从牙科废弃物到铀吸附剂：一种可持续的羟基磷灰石回收及放射性水净化策略

《Journal of Environmental Management》：From dental waste to uranium adsorbent: A sustainable strategy for hydroxyapatite recovery and radioactive water decontamination

将废弃牙齿经温和预处理制成高吸附性羟基磷灰石材料，可有效去除水体重铀(VI)，吸附容量达808.99 mg/g，机制为化学配位与离子交换，在含干扰离子模拟废水中仍保持高选择性，酸洗后8次循环吸附效率留存61.90%，为医疗废物资源化与放射性废水治理提供新途径。

　　

张向林|马楠|党荣荣|徐一静|凌志|王志丽|张静|马春全|宋福香

兰州大学口腔医学院，中国兰州，730000

摘要

作为病理医疗废物，拔出的人类牙齿通常通过高温焚烧处理。这种方法不仅成本高昂，还会导致宝贵的羟基磷灰石（HA）资源的不必要损失。同时，放射性六价铀（U(VI)对水体的污染仍然是核工业面临的主要环境挑战。本研究提出了一种可持续策略，通过温和的预处理过程将废弃的拔出牙齿转化为高性能的羟基磷灰石吸附剂（记为d-HA），该吸附剂保留了天然的层次孔结构，并表现出优异的U(VI)吸附性能。实验结果显示，在pH=3的条件下，d-HA的U(VI)去除效率可达98.09%。其吸附行为遵循伪二级动力学模型和朗缪尔等温线模型，最大吸附容量为808.99 mg/g，优于文献中报道的大多数类似吸附剂。SEM、XPS、FTIR和DFT表征表明，吸附机制主要由UO₂²⁺与表面PO₄^3?之间的化学络合作用控制，同时伴有部分离子交换。即使在含有多种竞争离子的模拟废水中，d-HA对U(VI)仍保持98.97%的选择性吸附能力。使用0.5 M HNO₃洗脱后，8次循环后吸附容量仍保持在初始值的61.90%，表明其具有良好的可重复使用性和实际应用潜力。本研究展示了一种将医疗废物转化为高性能铀吸附剂的绿色低成本方法，为放射性废水处理提供了可持续的解决方案。

引言

在牙科治疗过程中，拔出的牙齿被归类为病理医疗废物，因为它们可能携带潜在的生物污染风险（Diogo等人，2023；Hernandez等人，2024）。这些牙齿通常在900°C以上的等离子焚烧炉中进行高温焚烧，以确保完全灭菌（Gonzalez-Colmenares等人，2020；Kim等人，2018）。全球每年都有大量患者因各种原因进行拔牙或自然脱落牙齿，产生数亿颗拔出的牙齿。在牙齿的主要无机成分中，HA占牙釉质质量的约96%（Moradian-Oldak和George，2021；Shi等人，2025）以及牙本质的约65%（Ma等人，2017；Song等人，2025）。目前的“作为废物焚烧”的处理方式不仅增加了医疗系统的处理负担，还导致宝贵的磷酸钙资源的大量浪费。

与此同时，放射性铀污染是与核能和核工业活动相关的主要环境挑战（Sharma等人，2024；Tabatabaei等人，2016；Wang等人，2025）。由于其独特的晶体性质，尤其是晶格中的可交换Ca²⁺位点以及表面丰富的磷酸根（PO₄^3?）和羟基（–OH）官能团，HA被认为是固定水中UO₂²⁺的理想材料（Liu等人，2022；Wu和Wang，2024）。主要机制包括离子交换和表面络合作用。在酸性条件下，UO₂²⁺可以取代HA晶格中的Ca²⁺，可能伴随晶体相变，从而实现铀的稳定固定。Feng等人提出在HA表面接枝氨基（–NH₂）形成HA-NH₂，结果显示HA-NH₂在pH 2–8范围内表现出高铀吸附性能，最大吸附容量为96 mg g^?1（Feng等人，2019）。Zhou等人制备了铝改性的羟基磷灰石（Al-HA），发现其在批次吸附实验中的铀吸附容量达到222.22 mg g^?1（Hui等人，2022）。Wu等人使用镁硅氟共掺杂的HA复合材料（Mg-Si-F-nHA），使U(VI)吸附容量提高到317.46 mg/g（Liao等人，2024）。此外，天然存在的铀矿床与磷灰石矿物的关联（Wilde等人，2013）也为HA对铀的选择性富集能力提供了地质学证据。

