应用分享 | 通过三维X射线显微镜（XRM）揭示过滤介质工作机理

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凡能使介质通过又能将其中固体颗粒或液滴截流以达到分离或净化目的的多孔物称为过滤介质。过滤介质是不同过滤装置上较为关键的组成部分，决定了过滤装置的在执行过滤操作过程中的分离精度和效率。那么，过滤介质是通过怎样的作原理来进行工作的呢？现在我们就通过三维X射线显微镜的视角来一探究竟！案例：家用空气过滤器多尺度三维表征- 空气整体滤芯结构在此案例中，为了对使用了几个月的家用空气过滤器的滤芯部分进行了多尺度三维表征，我们借助了德国布鲁克公司的桌面型高分辨三维X射线显微成像系统SkyScan1273和SkyScan1272对样品的整体和局部分别进行了扫描成像，其中适合大尺寸样品的大视野、快速成像的SkyScan1273（可放置样品尺寸：直径300mm x 高度500mm）用来对样品整体进行成像，而更适合小样品或局部的高分辨成像的SkyScan1272（图像分辨率：450nm）则被用来针对局部结构进行高分辨扫描。- SkySacn1273- SkyScan1272首先，我们借助Skyscan1273，得到了滤芯的整体三维图像，并通过CTVox软件中的“虚拟切割”功能，详细地表征出了滤芯的多层结构，通过“虚拟切割”功能，我们可以“一层一层”地展现出滤芯的不同结构，其中图2为滤芯的整体结构，从图像结果可以看到，外层的预过滤层外已经有污染物颗粒的堆积，在软件中，我们将这些污染物颗粒去掉，便能从图像中清楚地看到预过滤层的网状结构，如图3。我们继续向内部“切割”，便看到了下一层结构——活性炭颗粒层（图4）。这一层整体呈现蜂窝网状结构，而活性炭颗粒则存在与每一个“蜂窝”中，有趣的是，这些活性炭颗粒并没有填满整个“蜂窝”，而是还留有一定的空间。继续“切割”掉活性炭颗粒层后，HEPA过滤层便呈现在了我们面前（图5），这一层结构主要呈褶皱状，这样设计的目的是为了增加过滤层的表面积，达到提升过滤效率和增加整体滤芯的寿命的效果。而从图5中我们可以直观地观察到附着在滤芯表面的污染物堆积，这时，将HEPA过滤层进行颜色渲染（图6，其中，橙色部分表示污染物颗粒），其中污染物颗粒在流入端和流出端的数量对比便表明了滤芯对于这种规模的污染物的过滤效率，这也和我们的预期基本一致，即在预过滤层或者靠近流入端，污染物的沉积很明显，而靠近HEPA过滤层即流出端则表现地较为干净。图2：滤芯整体结构三维表征图3：预过滤层结构三维表征图4：活性炭颗粒过滤层结构三维表征图5：HEPA过滤层结构三维表征图6：HEPA过滤层结构三维体渲染图在上面针对滤芯整体的图像表征中，预过滤层和HEPA过滤层都能比较直观地展现出其结构及工作原理，而活性炭颗粒结构在此分辨率下还无法清晰地呈现，还需要进行进一步的探究。因此，我们便取出了其中的某个活性炭颗粒进行了更高分辨的扫描，在这一过程中，我们使用的设备是布鲁克的另外一款桌面型高分辨三维X射线显微成像系统SkyScan1272。经过图像处理和渲染后，我们便得到了以下图像结果（图6），其中灰色为活性炭颗粒本体，黄色与红色为其内部孔隙，其中红色表征孔径尺寸较大的孔隙。除此之外，我们还在分析软件CTAn中对孔隙进行了相关定量分析，并获得了以下结果（孔径分布：图7）：其内部孔隙平均孔径为8.7µm，总孔隙率为31%，其中开放孔隙结构占比为95.5%。