2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——分子工程在環(huán)境治理中的應(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)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。）1.分子工程的核心思想是（）。A.利用物理方法分離混合物B.精確設(shè)計(jì)、控制和修飾分子的結(jié)構(gòu)、功能及其相互作用C.大規(guī)模生產(chǎn)高分子材料D.研究分子的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律2.在分子吸附技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)高選擇性吸附的關(guān)鍵在于（）。A.吸附劑具有巨大的比表面積B.吸附劑成本極低C.吸附劑與目標(biāo)污染物分子之間存在特定的、強(qiáng)烈的相互作用（如化學(xué)鍵合或范德華力）D.吸附過(guò)程速度快3.光催化技術(shù)中，提高光催化劑活性的主要途徑之一是（）。A.增加光照強(qiáng)度B.降低催化劑的使用劑量C.通過(guò)改變半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)，使其更匹配太陽(yáng)光譜D.使用價(jià)格更昂貴的貴金屬催化劑4.下列哪種環(huán)境污染物通常被認(rèn)為是持久性有機(jī)污染物（POPs），并且難以通過(guò)常規(guī)化學(xué)方法降解？（）A.二氧化硫B.氮氧化物C.多氯聯(lián)苯（PCBs）D.甲醛5.膜分離技術(shù)的基本原理是利用膜的選擇透過(guò)性，實(shí)現(xiàn)混合物中不同組分的分離。其“選擇透過(guò)性”主要依賴于（）。A.膜的機(jī)械強(qiáng)度B.膜的厚度C.膜材料對(duì)特定尺寸、電荷或化學(xué)性質(zhì)的分子具有選擇性D.膜的透明度6.在設(shè)計(jì)用于水處理的重金屬離子吸附劑時(shí)，通常會(huì)考慮（）。A.吸附劑的疏水性B.吸附劑對(duì)光照的敏感性C.吸附劑表面具有能與重金屬離子發(fā)生配位作用的活性位點(diǎn)（如羥基、羧基、氨基）D.吸附劑在強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境下的穩(wěn)定性7.將基因工程技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境治理，主要目的是（）。A.制造高效的分子吸附劑B.培育能夠高效降解污染物的微生物菌株C.開(kāi)發(fā)新型光催化劑D.降低膜分離過(guò)程的能耗8.分子印跡技術(shù)用于制備選擇性吸附劑時(shí)，其核心步驟是（）。A.高溫?zé)Y(jié)B.引入印跡分子、交聯(lián)劑和溶劑C.磁性材料摻雜D.超聲波處理9.催化降解揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）時(shí)，常采用光催化或催化燃燒技術(shù)。相比光催化，催化燃燒的主要優(yōu)勢(shì)在于（）。A.可以處理濃度極低的VOCsB.通常具有更高的轉(zhuǎn)化效率和更低的反應(yīng)溫度C.產(chǎn)生的催化劑易于回收利用D.對(duì)設(shè)備的光照條件要求不高10.分子工程在土壤修復(fù)中，可能被用于（）。A.直接物理挖掘和轉(zhuǎn)移土壤B.培育能降解土壤中有機(jī)污染物的微生物C.設(shè)計(jì)具有高選擇性吸附土壤重金屬離子的納米材料并原位修復(fù)D.使用超聲波能量破壞土壤結(jié)構(gòu)二、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題。）1.簡(jiǎn)述分子識(shí)別在分子工程環(huán)境治理技術(shù)中的基本作用。2.與傳統(tǒng)化學(xué)吸附相比，分子印跡技術(shù)制備的吸附劑在選擇性方面有何突出特點(diǎn)？3.簡(jiǎn)述光催化降解有機(jī)污染物的基本原理及其對(duì)光催化劑材料的主要要求。4.在分子工程框架下，為實(shí)現(xiàn)對(duì)特定水體污染物的有效去除，設(shè)計(jì)吸附劑時(shí)需要考慮哪些關(guān)鍵因素？三、論述題（每小題10分，共30分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和闡述下列問(wèn)題。）1.論述利用納米材料進(jìn)行水體中重金屬離子治理的潛在優(yōu)勢(shì)、關(guān)鍵技術(shù)和面臨的挑戰(zhàn)。2.比較并論述分子工程方法（如設(shè)計(jì)合成高效吸附劑或催化劑）在處理氣相污染物（如VOCs）與液相污染物（如水中的有機(jī)物）方面的異同點(diǎn)。3.