氧化镁基二氧化碳吸附剂的制备及改性研究进展

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2022-0635

摘要/Abstract

摘要：

CO₂浓度的增加会引起全球变暖、海平面上升和冰川融化等环境问题，因此开发CO₂捕集技术刻不容缓。MgO作为一种理想的CO₂吸附剂已成为研究热点。综述了MgO基CO₂吸附剂的制备方法，探讨了不同方法对MgO的比表面积、CO₂吸附容量和循环稳定性的影响。研究发现，采用沉淀法和溶胶-凝胶法制备的MgO具有更大的比表面积和更多的碱性位点，有效地提高了其捕集CO₂的能力；采用熔盐掺杂改性法制备的MgO基吸附剂对CO₂捕集能力显著提高，多次吸-脱附循环后仍保持较高的CO₂吸附容量。未来对MgO基CO₂吸附剂的研究主要集中在MgO的改性方法、工艺条件优化和捕集机制等方面，进而推进MgO基CO₂吸附剂的工业化应用。

关键词: 二氧化碳, 氧化镁, 吸附剂, 熔盐

Abstract:

The increasing concentration of CO₂ will cause environmental problems such as global warming，sea level rise and glacier melting，so it is urgent to develop CO₂ capture technology.As an ideal CO₂ adsorbent，MgO has become a research hotspot.The preparation methods of MgO-based CO₂ adsorbents were reviewed，and the changes in MgO-specific surface area，CO₂ adsorption capacity and cyclic stability prepared by different methods were discussed.It was found that the MgO prepared by precipitation and sol-gel methods had larger specific surface areas and more alkaline sites，which effectively improved its ability to capture CO₂.The CO₂ capture ability of MgO-based adsorbents prepared by the molten salt doping modification method was significantly improved，and the CO₂ adsorption capacity was still high after repeated adsorption and desorption cycles.In the future，the research on MgO-based CO₂ adsorbents would mainly focus on the modification methods，process conditions optimization and capture mechanism of MgO，so as to promote the industrial application of MgO-based CO₂ adsorbents.

Key words: CO₂, MgO, adsorbent, molten salts

中图分类号:

TQ424.2

桂昌青, 王雅静, 凌长见, 王怀有, 唐忠锋. 氧化镁基二氧化碳吸附剂的制备及改性研究进展[J]. 无机盐工业, 2023, 55(8): 77-83.

GUI Changqing, WANG Yajing, LING Changjian, WANG Huaiyou, TANG Zhongfeng. Research progress of preparation and modification of MgO-based CO₂ adsorbents[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2023, 55(8): 77-83.

