First Principal Observation Documenting the Three-dimensional Uptake of Cadmium and Spatial Distribution of Cadmium Hydroxyapatite Mineral in Bone Char
重金屬鎘被移除並三維固持在骨炭羥基磷灰石礦物結構的首例實証研究觀察
Partha Pratim Biswas, Jagat Rathod, Ching-Yu Chiang, Biqing Liang*, Chun-Chieh Wang, Yao-Chang Lee, Yu-Chun Chuang, Prakash C. Loni, Wei-Hsin Chen, Shan-Li Wang
2024/04/23
本研究證實三維離子交換是從水溶液中去除重金屬並固持於骨炭礦物基質中最重要的機制，並提出了一種新穎且可持續的鎘（Cd）廢水去除和土壤修復的策略。由於鎘對土壤配體的親和力低，使其在酸性土壤中具有較高的移動性，從而使得有效的鎘修復和去除變得具有挑戰性。骨炭碳酸化羟基磷灰石（CHAp）在輕微酸性溶液中容易溶解，可以提供陽離子取代的空位，尤其是對於具有與Ca2+類似的陽離子半徑的重金屬，包括Cd2+。應用塊狀毫米級的骨炭和基質尺度的離子交換機制，可以通過將鎘在礦物基質中三維地結合，超越表面吸附和沉澱，來進行高容量的鎘去除。基於同步輻射的X射線納米繞射（XND，TPS 21A）和納米X射線螢光（n-XRF）掃描技術使得能夠研究微妙的元素和礦物相變化，並分辨從HAp到Cd-HAp的特定轉化及空間分布。Rietveld對XRD數據的改進解析了Ca2+被Cd2+取代的晶體位移高達91％，大部分HAp轉變為Cd-HAp。TXM圖像顯示了礦物基質中亞微米孔隙的填充，表明鎘的結合。新形成的Cd-HAp礦物的特定相位和化學計量與離子交換水平有關。X射線顯微術（TXM，TLS 01B1）則探索到骨炭中孔隙的納米級空間分佈和鎘的填充。擴散深度受初始鎘濃度和炭化溫度的調節。骨炭的較高碳酸鹽水平、更多預淋洗的鈣位和外部磷輸入增強了鎘的去除。這項研究突出了骨炭在改變鎘環境命運方面的潛在作用。這是首例對骨炭礦物基質中鎘的三維吸收和Cd-HAp的空間分佈的主要觀察。
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