水處理用平板陶瓷膜團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn)的對比分析

馬寧 李泉 樊震坤 張偉 孟凡朋 張超

摘 要：近些年來，隨著水處理用平板陶瓷膜行業(yè)的飛速發(fā)展，繼2018年12月1日實施的《蜂窩中空板式陶瓷膜》（T/CCIA0003-2018）團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)出臺三年后，《水處理用陶瓷膜板》（GB/T 39717-2020）國家標(biāo)準(zhǔn)也于2021年7月1日實施。本文簡單介紹了平板陶瓷膜團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn)的制定條件和范圍，詳細(xì)闡述了平板陶瓷膜團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于平板陶瓷膜的定義、外觀質(zhì)量和理化性能，并對它們的共性和個性做了較為全面的對比和分析。在團(tuán)標(biāo)、國標(biāo)的規(guī)范指導(dǎo)下，平板陶瓷膜材料及其產(chǎn)品將充分發(fā)揮其獨特結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)勢，在水處理領(lǐng)域有更加廣闊的應(yīng)用，平板陶瓷膜產(chǎn)業(yè)將會更具廣闊的發(fā)展前景；同時，《水回用系統(tǒng)處理技術(shù)性能評估指南-第5部分：膜過濾》（ISO 20468：2021（E））國際標(biāo)準(zhǔn)所列舉的一些參數(shù)指標(biāo)均為膜應(yīng)用過程中的重要參數(shù)，值得水處理行業(yè)從業(yè)者關(guān)注和借鑒。

關(guān)鍵詞：平板陶瓷膜；國家標(biāo)準(zhǔn)；團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)；水處理

無機膜材料通常是由陶瓷、多孔玻璃、金屬、金屬氧化物、沸石等材料通過特殊工藝加工制造而成，其中的陶瓷膜材料因其熱穩(wěn)定性好、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異、機械強度大等優(yōu)點，被認(rèn)為是膜領(lǐng)域最具發(fā)展前景且近些年發(fā)展最為迅速的品種之一，因而陶瓷膜材料分離技術(shù)也被視為一種具有廣闊應(yīng)用前景的水處理技術(shù)［1］；但目前國內(nèi)外市場中占比較高的多是管式陶瓷膜，管式陶瓷膜的工藝特性及結(jié)構(gòu)特性會使其跨膜壓差大、能耗大、運行成本高、裝填密度低、不易再生，這些特性在一定程度上限制了其在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。平板陶瓷膜是近十多年來開發(fā)出的一種新型陶瓷膜材料，兼具有機膜和管式陶瓷膜的諸多優(yōu)點，又因具有結(jié)構(gòu)簡單、跨膜壓差小、可再生性好、耗能低、服役期長、優(yōu)異的物理化學(xué)性能等諸多優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用到膜生物反應(yīng)器（MBR）、海水淡化預(yù)處理、飲用水處理等諸多領(lǐng)域［2］，并在運行過程中取得了良好的使用效果，與此同時相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)運而生。平板陶瓷膜元件如圖1所示，平板陶瓷膜組件如圖2所示。

2018年由中國陶瓷工業(yè)協(xié)會發(fā)布實施的《蜂窩中空板式陶瓷膜》（T/CCIA0003-2018）團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)首次出臺，填補了國內(nèi)板式陶瓷膜標(biāo)準(zhǔn)的空白，為板式陶瓷膜生產(chǎn)企業(yè)提供了規(guī)范性的指導(dǎo)。3年后，由國家市場監(jiān)督管理總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布的《水處理用陶瓷膜板》（GB/T 39717-2020）國家標(biāo)準(zhǔn)面世，這將繼續(xù)推動國內(nèi)平板陶瓷膜產(chǎn)業(yè)規(guī)范化的發(fā)展，并進(jìn)一步提升行業(yè)內(nèi)產(chǎn)品的整體質(zhì)量。仔細(xì)對比團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn)不難發(fā)現(xiàn)，無論是技術(shù)指標(biāo)還是術(shù)語定義都存在較多不同之處，本文對它們的共性和個性做了較為全面的對比和分析。

