膜技术习题

绪论
了解膜的发展历史
我国汉代的《淮南子》已有制豆腐的记叙，后来，人们又知道了制豆腐皮、薄粉等方法。

这可以说是人类利用天然物制得食用“人工薄膜”的最早记载。

早在2000年前，人们在酿造、烹饪、炼丹和制药的实践中，就利用了天然生物膜的分离特性。

古籍中提到“弊箪淡卤”和“海井”淡化海水等记载。

我国的膜技术没有得到应有的发展，出现很早但重视和深化程度不够。

早在1748年，Nelkt就从水能自发地扩散穿过猪膀胱进入酒精的事例中发现了渗透现象; 1854年，发现了透析现象，并开始重视膜的研究和应用，最初主要使用的是动物膜; 1864年，Traube制得历史上第一张人工膜──亚铁氰化铜膜;
1925年德国成立了世界第一个滤膜公司——赛多利斯（Sartorius），实现膜的工业化；1953年，美国Reid等人首先发现了醋酸纤维素有特殊的半透性质，并对其透水性能加以研究、改进；1960年，制得首张高性能、非对称性醋酸纤维素反渗透膜，用于海水及咸水的淡化；
20世纪60年代以来，超滤膜、微滤膜、反渗透膜和气体分离膜生产实现工业化，并进入实用化阶段；遍及海水淡化、环境保护、石油化工、生物、医药、食品、电子等领域，获得巨大经济效益和社会效益。

如果将20世纪50年代初视为膜科学技术研究的起点，截止现在，其发展可分为三个阶段：
①50年代为奠定基础阶段；（研究发现）
②60年代和70年代为发展阶段，（发现发展）
③80年代至今为发展深化阶段。

（开发利用）
膜是如何定义的？
“膜”是两相之间的不连续区间。

膜的分类方法有哪些？分别是如何分类的？
按材料（天然膜、合成膜）
按结构（多孔膜、非多孔膜和液膜）
按功能（分离、能量转化和生物）
按用途（气相系统用膜、气-液系统等）
按作用机理（吸附性膜、扩散性、离子交换等）
按膜的形状：平板膜、管式膜、中空纤维膜和蜂窝状膜
按膜的荷电：可分为荷电膜和非荷电膜
膜技术的优缺点有哪些？
优点：
①高效，简单实用
②集成度高，占地少
③应用范围广
④节能（多数无相变）
⑤附加值高
⑥易放大，可专一配膜
⑦无毒，无公害，无污染，零排放
⑧重要
缺点：
①在操作中膜面会发生污染，使膜性能降低，故有必要采用与工艺相适应的膜面清洗方法;
②从目前获得的膜性能来看，其耐药性、耐热性、耐溶剂能力都是有限的，故使用范围受限;
③单独采用膜分离技术效果有限，因此往往都将膜分离工艺与其他分离工艺组合起来使用。

膜技术主要应用在哪几个方面？
①分离
微滤、超滤、反渗透、电渗析、气体分离、渗透汽化、渗析等
②控制释放
治疗装置，药物释放装置，农药持续释放，人工器官等
③膜反应器
酶和催化剂反应器，生物反应传感装置等
④能量转换
电池隔膜，燃料电池隔膜，电解器隔膜，固体聚电解质等
分离膜和膜分离过程
理解分离膜的定义和膜分离过程
分离膜广义上指分隔两相界面，并以特定的形式限制和传递各种化学物质，有选择性的膜。

膜分离是指借助膜的选择渗透作用，对混合物中的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。

膜分离技术与传统分离技术的区别主要在哪里？
机械分离过程：颗粒大小不同，如筛分和过滤；
重力和离心分离：物体密度不同，如重力沉降、旋风分离等；
平衡分离过程：体系处于平衡状态时不同相态（气液、气固、液固）中浓度不同，如蒸馏、萃取、结晶、吸附、吸收等
速率控制分离过程：物质分子在外力作用下迁移速率不同，如膜分离和电泳
膜选择性渗透的原因？
①膜中分布微细孔穴，不同孔穴选择性渗透
②膜中存在电荷，吸附、排斥产生选择性渗透
③被分离物在膜中的溶解、扩散作用产生选择渗透性
简单概括膜分离过程的特点？
①多数无相变，对能量要求低；
②分离条件较温和，适合于热敏性物质分离；
③操作方便、结构紧凑、维修费用低、易于自动化。

