高效空氣過(guò)濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究之核磁共振成像技術(shù)

除了X?射線(xiàn)攝像技術(shù)，為了獲得高效空氣過(guò)濾器結(jié)構(gòu)和過(guò)濾過(guò)程顆粒沉積的非侵入三維信息，核磁共振技術(shù)（Magnetic Resonan Imaging, MRI）作為一種新方法近得到應(yīng)用。

核磁共振是一種物理現(xiàn)象，作為一種分析手段廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)生物等領(lǐng)域，到1973?年才將它用于醫(yī)學(xué)臨床檢測(cè)。MRI?在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用沒(méi)有醫(yī)學(xué)領(lǐng)域那么廣泛，主要是因?yàn)榧夹g(shù)上的難題及成像材料上的困難，目前主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：在高分子化學(xué)領(lǐng)域，如碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的研究、固態(tài)反應(yīng)的空間有向性研究、聚合物中溶劑擴(kuò)散的研究、聚合物硫化及彈性體的均勻性研究等；在金屬陶瓷中，通過(guò)對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的研究來(lái)檢測(cè)陶瓷制品中存在的砂眼；在火箭燃料中，用于探測(cè)固體燃料中的缺陷以及填充物、增塑劑和推進(jìn)劑的分布情況；在石油化學(xué)方面，主要側(cè)重于研究流體在巖石中的分布狀態(tài)和流通性以及對(duì)油藏描述與強(qiáng)化采油機(jī)理的研究。

核磁共振分析技術(shù)是通過(guò)核磁共振譜線(xiàn)特征參數(shù)（如譜線(xiàn)寬度、譜線(xiàn)輪廓形狀、譜線(xiàn)面積、譜線(xiàn)位置等）的測(cè)定來(lái)分析物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。它可以不破壞被測(cè)樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是一種完全無(wú)損的檢測(cè)方法。同時(shí)，它具有非常高的分辨本領(lǐng)和精確度，而且可以用于測(cè)量的核也比較多，所有這些都優(yōu)于其它測(cè)量方法。因此，核磁共振技術(shù)在物理、化學(xué)、醫(yī)療、石油化工、考古等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于平行的隨紋結(jié)構(gòu)，國(guó)外有研究者應(yīng)用MRI技術(shù)獲得多孔介質(zhì)的3?維圖像[11-13]。并且首次用在測(cè)量含有沉積顆粒的纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其成為對(duì)過(guò)濾試驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)研究的一種強(qiáng)有力的工具。

核磁共振成像是作為非侵入性方法發(fā)展起來(lái)的，該方法可以對(duì)具有一定形狀的非透明物質(zhì)的三維空間分布進(jìn)行成像。因?yàn)榇蟛糠制胀ǖ墓腆w聚合物和天然纖維的核磁共振信號(hào)太弱而不能直接測(cè)到，Hoferer?等人[11, 12]在多孔過(guò)濾介質(zhì)填滿(mǎn)水，原則上，核磁共振信號(hào)強(qiáng)度和水的含量成一定的比例，而沒(méi)有水的地方則為纖維，這是量化纖維過(guò)濾器內(nèi)介質(zhì)的關(guān)鍵步驟。當(dāng)然，也不能忽略核磁共振信號(hào)噪聲的影響，因?yàn)樵谝欢ㄏ笏胤直媛氏拢^(guò)濾介質(zhì)內(nèi)只含有水的地方的核磁共振成像不能產(chǎn)生明顯的波峰，這說(shuō)明此時(shí)的填充密度為零。為了消除噪聲，一般認(rèn)為只含有水的地方，即信號(hào)比較弱的地方的填充密度為零。基于以上這些，Hoferer等人[11,12]為了分析過(guò)濾介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用快速自旋回波技術(shù)（RARE），其象素分辨率為8μm。他們首先繪制在所有象素下的頻率分布圖，并對(duì)其進(jìn)行分析，利用填充度與信號(hào)強(qiáng)度之間的關(guān)系對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。考慮到核磁共振系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，此數(shù)據(jù)處理過(guò)程是在Matlab?商用軟件中進(jìn)行的。Hoferer?等人[11]同時(shí)利用MRI?技術(shù)研究了顆粒的沉積行為，研究對(duì)象為膠囊顆粒。因?yàn)閼T性沉降是實(shí)現(xiàn)顆粒沉積的主要的捕獲機(jī)制，因此，顆粒的速度大小是顆粒能否被捕獲的關(guān)鍵。研究者在氣體流動(dòng)方向上把過(guò)濾介質(zhì)分成一系列的截面，通過(guò)核磁共振成像把信號(hào)強(qiáng)度弱的截面作為參照，減去此值，就能得到其它截面上的信號(hào)強(qiáng)度值，以此削弱噪聲帶來(lái)的影響。后根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度與顆粒物沉積質(zhì)量之間的關(guān)系，來(lái)確定過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)所沉積膠囊顆粒的質(zhì)量。

Hoferer?等人[11, 12]的研究結(jié)果表明：利用核磁共振成像技術(shù)可以獲得多孔介質(zhì)的三