0 8 1 – 2 0 8 6 .  

3 7 . P e r r i n , D . D . ; D e m p s e y , B . ; S e r j e a n t , E . P .    p K      a     P r e d i c t i o n f o r O r g a n i c A c i d s    

a n d B a s e s      ; C h a p m a n a n d H a l l : 1 9 8 1 .  

3 8 . W o u t e r s e n , S . ; B a k k e r , H . J . U l t r a f a s t V i b r a t i o n a l a n d S t r u c t u r a l D y n a m i c s    

o f t h e P r o t o n i n L i q u i d W a t e r .    P h y s . R e v . L e t t .    2 0 0 6        ,    9 6     , 1 3 8 3 0 5 – 1 3 8 3 0 9 .  

3 9 . L i p t a k , M . D . ; S h i e l d s , G . C . E x p e r i m e n t a t i o n w i t h D i f f e r e n t    

T h e r m o d y n a m i c C y c l e s U s e d f o r      p K      a     C a l c u l a t i o n s o n C a r b o x y l i c A c i d s    

U s i n g C o m p l e t e B a s i s S e t a n d G a u s s i a n - n M o d e l s C o m b i n e d w i t h C P C M          

C o n t i n u u m S o l v a t i o n M e t h o d s .    I n t . J . Q u a n t u m C h e m .    2 0 0 1        ,    8 5     , 7 2 7 – 7 4 1 .  

4 0 . T i s s a n d i e r , M . D . ; C o w e n , K . A . ; F e n g , W . Y . ; G u n d l a c h , E . ; C o h e n , M . H . ;    

E a r h a r t , A . D . ; C o e , J . V . ; T u t t l e , T . R . , J r . T h e P r o t o n ’ s A b s o l u t e A q u e o u s    

E n t h a l p y a n d G i b b s F r e e E n e r g y o f S o l v a t i o n f r o m C l u s t e r - I o n S o l v a t i o n      

D a t a .    J . P h y s . C h e m . A        1 9 9 8        ,    1 0 2     , 7 7 8 7 – 7 7 9 4 .  

4 1 . R i c k , S . W . ; B e r n e , B . J . T h e A q u e o u s S o l v a t i o n o f W a t e r : A C o m p a r i s o n o f      

C o n t i n u u m M e t h o d s w i t h M o l e c u l a r D y n a m i c s .    J . A m . C h e m . S o c .    1 9 9 4        ,  

1 1 6     , 3 9 4 9 – 3 9 5 4 .  

4 2 . K a l l i e s , B . ; M i t z n e r , R .    p K      a     V a l u e s o f A m i n e s i n W a t e r f r o m Q u a n t u m          

M e c h a n i c a l C a l c u l a t i o n s U s i n g a P o l a r i z e d D i e l e c t r i c C o n t i n u u m          

R e p r e s e n t a t i o n o f t h e S o l v e n t .    J . P h y s . C h e m . B          1 9 9 7        ,    1 0 1     , 2 9 5 9 – 2 9 6 7 .  

4 3 . S c h ü ü r m a n n , G . ; C o s s i , M . ; B a r o n e , V . ; T o m a s i , J . P r e d i c t i o n o f t h e        p K      a     o f   

C a r b o x y l i c A c i d s U s i n g        a b I n i t i o        C o n t i n u u m - S o l v a t i o n M o d e l P C M - U A H F .  

 J . P h y s . C h e m . A     1 9 9 8        ,    1 0 2     , 6 7 0 6 – 6 7 1 2 .  

4 4 . A d a m , K . R . N e w D e n s i t y F u n c t i o n a l a n d A t o m s i n M o l e c u l e s M e t h o d o f      

C o m p u t i n g R e l a t i v e        p K      a     V a l u e s i n S o l u t i o n .    J . P h y s . C h e m . A        2 0 0 2        ,    1 0 6     ,  

1 1 9 6 3 – 1 1 9 7 2 .  

4 5 . T a o , L . ; H a n , J . ; T a o , F . - M . C o r r e l a t i o n s a n d P r e d i c t i o n s o f C a r b o x y l i c      

A c i d        p K      a      V a l u e s U s i n g I n t e r m o l e c u l a r S t r u c t u r e a n d P r o p e r t i e s o f      

H y d r o g e n - B o n d e d C o m p l e x e s .    J . P h y s . C h e m . A        2 0 0 8        ,    1 1 2     , 7 7 5 – 7 8 2 .  

