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

凡能使介質通過又能將其中固體(ti) 顆粒或液滴截流以達到分離或淨化目的的多孔物稱為(wei) 過濾介質。過濾介質是不同過濾裝置上較為(wei) 關(guan) 鍵的組成部分，決(jue) 定了過濾裝置的在執行過濾操作過程中的分離精度和效率。那麽(me) ，過濾介質是通過怎樣的作原理來進行工作的呢？現在我們(men) 就通過三維X射線顯微鏡的視角來一探究竟！

案例：家用空氣過濾器多尺度三維表征

- 空氣整體(ti) 濾芯結構

在此案例中，為(wei) 了對使用了幾個(ge) 月的家用空氣過濾器的濾芯部分進行了多尺度三維表征，我們(men) 借助了德國布魯克公司的桌麵型高分辨三維X射線顯微成像係統SkyScan1273和SkyScan1272對樣品的整體(ti) 和局部分別進行了掃描成像，其中適合大尺寸樣品的大視野、快速成像的SkyScan1273（可放置樣品尺寸：直徑300mm x 高度500mm）用來對樣品整體(ti) 進行成像，而更適合小樣品或局部的高分辨成像的SkyScan1272（圖像分辨率：450nm）則被用來針對局部結構進行高分辨掃描。

- SkySacn1273	- SkyScan1272

首先，我們(men) 借助Skyscan1273，得到了濾芯的整體(ti) 三維圖像，並通過CTVox軟件中的“虛擬切割"功能，詳細地表征出了濾芯的多層結構，通過“虛擬切割"功能，我們(men) 可以“一層一層"地展現出濾芯的不同結構，其中圖2為(wei) 濾芯的整體(ti) 結構，從(cong) 圖像結果可以看到，外層的預過濾層外已經有汙染物顆粒的堆積，在軟件中，我們(men) 將這些汙染物顆粒去掉，便能從(cong) 圖像中清楚地看到預過濾層的網狀結構，如圖3。我們(men) 繼續向內(nei) 部“切割"，便看到了下一層結構——活性炭顆粒層（圖4）。這一層整體(ti) 呈現蜂窩網狀結構，而活性炭顆粒則存在與(yu) 每一個(ge) “蜂窩"中，有趣的是，這些活性炭顆粒並沒有填滿整個(ge) “蜂窩"，而是還留有一定的空間。繼續“切割"掉活性炭顆粒層後，HEPA過濾層便呈現在了我們(men) 麵前（圖5），這一層結構主要呈褶皺狀，這樣設計的目的是為(wei) 了增加過濾層的表麵積，達到提升過濾效率和增加整體(ti) 濾芯的壽命的效果。而從(cong) 圖5中我們(men) 可以直觀地觀察到附著在濾芯表麵的汙染物堆積，這時，將HEPA過濾層進行顏色渲染（圖6，其中，橙色部分表示汙染物顆粒），其中汙染物顆粒在流入端和流出端的數量對比便表明了濾芯對於(yu) 這種規模的汙染物的過濾效率，這也和我們(men) 的預期基本一致，即在預過濾層或者靠近流入端，汙染物的沉積很明顯，而靠近HEPA過濾層即流出端則表現地較為(wei) 幹淨。

圖2：濾芯整體(ti) 結構三維表征	圖3：預過濾層結構三維表征
圖4：活性炭顆粒過濾層結構三維表征	圖5：HEPA過濾層結構三維表征

圖6：HEPA過濾層結構三維體(ti) 渲染圖

在上麵針對濾芯整體(ti) 的圖像表征中，預過濾層和HEPA過濾層都能比較直觀地展現出其結構及工作原理，而活性炭顆粒結構在此分辨率下還無法清晰地呈現，還需要進行進一步的探究。因此，我們(men) 便取出了其中的某個(ge) 活性炭顆粒進行了更高分辨的掃描，在這一過程中，我們(men) 使用的設備是布魯克的另外一款桌麵型高分辨三維X射線顯微成像係統SkyScan1272。

經過圖像處理和渲染後，我們(men) 便得到了以下圖像結果（圖6），其中灰色為(wei) 活性炭顆粒本體(ti) ，黃色與(yu) 紅色為(wei) 其內(nei) 部孔隙，其中紅色表征孔徑尺寸較大的孔隙。除此之外，我們(men) 還在分析軟件CTAn中對孔隙進行了相關(guan) 定量分析，並獲得了以下結果（孔徑分布：圖7）：

其內(nei) 部孔隙平均孔徑為(wei) 8.7µm，總孔隙率為(wei) 31%，其中開放孔隙結構占比為(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(nei) 部孔隙孔徑分布直方圖