《膜科学与技术》思考题

《膜科学与技术》思考 第一章 导论 1． 什么是膜分离过程，用图加以解释。 答：膜分离过程以选择透过性膜（固体、液体、气体）为分离介质，当膜两侧存在某种推动力时，原料侧的组分选则性地透过膜以达到分离和提纯的目的。 2． 膜分离过程的特点是什么？与传统分离过程相比最明显的优势在哪里？ 答： 1. 是一个高效的分离过程。分离系数高达80。 2. 能耗低。被分离物质不发生相变化，分离过程 通常在常温下进行 。 3. 设备简单，占地面积小，操作十分便捷，可靠度高。 4 放大效应小。设备的规模和处理能力可在很大程度上变化，而效率、设备的单价和运行费用变化不大。 3． 膜分离技术主要的分离过程有哪些？这些过程所分离的对象是属于哪种状态的物质？ 答：反渗透 Reverse Osmosis (RO) : 分离离子 例如：海水脱盐 、纯水制备 超滤 Ultra filtration (UF) ：分离分子 例如：果汁的澄清、含油废水处理 微滤 Micro filtration (MF) ：分离粒子 例如：城市污水处理 气体分离 Gas Permeation (GP) ：分离气体分子 例如：富集氧气、氢气回收 4． 画出膜组件的示意图，标出各物流名称。 5． 膜组件有哪几种形式？ 中空纤维膜组件 (Hollow Fiber Module 螺旋卷式膜组件 (Spiral Wound Module) 管式膜组件 (Tubular Module 平板式膜组件 (Plate and Frame Module) 毛细管式膜组件 (Capillary Module) 6． 60年代，Souriajan –Lone 研制的是什么膜？ 60年代,Lobe 和 Souriajan 共同研制了具有高脱盐率和高透水量的非对称醋酸纤维素(CA)膜,使反渗透过程由转向工业应用.与此同时,这种用相转化技术制备的具有超薄分离皮层膜的新工艺引起了学术和工业界的广泛重视,在它的推动下,随后迅速掀起了一个研究各种分离膜和发展各种膜过程的高潮. 7． RO、UF、GS分别代表哪些膜过程？ RO—表示反渗透过程 UF—表示超滤 GS—表示气体分离过程 第二章 膜材料和膜的制备 1． 选择膜材料要考虑哪些方面的因素？ 答：具有良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸碱性、耐微生物性、耐氧化性。 2． 请你说出你所知道的几种膜材料，并说明该膜材料适合于那些膜过程？ 醋酸纤维素： 制作反渗透膜； 聚酰胺类： 制作超滤膜，耐有机溶剂； 聚砜类： 制作超滤膜和微滤膜，价廉、强度好； 聚丙烯氰： 超滤和微滤膜，亲水性好，水通量大； 聚偏氟乙烯： 耐蚀性好，可耐温138°C ,但机械强度差 3． 常用的制膜有哪两种？Souriajan –Lone 的制膜方法是哪种？ 制备方法： 1. 溶液浇铸法 2. 熔融挤压法 Souriajan –Lone 的制膜方法是 ： 溶液浇铸法 也称为相转化法 4． 请你简要叙述一下制膜的主要步骤。 1 配制一定粘度的均相聚合物溶液 2 利用模具浇铸成各种形状的膜或流 延成薄膜平板膜。 3 溶剂蒸发。(蒸发时间长短决定致密 层的薄厚) 4 将膜沉淀在沉淀液中。 5 膜的后处理。 5． 什么是复合膜？它是对称膜还是非对称膜？ 答：复合膜是分别优选不同的膜材料，致备致密的皮层和多孔支撑层，使它们的功能分别达到最优化的分离膜。 可以用不同的方法制备高交联和带离子性基团的致密膜，从而使膜对无机物特别是有机低分子具有良好的分离性，以及良好的物理化学稳定性和耐压密性。复合膜属于非对称膜。 6． 用哪些指标表征分离膜的性能？分别写出RO /UF/GS三种膜的指标。 