顯微CT技術(shù)測量不規(guī)則多孔懸浮載體比表面積初探

楊吉平 郭黎明 王志 王朋

(上海耕海漁業(yè)有限公司,上海 200126)

循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)(recirculating aquaculture system,RAS)被視為是未來水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要模式,是能滿足不斷增長的全球海產(chǎn)品需求的可持續(xù)解決方案。與網(wǎng)箱等傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式相比,RAS系統(tǒng)使用更少的水,并可避免將營養(yǎng)和有害廢物直接排放到海洋中[1]。通過對海水養(yǎng)殖過程中碳、氮和磷排放的研究也表明,RAS系統(tǒng)對生態(tài)的影響也低于傳統(tǒng)海洋漁業(yè)[2]。RAS系統(tǒng)需要良好的水質(zhì)控制和廢水管理才能確保獲得足夠的養(yǎng)殖產(chǎn)量和效益[3]。RAS中最關(guān)鍵的水處理過程是氧化有害的含氮化合物[4],這些含氮化合物包括氨、亞硝酸鹽和某些情況下的硝酸鹽。移動床生物膜反應(yīng)器(MBBR)由于其簡單性和低能耗而成為RAS系統(tǒng)中去除有害含氮化合物的默認(rèn)設(shè)計選擇[5]。

MBBR使用特殊設(shè)計的填料作為生物膜載體,通過曝氣擾動、液體回流或機械推流混合可使載體在反應(yīng)器中懸浮、翻滾運動[6]。這種特殊設(shè)計的填料被稱為懸浮載體。懸浮載體是MBBR系統(tǒng)的核心部件,其主要功能是為微生物提供附著的場所。MBBR系統(tǒng)中首先使用的懸浮載體是AnoxKaldnesTM的K系列產(chǎn)品,K系列懸浮載體在直徑、高度、生物膜發(fā)育的可用表面積、開孔位置方面有所不同[6]。至今為止,已有不同形狀、不同材質(zhì)、不同制造工藝生產(chǎn)的近50種懸浮載體用于MBBR中[6-7]。區(qū)分懸浮載體性能的重要指標(biāo)是有效比表面積,有效比表面積是指單位體積懸浮載體填料能實現(xiàn)良好傳質(zhì)傳氧,且能生長有效微生物的受保護(hù)的表面積[8]。比表面積與有效比表面積的差別在于,有效比表面積考慮了微生物實際傳質(zhì)及富集狀態(tài),載體在反應(yīng)器中運動,會相互摩擦撞擊,在載體外緣,微生物難以掛膜,這部分不能作為有效比表面積[9]。要想精確地計算有效比表面積,首先需要知道其比表面積。懸浮載體的比表面積一般為表面積和體積之比,即單位體積的懸浮載體的總表面積,單位為m2/m3[5]。目前已報道的比表面積最高的懸浮載體為Mutag公司的BioChip[7]和國內(nèi)某公司生產(chǎn)的高比表面積填料。這兩款懸浮載體均采用化學(xué)發(fā)泡工藝制作,提供的測定報告(BET氣體吸附法)顯示,其比表面積高達(dá)5 500 m2/m3。

國內(nèi)對懸浮填料比表面積的測量和計算標(biāo)準(zhǔn)僅見于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料》(CJ/T 461—2014)[8]。該標(biāo)準(zhǔn)中提供的計算方式是:使用測量的幾何尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。但化學(xué)發(fā)泡工藝制作的懸浮載體的孔洞大小不一,且為不規(guī)則球形,再加上切割的位置不同,通過測量幾何尺寸進(jìn)行計算非常困難。上述提到的兩家公司采用了氣體吸附法測量比表面積,相關(guān)方法參見《用氣體吸附法分析介孔和微孔》(ISO 15901-2)以及《煤質(zhì)顆粒活性炭試驗方法 孔容積和比表面積的測定》(GB/T 7702.20—2008)。這兩種測量方法基于BET原理,對真空度、控制系統(tǒng)、溫度傳感器、稱量精度等有很高的要求,測量時間也比較長,而且該方法的參數(shù)設(shè)計主要針對介孔材料(2～50 nm)[10]。

近年來,顯微CT技術(shù)(Micro CT,微計算機斷層掃描技術(shù))在微觀結(jié)構(gòu)研究方面的應(yīng)用越來越廣泛[11-14]。CT技術(shù)是一種無損的成像技術(shù),能夠探測材料內(nèi)部的幾何形態(tài),可在不破壞懸浮載體孔隙結(jié)構(gòu)的情況下獲取到其細(xì)微結(jié)構(gòu)圖像,進(jìn)而通過三維重構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)對懸浮載體的比表面積測量。本研究將使用顯微CT技術(shù)對不規(guī)則多孔懸浮載體進(jìn)行掃描建模,以期獲得比表面積參數(shù),并討論測量結(jié)果的有效性,最終建立一種簡單快速有效的懸浮載體比表面積測量方法。

