2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——分子材料分離與純化技術考試時間：______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題后的括號內）1.下列哪種分離方法主要基于混合物中各組分揮發(fā)度的差異？A.吸附B.萃取C.蒸餾D.膜分離2.在恒定溫度下，描述吸附劑對吸附質吸附量與吸附質在氣相（或液相）中分壓（或濃度）關系的曲線是？A.吸附等溫線B.吸附等壓線C.吸附等溫吸附速率線D.吸附等量線3.下列關于活性炭吸附的說法中，錯誤的是？A.吸附是物理吸附和化學吸附的混合過程B.活性炭具有高度發(fā)達的孔隙結構C.吸附過程通常不可逆D.吸附劑的比表面積是影響吸附性能的關鍵因素4.膜分離技術中，用于分離分子量大小不同的物質的膜主要是？A.氣體分離膜B.溶劑滲透膜C.混合離子交換膜D.篩分膜（孔徑分離膜）5.在液相色譜中，流動相為有機溶劑，固定相為固體吸附劑，主要分離機制是？A.氣相色譜的范德華力B.液-液萃取的溶解度差異C.固體吸附劑與溶質分子間的相互作用力（如范德華力、氫鍵等）D.離子交換的靜電引力6.下列哪種分離技術通常用于從混合氣體中分離氧氣和氮氣？A.活性炭吸附B.反滲透膜分離C.變壓吸附（PSA）D.離子交換色譜7.影響氣體在固體吸附劑上吸附速率的主要因素不包括？A.吸附劑表面活性位點數(shù)量B.吸附質在氣相中的濃度C.固體吸附劑的顏色D.吸附活化能8.在色譜分離中，若某組分在固定相上的保留時間遠長于其他組分，則表明該組分？A.與固定相的作用力較弱B.分子量較大C.與流動相的作用力較弱D.在固定相上的溶解度更大9.對于液-液萃取過程，為了提高萃取效率，通常采取的措施是？A.降低兩相接觸面積B.選擇分配系數(shù)（K）接近1的萃取劑C.增大兩相接觸面積，提高兩相混合效率D.使用密度差異很大的萃取劑10.影響超濾膜分離性能的關鍵因素是？A.膜的厚度B.膜的孔徑分布和截留分子量C.操作壓力D.流動相的粘度二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題中的橫線上）1.分子篩是一種具有______結構的硅鋁酸鹽材料，其主要分離機制是______。2.膜分離過程的傳質基本方式包括______和______。3.在吸附過程中，吸附質從溶液本體擴散到吸附劑表面的過程稱為______。4.氣相色譜中，分離效能的指標是______，它越大，表示分離越______。5.區(qū)分精餾和普通精餾的關鍵在于______的連續(xù)改變。6.固相萃取（SPE）技術利用吸附劑在______和______兩相間的選擇性吸附來分離和富集目標化合物。7.影響液相色譜分離選擇性的主要因素是______和______。8.蒸餾操作中，為了防止塔頂產品過熱，常采用______的方法。9.膜生物反應器（MBR）是______與______相結合的一種新型水處理技術。10.選擇合適的分離純化技術時，需要綜合考慮______、______、______和______等因素。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述液-液萃取過程中，分配系數(shù)K對萃取效率的影響。2.與普通活性炭相比，分子篩在吸附分離方面有哪些獨特的優(yōu)勢？3.簡述影響氣體透過膜分離速率的主要因素。4.簡述高效液相色譜（HPLC）與氣相色譜（GC）在基本原理和適用范圍上的主要區(qū)別。四、計算題（每題10分，共20分）1.在某吸附實驗中，于25℃時，將含有某吸附質的溶液與定量的吸附劑接觸，測得吸附質平衡濃度為1.0mol/L時，吸附量為5mg/g。若該吸附過程符合Langmuir等溫式，且已知Langmuir常數(shù)K_L=0.05L/mol，飽和吸附量q_m=15mg/g。試計算：a)當平衡濃度為2.0mol/L時，吸附量為多少？b)當吸附量為10mg/g時，平衡濃度是多少？2.某二元混合物（A和B）在常壓下的泡點溫度分別為T_A=80°C和T_B=110°C。當混合物在蒸餾塔中操作時，塔頂溫度為90°C，塔底溫度為105°C。請簡要說明在此操作條件下，塔頂和塔底流出的物質分別主要是哪種組分？并解釋原因。五、論述題（10分）試結合具體實例，論述分子材料（如聚合物、復合材料）分離純化過程中，選擇吸附分離或膜分離技術的依據(jù)，并比較這兩種技術的優(yōu)缺點。試卷答案一、選擇題1.C2.A3.C4.D5.C6.C7.C8.D9.C10.B二、填空題1.空洞，分子篩分2.溶解擴散，孔道擴散（或溶解擴散，孔道遷移）3.吸附質擴散4.分離因子（或選擇性），好（或高）5.液相組成（或塔板溫度）6.流動相，固定相7.固定相，流動相8.保溫（或回流）9.生物處理，膜分離10.技術可行性，經濟性，效率，環(huán)境友好性（或能耗）三、簡答題1.