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顆?；蛞旱谓亓饕赃_到分離或凈化目的的多孔物稱為過濾介質。過濾介質是不同過濾裝置上較為關鍵的組成部分，決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。那么，過濾介質是通過怎樣的作原理來進行工作的呢？現在我們就通過三維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

- 空氣整體濾芯結構

在此案例中，為了對使用了幾個月的家用空氣過濾器的濾芯部分進行了多尺度三維表征，我們借助了德國布魯克公司的桌面型高分辨三維X射線顯微成像系統SkyScan1273和SkyScan1272對樣品的整體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。

首先，我們借助Skyscan1273，得到了濾芯的整體三維圖像，并通過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，我們可以“一層一層"地展現出濾芯的不同結構，其中圖2為濾芯的整體結構，從圖像結果可以看到，外層的預過濾層外已經有污染物顆粒的堆積，在軟件中，我們將這些污染物顆粒去掉，便能從圖像中清楚地看到預過濾層的網狀結構，如圖3。我們繼續向內部“切割"，便看到了下一層結構——活性炭顆粒層（圖4）。這一層整體呈現蜂窩網狀結構，而活性炭顆粒則存在與每一個“蜂窩"中，有趣的是，這些活性炭顆粒并沒有填滿整個“蜂窩"，而是還留有一定的空間。繼續“切割"掉活性炭顆粒層后，HEPA過濾層便呈現在了我們面前（圖5），這一層結構主要呈褶皺狀，這樣設計的目的是為了增加過濾層的表面積，達到提升過濾效率和增加整體濾芯的壽命的效果。而從圖5中我們可以直觀地觀察到附著在濾芯表面的污染物堆積，這時，將HEPA過濾層進行顏色渲染（圖6，其中，橙色部分表示污染物顆粒），其中污染物顆粒在流入端和流出端的數量對比便表明了濾芯對于這種規模的污染物的過濾效率，這也和我們的預期基本一致，即在預過濾層或者靠近流入端，污染物的沉積很明顯，而靠近HEPA過濾層即流出端則表現地較為干凈。

圖6：HEPA過濾層結構三維體渲染圖

在上面針對濾芯整體的圖像表征中，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，我們便取出了其中的某個活性炭顆粒進行了更高分辨的掃描，在這一過程中，我們使用的設備是布魯克的另外一款桌面型高分辨三維X射線顯微成像系統SkyScan1272。

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

其內部孔隙平均孔徑為8.7µm，總孔隙率為31%，其中開放孔隙結構占比為95.5%。

圖6：活性炭顆?？紫督Y構三維表征

圖7：活性炭顆粒內部孔隙孔徑分布直方圖