針對(duì)環(huán)境中難以降解的持久性有機(jī)污染物（POPs），設(shè)想幾種基于分子工程原理的治理策略，并簡(jiǎn)述其基本思路和可能遇到的困難。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。）1.B*解析：分子工程的核心在于從分子層面進(jìn)行設(shè)計(jì)和修飾，以實(shí)現(xiàn)特定功能。2.C*解析：選擇性的根源在于吸附劑與污染物分子間特定的、非共價(jià)的或化學(xué)的相互作用。3.C*解析：能帶結(jié)構(gòu)決定了半導(dǎo)體的吸收光譜和電子躍遷特性，優(yōu)化能帶是提高光催化活性的關(guān)鍵。4.C*解析：PCBs結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，化學(xué)性質(zhì)惰性，屬于典型的POPs。5.C*解析：選擇透過(guò)性是膜材料本身屬性決定的，對(duì)特定物質(zhì)具有選擇性。6.C*解析：活性位點(diǎn)能與重金屬離子形成穩(wěn)定配位鍵是吸附劑實(shí)現(xiàn)去除的關(guān)鍵。7.B*解析：基因工程改造微生物是為了獲得更強(qiáng)的降解能力，屬于分子層面的調(diào)控。8.B*解析：引入印跡分子、交聯(lián)劑形成印跡位點(diǎn)是其核心的識(shí)別部分。9.B*解析：催化燃燒通常在較高溫度下進(jìn)行，轉(zhuǎn)化效率高，對(duì)低濃度VOCs同樣有效。10.C*解析：設(shè)計(jì)特定吸附劑進(jìn)行原位修復(fù)是分子工程在土壤修復(fù)中的一種典型應(yīng)用。二、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分。）1.答：分子識(shí)別是指分子或離子與具有特定識(shí)別位點(diǎn)的大分子或界面之間發(fā)生的選擇性結(jié)合。在分子工程環(huán)境治理中，利用分子識(shí)別原理，可以設(shè)計(jì)出對(duì)特定污染物（目標(biāo)分子）具有高度選擇性的吸附劑、催化劑或分離膜。這使得治理過(guò)程能夠精準(zhǔn)地捕獲或轉(zhuǎn)化污染物，減少對(duì)其他物質(zhì)的干擾，提高治理效率和效果，并降低二次污染風(fēng)險(xiǎn)。2.答：分子印跡技術(shù)制備的吸附劑具有“認(rèn)狀性”（Specificity），即對(duì)其印跡過(guò)程中存在過(guò)的模板分子（目標(biāo)污染物）具有高度的選擇性識(shí)別能力。這種選擇性源于在吸附劑材料內(nèi)部形成的與模板分子結(jié)構(gòu)、尺寸、甚至構(gòu)象完全匹配的空腔或孔道。即使在與模板分子結(jié)構(gòu)相似的其它分子存在時(shí)，印跡吸附劑也能優(yōu)先吸附模板分子，表現(xiàn)出優(yōu)異的特異性，這是傳統(tǒng)吸附劑（如活性炭）通常不具備的。3.答：光催化降解有機(jī)污染物的基本原理是：半導(dǎo)體光催化劑在吸收能量大于其帶隙能量的光子后，產(chǎn)生光生電子（e?）和光生空穴（h?）。這些高活性的載流子具有強(qiáng)氧化還原能力，在催化劑表面發(fā)生一系列物理化學(xué)過(guò)程（如與水、氧氣反應(yīng)），最終將難降解的有機(jī)污染物礦化為無(wú)害的CO?和H?O。對(duì)光催化劑材料的主要要求包括：具有合適的能帶結(jié)構(gòu)以有效吸收太陽(yáng)光或特定波長(zhǎng)的光源；光生載流子（e?和h?）壽命長(zhǎng)、遷移距離遠(yuǎn)；具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、光學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度；易于制備、成本低廉；對(duì)目標(biāo)污染物具有高吸附性和催化活性。4.答：設(shè)計(jì)用于水體污染治理的分子工程吸附劑時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵因素包括：①目標(biāo)污染物的性質(zhì)：如分子結(jié)構(gòu)、尺寸、電荷、極性、溶解度等，這決定了所需吸附劑的功能基團(tuán)和識(shí)別位點(diǎn)的類型。②吸附劑的材料特性：如比表面積、孔徑分布、孔隙結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)（活性位點(diǎn)類型）、穩(wěn)定性（pH、化學(xué)、熱穩(wěn)定性）、生物相容性（如需用于飲用水處理）等。③吸附性能：如最大吸附容量、吸附速率、選擇性（對(duì)目標(biāo)污染物與其他共存物的分離能力）、再生性能和循環(huán)穩(wěn)定性。④制備成本與可加工性：吸附劑的合成路線是否經(jīng)濟(jì)可行，以及是否易于規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用。