顯微CT技術測量不規則多孔懸浮載體比表面積初探

楊吉平 郭黎明 王志 王朋

(上海耕海漁業有限公司,上海 200126)

循環水產養殖系統(recirculating aquaculture system,RAS)被視為是未來水產養殖的重要模式,是能滿足不斷增長的全球海產品需求的可持續解決方案。與網箱等傳統養殖方式相比,RAS系統使用更少的水,并可避免將營養和有害廢物直接排放到海洋中[1]。通過對海水養殖過程中碳、氮和磷排放的研究也表明,RAS系統對生態的影響也低于傳統海洋漁業[2]。RAS系統需要良好的水質控制和廢水管理才能確保獲得足夠的養殖產量和效益[3]。RAS中最關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。移動床生物膜反應器(MBBR)由于其簡單性和低能耗而成為RAS系統中去除有害含氮化合物的默認設計選擇[5]。

MBBR使用特殊設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器中懸浮、翻滾運動[6]。這種特殊設計的填料被稱為懸浮載體。懸浮載體是MBBR系統的核心部件,其主要功能是為微生物提供附著的場所。MBBR系統中首先使用的懸浮載體是AnoxKaldnesTM的K系列產品,K系列懸浮載體在直徑、高度、生物膜發育的可用表面積、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、不同制造工藝生產的近50種懸浮載體用于MBBR中[6-7]。區分懸浮載體性能的重要指標是有效比表面積,有效比表面積是指單位體積懸浮載體填料能實現良好傳質傳氧,且能生長有效微生物的受保護的表面積[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及富集狀態,載體在反應器中運動,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]和國內某公司生產的高比表面積填料。這兩款懸浮載體均采用化學發泡工藝制作,提供的測定報告(BET氣體吸附法)顯示,其比表面積高達5 500 m2/m3。

國內對懸浮填料比表面積的測量和計算標準僅見于行業標準《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體填料》(CJ/T 461—2014)[8]。該標準中提供的計算方式是:使用測量的幾何尺寸數據進行計算。但化學發泡工藝制作的懸浮載體的孔洞大小不一,且為不規則球形,再加上切割的位置不同,通過測量幾何尺寸進行計算非常困難。上述提到的兩家公司采用了氣體吸附法測量比表面積,相關方法參見《用氣體吸附法分析介孔和微孔》(ISO 15901-2)以及《煤質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、溫度傳感器、稱量精度等有很高的要求,測量時間也比較長,而且該方法的參數設計主要針對介孔材料(2～50 nm)[10]。

近年來,顯微CT技術(Micro CT,微計算機斷層掃描技術)在微觀結構研究方面的應用越來越廣泛[11-14]。CT技術是一種無損的成像技術,能夠探測材料內部的幾何形態,可在不破壞懸浮載體孔隙結構的情況下獲取到其細微結構圖像,進而通過三維重構技術實現對懸浮載體的比表面積測量。本研究將使用顯微CT技術對不規則多孔懸浮載體進行掃描建模,以期獲得比表面積參數,并討論測量結果的有效性,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公司生產的BioChip30。載體直徑30 mm,堆積密度為DB2=165 kg/m3。

顯微CT設備為Bruker SKYSCAN 1272 CMOS,由中國科學院分子細胞科學卓越創新中心提供公共服務。測量質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果,將載物臺固定在Bruker SKYSCAN 1272設備的樣品架上,關閉倉門。依據樣品的密度及成像效果調試設置參數,最終測試的參數見表1。

表1 Bruker SKYSCAN 1272測試參數設置

由于要求的圖像像素尺寸較小,導致樣品掃描視野不足以完整掃描單片樣品,因此由儀器設定每次掃描只掃描樣品的1/4,CT掃描后,將原始數據重建拼合,導入儀器自帶的分析軟件CTAn中進行三維成像并求解表面積AS。三維圖像導出為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的側面、正面和背面;d、e、f分別為樣品2的側面、正面和背面。

2.2 比表面積計算結果

顯微CT分析結果為:樣品1的表面積AS1=4 252.419 mm2,樣品2的表面積AS2=4 513.080 mm2。經精密天平測試,樣品1的質量m1=0.382 5 g,樣品2的質量m2=0.375 5 g。以上數據結合廠商提供的堆積密度(DB1、DB2)數據,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據與BET氣體吸附法報告的數據有較大差異。查閱報告顯示,計算比表面積所用的單片懸浮填料質量m和堆積體積DB數據相似,區別主要為單片懸浮填料的表面積AS的結果。可見測量方法是造成數據差異的主要原因。除使用前述兩種方法外,也可通過數學模型進行估算。

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范圍內的吸附等溫線數據,按照BET方程式(二常數公式)求出試樣的單分子層吸附量,根據吸附質分子的截面積,可計算出試樣的比表面積(m2/g)。本方法除與報告提供者標識的測量方法(見前言)一致外,還與國內和國際上通用的用氣體吸附BET法測定固態物質比表面積的方法(國標GB/T 19587—2017/ISO9277:2010[15],后文簡稱“國標B”)基本一致。該方法認為,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的點處于等溫線拐點附近,說明測試類型符合“國標B”的要求(見圖2-b)。另外,“國標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菌棲息,細菌的大小約為0.5～5.0 μm,納米(nm)級別的孔根本不適合細菌進入,因此,使用BET法測定不規則多孔懸浮載體的比表面積會將不適合細菌棲息的微孔表面積計入,使獲得的比表面積比適合細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,不規則多孔懸浮載體的發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泡的最小平均直徑為108～163 μm,與本試驗的結果相符。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構,通過儀器直接分析獲得的比表面積值也較為準確。

3.3 數學模型計算驗證

通過數學模型可進一步驗證比表面積計算的準確性。假設氣泡孔在懸浮載體(直徑30 mm,厚1 mm)的上、下兩個表面向內均勻分布,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。使用該數據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、下表面垂直的區域內的孔的表面積為Sc=H×π×D×N=5 127×H/D(mm2),與懸浮載體上、下表面平行的區域內的孔表面積為: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,對于發泡形成的球形,則H

注:a.懸浮載體表面結構,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

根據以上分析,筆者認為,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 結論與應用展望

本試驗結果顯示,與BET氣體吸附法相比,使用顯微CT法測量不規則多孔懸浮填料省時、省力、準確度較高,可以在實際生產中應用。

另外,利用顯微CT可研究細菌細胞。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的分辨率可達到細胞水平,但對于體內研究,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]。已知細菌細胞的大小為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,如果要開展更為細致的研究,分辨率可選擇1.0～6.5 μm。