膜在分离过程中具有哪些功能？
①物质的识别与透过
使混合物中各组分之间实现分离的内在因素
②界面
膜将透过液和保留液(料液)分为互不混合的两相
③反应场
膜从表面到孔内表面含有与特定溶质具有相互作用能力的官能团，通过物理作用、化学反应或生化反应提高膜分离的选择性和分离速度
膜分离过程的推动力有哪几种？各适用于哪些过程？
国内膜分离技术主要用于哪三大领域？
海水淡化，污水再生，净化水
常见高分子膜材料和无机膜材料有哪些？它们各有哪些突出优点？
高分子膜材料：纤维素类膜，聚砜类膜，聚酰胺类膜，聚烯烃类膜，其他类聚合物膜。

特点：种类多，应用广泛，性能优越，但热/化学稳定性差。

无机膜材料：陶瓷膜、玻璃膜、金属膜（含碳）和沸石膜等。

特点：耐温，化学稳定性好，机械强度大，抗微生物腐蚀，适用寿命长，但无弹性、脆、不适用于热强碱体系。

掌握分离膜（对称膜、非对称膜、复合膜和无机膜）常用的制备方法
质均对称膜
1.致密均质膜：溶剂浇铸法、挤压法
2.微孔均质膜：拉伸法、烧结法、溶出法、核刻蚀法
非对称膜
相转化法。

根据沉淀方式，又分为热凝胶法和非溶剂凝胶法。

复合膜
层压、浸涂、喷涂、旋转涂敷、界面聚合、原位聚合、离子聚合、接枝等。

无机膜
化学提取法（刻蚀法）、溶胶-凝胶法、固态粒子膜烧结法、化学气相沉积法（CVD）、高温分解法——碳膜制备
复合膜的组成
一种是由同一种材料构成皮层和多孔亚层；另一种是由不同的聚合物材料构成皮层和亚层。

膜的性能指标有哪些？分离透过性能包括什么性能？
膜的分离透过性能：分离效率和渗透通量
脱除率或截留率、分离系数或分离因子、渗透通量
反渗透
渗透和反渗透的理解
渗透：当溶液与纯溶剂被半透膜隔开，半透膜两侧压力相等时，纯溶剂通过半透膜进入溶液侧使溶液浓度变低的现象
反渗透：如果加在溶液侧的压力超过渗透压，溶液中的溶剂分子就会进入纯溶剂内
反渗透膜过程发生的必备条件以及半透膜通过性能的理解？
1）半透膜具有高选择性和高渗透性；
2）操作压力必须高于溶液的渗透压。

半透膜实际上对任何组分都有透过性能，只是透过速率相差很大
反渗透膜的孔径范围及其通过的哪种物质？
反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于500，孔径0.1 ~1 nm。

反渗透最常用的膜材料是哪种高分子？
醋酸纤维素（CA）
理解段和级的定义，并能判断工艺流程是几段、几级
段（concentrate staging)：指膜组件的浓缩液(浓水)流到下一组膜组件处理。

