从鱼骨中提取羟基磷灰石用于大气水收集

《Journal of the Indian Chemical Society》：Extraction of hydroxyapatite from fish bones for atmospheric water harvesting

　　拉特娜·库苏马瓦达尼（Ratna Kusumawardani）| 穆罕默德·迪基·佩尔马纳（Muhamad Diki Permana）| 阿蒂克·罗斯蒂卡·诺维扬蒂（Atiek Rostika Noviyanti）| 穆罕默德·努尔哈迪（Muhamad Nurhadi）| 阿克拉贾斯·阿里·乌马尔（Akrajas Ali Umar）
印度尼西亚苏梅当（Sumedang）帕贾贾兰大学（Universitas Padjadjaran）数学与自然科学学院化学系，邮编45363

**摘要**
淡水短缺是一个紧迫的全球性挑战，尤其是在干旱和沿海地区。大气水收集（Atmospheric Water Harvesting, AWH）提供了一种可持续的解决方案，需要使用吸湿性和多孔材料从空气中吸附水蒸气。在这项研究中，通过600–1000°C的烧结方法从鱼骨废料中提取了羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HA），并评估其作为AWH材料的潜力。X射线衍射（XRD）证实形成了六方结构的HA晶体，其平均晶格参数为a = b = 9.42 ?和c = 6.88 ?。较高的烧结温度提高了结晶度和晶体尺寸，而红外光谱和X射线荧光（XRF）分析也支持了HA的成功形成。合成的HA呈现出片状形态，比表面积为0.02154 m2 g?1。在高湿度条件下（> 90% RH），900°C烧结的HA显示出8.2 mg g?1的适度吸水能力和76.4%的脱附效率。尽管其性能低于某些吸湿性盐或先进的多孔材料，但HA具有热稳定性、低成本和可持续性等优势，因为它来源于生物废物。主要限制在于其较低的吸水能力，这需要进一步改进。未来的工作将集中在表面修饰或复合策略上，以提高其实际AWH应用中的吸附性能。

**引言**
随着人口的增长，对水的需求每年都在增加。不幸的是，水需求的增长并没有伴随着水资源的增加，这可能威胁到可持续发展的进程。显然，在过去十年中，世界上三分之二的人口几乎经历了水资源短缺，特别是在人口增长较快和经济发展迅速的地区（Dalin等人，2017；Mekonnen和Hoekstra，2016；Boretti和Rosa，2019；Kummu等人，2016；Wang等人，2025）。已经开展了多项研究，以探索利用淡水资源的新途径，其中之一就是大气水收集（AWH）（Wang等人，2024；Li等人，2023）。这种大气水不受地理和水文条件的影响，通过自然水循环自然形成，从而实现持续供水（Zhong等人，2024）。大气水收集需要工程化的吸湿剂，使其具有较高的吸水和释放能力。此外，这些吸湿剂可以长期重复使用（Bai等人，2022），从而降低运营成本并环保（Zhou等人，2020；Xu等人，2021）。作为大气水收集器的材料包括盐类（Ejeian等人，2020；Lee等人，2023；Zheng等人，2023）、沸石（LaPotin等人，2021）以及硅胶、混合凝胶或水凝胶（Li等人，2018；Maher等人，2022；Sleiti等人，2021）。然而，这些材料只能吸收有限量的水，在水合过程中容易发生团聚，降低系统性能，制造过程能耗高，并且只能在低湿度条件下吸收水分（Lee等人，2023；Zhou等人，2020）。例如，含有25% CaCl2的复合材料在30–60%相对湿度下的吸水量为0.5–1.2 g g?1。尽管这种复合材料具有较高的吸水能力，但其主要缺点是高盐浓度会抑制水凝胶的膨胀，进而影响整体AWH性能（Deng等人，2022）。对于沸石来说，需要高温（>200°C）进行再生，因为水被强烈吸附在沸石微孔中。高脱附温度会导致能耗增加，从而缩短循环寿命（Zhao等人，2022）。因此，本研究提出了一种具有吸湿性和多孔性的材料——羟基磷灰石（HA）（Xu等人，2024）作为AWH材料。

**羟基磷灰石（HA）的性质**
HA的通用化学式为Ca10(PO4)6(OH)2，属于磷灰石类化合物。它对生物体无毒、无致突变性、无过敏反应，并且热稳定性好（Kumar等人，2021）。HA具有良好的生物相容性、生物活性和骨传导性，因此可用于生物体（Yazdani等人，2018；Yuan等人，2022）。羟基磷灰石的组成可以变化，例如羟基（?OH）可以被氟离子（F?）取代形成氟磷灰石，被氧（O2?）取代形成氧磷灰石，或被氯（Cl?）取代形成氯磷灰石。这三种形式均可用于人类用途（Piccirillo等人，2014）。HA中的钙、磷酸根和羟基还可以通过离子交换被其他阳离子和阴离子取代（Tite等人，2018）。HA具有层状结构（Munir等人，2022），层间空隙可以填充其他化合物或金属。HA还具有孔隙（Sari等人，2021；Guo等人，2024；Adamiano等人，2023），可用于环境修复，如金属吸附（Pawar和Theodore，2023）、纺织染料（Lestari等人，2022b；Nurhadi等人，2019）和光催化剂（Azhar等人，2024）。这些性质表明HA可能是一种稳定且环保的吸附剂，尽管其在大气水收集方面的潜力尚未得到充分探索。

