膜分离试题及答案

1、什么是膜分离？膜材料为什么会有选择渗透性？答：膜分离（Membrane Separation ）是以选择性透过膜为分离介质，在膜两侧一定推动力的作用下，使原料中的某组分选择性地透过膜，从而使混合物得以分离，以达到提纯、浓缩等目的的分离过程。

膜材料具有选择透过性的原因：一是膜中分布有微细孔穴，不同的孔穴有选择渗透性；二是膜中存在固定基团电荷，电荷的吸附排斥产生选择渗透性；三是被分离物在膜中的溶解扩散作用产生选择渗透性。

2、膜分离设备的主要类型，其主要结构和优缺点？答：①管式：管式膜组件由管式膜制成，管内与管外分别走料液与透过液，管式膜的排列形式有列管、排管或盘管等。

内压式：膜涂在管内，料液由管内走；外压式：膜涂在管外，料液由管外间隙走。

优点：结构简单，适应性强，清洗方便，耐高压，适宜于处理高黏度及固体含量较高的料液。

缺点: 管式膜组件的缺点是单位体积膜组件的膜面积少,一般仅为33～330 ，保留体积大，压力降大，除特殊场合外，一般不被使用。

②中空纤维式：有数百上万根中空纤维膜固定在圆形容器内构成，内径为40-80um 膜称中空纤维膜，0.25-2.5mm 膜称毛细管膜。

前者耐压，常用于反渗透。

后者用于微、超滤。

内压管式：料液外压管式：料液多通道组件料液流向：采用内压式时为防止堵塞，需对料液预处理去固形微粒，采用外压式时，凝胶层控制较困难。

优点:设备紧凑，单位设备体积内的膜面积大(高达16000～30000 )缺点:中空纤维内径小，阻力大，易堵塞，膜污染难除去，因此对料液处理要求高。

③平板式：这类膜器件的结构与常用的板框压滤机类似，由膜、支承板、隔板交替重叠组成。

滤膜复合在刚性多孔支撑板上，料液从膜面流过时，透过液从支撑板的下部孔道中汇集排出。

为减小浓差极化，滤板的表面为凸凹形，以形成湍动。

浓缩液从另一孔道流出收集。

优点:组装方便，膜的清洗更换容易，料液流通截面较大，不易堵塞，同一设备可视生产需要组装不同数量的膜。

缺点:需密封的边界线长④卷式（螺旋式）：将膜、支撑材料、膜间隔材料依次叠好，围绕一中心管卷紧即成一个膜组。

料液在膜表面通过间隔材料沿轴向流动，透过液沿螺旋形流向中心管。

优点:目前卷式膜组件应用比较广泛、与板框式相比，卷式组件的设备比较紧凑、单位体积内的膜面积大，湍流状况好，适用于反渗透；缺点:清洗不方便，尤其是易堵塞，因而限制了其发展。

型式优点 缺点 管式 易清洗，无死角，适宜于处理含固体较多的料液，单根管子可以调换 保留体积大，单位体积中所含过滤面积较小，压力降大中空纤维式 保留体积小，单位体积所含过滤面积大，可以逆洗，操作压力较低，动力消耗较低 料液需要预处理，单根纤维损坏时需调换整个模件螺旋卷绕式 单位体积中所含过滤面积大，换新膜容易 料液需预处理，压力降大,易污染,清洗困难平板式 保留体积小，能量消耗界于管式和螺旋卷绕式死体积大3、电渗析工作原理？答：电渗析是在直流电场的作用下，利用待分离分子的荷点性质和分子大小的差别，以外电场电位差为推动力，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，阳膜只允许阴离子通过），从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作；电渗析系统由一系列阴、阳膜交替排列于两电极之间组成许多由膜隔开的小水室，如图9-1所示。

当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子作定向迁移。

阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移。

但由于离子交换膜具有选择透过性，结果使一些小室离子浓度降低而成为淡水室，与淡水室相邻的小室则因富集了大量离子而成为浓水室。

从淡水室和浓水室分别得到淡水和浓水。

原水中的离子得到了分离和浓缩，水便得到了净化。

4、膜污染的控制方法及膜的清理方法？答：膜污染控制方法：膜材料的选择，膜孔径或截留分子量的选择，膜结构的选择；溶液中盐浓度的影响，离子强度，溶液浓度，溶液的pH值；温度，亚青与料液流速，溶液与膜接触时间；组件结构选择，膜表面粗糙程度。

清洗方法： (1) 物理清洗法：海绵球擦洗、等压清洗、热水法、反冲洗和循环清洗(2) 化学清洗法：利用NaOH、酸、表面活性剂、酶、氧化剂、有机溶剂等作为清洗剂清洗；（3）其他方法：电场过滤、脉冲电解清洗、电渗透清洗等5、制备无机膜常用的方法？答：无机膜的制备方法很多，应根据制膜材料、膜及载体的结构、膜孔径大小、孔隙率和膜厚度不同而选择有工业应用前景的制备方法主要有：固态离子烧结法、溶胶－凝胶法、薄膜沉积法、阳极氧化法、相分离-沥滤法、热分解法、水热法等等。

一、固态粒子烧结法固态粒子烧结法是将无机粉料微小颗粒或超细颗粒（粒度0.1～10μm）与适当的介质混合分散形成稳定的悬浮液，成型后制成生坯，再经干燥，然后在高温（1000～1600oC）下进行烧结处理，这种方法不仅可以制备微孔陶瓷膜或陶瓷膜载体，也可用于制备微孔金属膜。

二、溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是合成无机膜的一种重要方法，目前国内外材料科学家之所以对此法产生浓厚兴趣，不仅是因为这种工艺可以制得孔径小（1.0～5.0nm）、孔径分布狭窄的陶瓷膜，而且许多单组分和多组分金属氧化物陶瓷膜都可用这种工艺制得。

这种陶瓷膜作为控制层既可用于超滤和气体分离，经修饰后也可以作为催化膜用于膜反应器，充分显示出溶胶-凝胶法的广泛应用前景。

三、薄膜沉积法薄膜沉积法是指用溅射、离子镀及气相沉积等方法，将膜料沉积在载体上制造薄膜的方法。

薄膜沉积过程大致分为两个步骤：一是膜材料（膜料）的气话，二是膜料的蒸汽依附于其他材料制成的载体上形成薄膜。

例如，溅射镀膜是在低气压下，让离子在强电场的作用下轰击膜料，使表面原子相继逸出，沉积在载体上形成薄膜。

四、阳极氧化法阳极氧化法是目前制备多孔氧化铝膜的重要方法之一。

该法的特点是，制得的膜的孔径是同向的，几乎相互平行并垂直于膜表面，这是其他方法难以达到的。

阳极氧化过程的基本原理是：以高纯度的合金铝箔为阳极，并使一侧表面与酸性电解质溶液接触，通过电解作用在此表面上形成微孔氧化铝膜，然后用适当的方法除去未被氧化的铝载体和阻挡层，便得到孔径均匀、孔道与膜平面垂直的微孔氧化铝膜。

五、相分离-沥滤法相分离-沥滤法可以制备微孔玻璃膜、复合微孔玻璃膜和微孔金属膜。

六、热分解法热分解法是在惰性气体保护或真空条件下，高温热分解热固性聚合物，如纤维素、酚醛树脂、聚偏二氯乙烯等，可制成碳分子筛膜（MSCM）。

碳分子筛膜由于其孔径大小与气体分子尺寸相近，气体因分子大小不同而被分离，因此有极高的选择性。

七、水热法分子筛膜作为复合膜的控制层来使用，由于其具有均匀的孔径，且孔径大小与分子尺寸相近，气体因分子大小不同而被分离，这种由分子筛分机制控制的选择性是微孔膜中最高的。

分子筛膜的研究目前还处于试验阶段，其合成方法基本上分两类：（1）将事先合成好的分子筛埋在相对非渗透性的基质中成膜。

（2）在多孔载体的孔口或次孔口原位水热合成分子筛膜。

它是将载体预处理后，浸在由水玻璃、氢氧化钠和水配成的溶液中，经水热处理后在氧化铝陶瓷板表面析出分子筛。

6、膜集成技术对海水淡化的示意图，每一操作单元所起的作用？7、分置式和一体式膜生物反应器的工作原理和优缺点？膜生物反应器原理：膜反应器将生物反应器和膜分离过程结合的一种新型工艺，其最大的特点就是采用膜组件代替传统生物处理中的二沉池。

污水中的污染物首先在生物反应器中进行生物降解，同时生物反应器内的混合液在膜的两侧压力差的作用下，水和小于膜孔径的小分子溶质透过膜，即为处理后出水。

微生物及大分子溶质被膜截留，从而替代沉淀池完成其与处理出水的分离过程。

分置式膜生物反应器：优点：1）膜组件与生物反应器之间的相互影响小2）单位面积膜的水通量大3）运行稳定可靠，操作管理容易4）易于膜的清洗、更换和增设缺点：1）为减少污染物在膜表面的 沉积，需要较高的膜面流速，因而配置的超滤循环泵需要较高的流量，能耗很高，一般为6~8Kw •h/m 32)循环泵内的高剪切力会引起生物絮体的破坏，导致生物活性的降低。

一体式膜生物反应器：优点：1）体积小，整体性强。

膜组件直接置于生物反应器中，大大减少了占地面积。

2）运行动力费用低，膜表面的错流是靠空气搅动产生的，混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切应力，在这种剪切应力的作用下，沉积在膜表面的颗粒容易脱离膜表面，因而不需要功率较大的循环泵。

缺点：1）需要定期将膜组件取出生物反应器进行化学清洗，因而管理方面上不及分置式2）出水不连续3）单位膜面积的产水量较低，一般仅为5-10L/m 2 •h9、计算题:通量、截留率的计算答：透过性能能够使被分离的混合物有选择的透过是分离膜的最基本条件。

表征膜透过性能的数是透过速率，是指单位时间、单位膜面积透过组分的通过量，对于水溶液体系，又称透水率或水通量，以J 表示。

tA V J ⋅= 式中： J ——透过速率，m 3/(m 2·h )或kg/(m 2·h )；V ——透过组分的体积或质量，m 3或kg ；A ——膜有效面积，m 2；t ——操作时间，h 。

膜的透过速率与膜材料的化学特性和分离膜的形态结构有关，且随操作推动力的增加而增大。

此参数直接决定分离设备的大小。

截留率对于反渗透过程，通常用截留率表示其分离性能。

截留率反映膜对溶质的截留程度，对盐溶液又称为脱盐率，以R 表示，定义为%100⨯-=FP F c c c R 式中 F c ——原料中溶质的浓度，kg/m 3；P c ——渗透物中溶质的浓度，kg/m 3。

100％截留率表示溶质全部被膜截留，此为理想的半渗透膜；0％截留率则表示全部溶质透过膜，无分离作用。

通常截留率在0％～100％之间。