水族滤材的标准化定量表征

YuzhaLab 滤材表征协议 v1.0

选择生物过滤滤材时，人们常把问题简化为：它有多大的表面积？这个问题并不完整。一种实用的滤材还应当以可预测的方式与水体相互作用，尽量减少颗粒脱落，并允许水流穿过其多孔本体。YuzhaLab 分别测量这些性质，而不把它们压缩成一个营销式综合评分。

本协议测量什么

这四类结果相互补充，但不会被合并成一个未经验证的综合性能评分。任何一个指标单独使用时，都不能代表硝化能力。

为什么不同表面积数据不能直接比较

表面积并不是一个可以直接观测且始终不变的材料常数。报告值会随测量方法、探针、假设的孔隙模型、孔径范围、样品制备方式及归一化基准而变化。

气体吸附法通常以 BET 比表面积表示，它测量的是特定干态条件下吸附质分子可达的面积。压汞法（MIP）根据非润湿性汞进入连通孔隙所需的压力，推导等效孔径和面积。几何估算则只描述材料可见的外部形状。

这些量回答的是不同问题，不能像可互换的数据一样相加或直接排序。

因此，YuzhaLab 会为每一个面积值注明测量方法、阈值、单位、归一化基准和协议版本。在本框架中，Aᴹᴵᴾ₀.₅ 只有一个明确含义：在等效入口孔喉直径至少为 0.5 μm 的条件下，由 MIP 推导得到的等效可达表面积。

几何估算的外表面积始终作为独立字段保留。使用其他方法得到的厂家标称值可以作为背景信息展示，但除非能够证明其底层方法等效，否则不会被放入同一比较列。

样品与可追溯性

每一项公开结果都必须能够追溯到所购产品、采购批次、实体来源单元、特定协议所用试样，以及对应的实验或仪器运行记录。

产品名称和元数据可以通过有记录的修订进行更正，但标识符、原始测量值和来源记录不会被静默覆盖。

每项协议使用三个相互独立的滤材试样，不会把同一试样的重复读数当作更大的样本量。

产品身份、采购日期、批次信息、制备过程、协议版本、原始数据引用和质量控制状态都会随每一个公开数值一同保留。产品身份未解决或日期互相冲突的记录将保持暂缓状态，不能进入正式跨产品比较。

1. 水化学相互作用 — FM-WC v1.0

FM-WC 用于测量新滤材在按标准程序清洗后，于七天静态浸泡期间是否释放或去除可测物质。淡水和海水分别测试，并各自与使用同一批测试水制备的空白容器比较。

对每一个测量参数 X，核心计算为：

$\Delta X_{\mathrm{net}} = \overline{(X_{\mathrm{media},7d}-X_{0d})} - \overline{(X_{\mathrm{blank},7d}-X_{0d})}$

该结果表示滤材在这项特定七天测试中的空白校正效应。各独立重复结果、空白变化、平均值、标准差、样本数和分析不确定度都会保留。

pH 差值以 ΔpH 报告，但不会被解释为线性的浓度变化。

本协议不代表水族箱的长期运行、成熟生物膜活动、连续换水，也不覆盖所有可能的淡水和海水组成。它测量的是受控条件下的材料—水相互作用，而不是生物过滤能力。

2. 颗粒脱落 — FM-PS v1.0

FM-PS 用于定量测量滤材在七天标准化充气扰动期间释放的颗粒物。它不是抗压强度、抗冲击或运输损伤测试，因此结果不称为“粉碎率”。

经空白校正的颗粒质量为：

$m_{\mathrm{shed},168} = m_{\mathrm{retained,media}} - \overline{m}_{\mathrm{retained,blank}}$

结果以 mg/容器、mg/g 滤材、mg/L 滤材 和 % w/w 保留。完整滤材单元的可见破损会单独拍照和报告，因为大碎片不计入细颗粒滤膜测量。

可选择在 550°C 下对残留物进行分析并作为补充信息报告，但它不能替代以 103–105°C 干燥得到的主要干颗粒结果。

结果描述的是本装置和本扰动条件下的颗粒脱落。它不测量抗压强度、运输耐久性、化学溶解、标称截留范围以下的颗粒，也不能代表各种过滤配置中的长期表现。

3. 滤材本体水力传导率 — FM-HC v1.0

FM-HC 测量水穿过滤材饱和多孔本体的难易程度。测试中会密封或排除中央通孔、滤材单元之间的空隙及夹具边缘泄漏。因此，这项测试不测量水流通过松散堆放滤材篮的能力。

