Surface modification of broom sorghum-based activated carbon via functionalization with triethylenetetramine and urea for CO₂capture enhancement

Abstract

A new type of activated carbon (AC) was synthesized using broom sorghum stalk as a low cost carbon source through chemical activation with H₃PO₄ and KOH. The AC obtained by KOH had the largest BET surface area of 1619 m²·g⁻¹ and the highest micropore volume of 0.671 cm³·g⁻¹. CO₂ adsorption was enhanced by functionalizing the AC with two different amines: triethylenetetramine (TETA) and urea. The structure of the prepared ACs was characterized by Brunauer-Emmett-Teller method, scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis and acid-base Boehm titration analyses. The adsorption behavior of CO₂ onto raw and amine-functionalized ACs was investigated in the temperature range of 288–308 K and pressures up to 25 bar. The amount of CO₂ uptake at 298 K and 1 bar achieved by AC-TETA and AC-urea was 3.22 and 2.33 mmol·g⁻¹which shows a 92% and 40% improvement compared to pristine AC (1.66 mmol·g⁻¹), respectively. Among different model isotherms used to describe the adsorption equilibria, Sips isotherm presented a perfect fit in all cases. Gas adsorption kinetic study revealed a fast kinetics of CO₂adsorption onto the ACs. The evaluation of the isosteric heat of adsorption demonstrated the exothermic nature of the CO₂ adsorption onto unmodified and modified samples.

Graphical abstract

Keywords

activated carbon / broom sorghum / functionalization / CO₂ capture

References

[1] Xu X, Zhao X, Sun L, Liu X. Adsorption separation of carbon dioxide, methane and nitrogen on monoethanol amine modified b-zeolite. Journal of Natural Gas Chemistry, 2009, 18(2): 167–172

[2] Wang X, Guo Q, Zhao J, Chen L. Mixed amine-modified MCM-41 sorbents for CO₂ capture. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2015, 37: 90–98

[3] Plaza M, Pevida C, Arenillas A, Rubiera F, Pis J. CO₂ capture by adsorption with nitrogen enriched carbons. Fuel, 2007, 86(14): 2204–2212

[4] Hosseini S, Marahel E, Bayesti I, Abbasi A, Abdullah L C, Choong T S. CO₂ adsorption on modified carbon coated monolith: Effect of surface modification by using alkaline solutions. Applied Surface Science, 2015, 324: 569–575

[5] Shafeeyan M S, Daud W M A W, Houshmand A, Shamiri A. A review on surface modification of activated carbon for carbon dioxide adsorption. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2010, 89(2): 143–151

[6] Wang W, Li J, Wei X, Ding J, Feng H, Yan J, Yang J. Carbon dioxide adsorption thermodynamics and mechanisms on MCM-41 supported polyethylenimine prepared by wet impregnation method. Applied Energy, 2015, 142: 221–228

[7] Wang X, Guo Q, Kong T. Tetraethylenepentamine-modified MCM-41/silica gel with hierarchical mesoporous structure for CO₂ capture. Chemical Engineering Journal, 2015, 273: 472–480

[8] Shafeeyan M S, Daud W M A W, Houshmand A, Arami-Niya A. Ammonia modification of activated carbon to enhance carbon dioxide adsorption: Effect of pre-oxidation. Applied Surface Science, 2011, 257(9): 3936–3942

[9] Lee C, Ong Y, Aroua M, Daud W W. Impregnation of palm shell-based activated carbon with sterically hindered amines for CO₂ adsorption. Chemical Engineering Journal, 2013, 219: 558–564

[10] Yin G, Liu Z, Liu Q, Wu W. The role of different properties of activated carbon in CO₂ adsorption. Chemical Engineering Journal, 2013, 230: 133–140

[11] Phalakornkule C, Foungchuen J, Pitakchon T. Impregnation of chitosan onto activated carbon for high adsorption selectivity towards CO₂: CO₂ capture from biohydrogen, biogas and flue gas. Journal of Sustainable Energy & Environment, 2012, 3: 153–157

[12] Heidari A, Younesi H, Rashidi A, Ghoreyshi A A. Adsorptive removal of CO₂ on highly microporous activated carbons prepared from Eucalyptus camaldulensis wood: Effect of chemical activation. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 2014, 45(2): 579–588

[13] Muniandy L, Adam F, Mohamed A R, Ng E P. The synthesis and characterization of high purity mixed microporous/mesoporous activated carbon from rice husk using chemical activation with NaOH and KOH. Microporous and Mesoporous Materials, 2014, 197: 316–323

[14] Alaya M, Youssef A, Karman M, El-Aal H A. Textural properties of activated carbons from wild cherry stones as determined by nitrogen and carbon dioxide adsorption. Carbon letters, 2006, 7: 9–18

[15] Bagheri N, Abedi J. Preparation of high surface area activated carbon from corn by chemical activation using potassium hydroxide. Chemical Engineering Research & Design, 2009, 87(8): 1059–1064

[16] El-Hendawy A N A, Alexander A J, Andrews R J, Forrest G. Effects of activation schemes on porous, surface and thermal properties of activated carbons prepared from cotton stalks. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2008, 82(2): 272–278

[17] Nahil M A, Williams P T. Pore characteristics of activated carbons from the phosphoric acid chemical activation of cotton stalks. Biomass and Bioenergy, 2012, 37: 142–149