反渗透膜： 脱盐率 通量 超滤膜： 截留率 通量 微孔滤膜： 平均孔径 通量 气体分离膜： 分离系数 通量 7． 简要叙述膜的孔径、孔径分布和孔空隙率对选则性和透过性能的影响。 选择性：孔径分布越窄，选择性越好， 透过性：孔径越大透过通量越大，孔隙率越大透过通量越大。 性能优良的膜应具备：窄的孔径分布和高的孔隙率。 第三章 膜分离过程的设计基础 1． 叙述膜传质机理的5个步骤，主要起分离作用的是哪几步？ 1 .高压侧料液中溶质i通过对流传递到膜表 面中去,由于溶剂透过膜,溶质i被截留在边 界层中,其浓度较主体浓度上升,此即浓差 极化现象; 2 .边界层溶液中, 组分 i 溶解或解吸于膜高压 侧表面. 3 .组分i 通过扩散透过表皮层,由于表皮层的分离 作用,浓度继续下降. 4 . 多孔支撑层通常不具有分离作用,仅对渗透过 程形成阻力,因此在多孔支撑层中浓度不变. 5. 组分 i 从低压侧解吸,浓度不变. 由此可见,起分离作用的主要步骤是:1.2.3步 2． 膜内的传质可以用哪三种模型描述？每种模型所适用的过程是什么？ 1）孔模型 设想膜内的孔为毛细管,则流体在其内的流动可 以用下式描述: J v =(εr2/8ητl)Δp 孔模型适用的分离过程: 微滤 超滤 2）微孔扩散模型 当气体通过微孔膜中毛细管时,虽然毛细管有粗有细,有曲有直,但是解释在毛细管中流动的基本原理仍是从单根毛细管着手,气体在毛细管中的流动则可视为Knudsen流动.气体混合物中各组分透过膜的速率不同才有可能达到分离的目的,因而不同分子量的气体透过膜的渗透速是不相同的,可用下式描述: J i=K( p1y1i–p2y2i)/(M i T )1/2 ·l 微孔扩散模型适用的过程:气体分离 3）优先吸附-毛细管流动模型 该模型适用反渗透脱盐 溶剂(水)的流率: J w=A (△P–△( ) 该模型适用反渗透脱盐 3． 膜过程中的“级”和“段”是什么意思？画出“一级一段”“一级三段”“三级一段”的工艺图。 级：透过侧流体作为下一个膜组件的进料，称第一个膜组件为第一级，第二个膜组件为第二级。 段：浓缩测的流体作为下一个膜组件的进料，称第一个膜组件为第一段，第二个膜组件为第二段。 一级一段 一级三段 三级一段 4． 什么是膜孔径的曲折率？它的大小对透过速率有什么影响？ 答：孔径的曲折率=毛细管的长度与膜厚之比, τ =1时,两者相等， 孔径的曲折率与透过通量成反比。 5． 超滤和微滤中影响透过速率的因素有哪些？（用孔模型加以分析） J v =(εr2/8ητl)Δp J v 膜的透过速率 ε 膜的空隙率---------越大则透过速率越大 r 孔径------------------越大则透过速率越大 η 溶液的粘度---------越大则透过速率越小 τ 孔径的曲-越大则透过速率越大折率(毛细管的 长度与膜厚之 比, τ =1时,两者相等)----------- -越大则透过速 率越小 l 膜厚-----------越大则透过速率越小 Δp 膜两侧的渗透压-----------越大则透过速率越大 6． 反渗透过程中，溶液的渗透压越大，则纯水的透过速率越（ 越小 ）。 第四章 气体分离 1． 传统的气体分离过程有哪些？简略描述。 1 深冷分离法： 是把气体经压缩冷却后利用气体的沸点差进行蒸馏从而使不同气体分开.其特点是产品气体的纯度高,缺点是由于深冷和压缩能耗高,该法适合于大规模气体分离过程。 2 吸附分离： 利用吸附剂只吸附特定气体的性质对不同气体进行分离。可分为变温吸附和变压吸附。 3 吸收分离：利用气体在液体中的溶解度不同而达到分离目的过程。 2． 