2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 分子筛膜在气体吸附工程中的应用

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——分子筛膜在气体吸附工程中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内）1.下列哪种分子筛因其具有的一维孔道结构（10元环）而常用于制备用于分离CH₄和CO₂的膜？A.FAUB.MFIC.SBA-15D.ZeoliteL2.根据理想吸附溶液理论（IAS），分子筛膜对某气体的选择性主要取决于该气体与骨架相互作用力与其他气体与骨架相互作用力的比值。这句话描述的是选择性的：A.竞争效应机制B.溶液-扩散机制中的溶解步骤C.质量作用定律D.膜-气体相互作用主导机制3.在浸渍法制备分子筛膜的过程中，常用的浸渍液不包括：A.含有分子筛前驱体的溶液B.含有纳米颗粒的溶液C.乙醇或水溶液D.含有有机模板剂的溶液4.下列哪种现象是指气体分子在分子筛孔道内通过物理吸附进行扩散的过程？A.溶液-扩散机制B.被动扩散C.Knudsen扩散D.空穴流模型扩散5.分子筛膜在分离气体混合物时，通常表现出对哪些类型气体具有更高的渗透率？A.大尺寸、非极性气体（如CH₄）B.小尺寸、极性气体（如H₂O）C.与骨架具有强相互作用的气体D.与骨架相互作用弱的气体6.用于衡量气体分子通过分子筛膜扩散难易程度的参数是：A.分辨率B.渗透选择性C.扩散系数D.表观活化能7.在分子筛膜制备过程中，引入有机模板剂的主要目的是：A.增加膜的机械强度B.提高膜的渗透率C.指导分子筛晶体的形成和孔道结构D.增强膜与基底的结合力8.分子筛膜用于天然气净化（去除H₂S和CO₂）的主要优势在于其：A.极高的机械强度B.对目标杂质气体的高选择性和低渗透率C.良好的耐高温性能D.可再生性9.分子筛膜用于二氧化碳捕集与封存（CCS）场景中，面临的主要挑战之一是：A.膜材料成本过高B.CO₂在膜中的扩散速率相对较慢C.长期运行下的膜稳定性问题D.需要在极高压力下操作10.下列哪种技术通常不用于提高分子筛膜的渗透性能或选择性？A.薄膜制备技术优化B.组分印迹技术C.基底材料选择优化D.膜的化学改性以增强与特定气体的相互作用二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.分子筛膜对气体的选择性通常用__________和__________两个参数来评价。2.影响分子筛膜气体渗透性能的主要因素包括气体自身的__________、膜的__________以及膜-气体的__________。3.分子筛膜制备方法主要包括物理气相沉积法、__________法、__________法和原位生长法等。4.溶液-扩散模型认为气体分子在膜中的传输是一个包括__________、__________和__________三个步骤的过程。5.分子筛膜在分离近沸点混合物（如正丁烷/正戊烷）时，其选择性主要取决于分子筛孔道的__________和__________。6.为了提高分子筛膜的长期稳定性，通常会采取措施改善其__________、__________和__________。7.分子筛膜与传统的吸附剂相比，其主要优势在于能够实现气体的__________分离。8.在分子筛膜的应用中，提高膜的__________是实现高效分离的关键。三、简答题（每小题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述分子筛膜选择性的基本原理。2.比较浸渍法和原位生长法制备分子筛膜的主要区别。3.解释什么是分子筛膜的渗透选择性和分离选择性，并说明两者之间的关系。4.阐述影响分子筛膜在气体分离过程中稳定性的主要因素。四、论述题（10分。请结合具体实例，论述分子筛膜在气体吸附工程中的一个实际应用，并分析其技术优势、面临的挑战及可能的改进方向。）试卷答案一、选择题1.B2.A3.B4.C5.A6.C7.C8.B9.C10.B二、填空题1.渗透通量选择性2.分子尺寸孔隙率化学相互作用3.浸渍复合4.吸附扩散脱附5.尺寸效应极性效应6.物理化学稳定性抗溶剂侵蚀能力抗热震性7.