1 材料和方法

1.1 材料

被測試樣品1由國內(nèi)某廠家提供,載體直徑30 mm,堆積密度DB1=150 kg/m3。被測試樣品2為Mutag公司生產(chǎn)的BioChip30。載體直徑30 mm,堆積密度為DB2=165 kg/m3。

顯微CT設(shè)備為Bruker SKYSCAN 1272 CMOS,由中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心提供公共服務(wù)。測量質(zhì)量用的精密天平為梅特勒托利多ME204,最小稱量精度10 mg,檢定分度值1 mg。

1.2 測試方法

選取合適的載物臺,將樣品固定在載物臺上,避免掃描過程中晃動影響掃描結(jié)果,將載物臺固定在Bruker SKYSCAN 1272設(shè)備的樣品架上,關(guān)閉倉門。依據(jù)樣品的密度及成像效果調(diào)試設(shè)置參數(shù),最終測試的參數(shù)見表1。

表1 Bruker SKYSCAN 1272測試參數(shù)設(shè)置

由于要求的圖像像素尺寸較小,導(dǎo)致樣品掃描視野不足以完整掃描單片樣品,因此由儀器設(shè)定每次掃描只掃描樣品的1/4,CT掃描后,將原始數(shù)據(jù)重建拼合,導(dǎo)入儀器自帶的分析軟件CTAn中進(jìn)行三維成像并求解表面積AS。三維圖像導(dǎo)出為stl格式,并用MeshLab 2022.2版本打開后選擇合適的角度截圖。

1.3 比表面積計算

樣品比表面積ASS(m2/m3)的計算公式為:

(1)

式(1)中,AS為求解獲得的表面積,mm2;m為載體樣品質(zhì)量,g;DB為堆積密度,kg/m3。其中m由精密天平測得,DB由廠商提供。

2 結(jié)果

2.1 CT掃描圖像生成的模型

CT掃描圖像生成的模型見圖1。

注:a、b、c分別為樣品1的側(cè)面、正面和背面;d、e、f分別為樣品2的側(cè)面、正面和背面。

2.2 比表面積計算結(jié)果

顯微CT分析結(jié)果為:樣品1的表面積AS1=4 252.419 mm2,樣品2的表面積AS2=4 513.080 mm2。經(jīng)精密天平測試,樣品1的質(zhì)量m1=0.382 5 g,樣品2的質(zhì)量m2=0.375 5 g。以上數(shù)據(jù)結(jié)合廠商提供的堆積密度(DB1、DB2)數(shù)據(jù),代入公式1,計算得到樣品1的比表面積為ASS1=1 667 m2/m3,樣品2的比表面積為ASS2=1 983 m2/m3。

3 討論

通過顯微CT測量表面積并計算獲得的比表面積數(shù)據(jù)與BET氣體吸附法報告的數(shù)據(jù)有較大差異。查閱報告顯示,計算比表面積所用的單片懸浮填料質(zhì)量m和堆積體積DB數(shù)據(jù)相似,區(qū)別主要為單片懸浮填料的表面積AS的結(jié)果。可見測量方法是造成數(shù)據(jù)差異的主要原因。除使用前述兩種方法外,也可通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行估算。

3.1 BET氣體吸附法

BET氣體吸附法測定比表面積的原理為:使用相對壓力在0.05～0.35范圍內(nèi)的吸附等溫線數(shù)據(jù),按照BET方程式(二常數(shù)公式)求出試樣的單分子層吸附量,根據(jù)吸附質(zhì)分子的截面積,可計算出試樣的比表面積(m2/g)。本方法除與報告提供者標(biāo)識的測量方法(見前言)一致外,還與國內(nèi)和國際上通用的用氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積的方法(國標(biāo)GB/T 19587—2017/ISO9277:2010[15],后文簡稱“國標(biāo)B”)基本一致。該方法認(rèn)為,BET法的測試范圍為Ⅱ型和Ⅳ型吸附等溫線,如圖2-a所示[15]。何云鵬等[16]認(rèn)為,Ⅱ型等溫線反映了非孔性或者大孔吸附劑上典型的物理吸附過程,等溫線拐點通常出現(xiàn)在單層吸附線附近。查閱檢測報告顯示,檢測過程中的吸附等溫線為Ⅱ型等溫線,且計算所得的單層吸附量所對應(yīng)的點處于等溫線拐點附近,說明測試類型符合“國標(biāo)B”的要求(見圖2-b)。另外,“國標(biāo)B”中特意指出,C值大于200可能表明存在微孔(孔尺寸小于或約等于2 nm的孔)[15]。經(jīng)查閱,檢測報告中C值為271,這也提示,該類樣品中可能存在微孔,且計入了表面積。已知該類型懸浮載體主要供給細(xì)菌棲息,細(xì)菌的大小約為0.5～5.0 μm,納米(nm)級別的孔根本不適合細(xì)菌進(jìn)入,因此,使用BET法測定不規(guī)則多孔懸浮載體的比表面積會將不適合細(xì)菌棲息的微孔表面積計入,使獲得的比表面積比適合細(xì)菌棲息的比表面積大。

