導(dǎo)讀

在膜分離與水處理領(lǐng)域，工程人員長期以來只能通過通量、壓差等宏觀指標(biāo)來判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài) 。當(dāng)參數(shù)異常時(shí)，系統(tǒng)往往已經(jīng)受損，而內(nèi)部正在發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化卻始終是一個(gè)“黑盒”。 污染是如何產(chǎn)生的？它如何一步步鎖死系統(tǒng)性能？友思特OCT（光學(xué)相干斷層掃描）系統(tǒng)助力中科院某研究所科研，為實(shí)現(xiàn)分離過程中膜材料表界面宏觀形貌、厚度、膜面結(jié)垢物生長規(guī)律的實(shí)時(shí)監(jiān)測提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

一、應(yīng)用背景

在納濾、電滲析等膜分離工藝中，膜組件被譽(yù)為系統(tǒng)的“心臟” 。然而，隨著高鹽溶液處理或生化反應(yīng)的持續(xù)，膜表面不可避免地產(chǎn)生生物淤積或無機(jī)結(jié)垢 。

01 性能危機(jī)

污染會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)水通量大幅下降，跨膜壓差上升，過濾性能顯著降低 。

02 傳統(tǒng)檢測方法局限

離線分析（如膜解剖）具有破壞性且無法捕捉動(dòng)態(tài)過程；超聲檢測等原位技術(shù)則難以提供詳細(xì)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié) 。

03 核心需求

在不干擾系統(tǒng)運(yùn)行前提下，實(shí)時(shí)、高分辨地獲取膜表面及內(nèi)部信息。

二、OCT技術(shù)破解檢測難題

OCT(光學(xué)相干斷層掃描)技術(shù)利用背向散射光信號(hào)構(gòu)建樣品的截面圖像，類似于醫(yī)學(xué)中的超聲檢測 ，其核心優(yōu)勢：

01 穿透成像

能獲取樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息
02 微米級(jí)分辨率

精準(zhǔn)捕捉膜表面微觀形貌和內(nèi)部細(xì)節(jié)

03 原位非破壞

在系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行中直接觀測，無需染色或取出樣品

04 動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測

將污染演化過程轉(zhuǎn)化為連續(xù)的時(shí)間序列圖像

三、OCT應(yīng)用案例

友思特的OCT3.0/R系統(tǒng)具備高性能參數(shù)：軸向分辨率為3μm（組織中）、橫向分辨率為5μm（裝配物鏡），1.2mm成像深度（組織中），實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的精準(zhǔn)監(jiān)測。小巧緊湊的系統(tǒng)，大約只有鞋盒大?。?13x216x153 mm3），方便設(shè)備移動(dòng)或者集成安裝在其他系統(tǒng)上。

如上圖所示，為友思特OCT系統(tǒng)的實(shí)際檢測效果，可以清楚觀察到膜上污染物情況和膜的結(jié)構(gòu)信息。助力客戶進(jìn)行膜分離的相關(guān)研究，用于觀察膜分離過程中膜表面及界面的微觀形貌演變規(guī)律，以及真實(shí)鹵水體系中膜污染過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)也便于獲取膜面及膜界面內(nèi)部深度的膜污染/結(jié)垢信息。

四、現(xiàn)有文獻(xiàn)研究支撐

一項(xiàng)發(fā)表在 Scientific Reports 的研究表明，借助 OCT技術(shù)，我們終于能親眼看見膜污染從誕生到演化的全生命周期。通過OCT 的連續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)膜污染并非雜亂無章，而是呈現(xiàn)出清晰的階段性特征。

01初期附著階段

在前 12 小時(shí)內(nèi)，通量會(huì)出現(xiàn)大幅下降，但 OCT 圖像中僅能觀察到膜表面有少量污染物積聚 。此時(shí)的性能衰減并非源于表面沉積，而是由于膜孔內(nèi)部的堵塞。

圖. (a)在過濾時(shí)間的前42小時(shí)內(nèi)，通量下降趨勢。(b)生物質(zhì)早期沉積在平板膜上延時(shí)發(fā)展的OCT截面圖像（12至42小時(shí)）

02 雙層結(jié)構(gòu)形成

隨著運(yùn)行到第 3 天左右，污染物開始在表面大面積擴(kuò)散，覆蓋率顯著提高 ，此時(shí)形成了一種獨(dú)特的“雙層結(jié)構(gòu)”。底層是致密且相對(duì)穩(wěn)定的沉積層，上層是疏松、具有流動(dòng)性的“云狀”結(jié)構(gòu)，會(huì)不斷捕獲水中的懸浮顆粒。

圖. 雙層生物污垢形態(tài)的 OCT 截面圖像。在實(shí)驗(yàn)的84至96小時(shí)內(nèi)以5分鐘的頻率進(jìn)行掃描。下層保持不變，而上層移動(dòng)

03 多層結(jié)構(gòu)演化

在42 天的長期運(yùn)行中，污染結(jié)構(gòu)由“鋪展”徹底轉(zhuǎn)為“增厚”。 通過不斷沉積與壓縮，生物膜演變?yōu)閺?fù)雜的多層結(jié)構(gòu) 。OCT 記錄下的這一過程，隨后通過環(huán)境掃描電鏡（ESEM）得到了驗(yàn)證 。如下圖b所示，通過表面形成的裂縫，在ESEM上可以觀察到污垢層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，證實(shí)了OCT分析中觀察到的多層結(jié)構(gòu)的存在。

圖. (a) 42天后進(jìn)行OCT橫截面生物污垢分析，可以觀察到膜上方生物污垢多層的存在。(b) 42 天后污垢層的 ESEM 傾斜表面圖像。表面上的斷裂是通過逐漸降低室內(nèi)濕度而產(chǎn)生的。

五、技術(shù)價(jià)值：從結(jié)果監(jiān)測到過程控制

OCT 技術(shù)的引入，將原本依賴間接參數(shù)判斷的膜污染過程，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢灾苯佑^測和分析的結(jié)構(gòu)演化過程。

01 早期預(yù)判

在污染尚未顯著影響性能前識(shí)別早期變化

02 機(jī)理辨析

區(qū)分不同階段的主導(dǎo)機(jī)制（孔堵塞還是表面堆積），從而制定針對(duì)性的清洗策略

03 運(yùn)行優(yōu)化

為膜系統(tǒng)的工藝改進(jìn)和抗污染材料的研發(fā)提供直觀的數(shù)據(jù)支撐

（參考文獻(xiàn)：Fortunato L, Jeong S, Leiknes T O. Time-resolved monitoring of biofouling development on a flat sheet membrane using optical coherence tomography[J]. Scientific reports, 2017, 7(1): 15.）

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審核編輯 黃宇