流经n组膜组件，即称为n段。

级(permeate staging)：指膜组件的产品水再经下一组膜组件处理。

透过液产品水经n次膜组件处理，称为n级。

反渗透工艺包括哪两个过程，它最重要的应用在哪个领域？
反渗透工艺一般包括预处理和膜分离两部分。

纳滤
纳滤膜的特点
1.具有纳米级孔径，介于反渗透膜和超滤膜之间
2.分离对象粒径为纳米级，截留相对分子量在200~1000之间
3.能有效截留二价及高价离子和相对分子量高于200的有机小分子
4.操作压力低，0.5～1 MPa，也有“低压、疏松反渗透”之称
5.较好的耐压密性和较强的抗污染能力
6.纳滤膜的表层较RO膜的表层要疏松得多，但较UF膜的要致密得多
7.纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白,它能截留透过超滤膜的那部分小分子量的有
机物,透析被反渗透膜所截留的无机盐
8.处理成本较低（低压、高回收率）
纳滤对不同价态离子表现怎样特殊的截留？
纳滤的传质机理有哪两种？
筛分效应和电荷效应（Donnan效应）
影响膜分离性能的因素一般有哪些？
1.膜材料、膜工艺
2.操作条件（压力、时间、料液流速）
3.物料性质（分子量，离子浓度，pH）
4.膜组件形式
膜污染物一般包括哪几大类？能列举几种常见污染物
无机物、有机物、微生物
无机污染主要是指结垢物质，CaCO3、CaSO4、Al(OH)3、Fe(OH)3、FeS和SiO2
有机污染物主要表现为两性有机物，可认为是由氢键作用、色散力吸附和疏水作用所决定的；微生物污染则以杆菌为主，其次为孢子、短杆菌，球菌及丝状菌较少
微滤
哪种分离膜产值最高，在世界膜技术总产值产品占50%以上？
微孔膜过滤（microfiltration，MF）
微滤的基本分离机理，又可称什么过滤？
以静压力差为推动力，利用膜的“筛分”作用进行分离的膜过程，操作压差0.01～0.2MPa
过滤精度较高，可截留0.03～15 μm的微粒和大分子，又称其为精密过滤
能简单列举四种压力驱动膜过程的适用物质，四种膜过程哪种属于均相分离和固液分离？
(1) 微滤主要从气相和液相物质中截留细小悬浮物、微生物、微粒、细菌、细胞和其他在“微米级”范围的粒子如DNA和病毒等，以达到净化、分离和浓缩的目的
(2) 超滤适用于蛋白质、多糖、酶等
(3) 纳滤水的软化、净化以及相对分子质量在百级的物质的分离、分级和浓缩（如染料、抗生素、多肽、多醣）
(4) 反渗透海水脱盐、超纯水制备
MF——固液分离，RO,UF,NF——均相分离
微滤的应用主要在于微粒和细菌、病毒的过滤和检测
渗析
渗析的原理，它的主要市场有哪些？
渗析是指半透膜两侧的溶液通过扩散、渗透及超滤作用，即溶质由浓度高的一侧向浓度低的一侧流动，而水分子由渗透压低的一侧向渗透压高的一侧流动的过程，最终达到动态平衡。

应用最大的市场是血液透析和少量物料处理
在生物医学上的应用最为广泛，主要的用途是血液透析法（又称为人工肾），此外还有人工肺、人工肝。

在工业方面的应用
1.从钢铁工业酸洗废液中回收硫酸及在其它废酸液中回收硝酸等；
2.从化工厂人造丝浆压液中回收NaOH
透析膜医学应用是血液透析，也称人工肾
离子交换膜
掌握电渗析的工作原理及其组成示意图
电渗析（electrodialysis，简称ED）是指在直流电场的作用下，溶液中的带电离子选择性定向迁移，透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术。

电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。

从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。

电渗析过程发生哪些传递现象？哪些是主要的，哪些是次要的，哪些是非正常的？
1）主要过程：反离子迁移
2）次要过程：同名离子迁移（阳模-阴离子）、电解质渗析（浓差扩散）、水渗透（渗透压）、水的电渗透（离子水合）
3）非正常过程：压差渗漏（溶液）、水的解离（极化）
电渗析过程中离子交换膜起什么作用？阳膜和阴膜各带什么电荷，它们有什么特点？
离子交换膜的选择透过性
阳膜含有酸性活性基团，解离出阳离子，使膜呈负电性，选择性透过阳离子
阴膜含有碱性活性基团，与阳模相反
电渗析过程发生的两个基本条件
1.直流电场的作用：使溶液中正、负离子分别向阴极和阳极作定向迁移
2.离子交换膜的选择透过性：使溶液中的带电离子在膜上实现反离子迁移
离子交换膜为什么具有选择透过性？它的主要性能有哪些？
膜的静电作用、孔隙作用和扩散作用
带大量电荷的膜吸引反离子、排斥同名离子；膜中固定离子越多，吸引力越强，选择性越好水合离子半径小于孔隙大小才能通过
膜对溶解离子所具有的传递迁移能力，吸附-解吸-迁移
1.交换容量（IEC）：每克干膜所含活性基团的毫克当量数，单位为meq/g
2.含水量：膜内与活性基团结合的内在水，以每克干膜含水质量表示，一般含水量为
20-40%
3.膜电阻：关系工作所需电压和电能消耗，通常越小越好
4.选择透过度：常用反离子迁移数和膜的透过度来表示（一般要求大于85%，反离子迁
移数大于0.9，并希望在高浓度电解质中仍有良好的选择透过性）
电渗析器的主要结构，膜对、膜堆以及段和级的含义，它有哪些性能指标？
电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分组成。

