2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子篩膜在氣體吸附工程中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.下列哪種分子篩因其具有的一維孔道結(jié)構（10元環(huán)）而常用于制備用于分離CH?和CO?的膜？A.FAUB.MFIC.SBA-15D.ZeoliteL2.根據(jù)理想吸附溶液理論（IAS），分子篩膜對某氣體的選擇性主要取決于該氣體與骨架相互作用力與其他氣體與骨架相互作用力的比值。這句話描述的是選擇性的：A.競爭效應機制B.溶液-擴散機制中的溶解步驟C.質(zhì)量作用定律D.膜-氣體相互作用主導機制3.在浸漬法制備分子篩膜的過程中，常用的浸漬液不包括：A.含有分子篩前驅(qū)體的溶液B.含有納米顆粒的溶液C.乙醇或水溶液D.含有有機模板劑的溶液4.下列哪種現(xiàn)象是指氣體分子在分子篩孔道內(nèi)通過物理吸附進行擴散的過程？A.溶液-擴散機制B.被動擴散C.Knudsen擴散D.空穴流模型擴散5.分子篩膜在分離氣體混合物時，通常表現(xiàn)出對哪些類型氣體具有更高的滲透率？A.大尺寸、非極性氣體（如CH?）B.小尺寸、極性氣體（如H?O）C.與骨架具有強相互作用的氣體D.與骨架相互作用弱的氣體6.用于衡量氣體分子通過分子篩膜擴散難易程度的參數(shù)是：A.分辨率B.滲透選擇性C.擴散系數(shù)D.表觀活化能7.在分子篩膜制備過程中，引入有機模板劑的主要目的是：A.增加膜的機械強度B.提高膜的滲透率C.指導分子篩晶體的形成和孔道結(jié)構D.增強膜與基底的結(jié)合力8.分子篩膜用于天然氣凈化（去除H?S和CO?）的主要優(yōu)勢在于其：A.極高的機械強度B.對目標雜質(zhì)氣體的高選擇性和低滲透率C.良好的耐高溫性能D.可再生性9.分子篩膜用于二氧化碳捕集與封存（CCS）場景中，面臨的主要挑戰(zhàn)之一是：A.膜材料成本過高B.CO?在膜中的擴散速率相對較慢C.長期運行下的膜穩(wěn)定性問題D.需要在極高壓力下操作10.下列哪種技術通常不用于提高分子篩膜的滲透性能或選擇性？A.薄膜制備技術優(yōu)化B.組分印跡技術C.基底材料選擇優(yōu)化D.膜的化學改性以增強與特定氣體的相互作用二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.分子篩膜對氣體的選擇性通常用__________和__________兩個參數(shù)來評價。2.影響分子篩膜氣體滲透性能的主要因素包括氣體自身的__________、膜的__________以及膜-氣體的__________。3.分子篩膜制備方法主要包括物理氣相沉積法、__________法、__________法和原位生長法等。4.溶液-擴散模型認為氣體分子在膜中的傳輸是一個包括__________、__________和__________三個步驟的過程。5.分子篩膜在分離近沸點混合物（如正丁烷/正戊烷）時，其選擇性主要取決于分子篩孔道的__________和__________。6.為了提高分子篩膜的長期穩(wěn)定性，通常會采取措施改善其__________、__________和__________。7.分子篩膜與傳統(tǒng)的吸附劑相比，其主要優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)氣體的__________分離。8.在分子篩膜的應用中，提高膜的__________是實現(xiàn)高效分離的關鍵。三、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題）1.簡述分子篩膜選擇性的基本原理。2.比較浸漬法和原位生長法制備分子篩膜的主要區(qū)別。3.解釋什么是分子篩膜的滲透選擇性和分離選擇性，并說明兩者之間的關系。4.闡述影響分子篩膜在氣體分離過程中穩(wěn)定性的主要因素。四、論述題（10分。請結(jié)合具體實例，論述分子篩膜在氣體吸附工程中的一個實際應用，并分析其技術優(yōu)勢、面臨的挑戰(zhàn)及可能的改進方向。）試卷答案一、選擇題1.B2.A3.B4.C5.A6.C7.C8.B9.C10.B二、填空題1.滲透通量選擇性2.分子尺寸孔隙率化學相互作用3.浸漬復合4.吸附擴散脫附5.尺寸效應極性效應6.物理化學穩(wěn)定性抗溶劑侵蝕能力抗熱震性7.高效、動態(tài)8.滲透通量三、簡答題1.簡述分子篩膜選擇性的基本原理。答：分子篩膜的選擇性是指其對不同氣體分子的透過能力差異。其基本原理主要基于“尺寸效應”和“極性效應”。