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随着工业化步伐的快速推进，它所带来的污染物随污水进入环境中，会对人类和其他生物产生严重的危害。重金属离子和放射性核素在环境介质中的微观结构和化学形态关系到其生物毒性、迁移转换和生物有效性等行为。因此，研究重金属离子和放射性核素在固-液界面的宏观吸附动力学、热力学以及微观结构变化，以此来评价它们在环境中的物理化学行为具有重要意义。近年来，复合材料通过物理化学方法，根据不同用途选择基体材料与官能团合成具有新性能的材料，这种复合材料在水处理方面互相取长补短，产生协同效应，使得复合材料的综合性能优于原单一组分而满足实际工业废水处理的要求。本论文主要从事纳米复合材料的设计和合成，发展多种高效去除水体中污染物的碳基纳米材料和钛酸盐纳米材料，探索了其合成机理，应用于水体中的重金属离子、放射性核素和有机微污染的去除，并对吸附机理进行了分析。 (1)以氧化石墨烯(GO)为基底，合成了镁铝水滑石(LDHs)和GO的复合材料(LDHs/GO)，得到的纳米复合材料吸水膨胀后形成凝胶，并研究了体系pH值、接触时间、不同含量的GO等因素对As(Ⅴ)在复合物表面吸附的影响，吸附动力学实验表明吸附过程在2.5h内达到吸附平衡。含量6.0％GO的LDHs/GO对As(Ⅴ)呈现出了最大的吸附容量～183.11mg/g，增大或者减少GO的含量，都会降低其吸附量。并利用光谱分析法分析，推测了吸附机理，砷酸根离子与LDHs层间的阴离子交换是主导着吸附的发生。 (2)我们通过在GO上面进行矿化合成羟基磷灰石-氧化石墨烯(GO-HAp)复合物，探索HAp纳米颗粒在GO上面随着矿化时间的不同，呈现不同的形貌。合成花状的GO-HAp对放射性离子Sr2+的吸附容量高达702.18mg/g，研究还发现Sr2+在GO-HAp的吸附受溶液pH影响较小，表明改复合物可以应用于极端条件下的水处理，极大的促进了其在工业废水当中的应用。 (3)以钛酸盐纳米带为典型纳米材料，通过层层自组装技术，以钛酸盐纳米带(Na-TNBs)和聚乙烯亚胺为原材料，构建了可塑性的纳米多孔薄膜材料，探讨了Sr2+和Cs+在Na-TNBs薄膜上的吸附行为和机理研究。研究结果表明，Sr2+和Cs+的离子交换行为主要发生在Na-TNBs的(003)晶面上，其层间收缩有力的证明了这一观点。与此同时，在薄膜表面覆盖一层挥发性有机硅后，得到疏水性薄膜(水的接触角＞150.58°)，对水体中的油性物质具有出色的选择性和快速吸附能力，其吸附容量高达自身质量的23倍。该研究工作为以后的废水处理和分离技术提供了新的思路。 (4)通过对钛酸盐纳米带表面进行改性得到核壳结构的钛酸盐/聚苯胺复合物(PANI/H-TNBs)，研究了Cr(Ⅵ)和有机微污染物HA的作用机理和微观结构。基于不同的吸附机理，PANI/H-TNBs可以同时去除水体中的Cr(Ⅵ)和HA，在水环境化学条件下，不同浓度HA的存在对Cr(Ⅵ)的吸附影响较小，因此Cr(Ⅵ)在PANI/H-TNBs上的吸附主要是Cr(Ⅵ)被还原成Cr(Ⅲ)和吸附的协同效应造成的;而HA通过表面络合吸附在带有正电荷的PANI表面。得到的PANI/H-TNBs最后应用于实际的有机腐殖质污染地下水的处理，并达到国家饮用水标准。为了实现水体中有机腐殖质的去除，我们还合成了氧化亚铜纳米晶(Cu2O)，实现了对有机微污染物的吸附-催化降解-循环利用一体化，提高了纳米净水材料对有机微污染物的高容量富集及催化转化效率，阐明有机微污染物在净水材料中的富集和转化机制。得到的Cu2O@HA，经过煅烧得到CuO@C电极材料，在超级电容和锂离子电池能源方面取得较好的效果，实现了从环境处理到能源应用的转化。