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六价铬(Cr(VI))是一种能够稳定存在于环境中的典型重金属污染物，在水体中具有很强的溶解性和迁移性，其生物毒性是三价铬(Cr(III))的100多倍，对人类和水生生物具有致癌和致基因突变的危害。对于Cr(VI)的去除，吸附是一种常见的技术手段，它具有操作简单、去除效率高和经济可行的特点，可以适用于不同规模的工艺之中，高效经济的吸附材料的开发是该技术的关键。目前的大多数纳米吸附剂存在吸附速率慢、吸附容量低和从水体中分离困难等缺点。将吸附和光催化结合起来，将吸附剂表面富集的Cr(VI)原位还原为Cr(III)也是一种处理水体中Cr(VI)污染的有效途径，既降低了Cr(VI)的毒性，也对吸附材料进行了再生。
石墨烯作为一种新型碳材料已被广泛应用于水处理中，为了提高石墨烯基吸附剂的吸附速率和容量，将具有特异性识别功能的离子印迹聚合物负载到石墨烯片层，通过磁性粒子的引入为吸附剂赋予磁性便于分离；为了进一步解决纳米材料回收困难的问题，制备了具有三维宏观结构的石墨烯气凝胶材料作为吸附剂对Cr(VI)进行去除；通过引入不同半导体，合成了具有异质结构的石墨烯气凝胶光催化剂，利用吸附和光催化的协同作用提高Cr(VI)的去除效率。基于以上思路，开展的具体研究工作如下：
(1)将Fe3O4@SiO2粒子固定到氧化石墨烯(GO)表面制成具有磁性的氧化石墨烯片层(MGO)，以Cr(VI)作为模板离子，4-乙烯吡啶(4-VP)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和偶氮二异丁腈(AIBN)分别作为功能单体、辅助单体、交联剂和引发剂在MGO表面合成了Cr(VI)离子印迹聚合物，利用2M的盐酸(含有1%硫脲)溶液作为模板洗脱剂去除聚合物中的Cr(VI)而成为具有Cr(VI)离子特异性识别位点的磁性Cr(VI)离子印迹聚合物(MGOIIP)。MGOIIP对Cr(VI)的吸附过程能够被准二级动力学模型和Langmuir等温线模型很好地拟合。在pH为2.0温度为25℃的条件下其对Cr(VI)的饱和吸附容量可以达到311.95mg/g。由于MGOIIP具有Cr(VI)特异性识别位点，吸附过程能够在3min内迅速达到吸附平衡。MGOIIP对Cr(VI)具有良好的选择性，吸附过程几乎不受其他杂质离子的影响。通过酸性硫脲溶液的脱附可实现对吸附剂的再生和循环利用，在5次吸附-再生循环后依然能够达到理想的Cr(VI)吸附量。
(2)利用四乙烯五乙胺和吡咯作为氮源，通过简易的一步水热法和冷冻干燥技术制备了性能稳定的氮掺杂三维石墨烯气凝胶材料(TPGA)。TPGA对Cr(VI)的吸附过程符合准二级动力学模型，吸附开始100min内的去除速率很快，吸附进行到300min时趋于平衡。饱和吸附过程符合Langmuir吸附等温线模型，温度为25℃时计算得到的饱和吸附容量达到415.77mg/g，该吸附是一个吸热的自发过程。动态吸附实验表明TPGA对低浓度的Cr(VI)具有良好的连续去除效果，进水流速对连续去除效率的影响较大。经过五次吸附-再生之后TPGA对Cr(VI)的吸附量只下降了7%，具有良好的再生性能。TPGA对自然水体背景下浓度为20mg/L的Cr(VI)去除效率可以达到99%以上。
(3)利用一步水热法将TiO2和Zn0.5Cd0.5S引入rGO片层形成了具有三维多孔网络结构的TiO2/Zn0.5Cd0.5S石墨烯气凝胶(TSGA)。在TSGA投加量为0.8g/L，pH为2.0，Cr(VI)初始浓度为50mg/L的条件下经过40min的吸附之后可达到吸附平衡，再利用可见光照射30min即可去除99%以上的Cr(VI)，其对Cr(VI)的去除效率远高于单独使用TiO2和Zn0.5Cd0.5S的效率，并且由于其具有三维宏观结构，可通过简单过滤将其从水体中完全分离出来，便于循环利用。分离后无需进行其他解吸过程，经过五次循环之后Cr(VI)去除效率仍可达到90%以上。通过连续流操作考察了TSGA可能具有的应用潜力，在进水流速为1.0mg/L的条件下，对于1.0mg/L的Cr(VI)可在60min和100min内分别达到吸附平衡和光催化平衡，并且在10h的连续操作过程中可以保持95%的Cr(VI)去除率，具有良好的稳定性。通过自由基捕获实验发现在Cr(VI)光催化过程中起到主要作用的活性物质是光生电子，rGO作为电子传递介质，将TiO2在导带产生的光生电子转移到Zn0.5Cd0.5S的价带与其产生的光生空穴进行复合，从而在Zn0.5Cd0.5S导带聚集了大量电子将Cr(VI)还原为Cr(III)。
(4)将两种铋基半导体Bi2S3和BiVO4通过一步水热法结合到石墨烯气凝胶制备了具有三维宏观结构的异质结光催化剂Bi2S3/BiVO4石墨烯气凝胶(SVGA)，其光生电子-空穴对的分离效率得到有效提高，复合率明显降低。利用SVGA通过吸附和光催化作用同步去除Cr(VI)和BPA，当Bi2S3和BiVO4的摩尔比为1:2且在SVGA中的质量分数为60%时(以Bi2S3计算)，对两种污染物均能达到理想的去除效果。同步去除Cr(VI)和BPA过程中适宜的pH为2.0，投加量为0.8g/L。SVGA具有良好的循环利用效果，不经过解吸的五次重复利用之后，对Cr(VI)和BPA的去除率都可以保持在85%以上。Cr(VI)在光催化过程中主要是通过光生电子被还原为低毒性的Cr(III)，对BPA的光催化降解过程起到主要作用的活性物质是光生空穴，光生电子也参与到氧自由基的产生和转化过程中，对·O2-和·OH的产生起到重要作用。
石墨烯作为一种新型碳材料已被广泛应用于水处理中，为了提高石墨烯基吸附剂的吸附速率和容量，将具有特异性识别功能的离子印迹聚合物负载到石墨烯片层，通过磁性粒子的引入为吸附剂赋予磁性便于分离；为了进一步解决纳米材料回收困难的问题，制备了具有三维宏观结构的石墨烯气凝胶材料作为吸附剂对Cr(VI)进行去除；通过引入不同半导体，合成了具有异质结构的石墨烯气凝胶光催化剂，利用吸附和光催化的协同作用提高Cr(VI)的去除效率。基于以上思路，开展的具体研究工作如下：
(1)将Fe3O4@SiO2粒子固定到氧化石墨烯(GO)表面制成具有磁性的氧化石墨烯片层(MGO)，以Cr(VI)作为模板离子，4-乙烯吡啶(4-VP)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和偶氮二异丁腈(AIBN)分别作为功能单体、辅助单体、交联剂和引发剂在MGO表面合成了Cr(VI)离子印迹聚合物，利用2M的盐酸(含有1%硫脲)溶液作为模板洗脱剂去除聚合物中的Cr(VI)而成为具有Cr(VI)离子特异性识别位点的磁性Cr(VI)离子印迹聚合物(MGOIIP)。MGOIIP对Cr(VI)的吸附过程能够被准二级动力学模型和Langmuir等温线模型很好地拟合。在pH为2.0温度为25℃的条件下其对Cr(VI)的饱和吸附容量可以达到311.95mg/g。由于MGOIIP具有Cr(VI)特异性识别位点，吸附过程能够在3min内迅速达到吸附平衡。MGOIIP对Cr(VI)具有良好的选择性，吸附过程几乎不受其他杂质离子的影响。通过酸性硫脲溶液的脱附可实现对吸附剂的再生和循环利用，在5次吸附-再生循环后依然能够达到理想的Cr(VI)吸附量。
(2)利用四乙烯五乙胺和吡咯作为氮源，通过简易的一步水热法和冷冻干燥技术制备了性能稳定的氮掺杂三维石墨烯气凝胶材料(TPGA)。TPGA对Cr(VI)的吸附过程符合准二级动力学模型，吸附开始100min内的去除速率很快，吸附进行到300min时趋于平衡。饱和吸附过程符合Langmuir吸附等温线模型，温度为25℃时计算得到的饱和吸附容量达到415.77mg/g，该吸附是一个吸热的自发过程。动态吸附实验表明TPGA对低浓度的Cr(VI)具有良好的连续去除效果，进水流速对连续去除效率的影响较大。经过五次吸附-再生之后TPGA对Cr(VI)的吸附量只下降了7%，具有良好的再生性能。TPGA对自然水体背景下浓度为20mg/L的Cr(VI)去除效率可以达到99%以上。
(3)利用一步水热法将TiO2和Zn0.5Cd0.5S引入rGO片层形成了具有三维多孔网络结构的TiO2/Zn0.5Cd0.5S石墨烯气凝胶(TSGA)。在TSGA投加量为0.8g/L，pH为2.0，Cr(VI)初始浓度为50mg/L的条件下经过40min的吸附之后可达到吸附平衡，再利用可见光照射30min即可去除99%以上的Cr(VI)，其对Cr(VI)的去除效率远高于单独使用TiO2和Zn0.5Cd0.5S的效率，并且由于其具有三维宏观结构，可通过简单过滤将其从水体中完全分离出来，便于循环利用。分离后无需进行其他解吸过程，经过五次循环之后Cr(VI)去除效率仍可达到90%以上。通过连续流操作考察了TSGA可能具有的应用潜力，在进水流速为1.0mg/L的条件下，对于1.0mg/L的Cr(VI)可在60min和100min内分别达到吸附平衡和光催化平衡，并且在10h的连续操作过程中可以保持95%的Cr(VI)去除率，具有良好的稳定性。通过自由基捕获实验发现在Cr(VI)光催化过程中起到主要作用的活性物质是光生电子，rGO作为电子传递介质，将TiO2在导带产生的光生电子转移到Zn0.5Cd0.5S的价带与其产生的光生空穴进行复合，从而在Zn0.5Cd0.5S导带聚集了大量电子将Cr(VI)还原为Cr(III)。
(4)将两种铋基半导体Bi2S3和BiVO4通过一步水热法结合到石墨烯气凝胶制备了具有三维宏观结构的异质结光催化剂Bi2S3/BiVO4石墨烯气凝胶(SVGA)，其光生电子-空穴对的分离效率得到有效提高，复合率明显降低。利用SVGA通过吸附和光催化作用同步去除Cr(VI)和BPA，当Bi2S3和BiVO4的摩尔比为1:2且在SVGA中的质量分数为60%时(以Bi2S3计算)，对两种污染物均能达到理想的去除效果。同步去除Cr(VI)和BPA过程中适宜的pH为2.0，投加量为0.8g/L。SVGA具有良好的循环利用效果，不经过解吸的五次重复利用之后，对Cr(VI)和BPA的去除率都可以保持在85%以上。Cr(VI)在光催化过程中主要是通过光生电子被还原为低毒性的Cr(III)，对BPA的光催化降解过程起到主要作用的活性物质是光生空穴，光生电子也参与到氧自由基的产生和转化过程中，对·O2-和·OH的产生起到重要作用。