膜分离试题及答案.doc

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。
内压管式：
多孔管
膜
料液
外压管式：
料液

多通道组件
组件外壳
渗透液
渗透液
渗余液
渗透液
垫圈

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.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/m3
2)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/m2 •h
9、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。
式中： J—-透过速率,m3/(m2·h）或kg/(m2·h）；
V-—透过组分的体积或质量，m3或kg;
A-—膜有效面积,m2;
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
式中 —-原料中溶质的浓度，kg/m3；
—-渗透物中溶质的浓度,kg/m3。
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。