2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——化學(xué)膜技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)。）1.下列哪種膜主要依靠溶液-擴(kuò)散模型來解釋其分離機(jī)理？（）A.氣體分離膜B.滲透汽化膜C.氫離子交換膜D.反滲透膜2.在電解水制氫的質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽中，水在陽極發(fā)生的反應(yīng)是？（）A.H?O→?O?+2H?+2e?B.2H?O+2e?→H?+2OH?C.2H?+2e?→H?D.4OH?→O?+2H?O+4e?3.下列哪種制備方法通常用于制備具有特定孔道結(jié)構(gòu)的陶瓷膜？（）A.浸涂法B.氣致相分離（IPS）法C.界面聚合法D.拉伸法4.膜污染是指？（）A.膜材料本身發(fā)生化學(xué)降解B.膜的機(jī)械強(qiáng)度下降C.有機(jī)物、無機(jī)鹽或微生物在膜表面或孔內(nèi)沉積，導(dǎo)致膜性能下降D.膜的滲透通量增加5.與傳統(tǒng)蒸餾法相比，反滲透海水淡化最大的優(yōu)勢(shì)在于？（）A.能量效率高B.對(duì)鹽度變化不敏感C.操作壓力低D.無需加熱6.用于從天然氣中分離并富集CO?的膜，其主要性能指標(biāo)是？（）A.對(duì)水的高選擇性B.高的CO?/CH?選擇性C.高的CO?滲透通量D.良好的耐高溫性能7.滲透汽化技術(shù)主要用于？（）A.分離氣體混合物B.從溶液中回收有機(jī)溶劑C.海水淡化D.電解水8.下列哪種膜材料不屬于高分子聚合物膜？（）A.陽離子交換膜B.陰離子交換膜C.聚合物電解質(zhì)膜（如Nafion）D.陶瓷膜9.影響氣體分離膜選擇性的主要因素是？（）A.膜的厚度B.膜的孔徑分布C.氣體分子與膜材料的相互作用能D.膜的機(jī)械強(qiáng)度10.在膜生物反應(yīng)器（MBR）中，膜的主要作用是？（）A.催化反應(yīng)B.分離活性污泥和出水C.提供氧氣D.調(diào)節(jié)pH值二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上。）1.膜的滲透通量是指單位時(shí)間通過單位膜面積的__________。2.氫離子交換膜（H?-EM）在酸性燃料電池中充當(dāng)__________。3.界面聚合法制備膜通常需要兩種不互溶的溶液，其中一種含有__________單體。4.膜污染可分為物理污染和__________污染。5.滲透汽化是利用溶劑在膜兩側(cè)蒸汽壓的__________，實(shí)現(xiàn)溶劑與溶質(zhì)的分離。6.提高氣體分離膜選擇性的一個(gè)途徑是調(diào)控膜材料的__________。7.用于氯堿工業(yè)的隔膜通常是__________膜，以防止陽極產(chǎn)生的氯氣與陰極產(chǎn)生的氫氣混合。8.膜的機(jī)械強(qiáng)度包括拉伸強(qiáng)度、__________和抗撕裂強(qiáng)度等。9.溶液-擴(kuò)散模型認(rèn)為，溶質(zhì)在膜內(nèi)的傳輸不僅依賴于溶解，還依賴于其在膜內(nèi)的__________。10.隨著膜技術(shù)的發(fā)展，__________膜和__________膜因其優(yōu)異的性能而受到越來越多的關(guān)注。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分。）1.簡(jiǎn)述溶液-擴(kuò)散模型的主要內(nèi)容。2.簡(jiǎn)述膜污染對(duì)工業(yè)膜過程的主要影響。3.簡(jiǎn)述滲透汽化技術(shù)分離有機(jī)/水混合物的基本原理。四、論述題（10分。）論述化學(xué)膜技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域（如水處理或空氣凈化）的應(yīng)用前景及面臨的挑戰(zhàn)。五、計(jì)算題（15分。已知某氣體混合物（A和B）在特定膜材料上的滲透通量（J）與其分壓差（ΔP）成正比，比例系數(shù)為選擇性（α，A/B的選擇性）。在溫度T和壓力P下，混合氣中A的分壓為P_A，B的分壓為P_B（P_B<<P_A），膜的滲透通量為J_total。試推導(dǎo)A和B的滲透通量表達(dá)式，并說明選擇性α的物理意義。若測(cè)得J_total和P_A，如何計(jì)算混合氣中A的滲透通量J_A？試卷答案一、選擇題1.C2.A3.B4.C5.A6.B7.B8.D9.C10.B二、填空題1.溶質(zhì)通量（或物質(zhì)通量）2.陽極和陰極3.聚合4.化學(xué)（或有機(jī)）5.差異6.化學(xué)性質(zhì)（或相互作用）7.離子交換（或陽離子）8.