1 平板陶瓷膜團(tuán)標(biāo)與國標(biāo)應(yīng)用范圍對比

在T/CCIA0003-2018團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)中，對應(yīng)用范圍做了如下表述：本標(biāo)準(zhǔn)適用于石油、化工、冶金、煤炭、食品、制藥、環(huán)保等行業(yè)的過濾、凈化、除菌、除雜等過程用蜂窩中空板式陶瓷膜。在GB/T 39717-2020國家標(biāo)準(zhǔn)中，對應(yīng)用范圍做了如下表述：本標(biāo)準(zhǔn)適用于水處理用陶瓷膜板，其他液體分離用陶瓷膜板也可參照本標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。兩個標(biāo)準(zhǔn)表述內(nèi)容大同小異，國家標(biāo)準(zhǔn)更加凝練［3-4］，國標(biāo)側(cè)重于液體分離應(yīng)用，團(tuán)標(biāo)則對具體行業(yè)的諸如過濾、凈化等更多應(yīng)用做出了表述。

2 平板陶瓷膜團(tuán)標(biāo)與國標(biāo)術(shù)語、定義對比

T/CCIA0003-2018團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)中，其定義有如下表述：蜂窩中空板式陶瓷膜（honey comb insulating plate-type ceramic membrane），是以 Al2O3，ZrO2和 TiO2等原料經(jīng)一系列特殊工藝制作而成的具有多孔結(jié)構(gòu)的，用于石油、化工、冶金、煤炭、食品、制藥、環(huán)保等行業(yè)的過濾、凈化、除菌、除雜等過程用的材料，同時標(biāo)準(zhǔn)中定義了邊直度、平整度兩項參數(shù)。GB/T 39717-2020國家標(biāo)準(zhǔn)中，對定義有如下表述：陶瓷膜板（ceramic flat membrane），由具有中空孔道結(jié)構(gòu)的陶瓷支撐體和分離膜層構(gòu)成的一種陶瓷平板，同時標(biāo)準(zhǔn)中定義了純水通量這一項參數(shù)。國標(biāo)中對產(chǎn)品名稱的英文表述更加簡練且符合國際商務(wù)中對該產(chǎn)品的習(xí)慣性名稱，同時國標(biāo)對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)做出了明晰的描述而未對構(gòu)成產(chǎn)品的原料做明確說明。隨著平板陶瓷膜產(chǎn)品的不斷發(fā)展，以SiC等非氧化物原料制備的平板陶瓷膜成熟產(chǎn)品也已進(jìn)入市場，同時可以預(yù)計未來像Si3N4、B4C乃至復(fù)合物材質(zhì)的具備特殊功能的平板陶瓷膜材料將會在市場及應(yīng)用中出現(xiàn)。

3 平板陶瓷膜團(tuán)標(biāo)與國標(biāo)分類、規(guī)格與標(biāo)記對比

T/CCIA0003-2018團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)中是以產(chǎn)品材質(zhì)進(jìn)行的分類，且僅列出了氧化鋯、氧化鋁、氧化鈦三種材質(zhì)，并列出了常見的尺寸規(guī)格，在標(biāo)記時以材質(zhì)、型號和規(guī)格尺寸等要素構(gòu)成。GB/T 39717-2020國家標(biāo)準(zhǔn)中則是以標(biāo)稱孔徑進(jìn)行分類，也列舉出了常用的尺寸規(guī)格，同時在產(chǎn)品標(biāo)記時以陶瓷膜板英文縮寫、尺寸規(guī)格、膜層材質(zhì)及孔徑等要素構(gòu)成，符合平板陶瓷膜產(chǎn)品在實際應(yīng)用時對尺寸、孔徑等重點參數(shù)的關(guān)注。

4 平板陶瓷膜團(tuán)標(biāo)與國標(biāo)的技術(shù)要求對比

4.1 平板陶瓷膜團(tuán)標(biāo)與國標(biāo)的外觀質(zhì)量對比

GB/T 39717-2020國家標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)品表面平整，無肉眼可見的劃痕、裂紋及孔洞。T/CCIA0003-2018團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)除上述要求外，還要求產(chǎn)品無歪斜、翹角、空鼓、鐵點、塌陷等外觀缺陷，團(tuán)標(biāo)列舉出了在產(chǎn)品制造過程中可能出現(xiàn)的更加全面的諸多外觀缺陷。

4.2 平板陶瓷膜團(tuán)標(biāo)與國標(biāo)的尺寸偏差對比

表1為平板陶瓷膜團(tuán)標(biāo)與國標(biāo)分別對尺寸偏差的要求，對比不難發(fā)現(xiàn)，國標(biāo)與團(tuán)標(biāo)對長度（L）、厚度（T）的允許偏差是一致的，而國標(biāo)對寬度、邊直度、平整度三項參數(shù)的允許偏差做出了較大調(diào)整。

