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          國內水處理膜技術標準一覽及分析
          時間:2015-10-14   來源:中國水網   作者:   閱讀次數:2363

          由于我國分離膜行業發展較晚,出臺的國家標準和行業標準較少,其中膜與膜組件標準有21項,與膜產品相關的裝置標準有24項,全部為推薦性標準,除5項為國家標準外,其他均為行業標準,主要是海洋行業標準,為27項。標準作為行業發展的一個重要步驟,起著肯定已有成果、引導行業發展方向的重要作用,具有很強的指導性。因此相關標準的制定對促進膜產業科學化、規范化管理,引導膜產業朝著健康有序的方向發展,推動膜技術廣泛應用起到了重要的技術支撐作用。

          1. 膜產品技術指標膜產品的相關性能指標繁多,主要有分離透過性能、物理性能和化學性能三大類,其中分離透過性能包括:產水量、水通量、純水透過率、截留分子質量(切割分子質量)、截留率、脫鹽率、回收率、最大孔徑、平均孔徑、孔徑分布、孔隙率、氣密性及完整性等;膜物理性能有:結構性能(外觀、膜面積、膜厚、膜絲內外徑)、機械性能(拉伸強度、爆破強度、彎曲強度、柔潤指數、斷裂伸長率)、電性能(荷電性、Zeta電位)、親水性(接觸角)及耐熱性(最高操作溫度);膜化學性能有:化學穩定性(化學相容性)、耐氧化性(短時余氯耐受限度、過氧化氫耐受限度)、耐酸堿性(運行及清洗pH范圍)及耐污染性能等。

          膜分離透過性能反映了濾膜的適用范圍,物理性能和化學性能反映了濾膜的使用條件。膜分離透過性能是膜產品最重要的技術指標,相關研究和測試方法較多,也是現有膜產品標準的主要技術內容,膜物理和化學性能指標除結構性能外,相關標準還是空白。

          2. 膜與膜組件標準分析膜產品按膜分離過程分類為微濾(MF)膜、超濾(UF)膜、納濾(NF)膜、反滲透(RO)膜及離子交換膜等;按膜組件型式分類可分為平板膜、卷式膜、中空纖維膜(柱式、簾式)及管式膜、碟管式膜等。

          2.1 通用標準

          通用標準包括《膜分離技術術語》(GB/T201032006)和《膜組件及裝置型號命名》(GB/T205022006)。其中GB/T201032006標準界定了膜分離領域包括電滲析、反滲透、納濾、超濾、微濾、氣體分離膜及離子交換膜的常用術語,對膜分離技術領域的221條術語進行了定義,適用于膜與膜材料、膜組件、液體分離、氣體分離及其他膜分離過程。GB/T205022006標準規定了膜組件及裝置型號的命名規則,適用于反滲透、納濾、超濾、微濾、氣體分離膜、電滲析及電去離子裝置。

          2.2 反滲透(RO)膜標準

          反滲透膜標準有4:《中空纖維反滲透膜測試方法》(HY/T0491999)、《中空纖維反滲透技術中空纖維反滲透組件》(HY/T054.12001)、《中空纖維反滲透技術中空纖維反滲透組件測試方法》(HY/T054.22001)和《卷式反滲透膜組件測試方法》(HY/T1072008)。HY/T0491999標準規定了中空纖維反滲透膜除鹽率和水通量的測試條件和測試方法,適用于進水為自來水、苦咸水及海水的中空纖維反滲透膜的測試。在測試前要進行試樣制備,將膜絲用環氧樹脂粘結于尼龍管或橡皮塞上,然后將固化的膜樣裝入測試管中在測試裝置上進行測試,但對樣品的制備及測試管的要求沒有做出具體詳細的規定或說明。水通量的測定用量筒和秒表測量,不要求恒溫,測得的數據查表換算成25℃時的數值。標準附錄A給出了中空纖維反滲透膜測試裝置流程圖,附錄B給出了醋酸纖維素膜的水通量溫度校正因子表。HY/T054.12001標準實施要求與HY/T0491999標準和HY/T054.22001標準配套使用,規定了中空纖維反滲透膜組件的技術要求,適用于纖維素材質膜,對產品規格和尺寸(包括接口尺寸)做出了規定。技術要求中,規定了進水水質和水溫。對3種膜(自來水膜、苦咸水膜和海水膜)的初始除鹽率和初始產水量(校正到25)做出了要求,且產水量允許有±10%的誤差范圍。HY/T054.22001標準等效采用了美國材料與試驗協會的標準《反滲透組件性能測試方法》(ASTMD4194:1995)。標準規定了中空纖維反滲透膜組件的測試條件和測試方法,其中自來水和苦咸水膜組件測試的回收率為(60±2)%,海水膜組件測試的回收率為(30±2)%。標準附錄A給出了中空纖維反滲透膜組件測試裝置流程圖。HY/T1072008標準規定了卷式反滲透膜元件脫鹽率、回收率、產水量、水通量、密封泄漏點及氣密性6個參數的測試方法。脫鹽率可按氯化鈉濃度法或電導率法計算。目前,中空纖維反滲透膜已很少見,工程中應用的幾乎全為卷式反滲透膜,但是缺乏對卷式反滲透膜元件性能技術要求做出規定的標準,質檢機構只能根據廠家的標稱值進行質量檢驗,評判尺度不統一。由時代沃頓公司承擔起草的海洋行業標準《卷式聚酰胺復合反滲透膜元件》發布實施后將解決這一問題。