图/表 4

表1

表2

图1

表3

参考文献 51

1	WANG Zirui， LIU Weihua， LING Changjian，et al.CO₂ capture behavior and chemical structure of the alkali zirconate-silicate hybrid sorbent from ZrSiO₄ by alkali activation method［J］.Journal of CO2 Utilization，2021，51：101639.
2	SONG Chunshan.Global challenges and strategies for control，conversion and utilization of CO₂ for sustainable development involving energy，catalysis，adsorption and chemical processing［J］.Catalysis Today，2006，115（1/2/3/4）：2-32.
3	MONDAL M K， BALSORA H K， VARSHNEY P.Progress and trends in CO₂ capture/separation technologies：A review［J］.Energy，2012，46（1）：431-441.
4	PIRES J C M， MARTINS F G， ALVIM-FERRAZ M C M，et al.Recent developments on carbon capture and storage：An overview［J］.Chemical Engineering Research and Design，2011，89（9）：1446-1460.
5	XU Yongqing， LUO Cong， SANG Huiying，et al.Structure and surface insight into a temperature-sensitive CaO-based CO₂ sorbe-nt ［J］.Chemical Engineering Journal，2022，435：134960.
6	CHI Changyun， LI Yingjie， MA Xiaotong，et al.CO₂ capture performance of CaO modified with by-product of biodiesel at calcium looping conditions［J］.Chemical Engineering Journal，2017，326：378-388.
7	CHOI D， PARK Y.Structural modification of salt-promoted MgO sorbents for intermediate temperature CO₂ capture［J］.Nanoscale Advances，2022，4（14）：3083-3090.
8	CAI Yifan， LIU Wei， SUN Ze，et al.Granulation of alkaline metal nitrate promoted MgO adsorbents and the low-concentration CO₂ capture performance in the fixed bed adsorber［J］.Journal of CO2 Utilization，2022，61：102047.
9	STEFANELLI E， PUCCINI M， VITOLO S，et al.CO₂ sorption kinetic study and modeling on doped-Li₄SiO₄ under different temperatures and CO₂ partial pressures［J］.Chemical Engineering Jo- urnal，2020，379：122307.
10	TONG Yichao， CHEN Shuzhen， HUANG Xin，et al.CO₂ capture by Li₄SiO₄ sorbents：From fundamentals to applications［J］.Separation and Purification Technology，2022，301：121977.
11	PELTZER D， MÚNERA J， CORNAGLIA L.Operando Raman spectroscopic studies of lithium zirconates during CO₂ capture at high temperature［J］.RSC Advances，2016，6（10）：8222-8231.
12	XIAO Qiang， TANG Xiaodan， LIU Yefeng，et al.Citrate route to prepare K-doped Li₂ZrO₃ sorbents with excellent CO₂ capture properties［J］.Chemical Engineering Journal，2011，174（1）：231-235.
13	WANG Zirui， LIU Weihua， TANG Zhongfeng，et al. In situ Raman and XRD study of CO₂ sorption and desorption in air by a Na₄SiO₄-Na₂CO₃ hybrid sorbent［J］.Physical Chemistry Chemical Physics，2020，22（46）：27263-27271.
14	LING Changjian， WANG Zirui， GUI Changqing，et al.High temperature CO₂ capture performance and kinetic analysis of Na₄SiO₄ ceramics［J］.Ceramics International，2022，48（22）：33048-33057.
15	许春辉，王峰，凌长见，等.熔盐改性的金属氧化物捕获二氧化碳研究进展［J］.无机盐工业，2023，55（5）：1-7.
	XU Chunhui， WANG Feng， LING Changjian， al at.Research progress of CO₂ capture by metal oxides modified by molten sa-lts［J］.Inorganic Chemicals Industry，2023，55（5）：1-7.
16	GAO Wanlin， VASILIADES M A， DAMASKINOS C M，et al.Molten salt-promoted MgO adsorbents for CO₂ capture：Transient kinetic studies［J］.Environmental Science & Technology，2021，55（8）：4513-4521.
17	HASSANZADEH A， ABBASIAN J.Regenerable MgO-based sorbents for high-temperature CO₂ removal from syngas：1.Sorbent development，evaluation，and reaction modeling［J］.Fuel，2010，89（6）：1287-1297.
18	GUO Yafei， TAN Chang， SUN Jian，et al.Nanostructured MgO sorbents derived from organometallic magnesium precursors for post-combustion CO₂ capture［J］.Energy & Fuels，2018，32（6）：6910-6917.
19	ELVIRA G B， FRANCISCO G C， VÍCTOR S M，et al.MgO-based adsorbents for CO₂ adsorption：Influence of structural and textural properties on the CO₂ adsorption performance［J］.Journal of Environmental Sciences，2017，57：418-428.
20	GAO Wanlin， ZHOU Tuantuan， LOUIS B，et al.Hydrothermal fabrication of high specific surface area mesoporous MgO with excellent CO₂ adsorption potential at intermediate temperatures［J］.Catalysts，2017，7：116.
21	TAN Chang， GUO Yafei， SUN Jian，et al.Structurally improved MgO adsorbents derived from magnesium oxalate precursor for enhanced CO₂ capture［J］.Fuel，2020，278：118379.
22	GUO Yafei， TAN Chang， WANG Peng，et al.Structure-performance relationships of magnesium-based CO₂ adsorbents prepared with different methods［J］.Chemical Engineering Journal，2020，379：122277.
23	ALKADHEM A M， ELGZOLY M A， ONAIZI S A.Novel amine-functionalized magnesium oxide adsorbents for CO₂ capture at ambient conditions［J］.Journal of Environmental Chemical Engineering，2020，8（4）：103968.
24	DING Yudong， SONG Gan， ZHU Xun，et al.Synthesizing MgO with a high specific surface for carbon dioxide adsorption［J］.RSC Advances，2015，5（39）：30929-30935.
25	FAN A， GAO Hongjian.Synthesis of MgO nanostructures through simple hydrogen peroxide treatment for carbon capture［J］.Process Safety and Environmental Protection，2021，156：361-372.
26	YANG Na， NING Ping， LI Kai，et al.MgO-based adsorbent achi-eved from magnesite for CO₂ capture in simulate wet flue gas［J］.Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers，2018，86：73-80.
27	GUO Yafei， TAN Chang， WANG Peng，et al.Magnesium-based basic mixtures derived from earth-abundant natural minerals for CO₂ capture in simulated flue gas［J］.Fuel，2019，243：298-305.
28	SONG Gan， ZHU Xun， CHEN Rong，et al.Influence of the precursor on the porous structure and CO₂ adsorption characteristics of MgO［J］.RSC Advances，2016，6（23）：19069-19077.
29	TUAN V A， LEE Chang ha.Preparation of rod-like MgO by simple precipitation method for CO₂ capture at ambient temperature［J］.Vietnam Journal of Chemistry，2018，56（2）：197-202.
30	HO K， JIN S， ZHONG Mianjun，et al.Sorption capacity and stability of mesoporous magnesium oxide in post-combustion CO₂ capture［J］.Materials Chemistry and Physics，2017，198：154- 161.
31	CUI Hongjie， DONG Hang， ZHOU Zhiming.A cadmium-magnesium looping for stable thermochemical energy storage and CO₂ capture at intermediate temperatures［J］.Chemical Engineering Journal，2021，425：131428.
32	CAMPELO J， LUNA D， LUQUE R，et al.Sustainable preparation of supported metal nanoparticles and their applications in catalysis［J］.ChemSusChem，2009，2（1）：18-45.
33	MEIS N N A H， BITTER J H， DE JONG K P.Support and size effects of activated hydrotalcites for precombustion CO₂capture［J］.Industrial & Engineering Chemistry Research，2010，49（3）：1229-1235.
34	BIAN Shaowei， BALTRUSAITIS J， GALHOTRA P，et al.A template-free，thermal decomposition method to synthesize mesoporous MgO with a nanocrystalline framework and its application in carbon dioxide adsorption［J］.Journal of Materials Chemistry，2010，20（39）：8705-8710.
35	NIU Xiaochen， FENG Yanyan， XU Yonghui，et al.Synthesis of hollow Al-doped MgO spheres via a sacrificial templating me-thod for enhanced CO₂ adsorption［J］.Journal of Natural Gas Science and Engineering，2021，88：103814.
36	RAO Linli， MA Rui， LIU Shenfang，et al.Nitrogen enriched porous carbons from d-glucose with excellent CO₂ capture performance［J］.Chemical Engineering Journal，2019，362：794- 801.
37	LIU Wujun， JIANG Hong， TIAN Ke，et al.Mesoporous carbon stabilized MgO nanoparticles synthesized by pyrolysis of MgCl₂ preloaded waste biomass for highly efficient CO₂ capture［J］.Environmental Science & Technology，2013，47（16）：9397-9403.
38	CREAMER A E， GAO Bin， ZIMMERMAN A，et al.Biomass-facilitated production of activated magnesium oxide nanoparticles with extraordinary CO₂ capture capacity［J］.Chemical Engineering Journal，2018，334：81-88.
39	BORK A H， REKHTINA M， WILLINGER E，et al.Peering into buried interfaces with X-rays and electrons to unveil MgCO₃ formation during CO₂ capture in molten salt-promoted MgO［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2021，118（26）：e2103971118.
40	LEE H， TRIVIÑO M L T， HWANG S，et al. In situ observation of carbon dioxide capture on pseudo-liquid eutectic mixture-promoted magnesium oxide［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2018，10（3）：2414-2422.
41	ZHANG Keling， LI X S， LI Weizhen，et al.Phase transfer-catalyzed fast CO₂ absorption by MgO-based absorbents with high cycling capacity［J］.Advanced Materials Interfaces，2014，1（3）：1400030.
42	WANG Junya， LI Min， LU P，et al.Kinetic study of CO₂ capture on ternary nitrates modified MgO with different precursor and mo-rphology［J］.Chemical Engineering Journal，2020，392：123752.
43	DING Jing， YU Chao， LU Jianfeng，et al.Enhanced CO₂ adsorption of MgO with alkali metal nitrates and carbonates［J］.Applied Energy，2020，263：114681.
44	KWAK J S， KIM K Y， OH K R，et al.Performance enhancement of all-solid CO₂ absorbent based on Na₂CO₃-promoted MgO by using ZrO₂ dispersant［J］.International Journal of Greenhouse Gas Control，2019，81：38-43.
45	LI Lei， WEN Xia， FU Xin，et al.MgO/Al₂O₃ sorbent for CO₂ capture［J］.Energy & Fuels，2010，24（10）：5773-5780.
46	HAN Kunkun， ZHOU Yu， CHUN Yuan，et al.Efficient MgO-based mesoporous CO₂ trapper and its performance at high temperature［J］.Journal of Hazardous Materials，2012，203/204：341-347.
47	GUO Yafei， TAN Chang， SUN Jian，et al.Biomass ash stabilized MgO adsorbents for CO₂ capture application［J］.Fuel，2020，259：116298.
48	GAO Wanlin， ZHOU Tuantuan， GAO Yanshan，et al.Study on MNO₃/NO₂（M=Li，Na，and K）/MgO composites for intermediate-temperature CO₂ capture［J］.Energy & Fuels，2019，33（3）：1704-1712.
49	HWANG B W， LIM J H， CHAE H J，et al.CO₂ capture and regeneration properties of MgO-based sorbents promoted with alkali metal nitrates at high pressure for the sorption enhanced water gas shift process［J］.Process Safety and Environmental Protection，2018，116：219-227.
50	ZHAO Xiao， JI Guozhao， LIU Wen，et al.Mesoporous MgO promoted with NaNO₃/NaNO₂ for rapid and high-capacity CO₂ capture at moderate temperatures［J］.Chemical Engineering Journal，2018，332：216-226.
51	HARADA T， HATTON T A.Colloidal nanoclusters of MgO coated with alkali metal nitrates/nitrites for rapid，high capacity CO₂ capture at moderate temperature［J］.Chemistry of Materials，2015，27（23）：8153-8161.