尺寸效應源于分子篩具有均勻的孔徑結(jié)構，只有尺寸小于孔道的氣體分子才能進入并透過膜，而較大尺寸的分子則被阻擋。極性效應則源于分子篩骨架（如硅氧烷鍵）或表面存在的極性位點，這些位點能與具有極性或與骨架相互作用強的氣體分子發(fā)生優(yōu)先吸附或更強的相互作用，從而降低了這些氣體分子的擴散速率，提高了對非極性或相互作用弱的氣體的選擇性。2.比較浸漬法和原位生長法制備分子篩膜的主要區(qū)別。答：浸漬法是將含有分子篩前驅(qū)體（如水玻璃、硅溶膠）或納米晶體的溶液/懸浮液浸漬到多孔基底（通常是致密膜或多孔支撐材料）上，然后通過熱處理等方法使前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為分子篩并沉積在基底表面或孔道內(nèi)。原位生長法是在多孔基底表面或孔道內(nèi)直接控制分子篩晶體的成核與生長過程，通常需要引入有機模板劑來引導孔道結(jié)構，并需要特定的生長條件（如溫度、pH、反應物濃度）。主要區(qū)別在于：浸漬法是“外來”引入分子篩組分，而原位生長法是“就地”合成分子篩；浸漬法通常在較低溫度下進行，而原位生長法可能需要更高的反應溫度；浸漬法制備的膜可能存在界面缺陷或分布不均，而原位生長法可能獲得與基底結(jié)合更緊密、結(jié)構更規(guī)整的膜。3.解釋什么是分子篩膜的滲透選擇性和分離選擇性，并說明兩者之間的關系。答：滲透選擇性（PermeanceSelectivity）是指兩種氣體分子透過同一種膜的相對速率之比，通常用滲透通量之比表示，即J?/J?。它反映了膜對不同氣體分子的“易透過性”差異。分離選擇性（SeparationSelectivity）是指膜對兩種氣體混合物進行分離的能力，通常用兩種氣體在膜出口處的摩爾分數(shù)之比（y?/y?）或分壓之比（P?/P?）來衡量，有時也用滲透選擇性表示為α=(J?/J?)/(y?/y?)=(P?/P?)*(J?/J?)。它反映了膜實現(xiàn)分離效果的最終程度。兩者之間的關系是：滲透選擇性是分離選擇性的基礎和前提，只有膜具有顯著的滲透選擇性，才可能實現(xiàn)有效的分離。但分離選擇性還受到操作條件（如壓力差）和氣體組成的影響。4.闡述影響分子篩膜在氣體分離過程中穩(wěn)定性的主要因素。答：影響分子篩膜穩(wěn)定性的因素主要包括：①物理化學穩(wěn)定性，如膜材料本身的熱穩(wěn)定性（耐溫性）、化學穩(wěn)定性（耐酸堿、耐溶劑、耐氧化還原性）、機械穩(wěn)定性（抗彎曲、抗拉伸、抗沖擊性）；②抗溶劑侵蝕能力，某些溶劑（特別是與膜孔道構型或骨架基團有相互作用的）可能滲透到膜孔道內(nèi)，導致膜結(jié)構破壞或性能下降；③抗熱震性，膜材料在經(jīng)歷劇烈的溫度變化時可能發(fā)生開裂或結(jié)構變化；④與基底的結(jié)合力，界面處的缺陷或結(jié)合不牢固會導致膜在長期運行或受力時從基底上剝離；⑤長期運行的性能衰減，如膜孔道堵塞、晶體生長或收縮引起的變形、組分緩慢釋放等。四、論述題答：分子篩膜在天然氣凈化（去除H?S和CO?）中的應用是一個典型的氣體吸附工程實例。天然氣的主要成分是甲烷（CH?），但其中常含有硫化氫（H?S）、二氧化碳（CO?）等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)不僅影響天然氣質(zhì)量，還可能腐蝕管道設備。分子篩膜，特別是具有特定孔道尺寸和酸性的分子篩膜（如Cu-CHA、Ni-CHA等），能夠有效分離H?S和CO?。技術優(yōu)勢：①高選擇性：特定結(jié)構的分子篩膜對H?S和CO?具有比甲烷高得多的滲透率或選擇性，例如，Cu-CHA分子篩膜對H?S的選擇性可遠超CH?。這使得膜分離能夠在接近常溫常壓的條件下，高效地將H?S和CO?從天然氣中分離出來，能耗遠低于傳統(tǒng)的低溫變壓吸附（PSA）或化學吸收法。②操作條件溫和：膜分離過程通常在接近環(huán)境溫度和常壓下進行，設備投資和運行能耗較低，操作簡單安全。③無化學試劑：膜分離是物理過程，不消耗化學試劑，避免了二次污染，產(chǎn)出的水合H?S或CO?溶液易于處理。面臨的挑戰(zhàn)：①膜性能與穩(wěn)定性的平衡：提高選擇性的膜材料可能穩(wěn)定性較差，或制備工藝復雜、成本高。例如，某些負載金屬的分子篩膜在長期運行下可能發(fā)生金屬浸出或失活。②膜通量：部分高性能膜材料可能具有較高的選擇性，但其滲透通量相對較低，導致設備體積增大或處理效率不高。③膜污染：天然氣中的雜質(zhì)（如水、烴類）可能導致膜孔堵塞或表面覆蓋，降低膜的性能和壽命。④膜與基底的結(jié)合及長期穩(wěn)定性：確保膜在復雜的工況下不發(fā)生脫落或