高效、动态8.渗透通量三、简答题1.简述分子筛膜选择性的基本原理。答：分子筛膜的选择性是指其对不同气体分子的透过能力差异。其基本原理主要基于“尺寸效应”和“极性效应”。尺寸效应源于分子筛具有均匀的孔径结构，只有尺寸小于孔道的气体分子才能进入并透过膜，而较大尺寸的分子则被阻挡。极性效应则源于分子筛骨架（如硅氧烷键）或表面存在的极性位点，这些位点能与具有极性或与骨架相互作用强的气体分子发生优先吸附或更强的相互作用，从而降低了这些气体分子的扩散速率，提高了对非极性或相互作用弱的气体的选择性。2.比较浸渍法和原位生长法制备分子筛膜的主要区别。答：浸渍法是将含有分子筛前驱体（如水玻璃、硅溶胶）或纳米晶体的溶液/悬浮液浸渍到多孔基底（通常是致密膜或多孔支撑材料）上，然后通过热处理等方法使前驱体转化为分子筛并沉积在基底表面或孔道内。原位生长法是在多孔基底表面或孔道内直接控制分子筛晶体的成核与生长过程，通常需要引入有机模板剂来引导孔道结构，并需要特定的生长条件（如温度、pH、反应物浓度）。主要区别在于：浸渍法是“外来”引入分子筛组分，而原位生长法是“就地”合成分子筛；浸渍法通常在较低温度下进行，而原位生长法可能需要更高的反应温度；浸渍法制备的膜可能存在界面缺陷或分布不均，而原位生长法可能获得与基底结合更紧密、结构更规整的膜。3.解释什么是分子筛膜的渗透选择性和分离选择性，并说明两者之间的关系。答：渗透选择性（PermeanceSelectivity）是指两种气体分子透过同一种膜的相对速率之比，通常用渗透通量之比表示，即J₁/J₂。它反映了膜对不同气体分子的“易透过性”差异。分离选择性（SeparationSelectivity）是指膜对两种气体混合物进行分离的能力，通常用两种气体在膜出口处的摩尔分数之比（y₁/y₂）或分压之比（P₁/P₂）来衡量，有时也用渗透选择性表示为α=(J₁/J₂)/(y₁/y₂)=(P₁/P₂)*(J₂/J₁)。它反映了膜实现分离效果的最终程度。两者之间的关系是：渗透选择性是分离选择性的基础和前提，只有膜具有显著的渗透选择性，才可能实现有效的分离。但分离选择性还受到操作条件（如压力差）和气体组成的影响。4.阐述影响分子筛膜在气体分离过程中稳定性的主要因素。答：影响分子筛膜稳定性的因素主要包括：①物理化学稳定性，如膜材料本身的热稳定性（耐温性）、化学稳定性（耐酸碱、耐溶剂、耐氧化还原性）、机械稳定性（抗弯曲、抗拉伸、抗冲击性）；②抗溶剂侵蚀能力，某些溶剂（特别是与膜孔道构型或骨架基团有相互作用的）可能渗透到膜孔道内，导致膜结构破坏或性能下降；③抗热震性，膜材料在经历剧烈的温度变化时可能发生开裂或结构变化；④与基底的结合力，界面处的缺陷或结合不牢固会导致膜在长期运行或受力时从基底上剥离；⑤长期运行的性能衰减，如膜孔道堵塞、晶体生长或收缩引起的变形、组分缓慢释放等。四、论述题答：分子筛膜在天然气净化（去除H₂S和CO₂）中的应用是一个典型的气体吸附工程实例。天然气的主要成分是甲烷（CH₄），但其中常含有硫化氢（H₂S）、二氧化碳（CO₂）等杂质，这些杂质不仅影响天然气质量，还可能腐蚀管道设备。分子筛膜，特别是具有特定孔道尺寸和酸性的分子筛膜（如Cu-CHA、Ni-CHA等），能够有效分离H₂S和CO₂。技术优势：①高选择性：特定结构的分子筛膜对H₂S和CO₂具有比甲烷高得多的渗透率或选择性，例如，Cu-CHA分子筛膜对H₂S的选择性可远超CH₄。这使得膜分离能够在接近常温常压的条件下，高效地将H₂S和CO₂从天然气中分离出来，能耗远低于传统的低温变压吸附（PSA）或化学吸收法。②操作条件温和：膜分离过程通常在接近环境温度和常压下进行，设备投资和运行能耗较低，操作简单安全。③无化学试剂：膜分离是物理过程，不消耗化学试剂，避免了二次污染，产出的水合H₂S或CO₂溶液易于处理。面临的挑战：①膜性能与稳定性的平衡：提高选择性的膜材料可能稳定性较差，或制备工艺复杂、成本高。例如，某些负载金属的分子筛膜在长期运行下可能发生金属浸出或失活。②膜通量：部分高性能膜材料可能具有较高的选择性，但其渗透通量相对较低，导致设备体积增大或处理效率不高。③膜污染：天然气中的杂质（如水、烃类）可能导致膜孔堵塞或表面覆盖，降低膜的性能和寿命。④膜与基底的结合及长期稳定性：确保膜在复杂的工况下不发生脱落或