镁源前驱体	制备方法	煅烧条件	比表面积/ （m²·g^-1）	CO₂吸附条件	最大吸附容量/（mmol·g^-1）
Mg（Ac）₂·4H₂O^［24］	直接煅烧	400 ℃，空气，2 h	252.0	50 ℃，纯CO₂，240 min	1.73
Mg（NO₃）₂·6H₂O^［25］	直接煅烧	500 ℃，空气，12 h	13.5	100 ℃，纯CO₂，15 min	0.35
Mg（OH）₂^［25］	直接煅烧	500 ℃，空气，12 h	156.0	100 ℃，纯CO₂，15 min	1.28
菱镁矿^［26］	直接煅烧	550 ℃，空气，4 h	118.6	60 ℃，10% CO₂、90% N₂（体积分数），－	1.82
水镁矿^［27］	直接煅烧	550 ℃，空气，0.5 h	102.9	200 ℃，10% CO₂、90% N₂（体积分数），－	1.73
MgSO₄·7H₂O^［28］	沉淀	450 ℃，空气，－	211.3	50 ℃，15% CO₂、85% N₂（体积分数），240 min	1.01
MgCl₂·6H₂O^［22］	沉淀	450 ℃，－，2 h	46.7	200 ℃，10% CO₂、90% N₂（体积分数），－	1.55
Mg（NO₃）₂·6H₂O^［29］	沉淀	500 ℃，空气，9 h	331.0	25 ℃，纯CO₂，120 min	1.56
（CH₃COO）₂Mg·4H₂O^［28］	溶胶-凝胶	550 ℃，空气，－	156.5	50 ℃，15% CO₂、85% N₂（体积分数），240 min	1.38
MgCl₂·6H₂O^［22］	固相反应	500 ℃，－，2 h	100.0	200 ℃，10% CO₂、90% N₂（体积分数），－	2.39
Mg（OCH₃）₂^［30］	气凝胶	450 ℃，纯N₂，5 h	686.0	30 ℃，15% CO₂、85% N₂（体积分数），60 min	1.38

