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Magnetic Hydrogel Microbots for Efficient Pollutant Decontamination and Self-Catalyzed Regeneration in Continuous Flow Systems
Small ( IF 13.0 ) Pub Date : 2024-09-09 , DOI: 10.1002/smll.202405699 Veronica Pereira 1 , Zheng Xun Denver Goh 1 , Tharishinny Raja Mogan 1 , Li Shiuan Ng 1 , Sankar Das 1 , Haitao Li 2 , Hiang Kwee Lee 1, 3, 4
Small ( IF 13.0 ) Pub Date : 2024-09-09 , DOI: 10.1002/smll.202405699 Veronica Pereira 1 , Zheng Xun Denver Goh 1 , Tharishinny Raja Mogan 1 , Li Shiuan Ng 1 , Sankar Das 1 , Haitao Li 2 , Hiang Kwee Lee 1, 3, 4
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The efficient removal of organic pollutants from water is crucial for protecting human health and the ecosystem. While adsorbent-based approaches offer advantages over traditional chemical and thermal methods, they still suffer from slow adsorption kinetics, high energy demand, and limited material lifespan. Herein, an efficient decontamination platform is introduced, using magnetic hydrogel microbots (MHMs) made from picolitre-sized hydrogel droplets coated with multifunctional magnetic nanoparticles. This approach includes 1) dividing a droplet into smaller microbots to enhance their interaction with sample solution and 2) dynamically spinning these MHMs to generate hydrodynamic flows that actively draw pollutants toward the embedded hydrogel for capture. The MHMs show high decontamination effectiveness in both bulk and continuous flow setups, achieving ≈95% removal efficiency within 3 min. Further integrating MHMs with a non-pressurized fluidic platform enables energy-efficient continuous flow decontamination, removing ≥95% total organic carbon from a complex pollutant mixture at a flow rate surpassing other recent designs. Additionally, the MHMs facilitate self-catalyzed regeneration using an environmentally friendly H2O2 precursor, allowing for long-term and repeated usage. By enabling the unique divide-and-arrest decontamination of toxic pollutants, the multifunctional design holds tremendous promise for on-site wastewater treatment to ensure safe water access for everyone, even in resource-limited environments.
中文翻译:
磁性水凝胶微机器人在连续流系统中实现高效的污染物净化和自催化再生
有效去除水中的有机污染物对于保护人类健康和生态系统至关重要。虽然基于吸附剂的方法比传统的化学和热方法具有优势,但它们仍然存在吸附动力学缓慢、能量需求高和材料寿命有限等问题。在此,介绍了一种高效的净化平台,使用磁性水凝胶微型机器人 (MHM),该机器人由包被多功能磁性纳米颗粒的皮升大小的水凝胶液滴制成。这种方法包括 1) 将液滴分成更小的微型机器人,以增强它们与样品溶液的相互作用,以及 2) 动态旋转这些 MHM 以产生流体动力学流,主动将污染物吸引到嵌入的水凝胶中进行捕获。MHM 在散装和连续流设置中均表现出高净化效果,可在 3 分钟内实现 ≈95% 的去除效率。进一步将 MHM 与非加压流体平台集成,可实现节能的连续流净化,以超过其他最新设计的流速从复杂的污染物混合物中去除 ≥95% 的总有机碳。此外,MHM 使用环保的 H2O2 前驱体促进自催化再生,允许长期和重复使用。通过实现对有毒污染物的独特分而治之净化,多功能设计为现场废水处理带来了巨大的希望,以确保每个人即使在资源有限的环境中也能安全用水。
更新日期:2024-09-09
中文翻译:
磁性水凝胶微机器人在连续流系统中实现高效的污染物净化和自催化再生
有效去除水中的有机污染物对于保护人类健康和生态系统至关重要。虽然基于吸附剂的方法比传统的化学和热方法具有优势,但它们仍然存在吸附动力学缓慢、能量需求高和材料寿命有限等问题。在此,介绍了一种高效的净化平台,使用磁性水凝胶微型机器人 (MHM),该机器人由包被多功能磁性纳米颗粒的皮升大小的水凝胶液滴制成。这种方法包括 1) 将液滴分成更小的微型机器人,以增强它们与样品溶液的相互作用,以及 2) 动态旋转这些 MHM 以产生流体动力学流,主动将污染物吸引到嵌入的水凝胶中进行捕获。MHM 在散装和连续流设置中均表现出高净化效果,可在 3 分钟内实现 ≈95% 的去除效率。进一步将 MHM 与非加压流体平台集成,可实现节能的连续流净化,以超过其他最新设计的流速从复杂的污染物混合物中去除 ≥95% 的总有机碳。此外,MHM 使用环保的 H2O2 前驱体促进自催化再生,允许长期和重复使用。通过实现对有毒污染物的独特分而治之净化,多功能设计为现场废水处理带来了巨大的希望,以确保每个人即使在资源有限的环境中也能安全用水。