尽管在废物增值方面取得了显著进展，但从拔出的牙齿中回收羟基磷灰石并将其用于铀吸附的研究仍然有限。因此，本研究旨在通过研究从牙科废物中提取的天然羟基磷灰石在真实条件下的铀吸附行为来填补这一空白。目前，高性能HA吸附剂的生产主要依赖于化学合成或生物质（如鱼骨）的高温煅烧（>600°C）（Ho等人，2025）。这些方法能耗高且需要对结晶度进行复杂控制。近年来，一些研究专注于通过温和、低能量的预处理方法获得具有天然层次孔结构的HA（Satou等人，2022）。另一方面，大多数现有研究仅限于理想溶液系统，未能充分评估实际复杂水环境（如含有多种竞争离子和有机物的核工业废水）对铀吸附性能的影响（Alahmad等人，2024）。相比之下，来自拔出牙齿的HA由于其天然组成和结构，在复杂介质中可能表现出独特的抗干扰性能（Kalbarczyk等人，2022；C. Liu等人，2024；X. Zhang等人，2024）。

总之，将拔出的牙齿转化为高价值环境功能材料的资源利用不仅符合循环经济和绿色发展的原则，还为放射性铀污染的治理提供了新的技术途径。然而，从拔出的牙齿中回收羟基磷灰石（HA）并将其用于铀吸附的研究仍处于早期阶段，尤其是在实际复杂水环境中对其吸附性能和机制的系统评估尚缺乏（Wu和Wang，2024）。因此，本研究旨在使用温和的预处理方法从拔出的牙齿中提取天然HA，系统研究其U(VI)吸附行为，并评估其在实际含铀废水中的适用性。目的是为医疗废物的资源利用和放射性污染控制提供理论基础和技术支持。

材料与方法

本研究提出了一种“医疗废物级联转化”策略，旨在将废弃的拔出牙齿转化为基于高性能羟基磷灰石的吸附剂，以高效去除水中的铀（图1）。通过优化拔出牙齿的预处理过程，本研究完全去除了有机成分，同时最大限度地保留了其固有的层次孔结构（如牙本质小管），从而实现了废物处理的双重目标

拔出牙齿的处理与表征

为了将拔出的牙齿转化为高性能的d-HA吸附剂，本研究建立了一种温和的预处理方法，旨在完全去除有机成分，同时最大限度地保留其天然的层次孔结构。如图2a所示，首先将临床收集的拔出牙齿纵向切开以暴露内部牙本质（图2a–1至2a-2），然后研究了不同处理方法（如过氧化氢（H₂O₂）浸泡）的效果（图2a–3至

结论

本研究提出并验证了一种可持续的“废物转化为处理废物”的策略，成功地将废弃的拔出牙齿转化为具有天然层次孔结构的高性能羟基磷灰石吸附剂，用于高效去除水中的铀酰离子。这种吸附剂具有较高的比表面积和高效的质量传输路径，这些特性难以通过合成或煅烧的羟基磷灰石实现。通过优化的温和预处理过程，

作者贡献声明

张向林：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据分析。马楠：数据分析。党荣荣：撰写 – 原稿，数据分析。徐一静：数据分析。凌志：数据分析。王志丽：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据分析。张静：数据分析。马春全：数据分析。宋福香：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目协调，方法论研究，实验设计，

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

张向林、马楠和党荣荣对本工作做出了同等贡献。本工作得到了国家自然科学基金（一般项目，项目编号82370926）、甘肃省青年科技基金（项目编号24JRRA455）、甘肃省卫生健康委员会研究管理项目（项目编号GSWSKY-2022-77）、甘肃省研究生创新之星计划（项目编号2025CXZX-201）以及甘肃省联合基金重大项目的财政支持