解析思路：分配系數(shù)K表示吸附質在兩相中達到平衡時的濃度比（氣相/液相或固相/液相）。K值越大，表示吸附質越傾向于分配到固相（或氣相），即吸附能力越強。在液-液萃取中，若選擇合適的萃取劑，使得目標物在萃取劑（有機相）中的分配系數(shù)遠大于其在原溶劑（水相）中的分配系數(shù)（K>1），則目標物會大量從水相轉移到有機相，萃取效率高。反之，若K接近1，則兩相中濃度接近，萃取效率低。2.解析思路：分子篩具有精確且均勻的孔徑（通常在分子尺度，如0.3-2nm），對分子具有高度的篩分作用，即只允許尺寸小于其孔徑的分子進入孔內并發(fā)生吸附，而較大的分子則被排斥在外。這使得分子篩能夠實現(xiàn)高純度、高選擇性的分離，尤其適用于分離沸點相近或分子結構相似的物質。普通活性炭雖然也具有吸附能力，但其孔徑分布寬且不規(guī)則，吸附主要基于范德華力，選擇性相對較低，適用于吸附雜質或去除異味等。3.解析思路：氣體透過膜分離速率主要受以下因素影響：①膜自身的特性：膜材料的選擇影響其滲透性（氣體溶解度和擴散系數(shù)），膜孔徑和厚度影響氣體擴散阻力。②操作條件：氣體分壓差（驅動力）越大，傳質推動力越大，速率越快。③溫度：溫度升高通常會提高氣體溶解度和擴散系數(shù)，從而加快分離速率（但過高溫度可能導致膜變形或性能下降）。④氣體性質：氣體分子量越小，擴散系數(shù)越大，滲透速率越快；氣體與膜材料的相互作用力（如極性匹配）也會影響擴散速率。4.解析思路：HPLC與GC的主要區(qū)別在于：①分析對象：HPLC適用于溶解于液體流動相且熱穩(wěn)定性差的物質（如離子、極性分子、大分子）；GC適用于在常壓下能氣化且熱穩(wěn)定性好的物質（小分子、非極性或弱極性分子）。②分離原理：HPLC主要基于混合物在固定相（液相）和流動相之間的分配系數(shù)差異；GC主要基于混合物在固定相（氣相，涂覆在毛細管內壁）和流動相（載氣）之間的分配系數(shù)差異，以及組分在氣相中的范德華力差異。③基本裝置：HPLC需要高壓泵輸送流動相，檢測器通常在色譜柱后；GC需要氣化器將樣品氣化，檢測器通常靠近色譜柱出口。④溫度：HPLC操作溫度相對較低；GC需要高溫氣化樣品并維持柱溫。四、計算題1.解析思路：Langmuir等溫式為q=q_m*K_L*C/(1+K_L*C)，其中q是吸附量，q_m是飽和吸附量，K_L是Langmuir常數(shù)，C是平衡濃度。a)將C=2.0mol/L,K_L=0.05L/mol,q_m=15mg/g代入公式計算q。b)將q=10mg/g,K_L=0.05L/mol,q_m=15mg/g代入公式，解出C。（注意單位換算：q_m需換算為L/mol單位，如15mg/g=0.015g/g=0.015kg/kmol，若吸附質摩爾質量為Mkg/kmol，則q_m=0.015/Mmol/L。若題目未給摩爾質量，按題目給定的mg/g進行計算，假設單位已內部統(tǒng)一或題目允許。此處按題目直接給定的mg/g進行計算）a)q=(15*0.05*2.0)/(1+0.05*2.0)=(1.5)/(1+0.1)=1.5/1.1≈1.36mg/gb)10=(15*0.05*C)/(1+0.05*C)10*(1+0.05*C)=15*0.05*C10+0.5*C=0.75*C10=0.25*CC=10/0.25=40mol/L（注意：計算結果中的單位需要根據(jù)題目原始單位進行校對，此處按直接代入計算）a)q≈1.36mg/gb)C=40mol/L2.解析思路：蒸餾分離的原理是利用混合物中各組分揮發(fā)度的差異。沸點越低的組分越容易氣化，在塔頂容易積累；沸點越高的組分越難氣化，主要留在塔底。操作溫度（塔頂/塔底）決定了氣液平衡狀態(tài)，并與塔內各層板的溫度相對應。比較塔頂（90°C）和塔底（105°C）的操作溫度與各組分沸點：A的沸點（80°C）低于塔頂溫度，B的沸點（110°C）高于塔底溫度。當塔頂溫度為90°C時，A更容易氣化，因此塔頂流出的物質主要是A（或富含A的蒸氣）。當塔底溫度為105°C時，B更難氣化，大部分仍留在液相中，因此塔底流出的物質主要是B（或富含B的液體）。五、論述題解析思路：論述題需結合實例，系統(tǒng)闡述選擇依據(jù)和比較優(yōu)缺點。選擇依據(jù)：選擇吸附分離或膜分離技術主要取決于待分離分子材料的性質、待分離組分的性質、分離目標、操作條件和經濟性等因素。*實例與吸附分離：如分離聚合物中的低聚物雜質，常用離子交換吸附法，利用低聚物分子量小易被吸附劑交換的特性，而高分子聚合物被吸附量少。又如，從發(fā)酵液中分離目標蛋白質，可使用特定親和吸附劑（如固定化酶或抗體），實現(xiàn)對目標分子的特異性富集。*實例與膜分離：如分離氣體混合物中的CO2，可選用滲透性對CO2選擇性高的反滲透膜或選擇性膜；又如，純化水溶液中的離子或小分子，反滲透膜能有效截留溶質，得到高純度水。選擇比較：*吸附分離：*優(yōu)點：選擇性高（尤其親和吸附），可處理高濃度、非揮發(fā)性物質，操作壓力溫