          2.3 納濾(NF)膜標準

          納濾膜標準有1項,即《納濾膜及其元件》(HY/T1132008)。該標準規定了納濾膜及其元件的分類與型號、要求、檢測、檢驗規則等。技術要求規定了在標準條件下納濾膜對于一價離子及二價離子的水通量和脫除率,脫鹽率可按重量法或電導率法測量。一價離子以500mg/LNaCl為測試液,脫除率應不小于30%;二價離子以2000mg/LMgSO4為測試液,脫除率應不小于90%。

          2.4 超濾(UF)膜標準

          超濾膜標準有3:《中空纖維超濾膜測試方法》(HY/T0501999)、《中空纖維超濾膜組件》(HY/T0622002)和《超濾膜及其組件》(HY/T1122008)。HY/T0501999規定了純水透過率、截留分子質量及截留率的測定方法。所用標準物質聚乙二醇測試液濃度定為5000mg/L,操作上不易實現,應該給出一個允許誤差范圍;所用標準物質牛血清蛋白測試液濃度為10003000mg/L,范圍太寬,不科學。關于純水透過率的測試條件,對測試結果有重要影響的測試液溫度及回收率,標準中未做出規定,缺乏嚴格性。HY/T0622002規定了中空纖維超濾膜組件的分類與型號、要求、試驗方法等。其中試驗方法均要求按HY/T0501999的規定操作,但這兩項標準有不對應的地方,例如在HY/T0501999中找不到“外觀檢測”和“滲漏檢測”的規定;另外所用術語也存在不統一,例如HY/T0622002中“純水通量”指標在HY/T0501999中以“純水透過率”表述。HY/T1122008規定了對超濾膜的技術要求,專門規定了用于海水預處理的超濾膜組件的技術要求。純水通量及截留性能試驗方法要求按HY/T0501999的規定執行。另外,規定了完整性檢測、滲漏檢驗及耐壓性能試驗的方法,但后兩者按廠家標稱的最大工作壓力測試,無統一確定的測試壓力規定。耐壓性能試驗要求在標稱的最大跨膜壓差下運行1224h,測試周期過長。

          2.5 微濾(MF)膜標準

          微濾膜標準有6:《微孔濾膜孔性能測定方法》(HY/T0391995)、《中空纖維微孔濾膜測試方法》(HY/T0511999)、《微孔濾膜》(HY/T0532001)、《中空纖維微濾膜組件》(HY/T0612002)、《聚偏氟乙烯微孔濾膜》(HY/T0652002)及《聚丙烯中空纖維微孔膜》(HY/T1102008)。HY/T0391995標準規定了最大孔徑、平均孔徑、孔徑分布及孔隙率等性能指標及其檢測方法。該標準適用于測定平均孔徑為0.120靘多孔膜的最大孔徑(也可用泡點壓力表示)、平均孔徑、孔徑分布及孔隙率,測試對象為膜片。測定裝置采用HY/T0381995規定的CTL-D型膜孔徑測定儀,該裝置為杭州水處理中心自制,不具有通用性。HY/T0511999標準規定了用泡點壓力法測試中空纖維微孔濾膜最大孔徑的方法及水通量(又稱純水透過率)測試方法。HY/T0532001標準規定了微孔濾膜的產品標記、要求、試驗方法等。規定了膜的厚度范圍、親水性和疏水性微孔濾膜泡點壓力及通量值。泡點壓力測定按HY/T0391999規定執行,通量是將濕潤的直徑為47mm的膜片裝在過濾器上在0.09MPa的負壓條件下測得,不要求恒溫,根據實測水溫時的通量值,用溫度校正因子換算成25℃的通量。HY/T0612002標準的基本要求規定了滲漏檢測的測試壓力,技術要求中沒有規定具體的技術指標,不利于檢驗判斷。外觀檢測、滲漏檢測、純水通量和起始泡點壓力測定均按HY/T0511999進行,但HY/T0511999中沒有滲漏檢測,純水通量是以純水透過率表示。存在標準不對應和術語不統一的問題。HY/T0652002標準適用于氣體凈化用的聚偏氟乙烯微孔濾膜。過濾精度分為0.01靘和0.3靘兩種,性能要求中規定了空氣通量、孔隙率和截留率指標值。過濾精度與截留率采用氣溶膠和完整性試驗方法測定,孔隙率用汞壓儀測定。HY/T1102008標準規定了聚丙烯中空纖維微孔膜產品的分類及型號、要求、試驗方法等。分別規定了疏水性膜和親水性膜的最大孔徑、孔隙率、氣體通量。對膜絲的平均直徑和壁厚做出了相應的規定。最大孔徑、純水通量按HY/T0511999規定執行,孔隙率按HY/T0652002規定執行,標準還規定了膜絲平均直徑、壁厚和氣體流量的測量方法。