解释名词：Knudsen扩散、Poiseuille流 1 Knudsen 扩散 设: 膜的微孔孔径为： dp 气体分子的平均自由行程为： ( 当: dp << ( 时,气体分子与孔壁纸件的碰撞几率远远大于分子之间的碰撞几率,此时气体透过微孔的传递过程称为Knudsen 扩散,又称为自由分子流(Free molecule flow) 2 Poiseuille流 当dp >> ( 时,气体分子与孔壁之间的碰撞几率远远小于分子之间的碰撞,此时气体通过微孔的传递过程属于粘性流机制,又称为Poiseuille流。 3． 多孔膜的孔径与气体分子平均自由行程满足什么关系有利于分离？ 分离过程应尽可能满足以下条件： 多孔膜的微孔孔径必须小于混合气体中各组分的平均自由行 程( 4． 提高分子平均自由行程的两种方法是什么？ 混合气体的温度足够高,压力应尽可能低,高温低压可以提高 分子的( 值 5． 简要叙述“溶解-扩散”传质过程的步骤。 1） 气体与膜表面接触; 2） 溶解在膜表面 3） 膜两侧产生浓度梯度; 4） 气体分子在膜内产生扩散; 5） 气体分子到达膜的另一侧; 6） 气体分子从膜表面解吸 一般而言,吸附和解吸过程比较快,气体在膜内的扩散较慢,是气体透过膜的控制步骤. 6． 根据“溶解-扩散”模型，气体渗透系数P的大小取决于气体在膜中溶解度系数S和扩散系数D，三者关系是什么？ 根据“溶解—扩散 ”模型： P=S·D 7． 分离系数是如何定义的？ 分离系数( —描述膜对气体的选择能力大小 (=J1/J2 表征膜的分离能力最主要的是P和( 8． 掌握膜法气体分离在工业中的应用，画出简要的工艺。（8类） 第五章 反渗透 1． 解释名词：渗透、反渗透 渗透: 当用半透膜隔开纯溶剂（水）和溶液（盐水）的时候，水透过膜向盐水侧自发流动，其推动力为浓度差，这种现象叫渗透。 反渗透:在膜的溶液侧（盐水）施加外力，当其大于溶液的渗透压时，溶液侧的水透过膜向溶剂侧（水）渗透，推动力为外力与渗透压之差，成为反渗透。 2． 反渗透的传质机理是什么？有几种模型解释？并简要叙述。 1） 溶解-扩散模型 特点： 能定量地描述水和盐的传递，但某些假设条件不切实际，也没有考虑水、盐和膜之间的相互作用 2）优先吸附-毛细孔流动模型 反渗透膜的微孔孔径约为2nm,然而一般无机离子的直径为0.1~0.3nm,水和离子为0.3~0.6nm,都明显小于膜上的孔径,因此,筛分作用无法解释反渗透的机理。醋酸纤维素为高度有序的亲水性高分子材料,与无机盐的稀水溶液接触时,水被优先吸附在膜的表面,形成纯水层。无机离子受到排斥不能进纯水层，离子的价数愈高，所受到的排斥愈强。醋酸纤维素膜表面吸附的纯水层厚度为1nm，在外力的作用下，当膜表面的有效孔径等于或小于2个纯水层厚度t时，即：孔径≤2t时，透过孔的将是纯水，当孔径>2t时，溶质将透过膜。孔径愈大，离子泄漏愈多。因此，当孔径=2t时，能得到最大的纯水透过量。这一孔径称为临界孔径。显然膜表面的物化性质（亲水或疏水性）和适宜的膜孔径是实现反渗透的必要条件 3． 什么是浓差极化？ 由于在反渗透过程中，大部分溶质被截留，溶质（盐）在膜表面附近积累，从主体料液到膜表面建立起有浓度梯度的浓度边界层，这种现象称为浓差极化 4． 浓差极化对反渗透有哪些影响? ① 使膜表面的浓度升高，溶液的渗透压增加，当操作压力一定时，有效推动力降低，使渗透通量下降。 ②膜表面的溶质浓度高于溶解度时，在膜表面会形成结晶沉淀，透过膜的阻力增加，为避免结晶出现，料液的浓度要有一定的限制。 ③膜表面的沉积层或凝胶层的形成会改变膜的分离性能。 5． 如何减弱浓差极化对反渗透的影响？ ①提高料液的流率 ②增强料液的湍流程度 ③提高操作温度 ④对膜进行定期清洗 6． 请你说出常用的反渗透膜材料有哪些？ 醋酸纤维素 CA 芳香族聚酰胺 a-PA 7． 用相转化法制备分离膜，制膜液由哪三部分组成？ 