镁源前驱体	掺杂材料	吸附剂	制备方法	比表面积/ （m²·g^-1）	吸附条件	最大吸附容量/（mmol·g^-1）
Mg（Ac）₂·4H₂O^［31］	Cd（Ac）₂·2H₂O	MgO-CdO	共沉淀	41.9	300 ℃，纯CO₂，60 min	9.55
Mg₅（CO₃）₄（OH）₂·4H₂O^［44］	ZrO（OH）₂·xH₂O	MgO-ZrO₂	机械研磨	－	330 ℃，纯CO₂，180 min	7.50
Mg（NO₃）₂·6H₂O^［45］	γ-Al₂O₃	MgO-Al₂O₃	浸渍	200.9	60 ℃，13% CO₂、87% N₂（体积分数），60 min	1.36
Mg（NO₃）₂·6H₂O^［46］	Al（NO₃）₃·9H₂O	MgO-Al₂O₃	共煅烧	177.0	200 ℃，10% CO₂、90% N₂（体积分数），60 min	2.98
Mg（NO₃）₂·6H₂O^［35］	D-葡萄糖和尿素	MgO-C	牺牲模板	121.3	300 ℃，纯CO₂，60 min	7.75
无水MgCl₂^［38］	甘蔗渣	MgO-C	共煅烧	111.3	35 ℃，纯CO₂，180 min	5.34
MgCl₂⋅6H₂O^［47］	稻壳	MgO-C	共煅烧	44.0	200 ℃，10% CO₂、90% N₂（体积分数），－	4.56

