2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子設(shè)計(jì)材料在水質(zhì)凈化中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪種材料通常被認(rèn)為具有極高的比表面積和可調(diào)孔道結(jié)構(gòu)，非常適合作為吸附劑用于分子級(jí)別的分離和凈化？A.傳統(tǒng)的活性炭B.薄膜聚烯烴C.金屬有機(jī)框架(MOFs)D.普通硅藻土2.在設(shè)計(jì)用于去除水中Cr(VI)的吸附材料時(shí)，優(yōu)先考慮引入具有強(qiáng)氧化性的官能團(tuán)，這種設(shè)計(jì)思路主要基于：A.增大比表面積原則B.分子識(shí)別原理，利用官能團(tuán)與Cr(VI)的特定化學(xué)親和力C.降低材料成本原則D.提高材料機(jī)械強(qiáng)度的原則3.與物理吸附相比，化學(xué)吸附的主要特點(diǎn)之一是：A.吸附熱較低B.吸附過程可逆C.通常是瞬間完成的D.存在特定的化學(xué)鍵（如共價(jià)鍵、離子鍵）的形成4.對(duì)于設(shè)計(jì)用于光催化降解有機(jī)污染物的半導(dǎo)體材料，其帶隙寬度通常需要滿足什么條件才較為有效？A.越寬越好，以增強(qiáng)對(duì)可見光的利用B.越窄越好，以產(chǎn)生更多的光生電子-空穴對(duì)C.接近或略大于水的禁帶寬度（約2.7-3.0eV），以便有效吸收光生空穴氧化水或氫氧根D.遠(yuǎn)小于水的禁帶寬度，以方便電子轉(zhuǎn)移5.在膜分離技術(shù)中，納濾(NF)與反滲透(RO)的主要區(qū)別在于：A.NF使用的膜材料成本更高B.RO能夠完全脫除二價(jià)離子，而NF對(duì)二價(jià)離子的截留率較低C.NF的操作壓力通常低于ROD.NF主要用于氣體分離，RO主要用于液體分離6.下列哪項(xiàng)技術(shù)通常利用電化學(xué)氧化或還原來去除或轉(zhuǎn)化水中的污染物？A.生物濾池法B.膜生物反應(yīng)器(MBR)C.電化學(xué)高級(jí)氧化(AOPs)D.吸附法7.設(shè)計(jì)用于吸附水中小分子有機(jī)污染物（如酚類）的材料時(shí)，如果希望提高其選擇性，應(yīng)重點(diǎn)考慮：A.增大材料的孔徑B.提高材料的比表面積C.在材料表面引入與污染物分子具有特定相互作用（如氫鍵、π-π作用）的官能團(tuán)D.降低材料的制備成本8.金屬有機(jī)框架(MOFs)材料的主要構(gòu)成單元通常是：A.金屬離子或金屬簇B.有機(jī)配體分子C.A和B的配位結(jié)合形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)D.硅氧四面體單元9.在評(píng)估一種新型水處理吸附材料的性能時(shí)，以下哪個(gè)參數(shù)通常不被認(rèn)為是關(guān)鍵指標(biāo)？A.吸附容量B.吸附速率C.材料的熔點(diǎn)D.材料的再生性能10.分子設(shè)計(jì)理念在水質(zhì)凈化材料開發(fā)中的核心優(yōu)勢(shì)在于：A.可以快速、低成本地制備各種材料B.能夠精確調(diào)控材料的微觀結(jié)構(gòu)、組成和表面性質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)特定功能C.相比傳統(tǒng)材料，alltidguaranteeshigherefficiencyD.主要依賴于大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)二、填空題1.分子設(shè)計(jì)材料在水質(zhì)凈化中的應(yīng)用，其核心依據(jù)是污染物分子與材料表面官能團(tuán)或孔道結(jié)構(gòu)之間的______作用。2.為了提高吸附材料的穩(wěn)定性，常通過調(diào)控其表面___或引入交聯(lián)劑等方法來增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)耐受性。3.常用的吸附等溫線模型中，Langmuir模型假設(shè)吸附劑表面存在___個(gè)均勻的吸附位點(diǎn)，吸附過程遵循單分子層吸附。4.