本文根據日本原子力研究開發機構成果發佈編譯而成
日本原子力研究開發機構物質科學研究中心的關根由莉奈研究員、先端基礎研究中心的南川卓也研究員、東京大學研究生院理學系研究科的山田鐵兵教授、日本物質材料研究機構的根本善弘NIMS工程師及竹口雅樹組長等人組成的研究團隊，利用骨骼對鍶和鎘等金屬具有高吸附性的特點，開發出了以廢豬骨爲原料的低成本高效率吸附劑。
東日本大地面震動導致東京電力福島第一核能電廠事故後，處理含放射性物質的汙水以及防止放射性物質泄露和大範圍擴散的技術日益重要。其中，防止容易被骨骼吸收，可能會對人體產生影響的放射性鍶的大範圍擴散尤其重要，需要開發出能低成本量產的高性能吸附劑。
全球的食品行業每年會產生75億噸動物廢骨。因此，該研究團隊開發出了只需將食品廢骨中的「豬骨」浸入焙鹼中，就能以低成本輕鬆製作的吸附劑。這項研究成果不僅有助於有效利用食品廢棄物，還有望用於汙水淨化連串裝置、埋入土壤中防止污染物質流入地下水和海水中，以及有用金屬的回收。
研究團隊將豬骨加壓加熱後浸漬到含焙鹼的水溶液中應答，形成了保持骨骼形狀的白色結構體（圖1）。調查該結構體的成分和細結構發現，豬骨變成了奈米尺寸的碳酸磷灰石晶體。該碳酸磷灰石比普通的骨骼含有更多的碳酸，加大浸漬的焙鹼水溶液的濃度後，其碳酸量也隨之增加。由此發現，透過將豬骨浸漬到焙鹼中，會形成含大量碳酸的磷灰石。
圖1：利用廢骨製作的碳酸磷灰石及其顯微鏡影像
研究團隊把製作的碳酸磷灰石放入含鍶（0.1mol/L濃度）的水溶液中攪拌後，測量溶液中殘留的鍶，調查了鍶吸附性能。結果顯示，碳酸磷灰石在3分鐘內吸附了溶液中99％以上的鍶。進一步詳細調查其吸附性能應答，碳酸磷灰石的分配係數Kd值爲274780 mL/g，與未處理的骨骼相比高達約250倍（圖2左）。另外，與已知的鍶吸附劑——天然沸石之一的斜發沸石相比，碳酸磷灰石的Kd值約爲斜發沸石的20倍。
作爲吸附劑的性能，研究團隊還調查了至關重要的最大吸附量，發現豬骨製作的碳酸磷灰石每克最大能吸附125mg的鍶（圖2右）。這個值約爲未處理的骨骼和斜發沸石的5倍。另外，爲類比實際環境，還利用成分與地下水相同的鍶水溶液評估了吸附性能，應答碳酸磷灰石的吸附性能保持不變。
圖2：碳酸磷灰石的鍶去除性能
爲明確碳酸磷灰石具有高鍶吸附性能的終極因數，研究團隊製作了含不同含量碳酸的碳酸磷灰石，調查了鍶吸附性能。由此發現，碳酸磷灰石中含有的碳酸量越多，鍶吸附性能越高（圖3）。
圖3：鍶吸附性能隨着碳酸量的增加而提高
此外，研究團隊還調查了碳酸磷灰石的表面性質，應答導入碳酸後，表面帶負電荷，變成容易吸附正電荷鍶的狀態。另外，利用X射線吸收細結構評估法調查碳酸磷灰石上吸附的鍶周圍的化學結構發現，碳酸磷灰石上形成了適合鍶吸附的新吸附位點（圖4）。
圖4：鍶吸附在碳酸磷灰石吸附位點上的樣子
研究團隊還調查了碳酸磷灰石對鎘和鉛的吸附性能，發現碳酸磷灰石也能高效率吸附鎘和鉛。針對鎘的吸附性能尤其高，與作爲有毒金屬吸附劑使用的斜發沸石相比，吸附性能約爲其370倍，與同樣作爲吸附劑使用的絲光沸石相比，吸附性能約爲其3200倍（圖5）。以上結果表明，碳酸磷灰石還有望作爲淨化連串裝置環境的吸附劑使用。
圖5：含大量碳酸的磷灰石對鎘和鉛的去除性能
論文資訊
題目：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
日語發佈資料
編譯：JST客觀日本編輯部