**HA的改进**
为了满足健康领域（Hartati等人，2022；Noviyanti等人，2023）和环境领域（Brahmi等人，2025；Papa等人，2024）的需求，人们开始开发HA的复合材料形式。HA可以通过含有钙和磷酸根的前体合成（Predoi等人，2023）。然而，使用合成材料制造HA需要大量化学物质，成本较高，工艺复杂且耗时，且不环保（Kamal等人，2024；Hussin等人，2023）。因此，许多研究人员开始开发环保的HA制造方法，这些方法无毒且可生物降解，易于从环境中获取，从而提高经济价值，并减少废物造成的环境污染（Pu'ad等人，2019），例如利用天然材料（如石灰石（Klinkaewnarong和Utara，2018；Peng等人，2023）、蛋壳（Mu?oz-Sanchez等人，2023；Noviyanti等人，2020）和贝壳（Azhar等人，2024）来制造HA）。鱼骨、鸡肉骨、骆驼骨、鱼鳞和鱼骨中富含HA（Ramesh等人，2020；Teoh等人，2023；Kumar等人，2021；Alsaiari等人，2023；Khurshid等人，2022；Jaffri等人，2023；Nurhadi等人，2019；Rozaini等人，2023）。天然HA含有Na?、Zn2?、Mg2?、K?、Si??、Ba2?、F?和CO?2?等微量离子，这些离子有助于提高HA的性能（Akram等人，2014；Goldberg等人，2019）。鱼骨是一种大量存在且易于获取的废物，特别是在像印度尼西亚这样的沿海地区，该国三分之一的领土是海洋，拥有世界上最长的海岸线之一，导致海洋产品（尤其是鱼类）成为重要的经济资源（Dao等人，2024）。鱼骨中约60–70%的重量是HA，可以通过无需添加化学物质的方法提纯为HA（Said等人，2023；Klinkaewnarong和Utara，2018；Piccirillo等人，2014）。为了获得高纯度的HA，需要采用烧结方法（Piccirillo等人，2015）。与其他方法相比，这种方法将骨头中的有机元素通过热处理转化为二氧化碳和灰分，是目前最流行的制备方法（Pu'ad等人，2019）。

**研究方法**
研究表明，烧结温度对材料的微观结构、纯度和形态有显著影响，进而影响其吸附性能。具有良好吸附特性的HA应具有较大的比表面积、适当的孔隙率和高的相纯度。多项研究使用600–1250°C的温度范围通过烧结方法从鱼骨中制备羟基磷灰石（Hubadillah等人，2023；Nam等人，2019；Niakan等人，2015；Piccirillo等人，2015）。通过烧结法制备的HA已被广泛用作重金属和放射性物质（如Cr??、Cd2?、Pb2?、Zn2?、Cu2?、As??、U??、F?）（Cruz-Briano等人，2023；Hernández-Cocoletzi等人，2020；Nag等人，2020；Pawar和Theodore，2023）以及染料（如刚果红、结晶紫、亚甲蓝、亮绿和罗丹明B）（Kusumawardani等人，2019；Miyah等人，2022；Parvin等人，2021；Sathiyavimal等人，2020；Truong等人，2024）的吸附剂。

**研究目的**
本研究旨在从鱼骨中提取HA，并评估烧结温度对其物理化学性质的影响，以评估其作为环保AWH吸附剂的潜力。烧结过程预计会影响关键材料特性，如结晶度、形态、比表面积和孔隙率，这些因素最终决定了其吸水性能。据我们所知，此前尚未有利用鱼骨衍生HA进行AWH应用的报道，因此这项研究具有新颖性和重要性。

**作者贡献声明**
拉特娜·库苏马瓦达尼（Ratna Kusumawardani）：撰写——审阅与编辑、原始稿件撰写、可视化、方法论、调查、数据分析、概念化。
阿蒂克·罗斯蒂卡·诺维扬蒂（Atiek Rostika Noviyanti）：验证、监督、资金获取、概念化。
穆罕默德·迪基·佩尔马纳（Muhamad Diki Permana）：撰写——审阅与编辑、可视化、数据分析。
阿克拉贾斯·阿里·乌马尔（Akrajas Ali Umar）：验证、监督。穆罕默德·努尔哈迪：验证与监督
未引用的参考文献：
Bai等人，2024年；Funk，2011年；李云等人，2005年；Mobarak等人，2022年；Noviyanti等人，2022年；赵等人，2024年。

未列入的章节：
Bai等人，2022年；赵等人，2022年；Mobarak等人，2002年；Mohadi等人，2019年。

利益冲突声明：
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。

利益冲突声明：
? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢：
作者衷心感谢印度尼西亚共和国研究、技术及高等教育部提供的博士论文研究资助[074/E5/PG.02.00.PL/2024]以及帕贾贾兰大学（Universitas Padjadjaran）提供的资助[3837/UN6.3.1/PT.00/2024]。第一作者还感谢教育金融服务中心（Puslapdik）和印度尼西亚教育基金会（LPDP）通过印度尼西亚教育奖学金所提供的支持。