⑤環(huán)境友好性：吸附劑本身及其再生過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響。三、論述題（每小題10分，共30分。）1.答：利用納米材料治理水體重金屬離子具有顯著優(yōu)勢(shì)：①高比表面積：納米材料具有巨大的比表面積，提供了大量的活性吸附位點(diǎn)，大大提高了重金屬離子的吸附容量和速率。②尺寸效應(yīng)：納米材料的表面原子具有高活性，催化活性或吸附性能可能遠(yuǎn)超其塊狀材料。③表面效應(yīng)：納米顆粒表面性質(zhì)獨(dú)特，易于通過(guò)表面修飾進(jìn)行功能化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定重金屬離子的選擇性吸附。④易團(tuán)聚形成沉淀：某些納米材料（如金屬納米顆粒）在去除重金屬后，可能形成密度較大的沉淀，便于從水中分離。關(guān)鍵技術(shù)包括：納米材料的制備（如化學(xué)合成、模板法、自組裝等）、表面功能化改性（引入螯合劑、氧化還原劑等）、吸附劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)與篩選、吸附過(guò)程的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)研究、以及吸附劑的再生與回收技術(shù)。面臨的挑戰(zhàn)主要有：①納米材料的長(zhǎng)期環(huán)境影響（如生物毒性、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、水體中行為）尚需深入研究。②納米材料的穩(wěn)定性、在復(fù)雜水體環(huán)境中的抗干擾能力以及規(guī)?；瘧?yīng)用的成本問(wèn)題。③如何有效從水中分離回收納米吸附劑，實(shí)現(xiàn)資源化利用。2.答：分子工程方法在處理氣相和液相污染物時(shí)，既有共同點(diǎn)，也有顯著差異。共同點(diǎn)在于：①設(shè)計(jì)理念相同：都基于分子識(shí)別、表面改性等原理，通過(guò)設(shè)計(jì)具有特定功能的材料或界面來(lái)選擇性捕獲或轉(zhuǎn)化污染物。②核心技術(shù)相似：都可能涉及納米技術(shù)、表面化學(xué)、超分子化學(xué)等。③目標(biāo)一致：旨在提高污染物治理的選擇性、效率和可持續(xù)性。差異點(diǎn)在于：①污染物狀態(tài)與相界面不同：氣相污染物存在于氣-固或氣-液界面，液相污染物存在于液-固或液-液界面，這決定了所需材料（吸附劑、催化劑）的孔道結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)和傳質(zhì)路徑的不同要求。②傳質(zhì)過(guò)程不同：氣相污染物傳質(zhì)主要受擴(kuò)散控制，而液相污染物傳質(zhì)可能同時(shí)受擴(kuò)散和反應(yīng)控制，對(duì)材料的滲透性、孔徑分布要求不同。③反應(yīng)環(huán)境不同：氣相處理（如催化燃燒）通常在較高溫度下進(jìn)行，而液相處理（如光催化降解）多在常溫常壓下進(jìn)行，對(duì)材料的耐溫耐壓性和反應(yīng)條件適應(yīng)性要求不同。④應(yīng)用形式不同：氣相處理常用固體吸附劑床、催化反應(yīng)器；液相處理常用浸沒(méi)式反應(yīng)器、固定床或流化床。⑤監(jiān)測(cè)與控制難度不同：氣相污染物易于收集和監(jiān)測(cè)，而液相污染物處理后的出水水質(zhì)需要嚴(yán)格監(jiān)測(cè)。3.答：針對(duì)環(huán)境中難以降解的POPs，基于分子工程原理可設(shè)想以下幾種治理策略：①設(shè)計(jì)高性能吸附劑：利用分子印跡技術(shù)、超分子化學(xué)等方法，設(shè)計(jì)對(duì)特定POPs分子結(jié)構(gòu)具有高度特異性的吸附材料（如分子印跡聚合物、基于cucurbituril等超分子容器的材料），實(shí)現(xiàn)對(duì)水體或土壤中POPs的選擇性富集和去除?；舅悸肥抢媚０宸肿右龑?dǎo)材料結(jié)構(gòu)形成，使其具有匹配的空腔。困難在于印跡效果、材料穩(wěn)定性、吸附容量以及對(duì)復(fù)雜基質(zhì)中選擇性的保持。②設(shè)計(jì)高效光催化劑：通過(guò)半導(dǎo)體能帶工程（如元素?fù)诫s、復(fù)合半導(dǎo)體、異質(zhì)結(jié)構(gòu)建）或表面修飾，設(shè)計(jì)出對(duì)POPs具有高光催化降解活性的材料，并優(yōu)化其在光照下的穩(wěn)定性?；舅悸肥窃鰪?qiáng)光吸收、抑制電子-空穴復(fù)合、提高表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。困難在于提高量子效率、光穩(wěn)定性、以及降解產(chǎn)物的二次污染問(wèn)題。③開(kāi)發(fā)仿生或酶工程催化劑：模擬自然界中微生物或酶對(duì)POPs的降解機(jī)制