Al₂O₃ and CeO₂-promoted MgO sorbents for CO₂ capture at moderate temperatures

Abstract

A series of Al₂O₃ and CeO₂ modified MgO sorbents was prepared and studied for CO₂ sorption at moderate temperatures. The CO₂ sorption capacity of MgO was enhanced with the addition of either Al₂O₃ or CeO₂. Over Al₂O₃-MgO sorbents, the best capacity of 24.6 mg-CO₂/g-sorbent was attained at 100 °C, which was 61% higher than that of MgO (15.3 mg-CO₂/g-sorbent). The highest capacity of 35.3 mg-CO₂/g-sorbent was obtained over the CeO₂-MgO sorbents at the optimal temperature of 200 °C. Combining with the characterization results, we conclude that the promotion effect on CO₂ sorption with the addition of Al₂O₃ and CeO₂ can be attributed to the increased surface area with reduced MgO crystallite size. Moreover, the addition of CeO₂ increased the basicity of MgO phase, resulting in more increase in the CO₂ capacity than Al₂O₃ promoter. Both the Al₂O₃-MgO and CeO₂-MgO sorbents exhibited better cyclic stability than MgO over the course of fifteen CO₂ sorption-desorption cycles. Compared to Al₂O₃, CeO₂ is more effective for promoting the CO₂ capacity of MgO. To enhance the CO₂ capacity of MgO sorbent, increasing the basicity is more effective than the increase in the surface area.

Graphical abstract

Keywords

CO₂ capture / MgO sorbents / Al₂O₃ / CeO₂ / flue gas

References

[1] Williams J H, DeBenedictis  A, Ghanadan R,  Mahone A,  Moore J,  Morrow W R,  Price S,  Torn M S. The technology path to deep greenhouse gas emissions cuts by 2050: The pivotal role of electricity. Science, 2012, 335(6064): 53–59

[2] Ma X L, Wang  X X, Song  C S. “Molecular basket” sorbents for separation of CO₂ and H₂S from various gas streams. Journal of the American Chemical Society, 2009, 131(16): 5777–5783

[3] Song C S. Global challenges and strategies for control, conversion and utilization of CO₂ for sustainable development involving energy, catalysis, adsorption and chemical processing. Catalysis Today, 2006, 115(1-4): 2–32

[4] Sema T, Naami  A, Liang Z W,  Shi H C,  Layer A V,  Sumon K Z,  Wattanaphan P,  Henni A,  Idem R, Saiwan  C, Tontiwachwuthikul P. Part 5b: Solvent chemistry: Reaction kinetics of CO₂ absorption into reactive amine solutions. Carbon Management, 2012, 3(2): 201–220

[5] Wilson M, Tontiwachwuthikul  P, Chakma A,  Idem R, Veawab  A, Aroonwilas A,  Gelowitz D,  Barrie J,  Mariz C. Test results from a CO₂ extraction pilot plant at boundary dam coal-fired power station. Energy, 2004, 29(9-10): 1259–1267

[6] Krull F F, Fritzmann  C, Melin T. Liquid membranes for gas/vapor separation. Journal of Membrane Science, 2008, 325(2): 509–519

[7] Aaron D, Tsouris  C. Separation of CO₂ from flue gas: A review. Separation Science and Technology, 2005, 40(1-3): 321–348

[8] Meratla Z. Combining cryogenic flue gas emission remediation with a CO₂/O₂ combustion cycle. Energy Conversion and Management, 1997, 38: S147–S152

[9] D’Alessandro D M,  Smit B, Long  J R. Carbon dioxide capture: Prospects for new materials. Angewandte Chemie International Edition, 2010, 49(35): 6058–6082

[10] Sevilla M, Fuertes  A B. CO₂ adsorption by activated templated carbons. Journal of Colloid and Interface Science, 2012, 366(1): 147–154

[11] Chen Z H, Deng  S B, Wei  H R, Wang  B, Huang J,  Yu G. Activated carbons and amine-modified materials for carbon dioxide capture—a review. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2013, 7(3): 326–340

[12] Du T, Liu  L Y, Xiao  P, Che S,  Wang H M. Preparation of zeolite NaA for CO₂ capture from nickel laterite residue. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials, 2014, 21: 820–825

[13] Torrisi A, Bell  R G, Mellot-Draznieks  C. Functionalized MOFs for enhanced CO₂ capture. Crystal Growth & Design, 2010, 10(7): 2839–2841

[14] Gonzalez-Zamora E, Ibrra  I A. CO₂ capture under humid conditions in metal-organic frameworks. Materials Chemistry Frontiers, 2017, 1(8): 1471–1484

[15] Razavi S S, Hashemianzadeh  S M, Karimi  H. Modeling the adsorptive selectivity of carbon nanotubes for effective separation of CO₂/N₂ mixtures. Journal of Molecular Modeling, 2011, 17(5): 1163–1172

