Statistical evaluation of CO2 adsorption by biomass-based carbon foam depending on synthesis parameters and modeling of equilibrium isotherms

Abstract

Context—With increasing awareness of the environmental problems caused by the rise in greenhouse gas and especially CO₂ emissions, the need to develop efficient, sustainable systems based on the use of alternative fuels to fossil fuels, along with the application of CO₂ capture and storage technologies, has come to the forefront. Carbon foams are among the advanced technology materials used as a significant alternative to traditional materials in many applications due to their lightweight and unique properties. The utilization of biomass-based carbon foams in CO₂ adsorption is an important research area, as it enables the use of low-cost and abundant resources, and also it contributes to the improvement of CO₂ capture processes.

Objective—In this study, it is aimed to evaluate the CO₂ adsorption behavior of biomass-based carbon foams, which offer a more environmentally friendly route compared to conventional fossil fuel-derived carbon foams, using isotherm and statistical analyses.

Method—In this study, carbon foams were produced using biopolyol obtained from solvolytic liquefaction of hornbeam sawdust; the effects of synthesis parameters, including solvent type, solvent-to-biomass ratio, and chemical activation, on the CO₂ adsorption capacity were investigated through statistical analysis based on a 2³ full factorial experimental design. Furthermore, isotherm analysis based on Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich, and Temkin models was performed to clarify the equilibrium adsorption behavior and the adsorption mechanism, thereby establishing the relationship between synthesis conditions and adsorption performance. The effects of surface heterogeneity of the carbon foam used as an adsorbent on adsorbent-adsorbate affinity of adsorption sites with different energy levels were also investigated.

Results—Isotherm modeling results indicated that the Freundlich model provided the best fit to the experimental data, especially in chemically activated carbon foams, with higher correlation coefficients ( > 0.99). The regression model generated from the statistical analysis revealed that chemical activation was the most significant factor increasing CO₂ adsorption capacity, while solvent type and solvent-to-biomass ratio had moderate direct effects. The two-way interaction terms showed synergistic differences among the carbon foam production parameters, with combinations related to solvent type providing a positive effect, while a high solvent-to-biomass ratio potentially reduced activation efficiency. These findings are consistent with structural characterization, highlighting the interaction between pore development and adsorption performance.

Conclusion—This study presents a unique approach to the potential application of carbon foams by explaining the effect of carbon foam synthesis parameters on CO₂ adsorption capacity in terms of both adsorption mechanism and statistical significance levels. Based on the correlation between characterization and statistical analyses, it was concluded that the use of a 90% confidence level in factorial design with a limited number of experiments is appropriate for preliminary screening of potential effects and that chemical activation should be prioritized in optimization studies.

Keywords

• Carbon Foam
• CO2 Adsorption
• Isotherm Modeling
• Statistical Analysis

Supporting Institution

Bilecik Şeyh Edebali University

Project Number

2018–01. BŞEÜ.03-10, 2020–01. BŞEÜ.03-08

Ethical Statement

This article is the author's original scientific work and contains no ethical violations.

Thanks

The author thanks Bilecik Şeyh Edebali University Scientific Research Projects Coordination Unit for financial support.

Biyokütle-esaslı karbon köpük ile CO2 adsorpsiyonunun sentez parametrelerine bağlı istatistiksel değerlendirilmesi ve denge izotermlerinin modellenmesi

Abstract

Arka Plan—Sera gazı ve özellikle CO₂ emisyonlarındaki artışın yarattığı çevresel sorunlara ilişkin farkındalığın artması sonucunda, CO₂ yakalama ve depolama teknolojilerinin uygulanmasıyla birlikte fosil yakıtlara alternatif yakıtların kullanımına dayanan ve sürdürülebilirliği esas alan verimli sistemlerin geliştirilmesi ihtiyacı ön plana çıkmıştır. Karbon köpükler, hafiflikleri ve eşsiz özellikleri nedeniyle birçok uygulamada geleneksel malzemelere karşı bir alternatif olarak kullanılan ileri teknoloji malzemeler arasında yer almaktadır. Biyokütle-esaslı karbon köpüklerin CO₂ adsorpsiyonunda değerlendirilmesi hem ucuz ve bol bulunan kaynakların kullanımını sağlaması hem de CO₂ yakalanma süreçlerinin geliştirilmesine katkı sunması açısından üzerinde çalışılması gereken önemli bir araştırma alanıdır.

Amaç—Bu çalışmada, geleneksel fosil yakıt türevi karbon köpüklere kıyasla daha çevre dostu bir yol sunan biyokütle-esaslı karbon köpüklerin CO₂ adsorpsiyon davranışının izoterm ve istatistiksel analiz ile değerlendirilmesi amaçlanmaktadır.

