水處理用平板陶瓷膜團體標準與國家標準的對比分析

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的飛速發展，繼2018年12月1日實施的《蜂窩中空板式陶瓷膜》（T/CCIA0003-2018）團體標準出臺三年后，《水處理用陶瓷膜板》（GB/T 39717-2020）國家標準也于2021年7月1日實施。本文簡單介紹了平板陶瓷膜團體標準與國家標準的制定條件和范圍，詳細闡述了平板陶瓷膜團體標準與國家標準關于平板陶瓷膜的定義、外觀質量和理化性能，并對它們的共性和個性做了較為全面的對比和分析。在團標、國標的規范指導下，平板陶瓷膜材料及其產品將充分發揮其獨特結構及性能優勢，在水處理領域有更加廣闊的應用，平板陶瓷膜產業將會更具廣闊的發展前景；同時，《水回用系統處理技術性能評估指南-第5部分：膜過濾》（ISO 20468：2021（E））國際標準所列舉的一些參數指標均為膜應用過程中的重要參數，值得水處理行業從業者關注和借鑒。

關鍵詞：平板陶瓷膜；國家標準；團體標準；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定性好、耐高溫、化學穩定性優異、機械強度大等優點，被認為是膜領域最具發展前景且近些年發展最為迅速的品種之一，因而陶瓷膜材料分離技術也被視為一種具有廣闊應用前景的水處理技術［1］；但目前國內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構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域的應用。平板陶瓷膜是近十多年來開發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點，又因具有結構簡單、跨膜壓差小、可再生性好、耗能低、服役期長、優異的物理化學性能等諸多優勢，被廣泛應用到膜生物反應器（MBR）、海水淡化預處理、飲用水處理等諸多領域［2］，并在運行過程中取得了良好的使用效果，與此同時相應的標準也應運而生。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年由中國陶瓷工業協會發布實施的《蜂窩中空板式陶瓷膜》（T/CCIA0003-2018）團體標準首次出臺，填補了國內板式陶瓷膜標準的空白，為板式陶瓷膜生產企業提供了規范性的指導。3年后，由國家市場監督管理總局和國家標準化管理委員會發布的《水處理用陶瓷膜板》（GB/T 39717-2020）國家標準面世，這將繼續推動國內平板陶瓷膜產業規范化的發展，并進一步提升行業內產品的整體質量。仔細對比團體標準與國家標準不難發現，無論是技術指標還是術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 平板陶瓷膜團標與國標應用范圍對比

在T/CCIA0003-2018團體標準中，對應用范圍做了如下表述：本標準適用于石油、化工、冶金、煤炭、食品、制藥、環保等行業的過濾、凈化、除菌、除雜等過程用蜂窩中空板式陶瓷膜。在GB/T 39717-2020國家標準中，對應用范圍做了如下表述：本標準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準執行。兩個標準表述內容大同小異，國家標準更加凝練［3-4］，國標側重于液體分離應用，團標則對具體行業的諸如過濾、凈化等更多應用做出了表述。

2 平板陶瓷膜團標與國標術語、定義對比

T/CCIA0003-2018團體標準中，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等原料經一系列特殊工藝制作而成的具有多孔結構的，用于石油、化工、冶金、煤炭、食品、制藥、環保等行業的過濾、凈化、除菌、除雜等過程用的材料，同時標準中定義了邊直度、平整度兩項參數。GB/T 39717-2020國家標準中，對定義有如下表述：陶瓷膜板（ceramic flat membrane），由具有中空孔道結構的陶瓷支撐體和分離膜層構成的一種陶瓷平板，同時標準中定義了純水通量這一項參數。國標中對產品名稱的英文表述更加簡練且符合國際商務中對該產品的習慣性名稱，同時國標對產品的結構做出了明晰的描述而未對構成產品的原料做明確說明。隨著平板陶瓷膜產品的不斷發展，以SiC等非氧化物原料制備的平板陶瓷膜成熟產品也已進入市場，同時可以預計未來像Si3N4、B4C乃至復合物材質的具備特殊功能的平板陶瓷膜材料將會在市場及應用中出現。

3 平板陶瓷膜團標與國標分類、規格與標記對比

T/CCIA0003-2018團體標準中是以產品材質進行的分類，且僅列出了氧化鋯、氧化鋁、氧化鈦三種材質，并列出了常見的尺寸規格，在標記時以材質、型號和規格尺寸等要素構成。GB/T 39717-2020國家標準中則是以標稱孔徑進行分類，也列舉出了常用的尺寸規格，同時在產品標記時以陶瓷膜板英文縮寫、尺寸規格、膜層材質及孔徑等要素構成，符合平板陶瓷膜產品在實際應用時對尺寸、孔徑等重點參數的關注。

4 平板陶瓷膜團標與國標的技術要求對比

4.1 平板陶瓷膜團標與國標的外觀質量對比

GB/T 39717-2020國家標準要求產品表面平整，無肉眼可見的劃痕、裂紋及孔洞。T/CCIA0003-2018團體標準除上述要求外，還要求產品無歪斜、翹角、空鼓、鐵點、塌陷等外觀缺陷，團標列舉出了在產品制造過程中可能出現的更加全面的諸多外觀缺陷。

4.2 平板陶瓷膜團標與國標的尺寸偏差對比

表1為平板陶瓷膜團標與國標分別對尺寸偏差的要求，對比不難發現，國標與團標對長度（L）、厚度（T）的允許偏差是一致的，而國標對寬度、邊直度、平整度三項參數的允許偏差做出了較大調整。

經過平板陶瓷膜產業的不斷發展，產品規格型號也越來越多樣化。隨產品長度及寬度的不同，產品生產過程中對產品尺寸及變形的控制難度也不相同。不同材質的平板陶瓷膜制品會有不同的干燥收縮及燒成收縮，因而反應在最終產品上的尺寸偏差也會不同。直觀來說，產品尺寸越大，其累計變形尺寸及累計收縮尺寸也隨之越大，其結果就是導致邊直度、平整度數值相應越大。國家標準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。

對于產品寬度尺寸的偏差規定，團標允許的偏差值為定值，即±1.0 mm；而國標允許的偏差值則是隨著產品寬度的變動而分段設定相對應的數值，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放寬標準。團標及國標對長度及厚度允許的偏差值規定一致，且標準相對嚴格，這是與平板陶瓷膜產品的生產工藝相關聯的。因為在膜元件封裝使用前，膜片通常會使用切割方式將產品切割到固定長度，因而尺寸相對精準可控，同時因為平板陶瓷膜產品的厚度通常為6、9 mm等，其累計收縮尺寸是相對較小的，因而亦相對可控。

對于邊直度的規定，團標允許的偏差值為定值，即≤1.0 mm；而國標允許的偏差值則是隨著產品的長度變化給予相對應的數值，即≤0.5%，即邊值度會隨著產品長度的增加，其允許的偏差值相應放寬標準。

對于平整度的規定，團標允許的偏差值為定值，即≤0.5 mm；而國標允許的偏差值則是隨著產品的長度、寬度的變化給予相相應的數值，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分，即長度方向≤0.2%、寬度方向≤0.5%。平板陶瓷膜的常規長度通常為1 000、500 mm等，常規寬度通常為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 平板陶瓷膜團標與國標的產品性能指標對比

表2為平板陶瓷膜團標與國標對產品性能指標的對比。團標對顯氣孔率、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個項目進行了規定，而國標僅對彎曲強度、膜層摩氏硬度、耐酸腐蝕性能、耐堿腐蝕性能4個項目進行了規定，并且國標中還對膜層孔徑與純水通量的對應關系做了相應規定，詳情請參考GB/T 39717-2020中的相關技術指標規定，此處不再贅述。通過對比不難發現，團標與國標對產品的性能指標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勢。產品強度及耐酸堿腐蝕性能等技術指標均會顯著影響產品使用壽命及可靠性，更長的產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品特性標注為魯棒性優異（Robustness），用于凸顯產品的使用穩定性及耐久性。目前在平板陶瓷膜的實際應用過程中，存在產品爆裂損毀的事故案例，這一定程度上與產品因燒結強度偏低相關。燒結強度偏低的產品在進行通量再生的過程中會因無法持續耐受反沖壓力而造成產品的爆裂損毀。通常情況下，純水通量與產品強度存在一定的負相關性。生產工藝控制中，產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品顯氣孔率的提升，進而產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品在使用過程中的穩定性及耐久性埋下了隱患，因而我國的團標及國標在產品抗彎強度、耐腐蝕性能方面設置相應技術指標是十分必要的。國標將抗彎曲強度指標的要求提升至≥30 MPa，這將有利于增強國產平板陶瓷膜材料在國際市場中的競爭力，也為陶瓷膜行業提出了一個具備現實意義的課題，即如何在保持產品高強度的同時使產品具備更加優異的通量性能。團標、國標均對強度、耐腐蝕性能指標做出了限定，不同的是團標是對產品經過酸堿腐蝕后的質量損失率做出了限定，國標則是對產品經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，團標還對顯氣孔率、抗壓強度、耐苯酚腐蝕性能、抗熱震性指標做出了限定，國標則對膜層摩氏硬度（即莫氏硬度）做出了限定。

表3簡要列舉了部分國內外平板陶瓷膜產品的性能指標。從表3中可以發現，膜元件尺寸長度通常為1 000、500 mm等，常規寬度通常為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，因而國內外各個廠家為滿足如上文所述的尺寸偏差規定，其產品長度均在1 000 mm以內，寬度均在250 mm以內，同時相對固定的厚度使產品獲得了應用過程中所必須的產品強度指標。從表3中可以發現，材質集中于氧化鋁及碳化硅兩種，因氧化鋁材質從經濟性角度衡量具有更優的性價比，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重要地位。未來市場上或許會出現兼具氧化鋁、碳化硅兩種材質優點的復合陶瓷膜產品，同時可以預計未來像Si3N4、B4C等具備特殊功能的平板陶瓷膜材料將會在市場及應用中出現。從表3中還可以發現，各個廠家的標稱孔徑及運行壓力范圍相對固定。在實際生產中，膜層厚度盡量小且膜層完整、孔徑分布更集中的膜產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能高效，因而是各個生產廠家不斷優化各自產品的目標之一。

5 結束語

1）對比《蜂窩中空板式陶瓷膜》（T/CCIA0003-2018）團體標準與《水處理用陶瓷膜板》（GB/T 39717-2020）國家標準可以發現，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，如雖然同時將產品抗彎曲強度、耐酸堿腐蝕性能等指標納入標準，但對其具體的數值限定則不盡相同。

2）《蜂窩中空板式陶瓷膜》（T/CCIA0003-2018）團體標準及《水處理用陶瓷膜板》（GB/T 39717-2020）國家標準伴隨著平板陶瓷膜產品的發展而相繼面世，都將會是國內平板陶瓷膜發展的歷史見證，同時團標、國標都凝聚了行業內許多專家的辛勤汗水。這些標準的制定和實施提高了整個行業的質量規范，提升了中國平板陶瓷膜產業的自主創新能力和產業競爭力。

3）在上述團標、國標的規范指導下，平板陶瓷膜材料及其產品將充分發揮其獨特結構及性能優勢，相信平板陶瓷膜將會在水處理領域有更加廣闊的應用，平板陶瓷膜產業將會更具廣闊的發展前景。

4）經過筆者反復查閱國內外資料，并未發現國際、歐盟等關于平板陶瓷膜產品的標準，而通過研讀審稿專家推薦的《水回用系統處理技術性能評估指南-第5部分：膜過濾》（ISO 20468：2021（E））國際標準［5］得到了諸多關鍵信息及啟示。該國際標準涵蓋了包含無機、有機材質的微濾、超濾、納濾、反滲透、膜生物反應器（MBR）的水處理用膜材料，列舉出了水處理應用行業中所涉及的一些關鍵性指標，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、清除目標污染物、污堵、反沖洗、化學清洗、功能性要求、非功能性要求等關鍵性參數及性能指標。這些指標從使用者角度給出了詳盡的描述和規范、功能性評估，如基于水質的濁度檢測、基于運行過程的跨膜壓差、通量、過濾反洗周期、出水溫度、電導率及pH值狀態參數檢測。這些參數可用以評估膜污堵及老化，對膜完整性的直接及間接監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、清洗用化學助劑消耗、固體廢物處置、全生命周期成本的測算。該國際標準中所列舉的這些參數指標在團標及國標中均未提及，且均為膜應用過程中的重要參數，值得水處理行業從業者關注和借鑒。

參考文獻

［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平板陶瓷膜的工業化制備與應用展望［J］.凈水技術，2019，38（增刊2）：6-10.

［3］中國陶瓷工業協會.蜂窩中空板式陶瓷膜團體標準：T/CCIA0003-2018［S/OL］.（2018-11-28）［2023-04-06］.http：//www.ccianet.cn/Upload/file/20181128131355_1338.pdf.

［4］國家市場監督管理總局、中國國家標準化管理委員會.水處理用陶瓷膜板國家標準：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.

（責任編輯：姚佳良）