友思特OCT应用视界 | 工业检测篇（一）：膜污染的原位实时高分辨检测-电子发烧友网

导读

在膜分离与水处理领域，工程人员长期以来只能通过通量、压差等宏观指标来判断系统运行状态。当参数异常时，系统往往已经受损，而内部正在发生的结构变化却始终是一个“黑盒”。污染是如何产生的？它如何一步步锁死系统性能？友思特OCT（光学相干断层扫描）系统助力中科院某研究所科研，为实现分离过程中膜材料表界面宏观形貌、厚度、膜面结垢物生长规律的实时监测提供关键数据支撑。

一、应用背景

在纳滤、电渗析等膜分离工艺中，膜组件被誉为系统的“心脏” 。然而，随着高盐溶液处理或生化反应的持续，膜表面不可避免地产生生物淤积或无机结垢。

01 性能危机

污染会导致产水通量大幅下降，跨膜压差上升，过滤性能显著降低。

02 传统检测方法局限

离线分析（如膜解剖）具有破坏性且无法捕捉动态过程；超声检测等原位技术则难以提供详细的结构细节。

03 核心需求

在不干扰系统运行前提下，实时、高分辨地获取膜表面及内部信息。

二、OCT技术破解检测难题

OCT(光学相干断层扫描)技术利用背向散射光信号构建样品的截面图像，类似于医学中的超声检测，其核心优势：

01 穿透成像

能获取样品内部的结构信息
02 微米级分辨率

精准捕捉膜表面微观形貌和内部细节

03 原位非破坏

在系统连续运行中直接观测，无需染色或取出样品

04 动态实时检测

将污染演化过程转化为连续的时间序列图像

三、OCT应用案例

友思特的OCT3.0/R系统具备高性能参数：轴向分辨率为3μm（组织中）、横向分辨率为5μm（装配物镜），1.2mm成像深度（组织中），实现对样品的精准监测。小巧紧凑的系统，大约只有鞋盒大小（413x216x153 mm3），方便设备移动或者集成安装在其他系统上。

如上图所示，为友思特OCT系统的实际检测效果，可以清楚观察到膜上污染物情况和膜的结构信息。助力客户进行膜分离的相关研究，用于观察膜分离过程中膜表面及界面的微观形貌演变规律，以及真实卤水体系中膜污染过程的实时监测，同时也便于获取膜面及膜界面内部深度的膜污染/结垢信息。

四、现有文献研究支撑

一项发表在 Scientific Reports 的研究表明，借助 OCT技术，我们终于能亲眼看见膜污染从诞生到演化的全生命周期。通过OCT 的连续观测，发现膜污染并非杂乱无章，而是呈现出清晰的阶段性特征。

01初期附着阶段

在前 12 小时内，通量会出现大幅下降，但 OCT 图像中仅能观察到膜表面有少量污染物积聚。此时的性能衰减并非源于表面沉积，而是由于膜孔内部的堵塞。

图. (a)在过滤时间的前42小时内，通量下降趋势。(b)生物质早期沉积在平板膜上延时发展的OCT截面图像（12至42小时）

02 双层结构形成

随着运行到第 3 天左右，污染物开始在表面大面积扩散，覆盖率显著提高，此时形成了一种独特的“双层结构”。底层是致密且相对稳定的沉积层，上层是疏松、具有流动性的“云状”结构，会不断捕获水中的悬浮颗粒。

图. 双层生物污垢形态的 OCT 截面图像。在实验的84至96小时内以5分钟的频率进行扫描。下层保持不变，而上层移动

03 多层结构演化

在42 天的长期运行中，污染结构由“铺展”彻底转为“增厚”。通过不断沉积与压缩，生物膜演变为复杂的多层结构。OCT 记录下的这一过程，随后通过环境扫描电镜（ESEM）得到了验证。如下图b所示，通过表面形成的裂缝，在ESEM上可以观察到污垢层的内部结构，证实了OCT分析中观察到的多层结构的存在。

图. (a) 42天后进行OCT横截面生物污垢分析，可以观察到膜上方生物污垢多层的存在。(b) 42 天后污垢层的 ESEM 倾斜表面图像。表面上的断裂是通过逐渐降低室内湿度而产生的。

五、技术价值：从结果监测到过程控制

OCT 技术的引入，将原本依赖间接参数判断的膜污染过程，转变为可以直接观测和分析的结构演化过程。

01 早期预判

在污染尚未显著影响性能前识别早期变化

02 机理辨析

区分不同阶段的主导机制（孔堵塞还是表面堆积），从而制定针对性的清洗策略

03 运行优化

为膜系统的工艺改进和抗污染材料的研发提供直观的数据支撑

（参考文献：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.）

光学相干断层扫描成像系统