膜对：由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓）水室隔板交替排列成浓水室和淡水室，最小电渗析工作单元
膜堆由一系列膜对组成，位于电渗析器的中部。

级：一对正、负电极之间的膜堆称为一级；
段：具有同一水流方向的并联膜堆称为一段。

淡水产量、脱盐率、电能消耗、电流效率
双极膜的特点
双极膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做成，具有方向性的电阻。

当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻。

当膜的朝向与上述相反时，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。

电渗析的应用主要是水的纯化和脱盐
气体分离膜
非多孔和多孔气体分离膜的分离机理
非多孔均质膜的溶解-扩散机理：气体选择性透过非多孔均质膜分四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散，分子在膜的另一侧逸出。

多孔膜的透过扩散机理：用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流过膜中细孔时产生的速度差来进行的。

其传递机理有分子扩散、表面扩散、毛细管冷凝、分子筛分等。

气体分离膜分离混合气过程
气体分离膜过程是以压力差为驱动力的分离过程，在膜两侧混合气体各组分分压差驱动下，不同气体分子透过膜的速率不同，渗透速率快的在渗透侧富集，慢的在原料侧富集——渗透速率差使气体在膜两侧富集
橡胶和玻璃态高分子分离气体的特点
橡胶高分子：具有高渗透系数，分离系数低；
玻璃态高分子：具有低渗透系数，分离系数高。

气体分离膜的实际应用
1.H2的分离
2.膜法富氧
3.膜法富氮
4.天然气脱CO2、H2S和H2O
5.易挥发有机化合物（VOC）的回收
6.水果保鲜系统
渗透汽化
渗透汽化过程的特点
1.渗透汽化特点
分离系数大，单级分离效果高；
渗透过程中有相变发生；
操作简单；
操作过程中，不会导致膜压密，透过率不随时间增长而减小；
渗透通量小。

2.渗透汽化适用的分离过程
在常规分离手段难解决或能耗大的情况下，渗透蒸发技术特有的高选择性，可选择该技术挥发性的物质
从混合液中分离少量物质
近沸、恒沸混合物的分离
反应产物的移走
渗透汽化的基本原理，它根据什么特性来分离化合物？
致密膜的一侧通入料液，另一侧(透过侧)抽真空或通入惰性气体，使膜两侧产生溶质分压差。

在分压差作用下，料液中的溶质溶于膜内，扩散通过膜，在透过侧发生气化，气化的溶质被膜装置外设置的冷凝器冷凝回收。

因此，渗透气化法根据溶质间透过膜的速度不同，使混合物得到分离。

渗透汽化的应用领域
1. 有机溶剂脱水
2. 水中少量有机溶剂的脱除
3. 有机/有机混合物的分离
亲和膜
1亲和膜分离的基本原理、优点及其应用领域
基本原理：待分离体系通过膜时，样品中能够与亲和配基产生结合作用的生物分子被吸附在膜表面，其余物质通过膜。

经过冲洗，将膜表面非亲和吸附的杂质除去，最后用洗脱剂将膜表面欲分离的生物分子洗脱下来，收集得到纯净产物。

亲和膜特点：膜表面要有足够多的活化基团，有合适的间隔臂和配基；
•足够的表面积，以便获得足够数量的活化基团，并具备足够多的孔，以及孔径分布要窄；
•膜要有一定力学强度，能承受压力，长期使用不变形；
•膜具有耐酸碱、耐盐和有机溶剂。

亲和膜的应用
一、亲和膜用于生物大分子分离
二、亲和膜技术用于有机小分子对映体拆分
三、亲和膜技术用于贵重金属离子分离
智能膜
1什么是智能分离膜？引起智能膜响应的信号有哪些？
智能膜材料以膜的形式对环境进行感知、响应，且具有功能发现能力的材料
智能分离膜：当渗透介质的性质或周围环境发生变化时，智能膜材料可以感知这种变化并相应调节其选择渗透性能。

（开关型智能膜）
引起膜响应信号
物理信号，如温度、光、电、磁、力
化学信号，如pH值、化学物质
2最广泛使用的感温性高分子材料是什么？
•膜所处环境温度变化引起膜的形状、渗透速率等发生敏锐响应
•应用最广泛的感温性高分子材料是聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）
•PNIPAm的低临界溶解温度(LCST)在31～33℃附近，环境温度T<LCST时，形成氢键，亲水性增强，分子链伸展，透过率减小；反之则大
•通过接枝、共聚、交联等方法将PNIPAm制备各种温度敏感复合膜
3什么是传感器？化学传感器一般检测哪种变量？
•传感器：将外界的某种物理量或化学量转换为电信号进行检测的仪器或装置
•传感器类型
物理传感器：检测对象是光、声、力等
化学传感器：检测对象是物质浓度等
生物传感器：检测对象是生物反应生成或消耗某一特定物质或热量•传感器选择性取决于它的敏感元件，化学、生物传感器的敏感元件主要使用有机膜
无机膜
1无机膜发展于核工业，当今最重要的无机膜材料是陶瓷膜，研究热点是分子筛膜
2无机膜的特点
•热稳定性好，耐高温，使用寿命长
•化学稳定性好，耐有机溶剂、耐酸碱和生物侵蚀
•净化操作简单，清洗方便
•难制造，成本高；脆性大，弹性小；密封较差
3常见的无机膜材料有哪些？
1.致密材料
包括致密金属材料和氧化物电解质材料
2. 微孔材料
•多孔金属膜
商品化Ag膜、Ni膜、Ti膜及不锈钢膜，膜孔较大，用作微孔过滤膜和动态膜，催化和分离双重性能
•多孔陶瓷膜
常见多孔陶瓷膜有AI2O3、SiO2、ZrO2、TiO2等，具有两大有点：耐高温和耐化学及生物腐蚀性
当前最重要的无机膜材料
•分子筛膜
无机膜的新研究热点，具有与分子大小相当且均匀一致的孔径、离子交换性能、高温热稳定性、优良的择形催化性能和易被改性以及有多种不同的类型和不同的结构可供选择，是理想的膜分离和膜催化材料
4无机膜的液相分离主要是哪两种膜分离技术？
无机膜技术对液相体系的分离主要是微滤和超滤
其基本原理是在压力差下，利用膜孔的渗透和截留或筛分性质，使不同组分得到分级或分离
产品可以是纯液体或欲回收的组分
工作效能则以渗透通量和渗透选择性为衡量指标，二者均与膜结构、体系性质及操作条件等密切相关
其中膜阻塞即为严重的障碍
新型膜分离技术
1简述膜萃取过程
溶质（被萃组分）首先经膜相萃取进入有机相，在有机相中依据浓度梯度扩散进入有机相与反萃取液的膜界面，并被反萃取液再萃取。

溶质不断的从水相进入有机相，又从有机相进入反萃液中，不在有机相中发生积累。

2理解膜蒸馏过程
•膜蒸馏是膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程，采用疏水性微孔膜，以膜两侧蒸气压力差为传质推动力的膜分离方法
•膜的一侧与热处理液直接接触（称为热侧）（膜的疏水性使得水溶液不能渗透过孔，而在每个孔入口处形成气液接触），另一侧直接或间接地与冷的水溶液接触（称为冷侧），热侧溶液中易挥发的组分在膜面处汽化通过膜进入冷侧并被冷凝成液相，其他组分则被疏水膜阻挡在热侧。

从而实现混合物分离或提纯的目的。

•膜蒸馏一般以非挥发性物质的水溶液为蒸馏对象。

其过程相似于常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝。

•“膜蒸馏”这一名称用于含有以下特征的膜过程
•膜应为多孔的；
•膜应不被所处理的流体所浸润；
•膜的孔隙中不应有毛细冷凝；
•膜不能改变处理液各组分的汽-液平衡；
•膜至少有一侧与处理液直接接触；
•膜蒸馏过程的推动力是组分在汽相中的分压差。

3膜萃取、膜蒸馏和膜吸收都是在微孔膜上完成的
•膜萃取又称固定膜界面萃取，是膜技术和液/液萃取过程相结合的新的分离技术，化学位差推动传质
•膜蒸馏是膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程，采用疏水性微孔膜，以膜两侧蒸气压力差为传质推动力的膜分离方法
膜吸收过程：使用微孔膜将气相、液相分隔开来，利用膜孔提供气相、液相间传质的场所。