膜分離技術(shù)中，實(shí)現(xiàn)反滲透過程的根本驅(qū)動(dòng)力是膜兩側(cè)的___差。5.光催化材料在水中進(jìn)行污染物降解時(shí)，通常需要利用太陽光或特定波長(zhǎng)的光源提供足夠的___來激發(fā)產(chǎn)生光生電子和空穴。6.對(duì)于用于去除水中氨氮的吸附材料，引入___官能團(tuán)可以有效地通過化學(xué)吸附或離子交換的方式捕捉氨氮。7.設(shè)計(jì)具有高選擇性吸附材料的策略之一是利用分子印跡技術(shù)，預(yù)先在模板分子存在下合成具有特定______的孔道或官能團(tuán)。8.影響MOFs材料吸附性能的關(guān)鍵因素包括其孔徑大小、比表面積、孔道構(gòu)型以及表面___的種類和密度。9.在評(píng)價(jià)吸附材料的再生性能時(shí)，通?？疾炱湓诙啻挝?解吸循環(huán)后，其吸附容量和___的保持程度。10.電化學(xué)水處理技術(shù)中，通過施加___使電極表面發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)污染物的去除或轉(zhuǎn)化。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述金屬有機(jī)框架(MOFs)材料在水質(zhì)凈化中作為吸附劑的主要優(yōu)勢(shì)。2.簡(jiǎn)要說明影響水中污染物在吸附材料表面吸附量的主要因素。3.簡(jiǎn)述膜污染在水處理過程中帶來的主要問題。4.簡(jiǎn)要解釋什么是“分子識(shí)別”原理，并舉例說明其在水質(zhì)凈化材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。四、論述題1.論述設(shè)計(jì)用于去除水中重金屬離子（如鉛離子Pb2?）的吸附材料時(shí)，應(yīng)考慮哪些關(guān)鍵的分子設(shè)計(jì)要素？并說明理由。2.比較并論述光催化氧化法和吸附法在處理難降解有機(jī)廢水方面的各自原理、優(yōu)缺點(diǎn)及潛在的應(yīng)用場(chǎng)景。3.結(jié)合具體實(shí)例，論述將仿生學(xué)思想融入分子設(shè)計(jì)材料在水處理中的應(yīng)用潛力。---試卷答案一、選擇題1.C2.B3.D4.C5.B6.C7.C8.C9.C10.B二、填空題1.識(shí)別2.穩(wěn)定性3.單分子層4.滲透壓5.能量6.羧基7.接觸模8.官能團(tuán)9.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性10.電壓三、簡(jiǎn)答題1.解析思路:考察對(duì)MOFs材料優(yōu)勢(shì)的理解。需從結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，結(jié)合水處理需求作答。優(yōu)勢(shì)應(yīng)包括：極高的比表面積和孔容提供大量吸附位點(diǎn)；孔道結(jié)構(gòu)可調(diào)，可通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)特定尺寸或化學(xué)環(huán)境的孔道，利于分子篩分和選擇性吸附；表面可設(shè)計(jì)多種官能團(tuán)，增強(qiáng)與污染物的相互作用；通常具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，便于實(shí)際應(yīng)用；合成方法多樣，可進(jìn)行功能化設(shè)計(jì)。2.解析思路:考察對(duì)吸附過程影響因素的掌握。需從吸附劑和吸附質(zhì)兩方面，以及兩者相互作用的角度回答。主要因素應(yīng)包括：吸附劑性質(zhì)（如比表面積、孔徑分布、表面化學(xué)性質(zhì)、孔隙率等）；吸附質(zhì)性質(zhì)（如分子大小、極性、溶解度等）；溶液條件（如pH值，影響材料表面電荷和污染物存在形態(tài)；離子強(qiáng)度，影響競(jìng)爭(zhēng)吸附）；溫度；接觸時(shí)間等。3.解析思路:考察對(duì)膜污染問題的認(rèn)識(shí)。需從膜性能下降的角度闡述。膜污染主要導(dǎo)致膜通量顯著下降、截留性能下降（污染物穿透）、操作壓力升高、清洗頻率增加和成本增加、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定甚至失效。