[18] Kishor R, Ghoshal A K. APTES grafted ordered mesoporous silica KIT-6 for CO₂ adsorption. Chemical Engineering Journal, 2015, 262: 882–890

[19] Wei J, Liao L, Xiao Y, Zhang P, Shi Y. Capture of carbon dioxide by amine-impregnated as-synthesized MCM-41. Journal of Environmental Sciences (China), 2010, 22(10): 1558–1563

[20] Caglayan B S, Aksoylu A E. CO₂ adsorption on chemically modified activated carbon. Journal of Hazardous Materials, 2013, 252-253: 19–28

[21] Zhang X, Zhang S, Yang H, Feng Y, Chen Y, Wang X, Chen H. Nitrogen enriched biochar modified by high temperature CO₂-ammonia treatment: Characterization and adsorption of CO₂. Chemical Engineering Journal, 2014, 257: 20–27

[22] Zelenak V, Halamova D, Gaberova L, Bloch E, Llewellyn P. Amine-modified SBA-12 mesoporous silica for carbon dioxide capture: Effect of amine basicity on sorption properties. Microporous and Mesoporous Materials, 2008, 116(1-3): 358–364

[23] Houshmand A, Daud W M A W, Shafeeyan M S. Exploring potential methods for anchoring amine groups on the surface of activated carbon for CO₂ adsorption. Separation Science and Technology, 2011, 46(7): 1098–1112

[24] Liu Z, Teng Y, Zhang K, Chen H, Yang Y. CO₂ adsorption performance of different amine-based siliceous MCM-41 materials. Journal of Energy Chemistry, 2015, 24(3): 322–330

[25] Banisheykholeslami F, Ghoreyshi A A, Mohammadi M, Pirzadeh K. Synthesis of a carbon molecular sieve from broom corn stalk via carbon deposition of methane for the selective separation of a CO₂/CH₄ mixture. Clean Soil Air Water, 2015, 43(7): 1084–1092

[26] Keramati M, Ghoreyshi A A. Improving CO₂ adsorption onto activated carbon through functionalization by chitosan and triethylenetetramine. Physica E, Low-Dimensional Systems and Nanostructures, 2014, 57: 161–168

[27] Khalili S, Ghoreyshi A A, Jahanshahi M, Pirzadeh K. Enhancement of carbon dioxide capture by amine-functionalized multi-walled carbon nanotube. Clean Soil Air Water, 2013, 41(10): 939–948

[28] Feng X, Dementev N, Feng W, Vidic R, Borguet E. Detection of low concentration oxygen containing functional groups on activated carbon fiber surfaces through fluorescent labeling. Carbon, 2006, 44(7): 1203–1209

[29] Delavar M, Ghoreyshi A A, Jahanshahi M, Khalili S, Nabian N. Equilibria and kinetics of natural gas adsorption on multi-walled carbon nanotube material. RSC Advances, 2012, 2(10): 4490–4497

[30] Khoshhal S, Ghoreyshi A A, Jahanshahi M, Mohammadi M. Study of the temperature and solvent content effects on the structure of Cu-BTC metal organic framework for hydrogen storage. RSC Advances, 2015, 5(31): 24758–24768

[31] He J, Hong S, Zhang L, Gan F, Ho Y S. Equilibrium and thermodynamic parameters of adsorption of methylene blue onto rectorite. Fresenius Environmental Bulletin, 2010, 19: 2651–2656

[32] Ghaemi A, Torab-Mostaedi M, Ghannadi-Maragheh M. Characterizations of strontium (II) and barium (II) adsorption from aqueous solutions using dolomite powder. Journal of Hazardous Materials, 2011, 190(1-3): 916–921

[33] Qiu H, Lv L, Pan B C, Zhang Q J, Zhang W M, Zhang Q X. Critical review in adsorption kinetic models. Journal of Zhejiang University Science A, 2009, 10(5): 716–724

[34] Fauth D, Gray M, Pennline H, Krutka H, Sjostrom S, Ault A. Investigation of porous silica supported mixed-amine sorbents for post-combustion CO₂ capture. Energy & Fuels, 2012, 26(4): 2483–2496

[35] Figueiredo J, Pereira M, Freitas M, Orfao J. Modification of the surface chemistry of activated carbons. Carbon, 1999, 37(9): 1379–1389

[36] Vukovic G D, Marinkovic A D, Colic M, Ristic M D, Aleksic R, Peric-Grujic A A, Uskokovic P S. Removal of cadmium from aqueous solutions by oxidized and ethylenediamine-functionalized multi-walled carbon nanotubes. Chemical Engineering Journal, 2010, 157(1): 238–248

[37] Vukovic G D, Marinkovic A D, Skapin S D, Ristic M D, Aleksic R, Peric-Grujic A A, Uskokovic P S. Removal of lead from water by amino modified multi-walled carbon nanotubes. Chemical Engineering Journal, 2011, 173(3): 855–865

[38] Szymanski G S, Karpinski Z, Biniak S, Świa̧tkowski A. swiatkowski A. The effect of the gradual thermal decomposition of surface oxygen species on the chemical and catalytic properties of oxidized activated carbon. Carbon, 2002, 40(14): 2627–2639

[39] Maroto-Valer M M, Lu Z, Zhang Y, Tang Z. Sorbents for CO₂ capture from high carbon fly ashes. Waste Management (New York, N.Y.), 2008, 28(11): 2320–2328

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg