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暨大王吉壮/李丹教授、港大唐晋尧教授《Sci. Adv.》：基于自驱动微纳机器人去除水体中微塑料

时间：2022-11-14 来源：浏览：

暨大王吉壮/李丹教授、港大唐晋尧教授《Sci. Adv.》：基于自驱动微纳机器人去除水体中微塑料

原创化学与材料科学化学与材料科学

化学与材料科学

微信号 Chem-MSE

功能介绍聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集

#微塑料 2 个

#微纳机器人 3 个

#微塑料去除 2 个

#磁分离 2 个

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“微塑料”指的是直径小于 5 mm 的塑料碎片，由于其降解性差且持续积累，已对全球陆地和海洋生态系统造成了巨大的威胁，目前已经被生态环境部界定为四类新污染物之一。传统的处理方法对于微纳米级别的塑料去除和分离具有非常大的难度，如化学絮凝会引起水体的二次污染，而过滤会受到膜堵塞的限制，去除率低，成本高，很难用于工业化应用。因此，急需开发新型高效的去除策略来解决水体中微塑料的污染问题。微纳机器人又称人工活性胶体，是一类能够转化环境中存在的化学及声、光、电、磁、热等能量，在微纳尺度上实现可控运动的仿生胶体粒子。目前已经被研究应用于环境治理方面，有望为当前的微塑料污染问题提供一种全新的解决方案。

近日， 暨南大学化学与材料学院王吉壮 / 李丹团队与香港大学唐晋尧团队 合作，在国际权威期刊《 Science Advances 》上发表了题为 “ Self-driven magnetorobots for recyclable and scalable micro/nanoplastic removal from nonmarine waters ” 的重要研究成果。

本工作研究内容如下：

图 1. （ A ）基于自驱动微纳机器人（ SMR ）的微纳米塑料（ MNPs ）去除工艺流程示意图 ; （ B ）自驱动 SMR 动态吸附 MNPs 的原理图。（ C-E ） SMR 的形貌表征和磁滞回线。

本工作中，设计了一种基于离子交换获得驱动力的微纳机器人（ SMR ）用于去除水中的微塑料（图 1A, B ）， SMR 由 Fe ₃ O ₄ 纳米粒子功能化的离子交换树脂微球组成（图 1C-E ），磁性颗粒修饰有利于 SMR 的磁收集与分离，可实现循环工艺操作，并可进行精确磁操控吸附。

图 2. SMR 动态去除微米塑料和纳米塑料。

SMR 利用与环境中杂质离子交换的能量实现自驱动，无需额外能量输入，同时扩散泳引起的长程电渗流大大提高了微塑料的吸附范围，从而实现了水体中微塑料与纳米塑料的长程动态吸附去除（图 2 ）。

图 3. SMR 非均匀吸附微塑料粒子引起的自驱动—由静态到运动的加速过程。

本工作所设计微机器人的自主运动是由最初的非均匀微塑料粒子吸附引起的不对称流场实现驱动，图 3 显示了其最初的运动速度随着吸附造成的非对称程度的增加而提高。因此， SMR 无需设计非对称结构，从而大大降低了的制备难度和成本。

图 4. （ A ） SMR 的局部 pH 梯度分布；（ B ） SMR 在三维空间内对 MNPs 的吸附；（ C ） SMR 周围的模拟流场分布。

以 OH ^- 型离子交换树脂基 SMR 为例，利用 OH ^- 的强离子交换能力和高扩散速率能够制造更强的离子扩散梯度（图 4A ），可以产生超过 100 微米的 3D 吸附范围（图 4B, C ），从而大大提高了吸附去除的效率。本工作设计的 SMR 可广泛适用于不同的成分、大小和形状的微塑料颗粒以及各类非海洋水体中微塑料的去除。

图 5. （ A ） SMR 吸附和脱附 MNPs 前后的 SEM 图；（ B ） SMR 对 MNPs 的吸附动力学曲线。（ C ） SMR 在不同水体中对 MNPs 的去除效率；（ D ）不同去除方法对超低浓度 MNPs 去除率对比。（ E ） SMR 的循环稳定性测试。

从 SEM 图中可以看出，各类不同的 MNPs 被吸附在 SMR 表面并形成了厚厚的吸附层，进一步说明了 SMR 对 MNPs 具有广泛的适用性和良好的去除能力（图 5A ）； SMR 对不同类型的 MNP 在不同水体中的去除率均达到了 90% 以上（图 5C ）。 SMR 对环境浓度下（ 10 ppm 和 20 ppm ）的 MNPs 仍然能达到 90% 以上的去除效率，相比于传统的过滤、絮凝表现出明显的优势（图 5D ）。而且具有非常高的循环稳定性，在 100 次循环处理中实现了超过 90% 的可持续去除效率（图 5E ）。

图 6. （ A ）模拟微型工厂循环处理工艺的示意图和实际循环实验图片；（ B-D ）微型工厂五次循环 MNPs 去除率、脱附率和 SMR 回收率。

本论文所设计的 SMR 具有工艺放大的可行性，图 6 是设计的模拟微型工厂，循环处理流程包括 MNPs 吸附池、 MNPs 脱附池、 SMR 再生池和 SMR 清洗池， SMR 可通过磁铁进行收集和转移，并且可以与现有的污水处理工艺直接耦合，仅需增加正常污水处理成本的 1.5% ，具有极大的工业应用潜力。在这个微型装置中，微塑料污染水可持续进入吸附池被 SMR 吸附，然后在脱附池进行微塑料的洗脱和富集。对于未来的实际工业应用，可以设计通过电磁铁进行 SMR 的收集与转移，而且可编程自动化控制系统将促进整个处理流程的优化。本工作设计的基于微纳机器人的动态吸附技术具有结构简单可大规模制备、成本低、无需化学驱动“燃料”输入、及可工艺放大等优势，为工业化去除、分离微纳米塑料提供了一个极具应用潜力的全新策略。

论文发表后，即被 Cell 出版社 Cell Reports Physical Science 期刊选为 Outstanding Papers （杰出论文）在编辑部讨论，给论文作者发出邀稿函，并发推文推介。

作者简介

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共同通讯作者：王吉壮，唐晋尧，李丹

共同第一作者：李万元、吴昌进、熊泽

王吉壮，暨南大学化学与材料学院副教授。 2018 年于香港大学化学系获得博士学位， 2018-2020 年在香港大学从事博士后研究；于 2020 年加入暨南大学化学与材料学院，并加入李丹教授领导的超分子配位化学研究所，从事微纳机器人与复合功能材料的研究。迄今为止在 Adv. Mater., Sci. Adv., Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Acc. Chem. Res., ACS Nano, Adv. Funct. Mater 等国际权威期刊发表论文 20 余篇，授权中国发明专利 4 项，国际发明专利 1 项。

唐晋尧，香港大学化学系教授。 2003 年毕业于中国科学技术大学获得学士士学位； 2008 于哥伦比亚大学获得博士学位，师从 Prof. Colin Nuckolls ； 2008 年至 2012 年在加州大学伯克利分校杨培东课题组从事博士后研究； 2012 年 10 月起就职于香港大学。在光控微纳米机器人相关领域发表多篇 SCI 论文，包括以通讯作者发表的 Nat. Nanotechnol. 、 Nat. Commun. 、 Adv. Mater. 、 Adv. Funct. Mater. 、 Acc. Chem. Res. 等。研究成果曾被 Scientific American 、 TVB News 、 China Daily, Physics Today, Ta Kung Pao 等专题报道。

课题组主页： https://tanglab.hku.hk/

李丹，暨南大学化学与材料学院院长、教授、博士生导师。从事超分子配位化学的研究工作，为合成技术、材料创新和晶体工程积累了实践经验及理论基础。现任 J. Mater. Chem. A 和 Mater. Adv. 副主编。国家杰出青年基金获得者（ 2008 年），英国皇家化学会会士（ FRSC ， 2014 年），中国化学会首批高级会员（ 2020 年）。主持国家自然科学基金原创探索计划、重大研究计划和重点项目等，国家 973 计划（课题组长）等。在国际权威学术刊物如 Nature, J. Am. Chem. Soc. ， Angew. Chem. Int. Ed. 等发表学术论文近 300 篇。获国务院“政府特殊津贴专家”，入选首届国家 “ 万人计划 ” 领军人才；曾获得广东省科学技术一等奖 ( 第一完成人 ) 、第十五届广东省丁颖科技奖。