          2.6 簾式膜標準

          簾式膜標準有1項,即《中空纖維簾式膜組件》(GB/T252792010)。該標準適用于中空纖維簾式微孔濾膜組件和中空纖維簾式超濾膜組件兩類。規定了膜組件的分類與型號、要求、檢測方法、檢驗規則等。對外觀、外形尺寸、無滲漏性及產水量做出了具體要求。產水量的測試條件:自來水,25℃,-0.02MPa。

          2.7 陶瓷微孔濾膜標準

          陶瓷微孔濾膜標準有3:《管式陶瓷微孔濾膜元件》(HY/T0632002)、《管式陶瓷微孔濾膜測試方法》(HY/T0642002)及《陶瓷微孔濾膜組件》(HY/T1042008)。HY/T0632002標準規定了管式陶瓷微孔濾膜元件的外觀、尺寸公差、性能要求、試驗方法及檢驗規則等。性能要求包括:最大孔徑、平均孔徑、孔隙率、純水通量、彎曲強度及耐酸堿性能。性能測試方法按HY/T0642002標準進行。HY/T0642002標準與HY/T0632002配套。HY/T1042008標準規定了陶瓷微孔濾膜組件的分類與型號、要求(包括主要尺寸、使用條件等)、試驗方法及檢驗規則等。

          2.8 離子交換膜標準

          離子交換膜標準有1項,即《電滲析技術異相離子交換膜》(HY/T034.21994),該標準規定了電滲析異相離子交換膜的技術要求、試驗方法及檢驗規則等。指標包括外觀、含水率、交換容量、面電阻及選擇透過率。

          3. 膜產品裝置標準膜產品通過組裝成裝置或設備應用于許多行業,裝置標準的建立促進了膜技術的廣泛應用。反滲透膜產品裝置標準有:《反滲透水處理設備》(GB/T192492003),《反滲透系統膜元件清洗技術規范》(GB/T239542009),《純水機》(CJ/T1682002),《生活垃圾滲濾液碟管式反滲透處理設備》(CJ/T2792008),《反滲透海水淡化裝置》(CB/T37531995),《火電廠反滲透水處理裝置驗收導則》(DL/T9512005),《反滲透裝置》(HCRJ0651999),《環境保護產品技術要求反滲透水處理裝置》(HJ/T2702006),《反滲透裝置完好要求和檢查評定方法》(SJ/T314551994),《飲用純凈水制備系統SRO系列反滲透設備》(HY/T0682002),《膜法水處理反滲透海水淡化工程設計規范》(HY/T0742003);納濾膜產品裝置標準有:《納濾裝置》(HY/T1142008);超濾膜產品裝置標準有:《超濾水處理設備》(CJ/T1702002),《中空纖維超濾裝置》(HY/T0602002),《環境保護產品技術要求超濾裝置》(HJ/T2712006),《火力發電廠超濾水處理裝置驗收導則》(DL/Z9522005),《家用和類似用途超濾凈水機》(QB/T41432010);微濾膜產品裝置標準有:《微濾水處理設備》(CJ/T1692002),《GTL-D型膜孔徑測定儀》(HY/T0381995),《聚偏氟乙烯微孔濾膜折疊式過濾器》(HY/T0662002),《中空纖維微孔濾膜裝置》(HY/T1032008);離子交換膜產品裝置標準有:《電滲析技術電滲析器》(HY/T034.31994),《電去離子膜堆(組件)(HY/T1202008),《環境保護產品技術要求電滲析裝置》(HJ/T3342006)。

