凡能使介質(zhì)通過(guò)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(chēng)為過(guò)濾介質(zhì)。過(guò)濾介質(zhì)是不同過(guò)濾裝置上較為關(guān)鍵的組成部分，決定了過(guò)濾裝置的在執(zhí)行過(guò)濾操作過(guò)程中的分離精度和效率。那么，過(guò)濾介質(zhì)是通過(guò)怎樣的作原理來(lái)進(jìn)行工作的呢？現(xiàn)在我們就通過(guò)三維X射線顯微鏡的視角來(lái)一探究竟！

案例：家用空氣過(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)“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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)濾層的表面積，達(dá)到提升過(guò)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(guò)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(guò)濾效率，這也和我們的預(yù)期基本一致，即在預(yù)過(guò)濾層或者靠近流入端，污染物的沉積很明顯，而靠近HEPA過(guò)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(guò)濾層結(jié)構(gòu)三維表征
圖4：活性炭顆粒過(guò)濾層結(jié)構(gòu)三維表征	圖5：HEPA過(guò)濾層結(jié)構(gòu)三維表征

圖6：HEPA過(guò)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(guò)濾層和HEPA過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(kāi)放孔隙結(jié)構(gòu)占比為95.5%。

圖6：活性炭顆粒孔隙結(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