[16] Simmons J M, Wu  H, Zhou W,  Yildirim T. Carbon capture in metal-organic frameworks—a comparative study. Energy & Environmental Science, 2011, 4(6): 2177–2185

[17] Xu X C, Song  C S, Andresen  J M, Miller  B G, Scaroni  A W. Novel polyethylenimine-modified mesoporous molecular sieve of MCM-41 type as high-capacity adsorbent for CO₂ capture. Energy & Fuels, 2002, 16(6): 1463–1469

[18] Choi S, Drese  J H, Jones  C W. Adsorbent materials for carbon dioxide capture from large anthropogenic point sources. ChemSusChem, 2009, 2(9): 796–854

[19] Darunte L A, Walton  K S, Sholl  D S, Jones  C W. CO₂ capture via adsorption in amine-functionalized sorbents. Current Opinion in Chemical Engineering, 2016, 12: 82–90

[20] Sayari A, Heydari-Gorji  A, Yang Y. CO₂-induced degradation of amine-containing adsorbents: Reaction products and pathways. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(33): 13834–13842

[21] Sayari A, Belmabkhout  Y. Stabilization of amine-containing CO₂ adsorbents: Dramatic effect of water vapor. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(18): 6312–6314

[22] Wang K, Wang  X Y, Zhao  P F, Guo  X. High-temperature capture of CO₂ on lithium-based sorbents prepared by a water-based sol-gel technique. Chemical Engineering & Technology, 2014, 37(9): 1552–1558

[23] Chen H C, Zhang  P P, Duan  Y F, Zhao  C S. Reactivity enhancement of calcium based sorbents by doped with metal oxides through the sol-gel process. Applied Energy, 2016, 162: 390–400

[24] Wang S P, Fan  S S, Zhao  Y J, Fan  L J, Liu  S Y, Ma  X B. Carbonation condition and modeling studies of calcium-based sorbent in the fixed-bed reactor. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53(25): 10457–10464

[25] Zhao Y, Han  Y H, Ma  T Z, Guo  T X. Simultaneous desulfurization and denitrification from flue gas by ferrate(VI). Environmental Science & Technology, 2011, 45(9): 4060–4065

[26] Wang M, Lawal  A, Stephenson P,  Sidders J,  Ramshaw C. Post-combustion CO₂ capture with chemical absorption: A state-of-the-art review. Chemical Engineering Research & Design, 2011, 89(9): 1609–1624

[27] Liu M Y, Vogt  C, Chaffee A L,  Chang S L Y. Nanoscale structural investigation of Cs₂CO₃-doped MgO sorbent for CO₂ capture at moderate temperature. Journal of Physical Chemistry C, 2013, 117(34): 17514–17520

[28] Li Y Y, Han  K K, Lin  W G, Wan  M M, Wang  Y, Zhu J H. Fabrication of a new MgO/C sorbent for CO₂ capture at elevated temperature. Journal of Materials Chemistry. A, Materials for Energy and Sustainability, 2013, 1(41): 12919–12925

[29] Liu W J, Jiang  H, Tian K,  Ding Y W,  Yu H Q. Mesoporous carbon stabilized MgO nanoparticles synthesized by pyrolysis of MgCl₂ preloaded waste biomass for highly efficient CO₂ capture. Environmental Science & Technology, 2013, 47(16): 9397–9403

[30] Zukal A, Pastva  J, Cejka J. MgO-modified mesoporous silicas impregnated by potassium carbonate for carbon dioxide adsorption. Microporous and Mesoporous Materials, 2013, 167: 44–50

[31] Li L, Wen  X, Fu X,  Wang F, Zhao  N, Xiao F K,  Wei W, Sun  Y H. MgO/Al₂O₃ sorbent for CO₂ capture. Energy & Fuels, 2010, 24(10): 5773–5780

[32] Bhagiyalakshmi M, Lee  J Y, Jang  H T. Synthesis of mesoporous magnesium oxide: Its application to CO₂ chemisorption. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2010, 4(1): 51–56

[33] Bian S W, Baltrusaitis  J, Galhotra P,  Grassian V H. A template-free, thermal decomposition method to synthesize mesoporous MgO with a nanocrystalline framework and its application in carbon dioxide adsorption. Journal of Materials Chemistry, 2010, 20(39): 8705–8710

[34] Jeon H, Min  Y J, Ahn  S H, Hong  S-M, Shin J-S,  Kim J H,  Lee K B. Graft copolymer templated synthesis of mesoporous MgO/TiO2 mixed oxide nanoparticles and their CO₂ adsorption capacities. Colloids and Surfaces a-Physicochemical and Engineering Aspects, 2012, 414: 75–81