          4. 膜技術標準重點內容分析4.1 超濾膜截留性能

          超濾膜的截留性能包括截留分子質量和截留率兩項指標,是超濾膜最重要的分離性能指標。截留率是指超濾膜截留特定溶質占溶液總特定溶質的比率,截留分子質量是指膜對某種特定溶質截留率達到90%以上時的最小分子質量。它們是反映膜孔徑大小和分布的替代參數,決定了超濾膜的分離性能。我國超濾膜的3項標準中,關于截留性能的測試,都采用標準HY/T0501999的方法。在該標準中,規定用于超濾膜截留性能的測量的基準物質為以下幾種:聚乙二醇(分子質量為6000、10000、20000u);細胞色素C(分子質量為13000u);卵清蛋白(分子質量為45000u);牛血清蛋白(分子質量為67000u)。盡管目前已經有較多的基準物質應用于超濾膜截留性能的測試,但是這些化合物并不完全具備超濾膜截留性能檢測用基準物質的特性,不能很好地滿足準確測定超濾膜截留性能的要求。主要存在如下問題:①單一化合物分子質量分布不集中,凝膠色譜測試測得重均/數均分子質量比值(Mw/Mn)>1.1,不適合用作基準物質;②聚乙二醇、聚環氧乙烷及葡聚糖等化合物雖然具備純度高、性質穩定、分子質量分布窄等優點,但是這類化合物的分子構型為線型且濃度隨環境變化而變化,不能確切地表征超濾膜的截留性能,測出的截留率不可靠。③牛血清蛋白和卵清蛋白等蛋白質雖然具有分子質量分布范圍非常小、分子形狀基本呈圓球形等優點,但是蛋白質的球形是非剛性的,容易受到測試條件(如壓力和溫度變化)的影響。另外,可用的蛋白質分子質量只有極少數幾種,而且蛋白質的價格昂貴。更為嚴重的是,牛血清蛋白等蛋白質類物質對膜材料的吸附性強易造成測試結果誤差大,尤其是對于聚砜超濾膜,且這種吸附甚至是不可逆的。④目前,工程中大量應用100000u以上截留分子質量的超濾膜,但測試標準中基準物質的最高分子質量只有67000u,無法滿足測試需要。另外,隨著技術的發展,超濾膜表面改性后可能發生顯著變化,如吸附了功能性物質或者帶有電荷,在此情況下利用傳統的基準物已經不能夠準確測量超濾膜的截留性能?;诂F有基準物質存在的不足及行業對超濾膜截留性能測試的需求,亟待開發性能優良的系列基準物。

          4.2 微濾膜孔徑

          微濾膜的孔徑與膜的分離性能和通量密切相關,是微濾膜最重要的特性表征參數。標準HY/T0511999根據泡點法測定濾膜最大孔徑,但是該方法是建立在膜孔為均勻通直圓孔的假設條件下,所測得的結果與實際相比往往存在誤差。因為微濾膜孔是極其復雜和不規則的,對于微濾膜而言,孔徑是指貫通于膜兩表面的孔通道中最窄細處的通道半徑,即貫通孔的孔頸半徑。另外,測定過程中容易受到潤濕效應、升壓速率、孔的長度、潤濕液與膜材料的親和性等因素的影響,重現性差。為真實地測定微濾膜及組件的孔徑,可借鑒超濾膜截留性能測定方法,配制具有一定粒徑范圍的標準粒子溶液作為原水,通過微濾膜過濾后,用顆粒計數儀測定原水和透過水中不同粒徑的標準顆粒數目,根據微濾膜對標準顆粒的截留情況,可以得到微濾膜組件的孔徑及孔徑分布數據。

          5. 總結

          ①雖然我國膜技術標準發展取得了相當的成果,但標準仍然滯后于行業發展,標準的數量和質量還不能滿足需要。

          ②現有膜技術標準中涉及的性能參數主要為分離透過性能指標,膜物理性能和化學性能指標的相關標準有待建立。

          ③一些早期的標準需要盡快進行修訂。

          ④現有基準物質不能滿足行業對超濾膜截留性能測試的需要,亟待開發性能優良的系列基準物。

          ⑤可研究采用標準粒子法真實地測定微濾膜及組件的孔徑和孔徑分布。

          ⑥標準是膜產品的質量準則和進行膜產品質量監督檢驗的依據,對于我國膜技術標準的發展,建議如下:一是完善標準體系建設。構建一個結構合理、內容完整、重點突出、層次分明的分離膜標準體系框架,引導分離膜標準化工作科學發展;二是深入開展標準基礎研究,提高分離膜標準技術水平;三是制定強制標準,保證分離膜用于飲用水等方面的健康安全;四是加強分離膜產品質量監管,常態化進行國家膜產品質量監督抽查;五是推行膜產品質量認證,實行市場準入;六是加強分離膜標準的宣貫,促進分離膜領域標準化基礎知識的普及和標準對行業的規范作用。

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