應用分享 | 通過三維X射線顯微鏡（XRM）揭示過濾介質工作機理

凡能(neng)使(shi)介(jie)質通過(guo)(guo)(guo)(guo)又能(neng)將其中(zhong)固體顆(ke)粒(li)或液滴截流以達到分離(li)或凈化目的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)多孔物稱為(wei)過(guo)(guo)(guo)(guo)濾介(jie)質。過(guo)(guo)(guo)(guo)濾介(jie)質是(shi)不同(tong)過(guo)(guo)(guo)(guo)濾裝置上較為(wei)關(guan)鍵的(de)(de)(de)組(zu)成部分，決定了(le)過(guo)(guo)(guo)(guo)濾裝置的(de)(de)(de)在執行過(guo)(guo)(guo)(guo)濾操作過(guo)(guo)(guo)(guo)程中(zhong)的(de)(de)(de)分離(li)精度和效率(lv)。那(nei)么，過(guo)(guo)(guo)(guo)濾介(jie)質是(shi)通過(guo)(guo)(guo)(guo)怎樣的(de)(de)(de)作原理來(lai)進行工作的(de)(de)(de)呢(ni)？現(xian)在我們就通過(guo)(guo)(guo)(guo)三維(wei)X射(she)線顯微鏡的(de)(de)(de)視角(jiao)來(lai)一探究竟！

案例：家用空氣過濾器多尺度三維表征

- 空氣整體濾芯結構

在此案例(li)中(zhong)，為了對(dui)使用(yong)了幾(ji)個月的(de)(de)家用(yong)空氣過濾器的(de)(de)濾芯部分進行(xing)了多(duo)尺度三維表征，我們借助了德(de)國布魯克公司的(de)(de)桌面(mian)型高分辨(bian)三維X射(she)線(xian)顯微成(cheng)像(xiang)(xiang)系統(tong)SkyScan1273和(he)SkyScan1272對(dui)樣(yang)品(pin)(pin)的(de)(de)整體(ti)和(he)局部分別(bie)進行(xing)了掃(sao)描成(cheng)像(xiang)(xiang)，其中(zhong)適合(he)大尺寸樣(yang)品(pin)(pin)的(de)(de)大視野(ye)、快(kuai)速成(cheng)像(xiang)(xiang)的(de)(de)SkyScan1273（可放(fang)置樣(yang)品(pin)(pin)尺寸：直徑300mm x 高度500mm）用(yong)來對(dui)樣(yang)品(pin)(pin)整體(ti)進行(xing)成(cheng)像(xiang)(xiang)，而更適合(he)小樣(yang)品(pin)(pin)或局部的(de)(de)高分辨(bian)成(cheng)像(xiang)(xiang)的(de)(de)SkyScan1272（圖(tu)像(xiang)(xiang)分辨(bian)率(lv)：450nm）則被用(yong)來針對(dui)局部結(jie)構進行(xing)高分辨(bian)掃(sao)描。

