《Desalination》：Novel approaches for quantitative assessments of wetting development in membrane distillation based on optical coherence tomography
编辑推荐：
膜蒸馏润湿定量分析基于OCT信号强度变化，定义湿深度、湿比等参数，揭示局部润湿发展与系统性能的关联机制，为多相流膜过程监测提供新工具。
Nurul F. Himma|Harald Horn|Florencia Saravia|Michael Wagner
卡尔斯鲁厄理工学院（KIT），Engler-Bunte研究所（EBI），水化学与水技术部门，Engler-Bunte环路9号，76131，卡尔斯鲁厄，德国
摘要
光学相干断层扫描（OCT）被认为是一种非侵入性的成像工具，可以实时提供膜蒸馏（MD）过程中润湿情况的局部信息。然而，后续的研究问题是如何定量评估局部润湿的发展，以防止系统故障。本研究旨在开发一种基于OCT三维数据集（体积扫描、C扫描）中强度变化的分析方法。所获得的图像能够清晰地显示不同情况下膜区域的润湿深度（例如润湿进程）。无论是均匀分布还是非均匀分布的严重润湿情况，甚至是微弱的润湿现象，都得到了成功的量化。研究结果表明，润湿膜的体积增加（表现为润湿比）并不一定意味着完全润湿的膜面积增加（表现为完全润湿的比例），这揭示了影响冷凝液质量的限制因素。此外，还基于量化的润湿参数讨论了控制润湿行为的潜在机制。这种基于OCT的方法不仅有助于研究膜蒸馏过程，也可能适用于其他涉及两相流动的膜过程，如气液膜接触器和膜生物膜反应器。
引言
膜蒸馏（MD）作为一种从海水、废水等各种水源中生产纯水的脱盐工艺已经受到重视。然而，润湿现象是主要问题——即膜孔被进料溶液部分或完全占据，而不是水蒸气或气体。润湿是一个复杂的现象，受到膜特性、进料水特性以及操作条件的影响，这些因素决定了不同的润湿机制[1]、[2]。润湿会导致进料溶液中的溶质泄漏到冷凝液侧，从而降低冷凝液的质量，使得膜无法正常发挥分离作用。为了应对膜蒸馏中的润湿问题，人们已经开发了多种策略，包括改进膜的生产工艺、引入预处理措施、优化工艺流程以及开发监测技术[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。无论采取何种膜或工艺优化措施，实时、原位的润湿监测对于更好地理解过程和有效控制都是必要的。
可以通过测量冷凝液的电导率（EC）来非侵入性地检测润湿现象，这种方法在膜蒸馏研究中已被广泛报道[8]、[9]。然而，这种检测方法只能在冷凝液质量明显恶化（例如电导率升高）之后才能实施。此外，该方法无法确定润湿发生的具体位置或实际的润湿进程。还有一些方法通过测量装有导电膜的膜蒸馏装置中产生的电流来早期检测润湿[10]或导电间隔物[11]，但这些方法的应用受到材料选择、盐浓度和施加电压的限制。另外，这种方法也无法获得关于膜润湿的局部信息。
在润湿情况下，进料溶液取代水蒸气填充膜孔会改变入射光与膜之间的相互作用。因此，人们开发了基于光学的方法来进行润湿监测。Jacob等人[12]将相机拍摄的2D图像中强度（平均灰度值）的增加与润湿的传播联系起来，因为润湿后的膜由于折射率匹配（液体-膜相比空气-膜）具有更高的光透过率。光学相干断层扫描（OCT）作为一种先进的非侵入性成像技术，通过测量光的回波时间延迟来生成微米级分辨率的图像[13]，能够详细观察膜内部的润湿发展情况。与基于透射的光学方法不同，OCT产生的信号是基于膜反射和散射的光[23]、[24]。因此，润湿部分对光的反射减少会导致信号强度下降。正如Bauer等人[14]所报告的，润湿会导致膜信号变窄，并伴有不规则的衰减特征。然而，对于OCT数据集的处理并未进一步进行定量润湿评估的步骤。
只有少数研究报道了使用OCT进行润湿监测和量化[15]、[16]。据我们所知，Shao等人[15]首次应用OCT来确定均匀润湿情况下润湿层的厚度，研究了表面活性剂诱导的润湿动力学。液-汽界面（润湿前沿）在膜上以相同的速度前进，通过测量像素强度两个峰值之间的宽度来确定润湿层的厚度。然而，膜润湿是一个非均匀现象，不仅受膜特性（孔隙特性）的影响，还受到工艺参数（进料通道中的浓度分布、温度和压力）的影响[2]、[12]、[17]，在实际应用中这些因素的影响更为显著。我们最近的研究[18]成功地使用OCT可视化了膜蒸馏中的非均匀润湿发展。在宏观甚至介观尺度上，润湿分布并不均匀，这凸显了实现润湿理论分类的复杂性[2]。然而，在进行定量评估时遇到了几个问题，包括：（i）膜形状不平整且在膜模块中略有移动；（ii）润湿本身是非均匀分布的；（iii）影响信号强度和质量的因素。因此，需要系统性和全面的方法。
本研究旨在基于OCT数据集中的强度变化来开发膜润湿的定量评估方法。对强度分布的变化进行了量化和分析，定义了多个润湿参数，包括润湿深度、润湿比、润湿深度的变化范围以及完全润湿的比例。量化这些参数高度依赖于准确识别膜表面和润湿前沿，为此开发了新的图像分析方法。所提出的参数可以评估润湿分布和程度，提供关于润湿发展和机制的局部和全局信息。
实验设置和数据采集
本研究使用CTAB（溴化鲸蜡三甲基铵）作为阳离子表面活性剂进行了空气间隙膜蒸馏（AGMD）实验以诱导润湿[18]。研究了三种不同条件下的润湿情况。案例I和案例II分别在高CTAB浓度（50 mg/L）下进行实验，监测位置位于AGMD测试装置的中间和靠近进料口的位置，即距离进料口12.5 cm和3.9 cm处。
基于强度变化量化润湿发展
图3（a）比较了不同时间点未润湿和润湿膜中的强度分布（参见表1，M0至M6），适用于案例I。根据Himma等人的研究[18]，由于案例I中的表面活性剂浓度较高（βCTAB = 50 mg/L），预期会出现润湿现象。总体而言，高强度信号的相对频率有所下降。在某些操作阶段（如M2和M3所示），这种变化伴随着25到...范围内的信号强度的出现。
结论
本研究成功建立了一种基于OCT的原位实时定量方法，用于评估膜蒸馏过程中的局部润湿情况，无论膜的形状或润湿的均匀性如何。随着润湿程度的增加，信号强度的平均值（SAD）通常会升高。然而，结果未能显示出与润湿比的相关性。所提出的方法基于强度分布分析，有效检测并量化了润湿进程和空间分布。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
感谢KIT和巴登-符腾堡州科学、研究与艺术部（MWK）的“州级研究生资助计划”（“Landesgraduiertenf?rderung”）为NFH提供的奖学金。同时感谢EBI水化学与水技术部门的KIT研究实验室和DVGW研究中心的支持。本研究还得到了亥姆霍兹协会“材料系统工程”计划的支持，该计划的主题是“适应性...”