图6：活性炭颗粒孔隙结构三维表征图7：活性炭颗粒内部孔隙孔径分布直方图通过三维X射线显微镜（XRM）揭示过滤介质工作机理 关键词：三维 X射线显微镜、XRM、桌面型三维 X射线三维显微成像系统、多尺度三维表 征、孔隙率、孔径分布、三维图像、三维表征、SkyScan1272、SkyScan1273 凡能使介质通过又能将其中固体颗粒或液滴截流以达到分离或净化目的的多孔物称为过滤 介质。过滤介质是不同过滤装置上较为关键的组成部分，决定了过滤装置的在执行过滤操 作过程中的分离精度和效率。那么，过滤介质是通过怎样的作原理来进行工作的呢？现在 我们就通过三维X射线显微镜的视角来一探究竟！ 案例：家用空气过滤器多尺度三维表征 ——空气整体滤芯整体结构 在此案例中，为了对使用了几个月的家用空气过滤器的滤芯部分进行了多尺度三维表征，我们借助了德国布鲁克公司的桌面型高分辨三维 X射线显微成像系统 SkyScan1273和 SkyScan1272对样品的整体和局部分别进行了扫描成像，其中适合大尺寸样品的大视野、快速成像的 SkyScan1273（可放置样品尺寸：直径 300mm x高度 500mm）用来对样品整 体进行成像，而更适合小样品或局部的高分辨成像的 SkyScan1272（图像分辨率：450nm）则被用来针对局部结构进行高分辨扫描。 ——SkyScan1272 首先，我们借助 Skyscan1273，得到了滤芯的整体三维图像，并通过 CTVox软件中的“虚拟 切割”功能，详细地表征出了滤芯的多层结构，通过“虚拟切割”功能，我们可以“一层一层”地展现出滤芯的不同结构，其中图 2为滤芯的整体结构，从图像结果可以看到，外层的预 过滤层外已经有污染物颗粒的堆积，在软件中，我们将这些污染物颗粒去掉，便能从图像 中清楚地看到预过滤层的网状结构，如图 3。我们继续向内部“切割”，便看到了下一层结构 ——活性炭颗粒层（图 4）。这一层整体呈现蜂窝网状结构，而活性炭颗粒则存在与每一个 “蜂窝”中，有趣的是，这些活性炭颗粒并没有填满整个“蜂窝”，而是还留有一定的空间。继 续“切割”掉活性炭颗粒层后，HEPA过滤层便呈现在了我们面前（图5），这一层结构主要呈 褶皱状，这样设计的目的是为了增加过滤层的表面积，达到提升过滤效率和增加整体滤芯 的寿命的效果。而从图 5中我们可以直观地观察到附着在滤芯表面的污染物堆积，这时，将 HEPA过滤层进行颜色渲染（图 6，其中，橙色部分表示污染物颗粒），其中污染物颗粒 在流入端和流出端的数量对比便表明了滤芯对于这种规模的污染物的过滤效率，这也和我 们的预期基本一致，即在预过滤层或者靠近流入端，污染物的沉积很明显，而靠近 HEPA 过滤层即流出端则表现地较为干净。 图2：滤芯整体结构三维表征 图3：预过滤层结构三维表征 图4：活性炭颗粒过滤层结构三维表征 图5：HEPA过滤层结构三维表征 图6：HEPA过滤层结构三维体渲染图 在上面针对滤芯整体的图像表征中，预过滤层和 HEPA过滤层都能比较直观地展现出其结 构及工作原理，而活性炭颗粒结构在此分辨率下还无法清晰地呈现，还需要进行进一步的 探究。因此，我们便取出了其中的某个活性炭颗粒进行了更高分辨的扫描，在这一过程中，我们使用的设备是布鲁克的另外一款桌面型高分辨三维X射线显微成像系统SkyScan1272。经过图像处理和渲染后，我们便得到了以下图像结果（图 6），其中灰色为活性炭颗粒本体， 黄色与红色为其内部孔隙，其中红色表征孔径尺寸较大的孔隙。除此之外，我们还在分析 软件CTAn中对孔隙进行了相关定量分析，并获得了以下结果（孔径分布：图7）：其内部孔隙平均孔径为 8.7µm ，总孔隙率为 31%，其中开放孔隙结构占比为 95.5%。 图6：活性炭颗粒孔隙结构三维表征 图7：活性炭颗粒内部孔隙孔径分布直方图