首(shou)先，我們借助Skyscan1273，得到(dao)了(le)(le)濾(lv)芯(xin)(xin)的(de)(de)整(zheng)(zheng)體(ti)(ti)三維圖(tu)(tu)像(xiang)，并(bing)通過(guo)CTVox軟件中(zhong)的(de)(de)“虛擬(ni)切割(ge)"功(gong)能(neng)，詳細(xi)地(di)表征出了(le)(le)濾(lv)芯(xin)(xin)的(de)(de)多層(ceng)(ceng)結(jie)構(gou)(gou)(gou)，通過(guo)“虛擬(ni)切割(ge)"功(gong)能(neng)，我們可以(yi)“一層(ceng)(ceng)一層(ceng)(ceng)"地(di)展(zhan)現(xian)(xian)出濾(lv)芯(xin)(xin)的(de)(de)不同結(jie)構(gou)(gou)(gou)，其(qi)(qi)中(zhong)圖(tu)(tu)2為(wei)濾(lv)芯(xin)(xin)的(de)(de)整(zheng)(zheng)體(ti)(ti)結(jie)構(gou)(gou)(gou)，從圖(tu)(tu)像(xiang)結(jie)果可以(yi)看到(dao)，外層(ceng)(ceng)的(de)(de)預(yu)過(guo)濾(lv)層(ceng)(ceng)外已經有(you)污染(ran)(ran)物(wu)(wu)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)(li)的(de)(de)堆(dui)積，在(zai)(zai)軟件中(zhong)，我們將這(zhe)(zhe)些污染(ran)(ran)物(wu)(wu)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)(li)去掉，便(bian)能(neng)從圖(tu)(tu)像(xiang)中(zhong)清(qing)楚(chu)地(di)看到(dao)預(yu)過(guo)濾(lv)層(ceng)(ceng)的(de)(de)網(wang)狀(zhuang)結(jie)構(gou)(gou)(gou)，如圖(tu)(tu)3。我們繼(ji)續向內(nei)部“切割(ge)"，便(bian)看到(dao)了(le)(le)下一層(ceng)(ceng)結(jie)構(gou)(gou)(gou)——活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)(li)層(ceng)(ceng)（圖(tu)(tu)4）。這(zhe)(zhe)一層(ceng)(ceng)整(zheng)(zheng)體(ti)(ti)呈(cheng)(cheng)現(xian)(xian)蜂窩(wo)網(wang)狀(zhuang)結(jie)構(gou)(gou)(gou)，而(er)活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)(li)則存在(zai)(zai)與(yu)每一個“蜂窩(wo)"中(zhong)，有(you)趣的(de)(de)是，這(zhe)(zhe)些活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)(li)并(bing)沒有(you)填滿整(zheng)(zheng)個“蜂窩(wo)"，而(er)是還留有(you)一定的(de)(de)空(kong)間。繼(ji)續“切割(ge)"掉活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)(li)層(ceng)(ceng)后(hou)，HEPA過(guo)濾(lv)層(ceng)(ceng)便(bian)呈(cheng)(cheng)現(xian)(xian)在(zai)(zai)了(le)(le)我們面前（圖(tu)(tu)5），這(zhe)(zhe)一層(ceng)(ceng)結(jie)構(gou)(gou)(gou)主要呈(cheng)(cheng)褶皺狀(zhuang)，這(zhe)(zhe)樣設計的(de)(de)目的(de)(de)是為(wei)了(le)(le)增加(jia)(jia)過(guo)濾(lv)層(ceng)(ceng)的(de)(de)表面積，達到(dao)提(ti)升過(guo)濾(lv)效(xiao)(xiao)率(lv)和(he)增加(jia)(jia)整(zheng)(zheng)體(ti)(ti)濾(lv)芯(xin)(xin)的(de)(de)壽命的(de)(de)效(xiao)(xiao)果。而(er)從圖(tu)(tu)5中(zhong)我們可以(yi)直(zhi)觀地(di)觀察到(dao)附著(zhu)在(zai)(zai)濾(lv)芯(xin)(xin)表面的(de)(de)污染(ran)(ran)物(wu)(wu)堆(dui)積，這(zhe)(zhe)時，將HEPA過(guo)濾(lv)層(ceng)(ceng)進行顏色渲染(ran)(ran)（圖(tu)(tu)6，其(qi)(qi)中(zhong)，橙色部分表示污染(ran)(ran)物(wu)(wu)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)(li)），其(qi)(qi)中(zhong)污染(ran)(ran)物(wu)(wu)顆(ke)(ke)(ke)粒(li)(li)(li)(li)在(zai)(zai)流(liu)入(ru)端(duan)和(he)流(liu)出端(duan)的(de)(de)數(shu)量對比(bi)便(bian)表明了(le)(le)濾(lv)芯(xin)(xin)對于這(zhe)(zhe)種(zhong)規模(mo)的(de)(de)污染(ran)(ran)物(wu)(wu)的(de)(de)過(guo)濾(lv)效(xiao)(xiao)率(lv)，這(zhe)(zhe)也和(he)我們的(de)(de)預(yu)期基(ji)本一致(zhi)，即(ji)在(zai)(zai)預(yu)過(guo)濾(lv)層(ceng)(ceng)或者靠(kao)近(jin)流(liu)入(ru)端(duan)，污染(ran)(ran)物(wu)(wu)的(de)(de)沉積很明顯，而(er)靠(kao)近(jin)HEPA過(guo)濾(lv)層(ceng)(ceng)即(ji)流(liu)出端(duan)則表現(xian)(xian)地(di)較為(wei)干凈。

圖6：HEPA過濾層結構三維體渲染圖

在上面(mian)針對濾芯(xin)整體(ti)的(de)圖像表(biao)征中，預(yu)過濾層和HEPA過濾層都能(neng)比較直觀地展現(xian)出其結構及工作原理(li)，而活性(xing)炭(tan)顆粒結構在此(ci)分辨(bian)率(lv)下還無法清(qing)晰地呈現(xian)，還需要進(jin)(jin)行進(jin)(jin)一步的(de)探究。因此(ci)，我(wo)們便取出了(le)(le)其中的(de)某個(ge)活性(xing)炭(tan)顆粒進(jin)(jin)行了(le)(le)更(geng)高分辨(bian)的(de)掃描，在這一過程中，我(wo)們使用的(de)設備是(shi)布魯克的(de)另(ling)外(wai)一款桌面(mian)型高分辨(bian)三維(wei)X射線顯微成像系(xi)統SkyScan1272。

經過圖(tu)(tu)像(xiang)處理和渲(xuan)染后，我(wo)們(men)(men)便得到了(le)(le)以下圖(tu)(tu)像(xiang)結果(guo)（圖(tu)(tu)6），其(qi)中灰色(se)為(wei)活性炭顆粒本體，黃(huang)色(se)與紅(hong)色(se)為(wei)其(qi)內(nei)部(bu)孔隙(xi)，其(qi)中紅(hong)色(se)表征孔徑(jing)尺寸較大的孔隙(xi)。除此之外，我(wo)們(men)(men)還(huan)在分(fen)析(xi)軟件CTAn中對孔隙(xi)進行了(le)(le)相關定量分(fen)析(xi)，并獲得了(le)(le)以下結果(guo)（孔徑(jing)分(fen)布(bu)：圖(tu)(tu)7）：

其(qi)內部(bu)孔隙(xi)(xi)平均孔徑(jing)為(wei)8.7µm，總孔隙(xi)(xi)率(lv)為(wei)31%，其(qi)中開放(fang)孔隙(xi)(xi)結構占比為(wei)95.5%。

圖6：活性炭顆粒孔隙結構三維表征

圖7：活性炭顆粒內部孔隙孔徑分布直方圖