注:ne為比吸附量,P/P0為相對壓力。(a)引自GB/T 19587—2017,典型的BET測試范圍為Ⅱ型和Ⅳ型等溫線圖中的陰影區(qū)域。(b)引自樣品2的比表面積檢測報告(BET法)。

3.2 顯微CT法

顯微CT獲得了懸浮載體的三維模型,通過軟件直接統(tǒng)計了表面積,相比氣體吸附法更加直接。通過對CT掃描圖像的分析顯示,不規(guī)則多孔懸浮填料的孔直徑一般在97.5～1 200.0 μm。已有資料表明,不規(guī)則多孔懸浮載體的發(fā)泡劑為碳酸氫鈉和檸檬酸。羅丹[17]的研究也證實,碳酸氫鈉在聚烯烴中發(fā)泡的最小平均直徑為108～163 μm,與本試驗的結(jié)果相符。基于儀器掃描的難易程度、掃描耗費時間等考量,本試驗中選擇顯微CT的圖像像素尺寸為19.5 μm。在此像素尺寸下,完全可以分辨懸浮載體中的發(fā)泡孔。因此,該分辨率下的顯微CT圖像可以精確地還原懸浮載體的微觀孔隙結(jié)構(gòu),通過儀器直接分析獲得的比表面積值也較為準(zhǔn)確。

3.3 數(shù)學(xué)模型計算驗證

通過數(shù)學(xué)模型可進(jìn)一步驗證比表面積計算的準(zhǔn)確性。假設(shè)氣泡孔在懸浮載體(直徑30 mm,厚1 mm)的上、下兩個表面向內(nèi)均勻分布,且形狀均為圓柱形,圓柱高H<0.5 mm(見圖3),圓柱直徑為D(mm)。將此問題轉(zhuǎn)化為在平面上圓的密排問題。已有研究表明,六角密堆積方法是最致密的,此時圓面積占比為0.906 9[18]。由于氣泡孔的數(shù)量足夠多,因此本文不再考慮懸浮載體邊緣的影響。使用該數(shù)據(jù)計算這種密排條件下的表面積,則該圓片懸浮載體上最多可容納的圓柱形孔數(shù)量N=(2×1/4×π×30×30×0.906 9)÷(1/4×π×D2)=1 632/D2(個),與懸浮載體上、下表面垂直的區(qū)域內(nèi)的孔的表面積為Sc=H×π×D×N=5 127×H/D(mm2),與懸浮載體上、下表面平行的區(qū)域內(nèi)的孔表面積為:Sp=2×1/4×π×30×30=1 413(mm2),因此孔的總表面積為S=Sc+Sp=1 413+5 127×H/D(mm2)。實際情況下,懸浮載體生產(chǎn)過程中,用于切片的載體棒材始終水平放置,氣泡浮力會使氣泡拉長,使D大于正球形氣泡直徑,H小于正球形氣泡直徑。另外,由于懸浮載體的氣泡孔需要與外界接觸才能使微生物棲息于內(nèi),對于發(fā)泡形成的球形,則H

注:a.懸浮載體表面結(jié)構(gòu),b.六角密堆積及氣泡孔直徑D,c.圓柱形氣泡孔高度H。

圖4 H/D示意圖

根據(jù)以上分析,筆者認(rèn)為,使用顯微CT法測得的比表面積更適用于評估懸浮載體的性能。

4 結(jié)論與應(yīng)用展望

本試驗結(jié)果顯示,與BET氣體吸附法相比,使用顯微CT法測量不規(guī)則多孔懸浮填料省時、省力、準(zhǔn)確度較高,可以在實際生產(chǎn)中應(yīng)用。

另外,利用顯微CT可研究細(xì)菌細(xì)胞。已有研究表明,對于顯微CT分辨率的選擇,體外研究中,5～10 μm的分辨率可達(dá)到細(xì)胞水平,但對于體內(nèi)研究,為提高掃描速度和降低輻照計量,不可避免地會降低空間分辨率[19]。已知細(xì)菌細(xì)胞的大小為0.5～5.0 μm,一般懸浮載體上的生物膜厚度為23～510 μm[20],目前采用的分辨率能很好地分辨較厚的生物膜。如果將CT的分辨率提高到5～10 μm,甚至是0.5～1.0 μm,將能更好地反映懸浮載體上可供細(xì)菌個體棲息的孔徑情況,從而獲得更為精確的有效比表面積。

由于調(diào)小掃描精度會大幅增加顯微CT掃描的工作量和工作時長,本試驗采用19.5 μm的分辨率檢測完整個樣品,耗時1.5～2.0 h,如果使用6.5 μm的分辨率,掃描完整個樣品,將耗時8～12 h。對于生產(chǎn)過程中快速檢測比表面積和掛膜情況時,建議選擇19.5～100 μm為顯微CT的分辨率,如果要開展更為細(xì)致的研究,分辨率可選擇1.0～6.5 μm。