[35] She L, Li  J, Wan Y,  Yao X D,  Tu B, Zhao  D Y. Synthesis of ordered mesoporous MgO/carbon composites by a one-pot assembly of amphiphilic triblock copolymers. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21(3): 795–800

[36] Wang Q A, Luo  J Z, Zhong  Z Y, Borgna  A. CO₂ capture by solid adsorbents and their applications: Current status and new trends. Energy & Environmental Science, 2011, 4(1): 42–55

[37] Lee S C, Chae  H J, Lee  S J, Choi  B Y, Yi  C K, Lee  J B, Ryu  C K, Kim  J C. Development of regenerable MgO-based sorbent promoted with K₂CO₃ for CO₂ capture at low temperatures. Environmental Science & Technology, 2008, 42(8): 2736–2741

[38] Xiao G K, Singh  R, Chaffee A,  Webley P. Advanced adsorbents based on MgO and K₂CO₃ for capture of CO₂ at elevated temperatures. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2011, 5(4): 634–639

[39] Zhang K L, Li  X H S, Duan  Y H, King  D L, Singh  P, Li L Y. Roles of double salt formation and NaNO₃ in Na₂CO₃-promoted MgO absorbent for intermediate temperature CO₂ removal. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2013, 12: 351–358

[40] Lee S C, Choi  B Y, Lee  T J, Ryu  C K, Soo  Y S, Kim  J C. CO₂ absorption and regeneration of alkali metal-based solid sorbents. Catalysis Today, 2006, 111(3-4): 385–390

[41] Kim K, Han  J W, Lee  K S, Lee  W B. Promoting alkali and alkaline-earth metals on MgO for enhancing CO₂ capture by first-principles calculations. Physical Chemistry Chemical Physics, 2014, 16(45): 24818–24823

[42] Watanabe S, Ma  X L, Song  C S. Characterization of structural and surface properties of nanocrystalline TiO₂-CeO₂ mixed oxides by XRD, XPS, TPR, and TPD. Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(32): 14249–14257

[43] Han K K, Zhou  Y, Chun Y,  Zhu J H. Efficient MgO-based mesoporous CO₂ trapper and its performance at high temperature. Journal of Hazardous Materials, 2012, 203: 341–347

[44] Yong Z, Mata  V, Rodriguez A E. Adsorption of carbon dioxide onto hydrotalcite-like compounds (HTlcs) at high temperatures. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2001, 40(1): 204–209

[45] Wang Q, Tay  H H, Guo  Z, Chen L,  Liu Y, Chang  J, Zhong Z,  Luo J, Borgna  A. Morphology and composition controllable synthesis of Mg-Al-CO₃ hydrotalcites by tuning the synthesis pH and the CO₂ capture capacity. Applied Clay Science, 2012, 55: 18–26

[46] Li B, Wen  X, Zhao N,  Wang X Z,  Wei W, Sun  Y H, Ren  Z H, Wang  Z J. Preparation of high stability MgO-ZrO₂ solid base and its high temperature CO₂ capture properties. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2010, 38: 473–477

[47] Kruk M, Jaroniec  M. Gas adsorption characterization of ordered organic-inorganic nanocomposite materials. Chemistry of Materials, 2001, 13(10): 3169–3183

[48] Klug H P, Alexander  L E. X-ray Diffraction Procedures for Polycrystalline and Amorphous Materials. New York: Wiley, 1954

[49] Zukal A, Kubů  M, Pastva J.Two-dimensional zeolites: Adsorption of carbon dioxide on pristine materials and on materials modified by magnesium oxide. Journal of CO2 Utilization, 2017, 21: 9–16

[50] Pirngruber G D,  Raybaud P,  Belmabkhout Y,  Cejka J,  Zukal A. The role of the extra-framework cations in the adsorption of CO₂ on faujasite Y. Physical Chemistry Chemical Physics, 2010, 12(41): 13534–13546

[51] Park D H, Lakhi  K S, Ramadass  K, Kim M K,  Talapaneni S N,  Joseph S,  Ravon U,  Al-Bahily K,  Vinu A. Energy efficient synthesis of ordered mesoporous carbon nitrides with a high nitrogen content and enhanced CO₂ capture capacity. Chemistry (Weinheim an der Bergstrasse, Germany), 2017, 23(45): 10753–10757

Acknowledgments

The authors gratefully acknowledge the financial support from Pennsylvania State University through the Penn State Institutes of Energy and the Environment, and from the National Natural Science Foundation of China (No. 21005083) and the Innovative Fund of Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences (Grant No. Y37ZC4140G). Dr. Huimei Yu would like to thank the Chinese Academy of Sciences for the visiting scholarship and Dr. Song for the visiting scholar invitation to the EMS Energy Institute at Penn State.

RIGHTS & PERMISSIONS

2018 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature