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膜科学与技术
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：
① 50年代为奠定基础阶段；（研究发现）
② 60年代和70年代为发展阶段，（发现发展）
③ 80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？
推动力
膜过程
压力差
反渗透、超滤、微滤、纳滤、气体分离
电位差
电渗析、膜电解
浓度差
透析、膜传感器
温度差
膜蒸馏
化学反应
化学反应膜

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。

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

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
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

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

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

超滤
反渗透、超滤、纳滤、微滤的缩写
反渗透（Reverse Osmosis）：RO
超滤（Ultrafiltration）:UF
纳滤（nanofiltration）:NF
微滤（microfiltration）:MF

超滤截留大分子的机理是什么？它可截留哪些大分子物质？
膜表面的孔径机械筛分作用；
在膜孔中停留而被除去（阻塞）；
膜表面及膜孔对杂质的吸附作用。

过滤粒径约1～100 nm，分子量大于500的大分子和胶体，如多糖、蛋白质、酶

超滤和反渗透的简单比较
共同点：推动力均是压力差，在溶液的压力下，溶剂等小分子通过薄膜，而较大的溶解物质被阻滞在膜表面上。
区别：膜不同、机理不同、工作压力不同

理解浓差极化现象并知道如何减轻它的危害
超滤膜选择性透过溶剂和小分子溶质，截留的大分子在膜表面积累，浓度上升并以相反方向向料液扩散，达到平衡状态时在膜表面形成一定的溶质层（凝胶层），阻碍溶剂等小分子的跨膜行为，此现象成为浓差极化。

一类是在膜过程中，采取一定的操作策略，如搅拌、引入脉动流、鼓泡、超声或使膜振动等；另一类则是优化和改进膜组件及膜系统结构设计，如膜面处剪切流速的提高,设置湍流促进器等等

超滤（同微滤）的两种操作模式
超滤的操作模式可分为重过滤和错流过滤两大类

膜污染一般包括哪些？如何防治？膜的一般清洗方法有哪些？
溶质在膜表面的吸附层；
浓差极化引起的凝胶层；
膜孔内溶质吸附；
膜孔堵塞。

1.改变膜结构和组件结构；
2.采用亲水性超滤膜或荷负电膜；
3.对料液进行预处理；
4.选择合适操作条件。

1.水清洗 2.反冲洗 3.气洗 4.酸碱洗 5.表面活性剂 6.氧化剂 7.酶清洗

《膜科学与技术》思考题
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,使反渗透过程由实验室转向工业应用.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． 常用的制膜方法有哪两种？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–△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”的工艺流程图。
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： l
当: dp << l 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 >> l 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l

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l 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a —描述膜对气体的选择能力大小
a=J1/J2
表征膜的分离能力最主要的是P和a

8． 掌握膜法气体分离在工业中的应用，画出简要的工艺流程图。（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。
第六章 超滤和微滤
1. 超滤、微滤和反渗透各自的分离对象是什么？
2. 超滤-----分子
3. 微滤-----粒子
4. 反渗透-----离子
5. 超滤的分离机理是什么？可以用什么模型解释其分离过程？
6. 筛分机理(孔模型)
Hagen-Poiseuille定律
J=(εr2/8ητl)△P
7.
8. 超滤膜的污染形式有哪几种？
9. 表面覆盖
10. 孔道阻塞
11.
12. 如何保存超滤膜？
13. 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.
14.
15. 超滤技术的应用领域由哪些？
16.
17. 微滤膜的性能参数由哪些？
18. 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。
19. 空隙率——它决定了膜的通透能力。大约1平方厘米的膜面积
20. 有107～1011个孔，空隙率达70%，微滤膜与同等孔径的滤纸
21. 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
22. 高得多。
③ 膜厚——大多数的膜厚度为90～150μm，仅仅是普通过滤介
23. 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。
24.
25. 微滤膜有哪几种操作流型？各自的特点是什么？
26. 并流操作(无流动)

② 错流操作

27. 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。

现代膜分离技术考试题
1、膜分离技术的发展历史？
膜分离是在20世纪初出现，20世纪60年代后迅速崛起的一门分离新技术。 膜在大自然中，特别是在生物体内是广泛存在的，但我们人类对它的认识、利用、模拟直至现在人工合成的历史过程却是漫长而曲折的。我国膜科学技术的发展是从1958年研究离子交换膜开始的。60年代进入开创阶段。1965年着手反渗透的探索，1967年开始的全国海水淡化会战，大大促进了我国膜科技的发展。70年代进入开发阶段。这时期，微滤、电渗析、反渗透和超滤等各种膜和组器件都相继研究开发出来，80年代跨入了推广应用阶段。80年代又是气体分离和其他新膜开发阶段。
2、什么是膜的分类和定义？
膜的分类：分类依据 分类
来源 天然膜、合成膜 状态 固体膜、液膜、气膜 材料 有机膜、无机膜
结构 对称膜（微孔膜