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近年来,经济的快速发展导致污水排放量增加,给水体环境造成了严重的污染。其中,富营养化以及砷污染问题尤为突出。吸附是目前解决富营养化以及砷污染问题最有效的方法之一,因此开发新型、高效的吸附剂成为消除水污染的关键所在。然而现行的污染物吸附剂如生物吸附剂、活性炭、矿物材料等,存在吸附容量小、吸附选择性差、制备成本高、吸附后难以回收以及可能会引起二次污染等缺点,不能很好地解决日益严重的水体污染问题。基于以上分析,我们需要开发吸附量大、易于分离回收的吸附材料,充分暴露材料的吸附位点,旨在提高水体污染的处理能力。石油污染事故频发,给海洋生态环境带来了严重的后果。而常用的处理技术不能有效地消除石油泄漏带来的环境危害。因此,需要开发高性能的油水分离材料及技术,提高油水分离效率,降低油水分离成本,以期在实际石油污染水体处理中能够发挥效用。结合环境中砷污染以及富营养化特点,制备了铁掺杂二氧化锰微纳结构材料、β-FeOOH纳米棒/泡沫炭多孔分级结构材料以及Fe3O4-氧化石墨烯/泡沫炭复合材料用于去除水体污染物质,分别探究其对磷、砷的吸附性能及机理。同时由于全球石油资源日益枯竭,石油泄漏问题严重,给人类及生态环境带来严重的危害,开发了钴基金属有机框架/泡沫炭复合材料,将其碳化处理后用于油水分离,并与流动泵结合搭建了微小型油水分离装置,提高了油水分离的效率。本文的主要内容包括:(1)含磷废水的过度排放引起水体的富营养化问题被社会广泛关注。为了消除负面影响,开发三维微纳分级结构材料来处理水体富营养化污染是一种非常有效的方式。通过简单的一步无模板法制备三维花状的铁掺杂二氧化锰微纳米球处理磷酸盐污染水体。用扫描电镜和透射电镜表征样品,这种微纳米球由大量交织在一起的纳米片组装成,纳米片的厚度可以通过调节Fe/Mn摩尔比而控制在2～30 nm之间,并且随着纳米片厚度的减小,其对磷酸盐的去除效果显著提高。与未掺杂铁样品相比,铁掺杂二氧化锰微纳米球对磷酸盐吸附性能明显增强,同时随着铁掺杂量的增加,其去除效率也显著提高。当铁掺杂量为15%时,这种微纳米球可以完全将低浓度(少于10ppm)的磷酸盐从水体中去除。另外,制备的微纳米球对磷酸盐表现出较好的选择性,这可以归因于其独特的三维分级结构,以及磷与铁、锰之间较强的成键作用。更为重要的是,样品在五次循环再生后,其对磷酸盐的吸附量无明显降低。上述研究结果表明,所制备的铁掺杂二氧化锰微纳米球是一种理想的磷酸盐吸附剂。(2)其次,铁掺杂二氧化锰微纳米球对水体中As(Ⅲ)有很好的去除性能,其饱和吸附量为102.84 mg/g。这种微纳分级结构材料对As(Ⅲ)优良的吸附性能可归因于材料独特的结构特点以及其充分暴露的活性位点。另外,铁掺杂二氧化锰微纳米球对As(Ⅲ)氧化与吸附的协同进行是展现其良好吸附能力的另一关键原因,即二氧化锰首先将As(Ⅲ)氧化为As(V),而铁组分与氧化后的As(V)产生较强的键合作用,这可以通过X射线光电子能谱分析(XPS)进行证实。尤为重要的是材料在经过三次再生循环后对As(Ⅲ)的去除效率无显著的降低,并且因材料的颗粒尺寸相对较大,可以通过简单的过滤分离,降低了对环境的二次污染风险。因此,这种铁掺杂二氧化锰微纳米球是理想的As(Ⅲ)吸附剂。(3)水体砷污染问题已经引起了人们的广泛关注,给整个生态系统和人类健康带来严重的危害,因此迫切需要设计开发高性能的砷污染吸附剂。本文发展了一种简单、低成本的方法在三维泡沫炭材料表面生长β-FeOOH纳米棒来处理水体中砷污染。通过先碳化海绵随后水热反应制备这种多孔块体材料,并将其应用于水体中砷的去除,对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的饱和吸附量分别为103.4mg/g、172.9 mg/g。这种三维吸附剂材料对砷污染展现出优异的去除性能,可归因于其三维网状结构便于传质过程的进行,以及充分暴露的吸附位点,另外材料表面存在丰富羟基基团是提高水体中砷去除效率重要因素。样品对砷具有较好的选择性吸附,主要是由于材料的活性位与砷的亲和力更强,这种三维网状块体材料不仅有利于材料的分离回收,还有利于防止纳米颗粒对水体环境造成二次污染。另外,材料经过五次再生循环后无显著的吸附性能降低,表明这种材料具备优良的循环利用性。综上所述,这种三维块体吸附材料是一种理想的砷污染物去除吸附剂,有较好的实际应用前景。(4)具备丰富活性位点又便于磁性分离的三维块体复合材料在去除水体污染物中具有重要的意义。通过简单的一步法将氧化石墨烯包覆在四氧化三铁颗粒的表面,并锚定在三维大孔的泡沫炭框架上,用于水体中As(Ⅲ)的快速去除。这种三维复合材料对As(Ⅲ)的饱和吸附量为111 mg/g,其良好的吸附能力可归因于三维网状分级结构以及吸附活性位点的充分暴露。另外,材料的再生循环性能良好,利用材料的磁性和三维块体特点容易将材料进行分离回收,因此是一种理想的吸附材料。(5)频繁的石油泄漏逐渐成为一种严重的全球性环境污染问题,不仅会加剧全球能源危机,还会打破海洋生态系统平衡,这迫切需要开发良好的油水分离技术解决石油污染问题。本文利用气相水热法在泡沫炭表面合成了钴基金属有机框架,碳化后将其用于油水分离。这种复合材料展现出优异的油水分离性能,归因于复合材料较大的水接触角(156°)以及独特的三维网状结构,有利于液体在大孔通道传输。在此基础上,我们发展了基于Co@C/泡沫炭复合材料和流动泵结合的油水分离装置,可以原位高效收集油水混合物中的石油,不仅节省了材料而且还能提高分离效率。