4 6 . d a S i l v a , E . F . ; S v e n d s e n , H . F .    A b I n i t i o        S t u d y o f t h e r e a c t i o n o f c a r b a m a t e      

f o r m a t i o n f r o m C O          2     a n d a l k a n o l a m i n e s .    I n d . E n g . C h e m . R e s .    2 0 0 4        ,    4 3     ,  

3 4 1 3 – 3 4 1 8 .  

4 7 . B r y a n t s e v , V . S . ; D i a l l o , M . S . ; G o d d a r d , W . A . , I I I .    p K      a     C a l c u l a t i o n s o f      

A l i p h a t i c A m i n e s , D i a m i n e s , a n d A m i n o a m i d e s v i a D e n s i t y F u n c t i o n a l    

T h e o r y w i t h a P o i s s o n - B o l t z m a n n C o n t i n u u m S o l v e n t M o d e l .     J . P h y s .  

C h e m . A        2 0 0 7        ,    1 1 1     , 4 4 2 2 – 4 4 3 0 .  

6 9   

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3

In Recent Advances in Post-Combustion CO2 Capture Chemistry; Attalla, M.;ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2012.

7/25/2019 2012 Co 2 Chapter

http://slidepdf.com/reader/full/2012-co-2-chapter 28/28

4 8 . L i p t a k , M . D . ; S h i e l d s , G . C . A c c u r a t e        p K      a     C a l c u l a t i o n s f o r C a r b o x y l i c A c i d s    

U s i n g C o m p l e t e B a s i s S e t a n d G a u s s i a n - n M o d e l s C o m b i n e d w i t h C P C M          

C o n t i n u u m S o l v a t i o n M e t h o d s .    J . A m . C h e m . S o c .    2 0 0 1        ,    1 2 3     , 7 3 1 4 – 7 3 1 9 .  

4 9 . S m i t h , B . J . C a l c u l a t i o n o f A q u e o u s P r o t o n D i s s o c i a t i o n C o n s t a n t s o f      

Q u i n o l i n e a n d H y d r o x y q u i n o l i n e s : A C o m p a r i s o n o f S o l v a t i o n M o d e l s .   P h y s . C h e m . C h e m . P h y s .   2 0 0 0        ,    2     , 5 3 8 3 – 5 3 8 8 .  

5 0 . d a S i l v a , C . O . ; d a S i l v a , E . C . ; N a s c i m e n t o , M . A . C .    A b I n i t i o        C a l c u l a t i o n s    

o f A b s o l u t e        p K      a     V a l u e s i n A q u e o u s S o l u t i o n I . C a r b o x y l i c A c i d s .    J . P h y s .  

C h e m . A        1 9 9 9        ,    1 0 3     , 1 1 1 9 4 – 1 1 1 9 9 .  

5 1 . d a S i l v a , C . O . ; d a S i l v a , E . C . ; N a s c i m e n t o , M . A . C .    A b I n i t i o        C a l c u l a t i o n s    

o f A b s o l u t e        p K      a     V a l u e s i n A q u e o u s S o l u t i o n I I . A l i p h a t i c A l c o h o l s ,    

T h i o l s , a n d H a l o g e n a t e d C a r b o x y l i c A c i d s .    J . P h y s . C h e m . A        2 0 0 0        ,    1 0 4     ,  

2 4 0 2 – 2 4 0 9 .  

5 2 . W o u t e r s e n , S . ; B a k k e r , H . J . U l t r a f a s t V i b r a t i o n a l a n d S t r u c t u r a l D y n a m i c s    

o f t h e P r o t o n i n L i q u i d W a t e r .    P h y s . R e v . L e t t .    2 0 0 6        ,    9 6     , 1 3 8 3 0 5 – 1 3 8 3 0 9 .  

   D  o  w  n   l  o  a   d  e   d   b  y   U   N   I   V   O   F   R   E   G   I   N   A  o  n

   J  a  n  u  a  r  y   2   4 ,

   2   0   1   3   |   h   t   t  p  :   /   /  p  u   b  s .  a  c  s

 .  o  r  g

    P  u   b

   l   i  c  a   t   i  o  n   D  a   t  e   (   W  e   b   )  :   M  a  y   3 ,

   2   0   1   2

   |   d  o   i  :   1   0 .   1

   0   2   1   /   b   k  -   2   0   1   2  -   1   0   9   7 .  c   h   0

   0   3