Yöntem—Bu çalışmada, gürgen talaşının solvolitik sıvılaştırılmasıyla üretilen biyopoliol kullanılarak karbon köpükler üretilmiş; çözücü türü, çözücü/biyokütle oranı ve kimyasal aktivasyon olmak üzere sentez parametrelerinin CO₂ adsorpsiyon kapasitesi üzerindeki etkileri 2³ tam faktöriyel deney tasarımına dayalı istatistiksel analiz ile incelenmiştir. Ayrıca, denge adsorpsiyon davranışının ve adsorpsiyon mekanizmasının aydınlatılması için Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich ve Temkin modellerine göre izoterm analizinin yapılması ile sentez koşulları ve adsorpsiyon performansı arasındaki ilişki ortaya konmuştur. Adsorban olarak kullanılan karbon köpüğün yüzey heterojenliğinin, farklı enerji seviyelerine sahip adsorpsiyon bölgelerinin adsorban-adsorbat afinitesi üzerindeki etkileri aydınlatılmıştır.

Bulgular—İzoterm modelleme sonuçları, özellikle kimyasal aktivasyon uygulanmış karbon köpüklerde Freundlich modelinin daha yüksek uyum katsayıları ( > 0,99) sergileyerek deneysel verileri en iyi şekilde yansıttığını göstermiştir. İstatistiksel analiz sonucu oluşturulan regresyon modeli, kimyasal aktivasyonun CO₂ adsorpsiyon kapasitesini artıran en baskın faktör olduğunu, çözücü türü ve çözücü biyokütle oranının ise orta derecede doğrudan etkileri olduğunu ortaya koymuştur. İkili etkileşim terimleri, karbon köpük üretim parametreleri arasında sinerjik farklar olduğunu, çözücü türü ile ilgili kombinasyonların pozitif etki sağladığını, buna karşın yüksek çözücü/biyokütle oranının aktivasyon verimliliğini potansiyel olarak azalttığını göstermiştir. Bu bulgular, gözenek gelişimi ve adsorpsiyon performansı arasındaki etkileşimi vurgulayan yapısal karakterizasyonla uyumluluk sergilemektedir.

Sonuç—Bu çalışma, karbon köpük sentez parametrelerinin CO₂ adsorpsiyon kapasitesi üzerindeki etkisini adsorpsiyon mekanizması ve istatistiksel anlamlılık düzeyinde açıklayarak karbon köpüklerin uygulama odaklı kullanım potansiyellerine yönelik özgün bir yaklaşım sunmaktadır. Karakterizasyon ve istatistiksel analizlerin ilişkilendirilmesine göre, sınırlı deney sayısına sahip faktöriyel tasarımda %90 güven seviyesi kullanılarak potansiyel etkilerin ön eleme amacıyla değerlendirilmesinin uygun olduğu ve kimyasal aktivasyonun optimizasyon çalışmalarında öncelikli ele alınması gerektiği sonucuna varılmıştır.

Keywords

• karbon köpük
• CO2 Adsorpsiyonu
• İzoterm Modellenmesi
• İstatistiksel Analiz

Supporting Institution

Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi

Project Number

2018–01. BŞEÜ.03-10, 2020–01. BŞEÜ.03-08

Ethical Statement

Bu makale yazarın özgün bilimsel çalışması olup; makalede herhangi bir etik ihlal yapılmamıştır.

Thanks

Yazar Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü birimine sağladığı mali destek için teşekkür eder.

References

1. [1] G. Akgül, S. Sözer, “A PN junction application of renewable carbon derived from tea waste biomass on a silicon substrate”, Pamukkale University Journal of Engineering Sciences, 29(2), 146-150, 2023. https://doi.org/10.5505/pajes.2022.58997.
2. [2] A. Ş. Yargıç, G. G. Meriç, Y. Dolaş, N. Özbay, “A novel approach for biopitch-derived carbon foams: Combining mesoporous SBA-15 silica hard‐templating method and chemical activation to modify the characteristics”, Biomass & Bioenergy, 197, 107843, 2025. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2025.107843.
3. [3] M. Choudhary, N. Chakinala, P. Saini, P. K. Surolia, A. G. Chakinala, “Carbon foams derived from biomass with ultra-high adsorption capacity for the removal of tetracycline”, Materials Advances, 6(20), 7450-7468, 2025. https:/doi.org/10.1039/d5ma00720h.
4. [4] B. Shi, Z. Xie, Y. Duan, G. Chen, Z. Li, H. Shen,... H. Wu, “Dual-template synthetic biomass-derived carbon foam integrating heat insulation, sound absorption and microwave absorption”, Journal of Materials Science & Technology, 236, 77-85, 2025. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.02.045.
5. [5] D. F. Maquíñez-Buitrago, J. M. Ramos-Rincón, L. Giraldo, J. C. Moreno-Piraján, “Carbon foams for CO2 adsorption: Synthesis, characterization and application”, Hybrid Advances, 6, 100219, 2024. https://doi.org/10.1016/j.hybadv.2024.100219.
6. [6] H. Gülhan, R. K. Dereli, H. Özgün, M. E. Erşahin, İ. Öztürk, “Effects of operating parameters on direct greenhouse gas emission in advanced biological wastewater treatment plants”, Pamukkale University Journal of Engineering Sciences, 24(6), 1117-1124, 2018. https://doi.org/10.5505/pajes.2017.30806.
7. [7] S. Candamano, A. Policicchio, G. Conte, R. Abarca, C. Algieri, S. Chakraborty, S. Curcio, V. Calabro, F. Crea, R. G. Agostino, “Preparation of foamed and unfoamed geopolymer/NaX zeolite/activated carbon composites for CO2 adsorption”, Journal of Cleaner Production, 330, 129843, 2022. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.129843.
8. [8] R. Eshraghi, K. Naderi, A. Ghaemi, M. Fasihi, “Advanced phenolic foam adsorbents for CO2 capture with high capacity and selectivity via tuning the cellular structure”, Results in Engineering, 27, 105771, 2025. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.105771.