由于商业滤材的几何形状通常不规则，实际流路和暴露面积需要通过实验定义，因此结果称为表观水力传导率。

当一个组件包含多个并联滤材单元时：

$G_A=\sum_i\frac{A_i}{L_i}$

$Q=K^{\mathrm{app}}_T\,G_A\,\Delta h$

主要比较值为 K_app,25，即归一化至 25°C 的表观水力传导率。表观固有渗透率 κ_app 也会保留，用于分离流体密度和黏度的影响。

各项几何测量、所有水头—流量读数、拟合斜率、截距、R²、返回检查偏差和泄漏控制状态都会与结果一同保留。

较高的 K_app,25 表示，在经过验证的达西适用范围内，水更容易穿过滤材本体。它不能预测完整滤材篮的压降、颗粒间空隙中的水流、生物膜生长后的堵塞情况或生物过滤能力。

4. MIP 可达孔隙结构 — FM-MIP v1.0

压汞法（MIP）记录压力升高时，非润湿性汞进入干燥多孔材料的体积。施加压力会换算为 Washburn 等效入口孔喉直径 d_t。

这是由模型推导的干态结构测量，并不是对水体可达性、细菌附着或生物膜面积的直接观测。

Washburn 换算式为：

$d_t=\frac{-4\gamma\cos\theta}{\Delta P}$

配对使用的两个指标为：

$V^{\mathrm{MIP}}_{0.5} = I(\Delta P_{0.5})$

$A^{\mathrm{MIP}}_{0.5} = -\frac{1}{\gamma\cos\theta} \int_{0}^{V^{\mathrm{MIP}}_{0.5}}P\,dV$

Vᴹᴵᴾ₀.₅ 以 mL/g 报告，表示压力尚未超过 0.5 μm 等效入口孔喉所对应压力之前的累计可侵入孔体积。

Aᴹᴵᴾ₀.₅ 以 m²/g 报告，表示由同一条经空白校正的压力—体积曲线推导得到的等效可达表面积。体积指标更接近仪器直接测得的压入量；面积指标还进一步依赖 Washburn 孔隙模型。因此，YuzhaLab 同时公开两者。

以质量归一化的数值是主要测量结果。每升滤材数值使用另行测定的松装堆积密度换算，并且始终与质量归一化数据同时展示，而不是取代后者。

几何外表面积保持独立，绝不与 MIP 推导面积相加。

MIP 只能检测与外部连通且在施加压力下可被汞侵入的孔隙。墨水瓶孔会按其较小的入口孔喉分类；颗粒间空隙可能与内部孔隙范围重叠；高压还可能压缩或损伤脆弱材料。

0.5 μm 是 YuzhaLab 固定的分析边界，并不是通用的细菌尺寸或生物膜边界。这些数值本身不能确定硝化能力，也不能决定某个水族箱所需的滤材用量。

重复设置、质量控制与发布状态

每一个 v1.0 产品结果都基于三个独立试样。同一试样的重复读数可以提高测量精度，但不会增加独立样本数。

公开记录包含各独立结果、平均值、标准差、n、方法版本、质量控制状态和适用的分析不确定度。

在 n=3 时，不会仅因统计判断而自动剔除异常值。只有在泄漏、校准失败、污染、仪器超量程或原始数据文件丢失等已有记录的技术故障使运行失效时，结果才可排除。失败运行及其原因仍保留在内部审计记录中。