镁源前驱体	掺杂熔盐	掺杂方法	比表面积/ （m²·g^-1）	CO₂吸附条件	最大吸附容量/（mmol·g^-1）
Mg₅（CO₃）₄（OH）₂·xH₂O^［41］	NaNO₃	直接研磨	－	330 ℃，纯CO₂，60 min	15.00
Mg（NO₃）₂·6H₂O^［42］	LiNO₃/NaNO₃/KNO₃	水溶	－	300 ℃，纯CO₂，240 min	13.45
4MgCO₃·Mg（OH）₂·4H₂O^［48］	NaNO₃	水溶	28.90	350 ℃，纯CO₂，240 min	17.00
MgO^［49］	K₂CO₃/KNO₃/NaNO₃	水溶	28.87	300 ℃，10% CO₂（体积分数），240 min	15.45
MgO^［43］	LiNO₃/KNO₃/Na₂CO₃/K₂CO₃	醇溶	－	325 ℃，纯CO₂，240 min	19.06
Mg（CH₃COO）₂·4H₂O^［50］	NaNO₃/NaNO₂	醇溶	23.00	350 ℃，85% CO₂（体积分数），50 min	19.80
［CH₃COCHC（O）CH₃］₂Mg.2H₂O^［51］	LiNO₃/NaNO₂/KNO₂	醇溶	－	340 ℃，纯CO₂，240 min	15.70

[1]	王敏锐, 田桂英, 张奥, 葛俊杰, 张蕾, 项军, 唐娜. 铝基锂吸附剂造粒工艺优化及其原卤提锂性能研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(3): 36-42.
[2]	沈晓倩, 周斐, 刘婉晨, 许露, 吴俊书. FeS修饰的水化硅酸钙复合材料制备及其总铬移除性能研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(2): 57-67.
[3]	王挺, 章文文, 毛庆, 吕丽, 刘长珍. 二氧化碳电还原制乙醇催化体系与材料研究进展[J]. 无机盐工业, 2024, 56(7): 1-10.
[4]	刘敏, 黄秀, 张理元. S型异质结光催化剂的研究进展[J]. 无机盐工业, 2024, 56(7): 18-27.
[5]	赵闯, 张博宇, 李犇, 靳凤英, 李滨, 孙振海, 郭春垒. 吸附剂对多环芳烃吸附分离技术的研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(7): 61-68.
[6]	裴晓港, 张鹏, 董珊珊, 葛姗姗, 赵月龙. 羟基磷灰石复合腐植酸及其对Mn（Ⅱ）的去除[J]. 无机盐工业, 2024, 56(5): 70-77.
[7]	唐彪, 唐盛伟. 高钙镁磷矿预处理的硝酸钙镁浸取液制备氢氧化镁的研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(5): 87-93.
[8]	杨恩, 申红艳, 刘有智. 硅聚醚原位改性超细氢氧化镁的制备[J]. 无机盐工业, 2024, 56(4): 42-49.
[9]	钱志慧, 朱琴, 马姣, 郭昱娇, 向明武, 郭俊明. 纳米级LiNi_0.05Mn_1.95O₄正极材料制备及电化学性能研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(4): 50-56.
[10]	赵闯, 陈自浩, 张博宇, 李犇, 靳凤英, 李滨, 孙振海, 郭春垒. 分子筛吸附剂对不同类型柴油吸附分离性能的研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(3): 80-85.
[11]	李阳, 娄飞健, 隋鑫, 李克艳, 刘飞, 郭新闻. 氨基功能化气相二氧化硅材料的制备及其吸附二氧化碳性能研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(2): 38-43.
[12]	董明哲, 李可昕, 叶秀深, 马珍, 李生廷, 李权, 吴志坚. 氯化镁熔盐水合物的电化学性质研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(2): 51-56.
[13]	卢昀坤, 唐宪友, 尹航, 张亚南, 张少杰. 高温熔盐/陶瓷复合相变储热材料表面封装及防泄漏性能研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(2): 80-85.
[14]	王瑞瑞, 朱朝梁, 牟兵, 马婉霞, 樊洁, 徐国旺, 史一飞, 邓小川, 卿彬菊. 水热法合成立方形碳酸锰及其在提锂中的应用[J]. 无机盐工业, 2024, 56(12): 94-103.
[15]	王晨, 何伟, 孙梦媛. 纳米氧化铋强化氯化盐/氧化镁复合材料制备及热物性研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(12): 120-126.

首页

全国无机盐信息中心

中国化工学会

无机酸碱盐专业委员会