經(jīng)過平板陶瓷膜產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品規(guī)格型號也越來越多樣化。隨產(chǎn)品長度及寬度的不同，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品尺寸及變形的控制難度也不相同。不同材質(zhì)的平板陶瓷膜制品會有不同的干燥收縮及燒成收縮，因而反應(yīng)在最終產(chǎn)品上的尺寸偏差也會不同。直觀來說，產(chǎn)品尺寸越大，其累計變形尺寸及累計收縮尺寸也隨之越大，其結(jié)果就是導(dǎo)致邊直度、平整度數(shù)值相應(yīng)越大。國家標(biāo)準(zhǔn)便是將此類實際情況納入考量，從而形成了更加合理的尺寸允許偏差要求。

對于產(chǎn)品寬度尺寸的偏差規(guī)定，團(tuán)標(biāo)允許的偏差值為定值，即±1.0 mm；而國標(biāo)允許的偏差值則是隨著產(chǎn)品寬度的變動而分段設(shè)定相對應(yīng)的數(shù)值，即隨著寬度尺寸的增加，其累計收縮尺寸隨之越大，因而寬度允許偏差值也相應(yīng)放寬標(biāo)準(zhǔn)。團(tuán)標(biāo)及國標(biāo)對長度及厚度允許的偏差值規(guī)定一致，且標(biāo)準(zhǔn)相對嚴(yán)格，這是與平板陶瓷膜產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝相關(guān)聯(lián)的。因為在膜元件封裝使用前，膜片通常會使用切割方式將產(chǎn)品切割到固定長度，因而尺寸相對精準(zhǔn)可控，同時因為平板陶瓷膜產(chǎn)品的厚度通常為6、9 mm等，其累計收縮尺寸是相對較小的，因而亦相對可控。

對于邊直度的規(guī)定，團(tuán)標(biāo)允許的偏差值為定值，即≤1.0 mm；而國標(biāo)允許的偏差值則是隨著產(chǎn)品的長度變化給予相對應(yīng)的數(shù)值，即≤0.5%，即邊值度會隨著產(chǎn)品長度的增加，其允許的偏差值相應(yīng)放寬標(biāo)準(zhǔn)。

對于平整度的規(guī)定，團(tuán)標(biāo)允許的偏差值為定值，即≤0.5 mm；而國標(biāo)允許的偏差值則是隨著產(chǎn)品的長度、寬度的變化給予相相應(yīng)的數(shù)值，同時對長度方向及寬度方向所允許的平整度要求做出了更加合理的區(qū)分，即長度方向≤0.2%、寬度方向≤0.5%。平板陶瓷膜的常規(guī)長度通常為1 000、500 mm等，常規(guī)寬度通常為145、160、250 mm等，長度方向的累計變形尺寸將明顯大于寬度方向的累計尺寸，因此長度方向的平整度允許偏差值小于寬度方向的平整度允許偏差值是相對合理的。

4.3 平板陶瓷膜團(tuán)標(biāo)與國標(biāo)的產(chǎn)品性能指標(biāo)對比

表2為平板陶瓷膜團(tuán)標(biāo)與國標(biāo)對產(chǎn)品性能指標(biāo)的對比。團(tuán)標(biāo)對顯氣孔率、抗壓強度、抗彎強度、耐酸度、耐堿度、耐苯酚腐蝕性能、抗熱震性7個項目進(jìn)行了規(guī)定，而國標(biāo)僅對彎曲強度、膜層摩氏硬度、耐酸腐蝕性能、耐堿腐蝕性能4個項目進(jìn)行了規(guī)定，并且國標(biāo)中還對膜層孔徑與純水通量的對應(yīng)關(guān)系做了相應(yīng)規(guī)定，詳情請參考GB/T 39717-2020中的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定，此處不再贅述。通過對比不難發(fā)現(xiàn)，團(tuán)標(biāo)與國標(biāo)對產(chǎn)品的性能指標(biāo)的要求差別還是比較大的。

