2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——分子篩膜在氣體分離工程中的應(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)字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列哪種材料通常被認(rèn)為具有分子篩特性，能夠根據(jù)分子大小進(jìn)行分離？（）A.多孔活性炭B.金屬有機(jī)框架（MOF）C.碳納米管D.透鏡狀沸石2.對(duì)于沸石分子篩，其分離選擇性主要依賴于？（）A.分子與沸石表面官能團(tuán)的化學(xué)吸附B.分子在不同孔道內(nèi)的溶解度差異C.分子與沸石骨架的電子相互作用D.分子擴(kuò)散速率與滲透率的簡(jiǎn)單線性關(guān)系3.在分子篩膜的制備過(guò)程中，使用有機(jī)模板劑的主要目的是？（）A.提高膜的機(jī)械強(qiáng)度B.增大膜的孔徑分布C.指導(dǎo)無(wú)機(jī)骨架的形成和孔道結(jié)構(gòu)D.提升膜的選擇性系數(shù)4.描述氣體分子通過(guò)分子篩膜孔道的“溶解-擴(kuò)散”機(jī)理，通常認(rèn)為氣體分子首先？（）A.在膜表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)B.整個(gè)分子被物理吸附到膜孔內(nèi)C.擴(kuò)散到膜-氣相界面并溶解D.通過(guò)量子隧穿效應(yīng)穿過(guò)膜孔5.分子篩膜的選擇性系數(shù)（α）的定義是？（）A.(P?/P?)2B.(P?/P?)3C.P?/P?D.P?/P?6.在氣體分離應(yīng)用中，提高操作壓力通常會(huì)？（）A.降低膜的滲透通量，提高選擇性B.提高膜的滲透通量，降低選擇性C.對(duì)滲透通量和選擇性沒有顯著影響D.主要影響膜的機(jī)械穩(wěn)定性7.下列哪種分子篩膜在分離二氧化碳和甲烷時(shí)通常表現(xiàn)出較高的選擇性？（）A.ZSM-5B.SAPO-34C.MCM-41D.AlPO-58.導(dǎo)致分子篩膜在長(zhǎng)期運(yùn)行中性能下降的主要問題是？（）A.膜的燒結(jié)收縮B.膜與分離介質(zhì)之間的化學(xué)相容性差C.氣體在膜內(nèi)發(fā)生催化反應(yīng)D.膜表面或孔道內(nèi)發(fā)生物理吸附積累9.在天然氣凈化過(guò)程中，利用分子篩膜分離甲烷和乙烷，主要利用了？（）A.兩者分子極性的差異B.兩者分子大小和形狀的差異C.兩者與水分子親和力的差異D.兩者在膜內(nèi)擴(kuò)散活化能的差異10.對(duì)于工業(yè)規(guī)模的分子篩膜應(yīng)用，膜組件的填充方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮的因素是？（）A.膜的制備成本B.氣體在膜內(nèi)的壓降和傳質(zhì)效率C.膜的長(zhǎng)期穩(wěn)定性D.膜的選擇性系數(shù)二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.沸石分子篩的基本結(jié)構(gòu)單元是______，其孔道結(jié)構(gòu)通常由______和______構(gòu)成。2.分子篩膜的滲透通量（J）與氣體分壓（P）和膜的厚度（δ）的關(guān)系通常近似為______。3.影響分子篩膜選擇性的因素包括膜本身的______、氣體分子的______以及操作條件如______和______。4.分子篩膜制備中常用的浸漬-干燥-焙燒法，其中“焙燒”步驟的主要作用是去除______并使______結(jié)晶。5.在CO?捕集應(yīng)用中，提高分子篩膜選擇性的一個(gè)有效策略是調(diào)控膜材料的______。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述孔道大小效應(yīng)在分子篩膜氣體分離中的作用機(jī)制。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明吸附-擴(kuò)散機(jī)理與溶解-擴(kuò)散機(jī)理在描述分子篩膜分離過(guò)程中的主要區(qū)別。3.列舉至少三種影響分子篩膜長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素，并簡(jiǎn)述其影響。四、計(jì)算題（6分）已知某分子篩膜在25°C下，對(duì)氦氣（He）和氖氣（Ne）的滲透通量分別為J_He=10^-6mol/(m2·s·Pa)和J_Ne=5×10^-7mol/(m2·s·Pa)，測(cè)得膜兩側(cè)He和Ne的分壓差均為50kPa。試計(jì)算該膜對(duì)氖氣的選擇系數(shù)α(He/Ne)。五、論述題（9分）論述提高分子篩膜在工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素有哪些，并分別闡述相應(yīng)的改進(jìn)策略。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.B5.C6.A7.B8.D9.B10.B二、填空題1.四元環(huán)硅氧烷，五元環(huán)硅氧烷2.J∝P/δ3.物理化學(xué)性質(zhì)，分子大小/形狀，溫度，壓力4.有機(jī)模板劑，無(wú)機(jī)骨架5.酸堿性三、簡(jiǎn)答題1.孔道大小效應(yīng)是指分子篩膜僅允許尺寸小于其孔道直徑的分子通過(guò)，而將尺寸較大的分子阻擋在膜外。這種篩分作用基于分子尺寸的匹配，是分子篩膜實(shí)現(xiàn)氣體分離的基礎(chǔ)機(jī)制之一。2.吸附-擴(kuò)散機(jī)理認(rèn)為氣體分子在膜表面發(fā)生可逆吸附，然后擴(kuò)散通過(guò)膜內(nèi)部孔道到達(dá)對(duì)面表面并脫附。溶解-擴(kuò)散機(jī)理則認(rèn)為氣體分子首先溶解在膜-氣相界面并擴(kuò)散進(jìn)入膜相，然后在膜內(nèi)部擴(kuò)散，最后溶解在膜-液相界面并擴(kuò)散出去。吸附-擴(kuò)散更側(cè)重表面和界面作用，而溶解-擴(kuò)散更側(cè)重分子在膜相中的溶解和擴(kuò)散。3.影響因素包括：①膜的熱穩(wěn)定性，高溫可能導(dǎo)致膜收縮、晶型轉(zhuǎn)變甚至分解；②膜的化學(xué)穩(wěn)定性，酸、堿、溶劑或分離氣體可能腐蝕或溶解膜材料；③膜的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性，如膜污染（無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)物沉積）導(dǎo)致孔道堵塞或性能下降，以及潛在的溶出問題。四、計(jì)算題α(He/Ne)=J_He/J_Ne=(10^-6mol/(m2·s·Pa))/(5×10^-7mol/(m2·s·Pa))=2五、論述題提高分子篩膜應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素及策略：①降低膜制備成本：通過(guò)優(yōu)化制備工藝（如減少模板劑用量或開發(fā)可生物降解模板劑）、探索低成本前驅(qū)體、規(guī)?；a(chǎn)、開發(fā)新型高效膜材料（如MOFs）等策略降低膜材料和生產(chǎn)成本。②提高膜性能：通過(guò)材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)調(diào)控（如精確控制孔徑和孔道結(jié)構(gòu)）提高膜的選擇系數(shù)和滲透通量，使膜分離過(guò)程更高效，從而降低能耗和設(shè)備投資。③延長(zhǎng)膜使用壽命：通過(guò)改性提高膜的穩(wěn)定性和抗污染能力，優(yōu)化操作條件和開發(fā)有效的膜清洗、再生技術(shù)，減少膜更換頻率，降低運(yùn)行維護(hù)成本。④減少能量消耗：優(yōu)化