Validation of a Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry Method for Targeted Degradation Compounds of Ethanolamine Used in CO₂ Capture: Application to Real Samples

Validation d’une méthode de chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem pour des composés de dégradation ciblés de l’éthanolamine utilisée dans le captage du CO₂ : application à des échantillons réels

¹ LSABM, UMR CBI 8231, ESPCI – CNRS, 10 rue Vauquelin, 75005 Paris – France
² IFP Energies nouvelles, Rond-point de l’échangeur de Solaize, BP 3, 69360 Solaize – France
e-mail: vincent.cuzuel@espci.fr – julien.brunet@espci.fr – aurelien.rey@espci.fr – jose.dugay@espci.fr – jerome.vial@espci.fr – valerie.pichon@espci.fr – p-louis.carrette@ifpen.fr

^* Corresponding author

Abstract

In the field of greenhouse gas emission, a promising approach consists in CO₂ storage and capture. However most of the processes are based on amine solutions which are likely to degrade and produce potentially harmful compounds. So there is a need for analytical methods to identify and quantify these products. Monoethanolamine was used as a model compound for the amines used for CO₂ capture.

A liquid chromatography tandem mass spectrometry method was developed and validated for the quantification of six products of degradation of monoethanolamine (Glycine, N-(2-hydroxyethyl)glycine, N-glycylglycine, bicine, N,N′-bis-(2-hydroxyethyl) urea (BHE Urea), and diethanolamine) that were systematically detected with a LC-MS Scan method in real samples from CO₂ capture and storage processes. The main difficulty of this study and its originality ly in the strategy developed to overcome the complexity of the matrix which is a mix of water and amine (70/30): the combined use of deuterated internal standards and a recent chemiometric approach to validate the method, i.e. the accuracy profile. For five compounds it was possible to validate the method with acceptance limits of 20%. This method was then successfully applied to real samples from pilot plant and lab-scale experiments.

Résumé

Dans le domaine des émissions de gaz à effet de serre, une approche prometteuse consiste à capter et stocker le CO₂. Cependant la plupart des procédés mis en œuvre sont basé sur l’utilisation de solutions d’amines qui sont susceptibles de se dégrader et produire des composés potentiellement dangereux pour l’homme et l’environnement. Il y a donc un véritable besoin de méthodes d’analyse pour identifier et quantifier ces produits. La monoéthanolamine est choisie comme composé modèle pour les amines utilisées lors du captage du CO₂.

Une méthode de chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem a été développée et validée pour la quantification de six produits de dégradation de la monoéthanolamine (Glycine, N-(2-hydroxyéthyle)glycine, N-glycylglycine, bicine, N,N’-bis-(2-hydroxyéthyle) urée et diéthanolamine) qui ont été systématiquement retrouvés avec une méthode LC-MS en mode « scan » dans des échantillons réels issus de procédés de captage du CO₂ en vue de son stockage ultérieur. La principale difficulté de cette étude et son originalité se situent dans la stratégie développée pour surmonter les difficultés liées à la complexité de la matrice qui est un mélange d’eau et d’amine (70/30) : l’utilisation combinée de composés deutérés comme étalons internes et d’une approche chimiométriques récente pour valider la méthode, i.e. le profil d’exactitude. Pour cinq composés, il a été possible de valider la méthode avec une limite d’acceptabilité de 20 %. Cette méthode a ensuite été appliquée avec succès à l’analyse d’échantillons réels issus de pilotes et d’expériences de laboratoire.