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應(yīng)用分享 | 通過三維X射線顯微鏡(XRM)揭示過濾介質(zhì)工作機(jī)理

更新時(shí)間:2023-08-31點(diǎn)擊次數(shù):991

凡能使介質(zhì)通過又能將其中固體顆粒或液滴截流以達(dá)到分離或凈化目的的多孔物稱為過濾介質(zhì)。過濾介質(zhì)是不同過濾裝置上較為關(guān)鍵的組成部分,決定了過濾裝置的在執(zhí)行過濾操作過程中的分離精度和效率。那么,過濾介質(zhì)是通過怎樣的作原理來進(jìn)行工作的呢?現(xiàn)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(jié)構(gòu)

在此案例中,為了對(duì)使用了幾個(gè)月的家用空氣過濾器的濾芯部分進(jìn)行了多尺度三維表征,我們借助了德國(guó)布魯克公司的桌面型高分辨三維X射線顯微成像系統(tǒng)SkyScan1273和SkyScan1272對(duì)樣品的整體和局部分別進(jìn)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(duì)樣品整體進(jìn)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(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨掃描。

- SkySacn1273- SkyScan1272

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(xì)地表征出了濾芯的多層結(jié)構(gòu),通過“虛擬切割"功能,我們可以“一層一層"地展現(xiàn)出濾芯的不同結(jié)構(gòu),其中圖2為濾芯的整體結(jié)構(gòu),從圖像結(jié)果可以看到,外層的預(yù)過濾層外已經(jīng)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(yù)過濾層的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),如圖3。我們繼續(xù)向內(nèi)部“切割",便看到了下一層結(jié)構(gòu)——活性炭顆粒層(圖4)。這一層整體呈現(xiàn)蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),而活性炭顆粒則存在與每一個(gè)“蜂窩"中,有趣的是,這些活性炭顆粒并沒有填滿整個(gè)“蜂窩",而是還留有一定的空間。繼續(xù)“切割"掉活性炭顆粒層后,HEPA過濾層便呈現(xiàn)在了我們面前(圖5),這一層結(jié)構(gòu)主要呈褶皺狀,這樣設(shè)計(jì)的目的是為了增加過濾層的表面積,達(dá)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(shí),將HEPA過濾層進(jìn)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(shù)量對(duì)比便表明了濾芯對(duì)于這種規(guī)模的污染物的過濾效率,這也和我們的預(yù)期基本一致,即在預(yù)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(xiàn)地較為干凈。

圖2:濾芯整體結(jié)構(gòu)三維表征

圖3:預(yù)過濾層結(jié)構(gòu)三維表征

圖4:活性炭顆粒過濾層結(jié)構(gòu)三維表征

圖5:HEPA過濾層結(jié)構(gòu)三維表征

圖6:HEPA過濾層結(jié)構(gòu)三維體渲染圖

在上面針對(duì)濾芯整體的圖像表征中,預(yù)過濾層和HEPA過濾層都能比較直觀地展現(xiàn)出其結(jié)構(gòu)及工作原理,而活性炭顆粒結(jié)構(gòu)在此分辨率下還無法清晰地呈現(xiàn),還需要進(jìn)行進(jìn)一步的探究。因此,我們便取出了其中的某個(gè)活性炭顆粒進(jìn)行了更高分辨的掃描,在這一過程中,我們使用的設(shè)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(tǒng)SkyScan1272。

經(jīng)過圖像處理和渲染后,我們便得到了以下圖像結(jié)果(圖6),其中灰色為活性炭顆粒本體,黃色與紅色為其內(nèi)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(duì)孔隙進(jìn)行了相關(guān)定量分析,并獲得了以下結(jié)果(孔徑分布:圖7):

其內(nèi)部孔隙平均孔徑為8.7µm,總孔隙率為31%,其中開放孔隙結(jié)構(gòu)占比為95.5%。

圖6:活性炭顆??紫督Y(jié)構(gòu)三維表征

圖7:活性炭顆粒內(nèi)部孔隙孔徑分布直方圖


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