膜污染的光学监测技术研究进展

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0280

摘要/Abstract

摘要：

光学监测技术具备原位、快速、无损等优势，能够对膜污染进行实时在线监测，对于膜污染现象的深入理解和膜污染控制方法的优化具有重要意义。综述了近年来研究较多、发展较快的几类膜污染光学实时监测技术，包括穿透膜直接观察、光学相干断层扫描、激光共聚焦显微镜等显微成像技术，三维荧光光谱、拉曼光谱等分子光谱技术以及粒子图像测速技术，阐述了各技术的工作原理、衍生技术及在膜污染领域的典型应用，着重从监测区域和提供的膜污染信息等方面分析了其优缺点，并对未来光学监测技术的发展方向提出了展望，有助于推动其在实际膜法水处理工程中的应用。

关键词: 膜污染, 光学技术, 实时监测, 显微成像, 分子光谱

Abstract:

Optical monitoring technologies can be used to monitor membrane fouling in real-time and online with the in-situ, fast and nondestructive advantages, which are of great significance for the in-depth understanding of membrane fouling and the optimization of fouling control strategies. In this paper, several kinds of optical real-time monitoring technologies for membrane fouling that had been studied and developed rapidly in recent years were reviewed, including microscopic imaging techniques such as direct observation through membrane, optical coherence tomography and laser confocal microscopy, molecular spectroscopies such as excitation-emission matrix and Raman spectroscopy, and particle image velocimetry. The principles, the typical applications in fouling characterization of these techniques and the derivative techniques were described comprehensively, and the advantages and disadvantages of each technique were analyzed from the aspects of monitoring area and foulant information provided. Finally, the future development direction of the optical monitoring technologies was put forward, which would promote the application of these technologies in the membrane water treatment industries.

Key words: membrane fouling, optical technology, real-time monitoring, microscopic imaging, molecular spectroscopy

中图分类号:

P747+.6

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https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I4/10

图/表 6

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检测技术	污染物类型	能否区分污染物成分	信息类型	膜片类型
DOTM	≥1 μm的大颗粒污染物	否	空间分布、厚度	平板膜、中空纤维膜、管状膜
OCT	所有类型污染物	否	空间分布、厚度	平板膜、中空纤维膜
CLSM	可荧光标记或者具有自发荧光的污染物（蛋白质、多糖等有机污染物和微生物细胞）	能	组成成分、空间分布、厚度、浓度	平板膜、中空纤维膜、管式膜
EEM	荧光有机污染物	能	组成成分、浓度	平板膜、中空纤维膜
拉曼光谱	具有拉曼活性基团且无荧光的污染物（大部分有机、无机和生物污染物）	能	组成成分、空间分布、厚度、浓度	平板膜
PIV	流体	否	速度、剪切力等	平板膜、中空纤维膜

检测技术	污染物类型	能否区分污染物成分	信息类型	膜片类型
DOTM	≥1 μm的大颗粒污染物	否	空间分布、厚度	平板膜、中空纤维膜、管状膜
OCT	所有类型污染物	否	空间分布、厚度	平板膜、中空纤维膜
CLSM	可荧光标记或者具有自发荧光的污染物（蛋白质、多糖等有机污染物和微生物细胞）	能	组成成分、空间分布、厚度、浓度	平板膜、中空纤维膜、管式膜
EEM	荧光有机污染物	能	组成成分、浓度	平板膜、中空纤维膜
拉曼光谱	具有拉曼活性基团且无荧光的污染物（大部分有机、无机和生物污染物）	能	组成成分、空间分布、厚度、浓度	平板膜
PIV	流体	否	速度、剪切力等	平板膜、中空纤维膜

检测技术	优点	局限
DOTM	装置简单，成本低	需要透明膜和相对透明的溶液，仅适用于较大尺寸分子，无法区分污染物类型
OCT	适用于高浊度进水，可进行大面积监测（mm²）	空间分辨率低，无法区分污染物类型
CLSM	高灵敏度和空间分辨率，能够区分蛋白质、多糖、微生物等有机和生物污染物	需进行荧光标记，价格昂贵，且荧光标记较多时，各标记物信号易互相干扰，大分子荧光标记物还会导致膜污染
EEM	速度快、灵敏度高、易于数据采集	仅能检测到荧光有机污染物信息
拉曼光谱	高空间分辨率，能够同时对无机、有机和生物污染物进行定性、定量分析	灵敏度低，荧光干扰
PIV	获得流体流动信息	需要示踪粒子且数据处理复杂

检测技术	优点	局限
DOTM	装置简单，成本低	需要透明膜和相对透明的溶液，仅适用于较大尺寸分子，无法区分污染物类型
OCT	适用于高浊度进水，可进行大面积监测（mm²）	空间分辨率低，无法区分污染物类型
CLSM	高灵敏度和空间分辨率，能够区分蛋白质、多糖、微生物等有机和生物污染物	需进行荧光标记，价格昂贵，且荧光标记较多时，各标记物信号易互相干扰，大分子荧光标记物还会导致膜污染
EEM	速度快、灵敏度高、易于数据采集	仅能检测到荧光有机污染物信息
拉曼光谱	高空间分辨率，能够同时对无机、有机和生物污染物进行定性、定量分析	灵敏度低，荧光干扰
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