眾所周知，無機陶瓷膜材料相較有機膜成本較高，而無機陶瓷膜材料在惡劣工況下具有優(yōu)勢。產(chǎn)品強度及耐酸堿腐蝕性能等技術(shù)指標(biāo)均會顯著影響產(chǎn)品使用壽命及可靠性，更長的產(chǎn)品服役周期意味著更低的投入成本。國際某知名平板陶瓷膜廠商將其產(chǎn)品特性標(biāo)注為魯棒性優(yōu)異（Robustness），用于凸顯產(chǎn)品的使用穩(wěn)定性及耐久性。目前在平板陶瓷膜的實際應(yīng)用過程中，存在產(chǎn)品爆裂損毀的事故案例，這一定程度上與產(chǎn)品因燒結(jié)強度偏低相關(guān)。燒結(jié)強度偏低的產(chǎn)品在進(jìn)行通量再生的過程中會因無法持續(xù)耐受反沖壓力而造成產(chǎn)品的爆裂損毀。通常情況下，純水通量與產(chǎn)品強度存在一定的負(fù)相關(guān)性。生產(chǎn)工藝控制中，產(chǎn)品較低的強度意味著坯體的致密度降低，而較低的致密度則意味著產(chǎn)品顯氣孔率的提升，進(jìn)而產(chǎn)品將獲得更高的純水通量；然而，一味的通過降低制品強度而獲得高通量無疑為產(chǎn)品在使用過程中的穩(wěn)定性及耐久性埋下了隱患，因而我國的團(tuán)標(biāo)及國標(biāo)在產(chǎn)品抗彎強度、耐腐蝕性能方面設(shè)置相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)是十分必要的。國標(biāo)將抗彎曲強度指標(biāo)的要求提升至≥30 MPa，這將有利于增強國產(chǎn)平板陶瓷膜材料在國際市場中的競爭力，也為陶瓷膜行業(yè)提出了一個具備現(xiàn)實意義的課題，即如何在保持產(chǎn)品高強度的同時使產(chǎn)品具備更加優(yōu)異的通量性能。團(tuán)標(biāo)、國標(biāo)均對強度、耐腐蝕性能指標(biāo)做出了限定，不同的是團(tuán)標(biāo)是對產(chǎn)品經(jīng)過酸堿腐蝕后的質(zhì)量損失率做出了限定，國標(biāo)則是對產(chǎn)品經(jīng)過酸堿腐蝕后的彎曲強度及膜層摩氏硬度做出了限定；此外，團(tuán)標(biāo)還對顯氣孔率、抗壓強度、耐苯酚腐蝕性能、抗熱震性指標(biāo)做出了限定，國標(biāo)則對膜層摩氏硬度（即莫氏硬度）做出了限定。

表3簡要列舉了部分國內(nèi)外平板陶瓷膜產(chǎn)品的性能指標(biāo)。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，膜元件尺寸長度通常為1 000、500 mm等，常規(guī)寬度通常為145、160、250 mm等。工藝方面因平板陶瓷膜材料在干燥及燒成時會伴隨顯著收縮，因而國內(nèi)外各個廠家為滿足如上文所述的尺寸偏差規(guī)定，其產(chǎn)品長度均在1 000 mm以內(nèi)，寬度均在250 mm以內(nèi)，同時相對固定的厚度使產(chǎn)品獲得了應(yīng)用過程中所必須的產(chǎn)品強度指標(biāo)。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，材質(zhì)集中于氧化鋁及碳化硅兩種，因氧化鋁材質(zhì)從經(jīng)濟(jì)性角度衡量具有更優(yōu)的性價比，且在工藝制造中對燒成溫度、燒成氣氛等要求較碳化硅材質(zhì)更低，因而被廣泛選擇。但從性能方面衡量，碳化硅良好的親水性使得其相較于氧化鋁膜元件具備更大的通量，因而也在平板膜陶瓷市場上占據(jù)重要地位。未來市場上或許會出現(xiàn)兼具氧化鋁、碳化硅兩種材質(zhì)優(yōu)點的復(fù)合陶瓷膜產(chǎn)品，同時可以預(yù)計未來像Si3N4、B4C等具備特殊功能的平板陶瓷膜材料將會在市場及應(yīng)用中出現(xiàn)。從表3中還可以發(fā)現(xiàn)，各個廠家的標(biāo)稱孔徑及運行壓力范圍相對固定。在實際生產(chǎn)中，膜層厚度盡量小且膜層完整、孔徑分布更集中的膜產(chǎn)品則具有更小的跨膜壓差，這意味著運行壓力更低即更加節(jié)能高效，因而是各個生產(chǎn)廠家不斷優(yōu)化各自產(chǎn)品的目標(biāo)之一。