壓縮強(qiáng)度（或抗壓縮性）9.擴(kuò)散10.智能膜；復(fù)合膜三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：溶液-擴(kuò)散模型認(rèn)為氣體或小分子溶質(zhì)先溶解于膜表面，然后擴(kuò)散通過膜內(nèi)部，最后在膜的另一側(cè)界面揮發(fā)出來。該模型強(qiáng)調(diào)溶解步驟是速率控制步驟，并且認(rèn)為膜必須是可溶性的。選擇性取決于溶質(zhì)在膜中的溶解度及其擴(kuò)散速率，與膜-溶質(zhì)相互作用能密切相關(guān)。2.解析思路：膜污染會(huì)導(dǎo)致膜的性能下降，主要表現(xiàn)在：滲透通量顯著降低（因膜孔被堵塞或變粗）；選擇性下降（因污染物覆蓋膜表面或改變孔道結(jié)構(gòu)）；操作壓力升高（因流體通過受阻）；膜容易破裂（因物理堵塞或化學(xué)侵蝕加?。?。最終導(dǎo)致處理成本增加、效率降低甚至過程無法繼續(xù)進(jìn)行。3.解析思路：滲透汽化是利用溶劑在膜兩側(cè)具有不同蒸汽壓（或化學(xué)勢(shì)）的特性進(jìn)行分離的過程。對(duì)于溶劑和溶質(zhì)都可滲透的膜，當(dāng)將含有溶劑的溶液與純?nèi)軇┙佑|時(shí)，溶劑在膜/溶液界面具有更高的蒸汽壓，因此溶劑分子溶解到膜中并通過膜擴(kuò)散到純?nèi)軇┮粋?cè)，并在該側(cè)界面揮發(fā)出來。溶質(zhì)由于在膜中溶解度低或擴(kuò)散系數(shù)小，留在原側(cè)。通過控制溫度和壓力差，驅(qū)動(dòng)滲透過程。四、論述題解析思路：1.應(yīng)用前景：化學(xué)膜技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域前景廣闊。在水處理方面，可用于高效海水淡化、苦咸水淡化、污水深度處理與資源化（如從廢水中回收水或有價(jià)值物質(zhì)）、膜生物反應(yīng)器（MBR）中的固液分離，提高出水水質(zhì)和資源回收率。在空氣凈化方面，可用于有害氣體（如VOCs、CO?）的分離與富集回收，工業(yè)廢氣處理，以及空氣凈化器中的異味去除等。膜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)分離過程的節(jié)能、高效、環(huán)境友好。2.面臨的挑戰(zhàn)：面臨的主要挑戰(zhàn)包括：膜污染問題依然嚴(yán)重，限制了膜過程的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性；膜材料的耐化學(xué)腐蝕性、耐溫性、抗生物侵蝕性有待提高；膜制備成本較高，尤其是在需要高性能膜材料和大膜面積的應(yīng)用中；膜孔的微觀結(jié)構(gòu)（孔徑、形態(tài)、分布）控制精度影響分離性能，難以滿足所有復(fù)雜環(huán)境下的分離需求；大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用中的膜組件設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)、在線監(jiān)測(cè)等技術(shù)尚需完善。五、計(jì)算題解析思路：1.推導(dǎo)表達(dá)式：根據(jù)題意，滲透通量與分壓差成正比，且選擇性α定義為氣體A相對(duì)于氣體B的選擇性。即J_A/J_B=α(在相同條件下)。設(shè)膜兩側(cè)總壓為P，膜兩側(cè)氣體A的分壓分別為P_A1和P_A2，氣體B的分壓分別為P_B1和P_B2。滲透通量表達(dá)式為：J_A=k_A*(P_A1-P_A2)/LJ_B=k_B*(P_B1-P_B2)/L其中k_A,k_B為A、B的滲透系數(shù)，L為膜厚度?？倽B透通量為J_total=J_A+J_B。選擇性α=J_A/J_B=k_A*(P_A1-P_A2)/(k_B*(P_B1-P_B2))。在單側(cè)進(jìn)氣、另一側(cè)近似真空或低壓P_0的條件下，P_A2≈0,P_B2≈0，且k_A/k_B=α，則J_A=α*k_B*P_A1，J_B=k_B*P_B1。因此J_total=α*k_B*P_A1+k_B*P_B1=k_B*(α*P_A1+P_B1)。所以J_A=α*J_total*(P_A1/(α*P_A1+P_B1))。若混合氣在膜入口處均勻混合，P_A1=P_A，P_B1=P_B，總壓P=P_A+P_B，則J_total=k_B*α*P，J_A=α*J_total*(P_A/(α*P_A+P_B))=α*J_total*(P_A/P)。2.物理意義：選擇性α表示膜對(duì)氣體A的滲透能力相對(duì)于氣體B的滲透能力的比值。它反映了膜對(duì)不同氣體分子的分離能力，是評(píng)價(jià)膜分離性能的關(guān)鍵參數(shù)。α越