9. [9] G. Verrecchia, L. Cafiero, B. de Caprariis, A. Dell’Era, I. Pettiti, R. Tuffi, M. Scarsella, “Study of the parameters of zeolites synthesis from coal fly ash in order to optimize their CO2 adsorption”, Fuel, 276, 118041, 2020. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.118041.
10. [10] H. N. Altayb, B. Kouidhi, O. A. S. Baothman, J. A. Abdulhakim, L. Ayed, M. Hager, K. Chaieb, “Mathematical modeling and optimization by the application of full factorial design and response surface methodology approach for decolourization of dyes by a newly isolated Photobacterium ganghwense”, Journal of Water Process Engineering, 44, 102429, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102429.
11. [11] Q. S. Hu, L. J. Wang, X. L. Xu, Y. Liu, Y. J. Xie, B. W. Xu, C. Y. Jiang, J. Li, G. Y. Liu, F. Zeng, “Systematic Optimization of Quaternary CoAlPtMo Catalysts for Alcohol Synthesis from CO2 Hydrogenation Using a Full-Factorial Design Approach”, Chemical Engineering Research & Design, 226, 336-348, 2026. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2026.01.004.
12. [12] A. S. Yargic, G. G. Meric, R. Z. Yarbay, N. Ozbay, “Investigation of CO2 sequestration performance and statistical analysis of dye removal efficiency of liquefied hornbeam based carbon foams: Effects of biomass/solvent weight ratio, tar contribution, and chemical activation”, Materials Today Sustainability, 24, 100517, 2023. https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2023.100517.
13. [13] A. Ş. Yargıç, M. Şener, “Mesoporous Silica-Polyethyleneimine Composites as High-Capacity Adsorbents for CO2 Adsorption: Isotherm and Thermodynamic Analysis”, Water Air and Soil Pollution, 236(3), 151, 2025. https://doi.org/10.1007/s11270-025-07782-w.
14. [14] E. Kirtil, “Universal prediction of CO2 adsorption on zeolites using machine learning: a comparative analysis with langmuir isotherm models”, Chemengineering, 9(4), 80, 2025. https://doi.org/10.3390/chemengineering9040080.
15. [15] N. Ayawei, A. N. Ebelegi, D. Wankasi, “Modelling and interpretation of adsorption isotherms”, Journal of Chemistry, 2017(1), 3039817, 2017. https://doi.org/10.1155/2017/3039817.
16. [16] J. L. Wang, X. Guo, “Adsorption isotherm models: Classification, physical meaning, application and solving method”, Chemosphere, 258, 127279, 2020. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.127279.
17. [17] I. I. Laskar, Z. Hashisho, “Insights into modeling adsorption equilibria of single and multicomponent systems of organic and water vapors”, Separation and Purification Technology, 241, 116681, 2020. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.116681.
18. [18] C. Goel, H. Bhunia, P. K. Bajpai, “Resorcinol–formaldehyde based nanostructured carbons for CO2 adsorption: kinetics, isotherm and thermodynamic studies”, RSC Advances, 5(113), 93563-93578, 2015. https://doi.org/10.1039/c5ra16255f.
19. [19] A. El Jery, H. S. K. Alawamleh, M. H. Sami, H. A. Abbas, S. S. Sammen, A. Ahsan, M. A. Imteaz, A. Shanableh, M. Shafiquzzaman, H. Osman, N. Al-Ansari, “Isotherms, kinetics and thermodynamic mechanism of methylene blue dye adsorption on synthesized activated carbon”, Scientific Reports, 14(1), 970, 2024. https://doi.org/10.1038/s41598-023-50937-0.
20. [20] B. T. Danat, R. A. Wuana, H. F. Chahul, M. S. Iorungwa, “Review of adsorption isotherms models”, Applied Water Science, 16(3), 72, 2026. https://doi.org/10.1007/s13201-025-02682-0.