其根本原因是水中的懸浮物、膠體、有機(jī)物、微生物等在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積、堵塞，形成污染物層。4.解析思路:考察對(duì)分子識(shí)別原理的核心概念及其應(yīng)用的掌握。分子識(shí)別原理指物質(zhì)分子（識(shí)別體）與特定分子（識(shí)別物）之間通過范德華力、氫鍵、靜電作用、配位作用等非共價(jià)鍵或較弱的化學(xué)鍵，特異性地結(jié)合形成復(fù)合物的過程，如同“鑰匙-鎖”模型。在水質(zhì)凈化中，通過設(shè)計(jì)材料表面具有特定大小、形狀、電荷分布或官能團(tuán)的孔道或表面，使其能與目標(biāo)污染物分子發(fā)生高度選擇性的識(shí)別作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定污染物的有效富集或去除。四、論述題1.解析思路:考察綜合運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行材料設(shè)計(jì)的能力。應(yīng)首先明確Pb2?的特性（如帶正電荷、離子半徑、易形成氫氧化物沉淀等）。然后，圍繞這些特性提出設(shè)計(jì)策略：①選擇合適的骨架材料（如MOFs、生物炭、樹脂等）；②根據(jù)Pb2?的離子半徑，設(shè)計(jì)合適的孔徑或通道尺寸，利用尺寸效應(yīng)進(jìn)行初步富集；③引入能與Pb2?發(fā)生強(qiáng)相互作用（如靜電吸引、配位作用）的官能團(tuán)，如含氮（-NH?,-NO?）、含氧（-COOH,-OH）、含硫（-SH）等的基團(tuán)，這是實(shí)現(xiàn)選擇性吸附的關(guān)鍵；④考慮材料的穩(wěn)定性（化學(xué)、熱穩(wěn)定性）和吸附容量，可能需要引入交聯(lián)或進(jìn)行改性；⑤評(píng)估材料的再生性能和實(shí)際應(yīng)用中的可行性（如成本、易得性）。每個(gè)策略都需要闡述其設(shè)計(jì)理由，即如何針對(duì)Pb2?的特性實(shí)現(xiàn)有效去除。2.解析思路:考察對(duì)兩種處理技術(shù)的全面理解和比較能力。應(yīng)分別闡述兩種技術(shù)的原理：光催化氧化法是利用半導(dǎo)體光催化劑在光照下產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的自由基（如·OH），將水中難降解有機(jī)污染物礦化為小分子無機(jī)物（CO?,H?O）。吸附法是利用吸附劑表面的物理吸附或化學(xué)吸附作用，將污染物從水中轉(zhuǎn)移至固體表面。然后比較優(yōu)缺點(diǎn)：光催化法的優(yōu)點(diǎn)是條件溫和（光能）、環(huán)境友好、可利用太陽能、可降解難降解物；缺點(diǎn)是量子效率通常不高、光生電子-空穴易復(fù)合、催化劑分離回收困難、可能產(chǎn)生二次污染（如金屬離子溶出）、對(duì)光照條件有要求。吸附法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)單、選擇性好（對(duì)特定污染物）、易于分離和再生；缺點(diǎn)是吸附容量有限、易產(chǎn)生飽和、可能存在二次污染（吸附劑本身）、對(duì)于低濃度或溶解性污染物效果不佳。最后分析潛在應(yīng)用場(chǎng)景，光催化法更適用于低濃度、難降解廢水的處理或作為預(yù)處理；吸附法適用于處理濃度相對(duì)較高、需要深度凈化或資源回收的場(chǎng)合。3.解析思路:考察對(duì)仿生學(xué)思想在材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用的思考。仿生學(xué)思想是指模仿生物體生存和發(fā)展的規(guī)律、結(jié)構(gòu)、功能或機(jī)制來解決問題。在分子設(shè)計(jì)材料用于水處理中，可以借鑒：①生物吸附劑：如利用枯草芽孢桿菌等微生物及其細(xì)胞壁成分作為吸附劑，或模仿其表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合成仿生吸附材料；②生物膜：模仿生物膜的選擇性滲透或催化功能，設(shè)計(jì)具有特定分離或轉(zhuǎn)化功能的膜材料；③酶催