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

Rights & permissions

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