1）溶剂 2)聚合物 3) 添加剂 8． 反渗透进行水处理时,常见的膜污染有哪几种?,用什么方法改善? 9． 设计纯水制备工艺流程中RO系统的排列。 第6章 超滤和微滤 1. 超滤、微滤和反渗透各自的分离对象是什么？ 超滤-----分子 微滤-----粒子 反渗透-----离子 2. 超滤的分离机理是什么？可以用什么模型解释其分离过程？ 筛分机理(孔模型) Hagen-Poiseuille定律 J=(εr2/8ητl)△P 3. 超滤膜的污染形式有哪几种？ 表面覆盖 孔道阻塞 4. 如何保存超滤膜？ 湿法: 水:甘油:甲醛=79.5:20:0.5 干法: 50%甘油水溶液浸泡数天 0.2%的十二烷基磺酸钠浸泡5-6天. 5. 超滤技术的应用领域由哪些？ 6. 微滤膜的性能参数由哪些？ 1 分离效率——是微滤膜选择能力的最重要的特性，受控于膜的孔径和孔径分布。 2 空隙率——它决定了膜的通透能力。大约1平方厘米的膜面积 有107～1011个孔，空隙率达70%，微滤膜与同等孔径的滤纸 相比过滤速度快40倍。这一数据说明微滤膜的空隙率要比滤纸 高得多。 ③ 膜厚——大多数的膜厚度为90～150μm，仅仅是普通过滤介 质的十分之一,过滤阻力小,对于价格昂贵的液体或稀有的液体,过滤介质吸附的量较少。 7. 微滤膜有哪几种操作流型？各自的特点是什么？ 1 并流操作(无流动) ② 错流操作 8. 微滤技术的应用领域有哪些？ 第七章 其他膜分离技术 1. 简述透析的基本原理 利用具有一定孔径大小的使大分子溶质不能透过的亲水膜将含有大分子与小子的溶液与纯水或缓冲溶液分割，由于膜两侧的浓度不同，在浓度差作用下，小分子透过膜，大分子被截留，这种分离称为透析。 2. 简述透析分离过程的特点 1） 适用于使用外力（压力）作为推动力系统本身有局限性时，当系统自身具有足够高的浓度差时。 2） 透析速度较慢，效率低，选择性不高。对于化学性质、大小相近的溶质体系很难采用透析分离，起发展收到限制，逐渐被借助外力驱动的电渗析、超滤所取代，应用范围日渐缩小。 3） 目前最大的应用市场是血液透析，其次是工业废水中废酸废碱的回收。在其次是生物领域中蛋白质脱盐。 3. 常用的脱盐方法有哪些？ 离子交换法、电渗析、反渗透、蒸馏 4. 简述渗透蒸发的基本原理 渗透蒸发是以液体混合物中组分的蒸气压差为推动力，利用组分通过膜的溶解和扩散速率的不同实现分离法人过程。所采用的膜为疏水膜，疏水性强的组分透过膜。 5. 提高渗透蒸发推动力的方法有哪些？ 1） 提高料也温度，增加蒸气压差 2） 低压侧抽真空 3） 低压侧冷凝 4） 惰性气体吹扫法 5） 溶剂吸收法 6. 什么是膜反应器? 按反应体系可以分为几类？ 是依靠膜的分离功能改变反应进程，提高反应效率的设备或系统。它是膜分离过程与化学反应或生物反应相结合的过程。这些组合使产物实现原位分离，反应物控制输入、分离与反应的耦合、反应的强化、浓缩一体化的过程。 7. 膜在反应器中的主要功能是什么？ 1） 起分离功能 2） 起载体功能 综合题 1. 膜分离技术包含哪些膜过程，其分离目的，推动力，传质机理和膜的性质是什么？请制成表格叙述。 2. 通过本课程的学习，请你说出反渗透、超滤、微滤、气体分离、透析、电渗析的典型应用，每个膜过程不得少于三种。 3. 根据你的了解，目前市场上用作膜材料的主要高聚物有哪些？ 4. 膜分离技术按照应用领域可以大致划分为几类？是哪几类？ 5. 新型膜分离技术的主要研究方向是什么？ 6. 膜分离技术在我国工业应用市场占有率最高的是哪种膜过程？ 7. 通过本课程的学习，你认为新型膜材料的研制与膜分离装置的开发哪个更重要？ 8. 写出与本课程相关的专业英文词汇至少50个。 1 16