客观日本

低成本高性能!把废猪骨变成有毒金属吸附剂

2021年02月15日 能源环境

本文根据日本原子力研究开发机构成果发布编译而成

日本原子力研究开发机构物质科学研究中心的关根由莉奈研究员、先端基础研究中心的南川卓也研究员、东京大学研究生院理学系研究科的山田铁兵教授、日本物质材料研究机构的根本善弘NIMS工程师及竹口雅树组长等人组成的研究团队,利用骨骼对锶和镉等金属具有高吸附性的特点,开发出了以废猪骨为原料的低成本高效率吸附剂。

东日本大地震导致东京电力福岛第一核电站事故后,处理含放射性物质的污染水以及防止放射性物质泄露和大范围扩散的技术日益重要。其中,防止容易被骨骼吸收,可能会对人体产生影响的放射性锶的大范围扩散尤其重要,需要开发出能低成本大量生产的高性能吸附剂。

全球的食品行业每年会产生75亿吨动物废骨。因此,该研究团队开发出了只需将食品废骨中的“猪骨”浸入碳酸氢钠中,就能以低成本轻松制作的吸附剂。这项研究成果不仅有助于有效利用食品废弃物,还有望用于污染水净化、埋入土壤中防止污染物质流入地下水和海水中,以及有用金属的回收。

研究团队将猪骨加压加热后浸泡到含碳酸氢钠的水溶液中确认,形成了保持骨骼形状的白色结构体(图1)。调查该结构体的成分和微细结构发现,猪骨变成了纳米尺寸的碳酸磷灰石晶体。该碳酸磷灰石比普通的骨骼含有更多的碳酸,加大浸泡的碳酸氢钠水溶液的浓度后,其碳酸量也随之增加。由此发现,通过将猪骨浸泡到碳酸氢钠中,会形成含大量碳酸的磷灰石。

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图1:利用废骨制作的碳酸磷灰石及其显微镜图像

研究团队把制作的碳酸磷灰石放入含锶(0.1mol/L浓度)的水溶液中搅拌后,测量溶液中残留的锶,调查了锶吸附性能。结果显示,碳酸磷灰石在3分钟内吸附了溶液中99%以上的锶。进一步详细调查其吸附性能确认,碳酸磷灰石的分配系数Kd值为274780 mL/g,与未处理的骨骼相比高达约250倍(图2左)。另外,与已知的锶吸附剂——天然沸石之一的斜发沸石相比,碳酸磷灰石的Kd值约为斜发沸石的20倍。

作为吸附剂的性能,研究团队还调查了至关重要的最大吸附量,发现猪骨制作的碳酸磷灰石每克最大能吸附125mg的锶(图2右)。这个值约为未处理的骨骼和斜发沸石的5倍。另外,为模拟实际环境,还利用成分与地下水相同的锶水溶液评估了吸附性能,确认碳酸磷灰石的吸附性能保持不变。

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图2:碳酸磷灰石的锶去除性能

为明确碳酸磷灰石具有高锶吸附性能的原因,研究团队制作了含不同含量碳酸的碳酸磷灰石,调查了锶吸附性能。由此发现,碳酸磷灰石中含有的碳酸量越多,锶吸附性能越高(图3)。

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图3:锶吸附性能随着碳酸量的增加而提高

此外,研究团队还调查了碳酸磷灰石的表面性质,确认导入碳酸后,表面带负电荷,变成容易吸附正电荷锶的状态。另外,利用X射线吸收微细结构评估法调查碳酸磷灰石上吸附的锶周围的化学结构发现,碳酸磷灰石上形成了适合锶吸附的新吸附位点(图4)。

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图4:锶吸附在碳酸磷灰石吸附位点上的样子

研究团队还调查了碳酸磷灰石对镉和铅的吸附性能,发现碳酸磷灰石也能高效率吸附镉和铅。针对镉的吸附性能尤其高,与作为有毒金属吸附剂使用的斜发沸石相比,吸附性能约为其370倍,与同样作为吸附剂使用的丝光沸石相比,吸附性能约为其3200倍(图5)。以上结果表明,碳酸磷灰石还有望作为净化环境的吸附剂使用。

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图5:含大量碳酸的磷灰石对镉和铅的去除性能

论文信息
题目:Carbonated nanohydroxyapatite from bone waste and its potential as a super adsorbent for removal of toxic ions
期刊:Journal of Environmental Chemical Engineering
DOI:10.1016/j.jece.2021.105114

日语发布资料
编译:JST客观日本编辑部

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