5 結(jié)束語

1）對比《蜂窩中空板式陶瓷膜》（T/CCIA0003-2018）團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)與《水處理用陶瓷膜板》（GB/T 39717-2020）國家標(biāo)準(zhǔn)可以發(fā)現(xiàn)，既存在共同之處，如對長度（L）、厚度（T）的允許偏差值相同等，亦存在諸多不同之處，如雖然同時將產(chǎn)品抗彎曲強度、耐酸堿腐蝕性能等指標(biāo)納入標(biāo)準(zhǔn)，但對其具體的數(shù)值限定則不盡相同。

2）《蜂窩中空板式陶瓷膜》（T/CCIA0003-2018）團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)及《水處理用陶瓷膜板》（GB/T 39717-2020）國家標(biāo)準(zhǔn)伴隨著平板陶瓷膜產(chǎn)品的發(fā)展而相繼面世，都將會是國內(nèi)平板陶瓷膜發(fā)展的歷史見證，同時團(tuán)標(biāo)、國標(biāo)都凝聚了行業(yè)內(nèi)許多專家的辛勤汗水。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定和實施提高了整個行業(yè)的質(zhì)量規(guī)范，提升了中國平板陶瓷膜產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競爭力。

3）在上述團(tuán)標(biāo)、國標(biāo)的規(guī)范指導(dǎo)下，平板陶瓷膜材料及其產(chǎn)品將充分發(fā)揮其獨特結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)勢，相信平板陶瓷膜將會在水處理領(lǐng)域有更加廣闊的應(yīng)用，平板陶瓷膜產(chǎn)業(yè)將會更具廣闊的發(fā)展前景。

4）經(jīng)過筆者反復(fù)查閱國內(nèi)外資料，并未發(fā)現(xiàn)國際、歐盟等關(guān)于平板陶瓷膜產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，而通過研讀審稿專家推薦的《水回用系統(tǒng)處理技術(shù)性能評估指南-第5部分：膜過濾》（ISO 20468：2021（E））國際標(biāo)準(zhǔn)［5］得到了諸多關(guān)鍵信息及啟示。該國際標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了包含無機、有機材質(zhì)的微濾、超濾、納濾、反滲透、膜生物反應(yīng)器（MBR）的水處理用膜材料，列舉出了水處理應(yīng)用行業(yè)中所涉及的一些關(guān)鍵性指標(biāo)，針對平板陶瓷膜所歸屬的微濾/超濾膜（MF/UF）列舉出了跨膜壓差、清除目標(biāo)污染物、污堵、反沖洗、化學(xué)清洗、功能性要求、非功能性要求等關(guān)鍵性參數(shù)及性能指標(biāo)。這些指標(biāo)從使用者角度給出了詳盡的描述和規(guī)范、功能性評估，如基于水質(zhì)的濁度檢測、基于運行過程的跨膜壓差、通量、過濾反洗周期、出水溫度、電導(dǎo)率及pH值狀態(tài)參數(shù)檢測。這些參數(shù)可用以評估膜污堵及老化，對膜完整性的直接及間接監(jiān)控也是功能性評估的重要手段。非功能性評估包括如能源消耗、清洗用化學(xué)助劑消耗、固體廢物處置、全生命周期成本的測算。該國際標(biāo)準(zhǔn)中所列舉的這些參數(shù)指標(biāo)在團(tuán)標(biāo)及國標(biāo)中均未提及，且均為膜應(yīng)用過程中的重要參數(shù)，值得水處理行業(yè)從業(yè)者關(guān)注和借鑒。

參考文獻(xiàn)

［1］REDDY K K，SUBRAMANIAN R， KAWAKATSU T， et al. Decolorization of vegetable oils by membrane processing［J］.Eur Food Res Technol，2001，213：212-218.

［2］張偉，樊震坤，楊東亮，等.Al2O3平板陶瓷膜的工業(yè)化制備與應(yīng)用展望［J］.凈水技術(shù)，2019，38（增刊2）：6-10.

［3］中國陶瓷工業(yè)協(xié)會.蜂窩中空板式陶瓷膜團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)：T/CCIA0003-2018［S/OL］.（2018-11-28）［2023-04-06］.http：//www.ccianet.cn/Upload/file/20181128131355_1338.pdf.

［4］國家市場監(jiān)督管理總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.水處理用陶瓷膜板國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T39717-2020［S/OL］.（2020-12-14）［2023-04-06］.http：//c.gb688.cn/bzgk/gb/showGb？type=online&hcno=B7004244331829046693258741EE9AF8.

［5］ISO copyright office. Guidelines for performance evaluation of treatment technologies for water reuse systems-Part 5： Membrane filtration［S］. Switzerland：ISO copyright office， 2021.

（責(zé)任編輯：姚佳良）