未通过必要控制的运行会标记为 QC review 或 invalid，不能进入正式比较。

对于 MIP，重新计算的阈值面积必须与仪器导出的核查值相差不超过 2%；当重复试样间变异超过协议限值时，将暂停排序，并启动调查或重新测试。

历史数据与方法版本管理

YuzhaLab 会把早期滤材报告保留为历史证据，但在 v1.0 协议冻结前产生的结果将标记为 Legacy method。

早期测试使用了不同的水体组成、重复设计、颗粒回收方法、水力梯度和 MIP 记录方式。因此，它们不会与冻结后的 v1.0 协议结果放入同一排序。

每一个公开数值都携带其协议版本。任何可能实质性改变结果的变更，例如水体组成、样品制备、孔隙模型参数、收集滤膜、装置几何结构或计算方法，都必须生成新的方法版本。

既有原始数值会被保留；更正和重新计算通过可审计的修订追加，而不是静默替换原记录。

本协议不能证明什么

这些测量用于表征受控实验室条件下的滤材材料。无论单独或组合使用，它们都不能证明：

• 硝化速率或最大氨处理能力；
• 细菌或成熟生物膜实际定殖的面积；
• 特定水族箱所需的滤材用量；
• 污堵、老化或反复清洗后的长期性能；
• 完整滤材篮中的压降和水流分布；
• 生态安全性、毒性或对所有水生生物的适用性；
• 某种滤材是普遍意义上的“最佳”选择。

这些问题需要额外开展生物负荷挑战试验、成熟生物膜研究、系统级水力测量和长期现场验证。未来的 YuzhaLab 研究可能会把材料性质与这些结果联系起来，但这种关系必须通过证据证明，而不能直接假定。

数据开放

每一份公开产品记录将包含产品与采购批次标识符、测试日期、协议版本、各独立重复结果、汇总统计、质量控制状态、单位、制备细节和适用限制。

在发布权利允许的情况下，还将提供经过清理的原始数据表和计算版本信息供下载。

第三方实验室报告、内部人员信息和未经脱敏的源文件不会被重新公开。YuzhaLab 会用自己的可追溯数据表呈现测量结果，同时在内部保留来源映射。历史结果将在一个明确分隔的历史层中继续提供。

方法学参考资料

• 美国环境保护署（US EPA），Methods for Measuring the Acute Toxicity of Effluents and Receiving Waters to Freshwater and Marine Organisms, 5th ed. (https://www.epa.gov/sites/default/files/2015-08/documents/acute-freshwater-and-marine-wet-manual_2002.pdf)，包括合成淡水的配制方法。
• 经济合作与发展组织（OECD），Guidance Document on Transformation/Dissolution of Metals and Metal Compounds in Aqueous Media (https://www.oecd.org/en/publications/guidance-document-on-transformation-dissolution-of-metals-and-metal-compounds-in-aqueous-media_9789264078451-en.html)，包括无机海水介质。
• US EPA Method 160.2，Residue, Non-Filterable (Gravimetric, Dried at 103–105°C) (https://nepis.epa.gov/Exe/ZyPURL.cgi?Dockey=30000Q10.TXT)。
• US EPA Method 160.4，Residue, Volatile (Gravimetric, Ignition at 550°C) (https://www.epa.gov/sites/default/files/2015-08/documents/method_160-4_1971.pdf)。
• ASTM D2434-26，Standard Test Methods for Laboratory Measurement of Hydraulic Conductivity of Coarse-Grained Soils (https://store.astm.org/d2434-26.html)。
• ISO 17892-11:2019，Geotechnical investigation and testing — Laboratory testing of soil — Part 11: Permeability tests (https://www.iso.org/standard/72016.html)。
• ISO 15901-1:2016，Evaluation of pore size distribution and porosity of solid materials by mercury porosimetry and gas adsorption — Part 1: Mercury porosimetry (https://www.iso.org/standard/56005.html)。
• ASTM D4404-25，Determination of Pore Volume and Pore Volume Distribution of Soil and Rock by Mercury Intrusion Porosimetry (https://store.astm.org/d4404-25.html)。
• Micromeritics，AutoPore 操作手册与计算文档 (https://micromeritics.com/support/autopore/)。

这些资料为 YuzhaLab 各协议中的具体组成部分提供方法学依据。最终形成的测试是面向水族过滤滤材的定制表征方法，不代表已经获得 EPA、OECD、ASTM 或 ISO 认证。

建议引用格式

YuzhaLab. (2026). 水族滤材的标准化定量表征：YuzhaLab 滤材表征协议 v1.0. YuzhaLink. https://yuzha.link/zh/yuzhalab/filter-media/aquarium-filter-media-characterization-protocol