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砷污染问题是环境领域面临的重大挑战。工业生产排放的含砷废水及地质成因的高砷地下水严重危害人类赖以生存的环境及人们的身体健康。因此，探寻高效除砷的新材料、新技术及新原理成为当前环境科学领域的前沿研究热点。二氧化钛材料因其良好的吸附催化性能、稳定的化学活性、及再生回用性在砷的吸附去除方面具有广阔的应用前景。本研究旨在建立基于二氧化钛的高砷工业废水及地下水除砷方法，并探究分子水平影响二氧化钛吸附及催化活性的结构因素。 首先，制备高吸附活性的颗粒TiO2材料，利用颗粒TiO2填充的滤柱对工业废水中的高浓度砷及镉进行连续在线吸附去除。废水经过三个连续串联的滤柱，其As(Ⅲ)和Cd浓度由原来的2590和12 mg/L分别降低至0.16±0.11和0.0133±0.0134 mg/L，均达到国家工业废水的排放标准。基于同步辐射的拓展X射线吸收精细结构(EXAFS)表明，废水中的三价砷主要以双齿双核构型吸附在TiO2表面上。使用后的TiO2经H2SO4和NaOH再生后可循环使用10次以上，其吸附能力并未降低。TiO2再生过程中基本不产生残渣，且能有效地回收砷和镉。再生废液可与原酸性废水混合调pH至7后重新进入滤柱进行吸附去除。本研究提出的利用颗粒TiO2处理酸性冶炼废水的工艺流程可有效去除废水中的高浓度砷和重金属镉，吸附剂可重复利用，同时可以回收砷及镉，整个工艺流程几乎不产生废渣，对环境友好的同时可产生经济效益。 其次，针对地下水中砷氟联合暴露的环境问题，利用材料定向生长的方式制备载镧二氧化钛材料。该颗粒状TiO2-La复合材料对As(Ⅲ)和F的吸附容量分别为114 mg/g和78.4 mg/g，并在较大的pH范围(3-9)内，对As(Ⅲ)和F的去除率分别高达90％和95％，可有效去除实际地下中共存的砷氟。基于同步辐射的EXAFS结果表明，在pH＜7时，As(Ⅲ)主要以双齿吸附构型吸附在TiO2上，其As-Ti距离为3.35-3.39(A)，配位数为1.8-2.1;在pH＞10条件下，As(Ⅲ)可同时吸附在Ti、La活性位点上，在La氧化物上以单齿吸附构型存在，其As-La距离为3.42(A)，配位数为0.7。基于密度泛函理论(DFT)的量子化学计算结果表明，TiO2对F没有吸附作用，而La氧化物会特异性吸附F，这也是该研究设计合成TiO2-La复合材料用于砷氟共吸附的理论基础。本研究从分子水平上考察了As(Ⅲ)和F在复合微观界面上的吸附机理，为解决饮用水中砷氟的共吸附去除提供了新方法、新思路。 最后，结合水化学实验、谱学表征及DFT量子化学理论计算，考察了影响TiO2吸附及催化性能的结构因素，从分子水平上阐明了晶面调控的微观机制。研究中选取三种具有不同颗粒尺寸、比表面积及暴露晶面的TiO2材料(HM，JR05和TG01)。其中HM颗粒尺寸较小(5 nm)，比表面积(336 m2/g)是JR05的两倍(167 m2/g)。但是JR05和HM对砷的吸附容量接近(140 mg/gTiO2)，表明比表面积并非决定TiO2吸附容量的关键因素。表面酸位的分析结果显示表面Lewis酸即未配位饱和的Ti5c的强度是决定吸附能力的关键因素。Lewis酸强的分布与其暴露的晶面相关。密度泛函理论(DFT)的量化计算表明，与TiO2{101}晶面相比，{001}晶面具有更多的强酸分布。TiO2{001}晶面的强酸Ti5c位点是决定砷在TiO2表面吸附的关键因素。电子自旋共振谱(ESR)表明在TiO2光催化氧化As(Ⅲ)的过程中同时存在羟基(·OH)及超氧自由基(O2·-)。进一步自由基淬灭实验表明O2·-起主要作用。O2·-主要是TiO2表面吸附的O2捕获光生电子形成的。DFT计算结果表明与{101}面相比，O2在{001}面的吸附能更低（-1.79 vs.-2.48 eV），吸附能力更强。TiO2{001}面与O2的强相互作用有利于电子从TiO2表面转移至吸附的O2形成O2·-，并进一步提高光催化效率。本研究对深入理解晶面调控的TiO2材料制各及其性能研究具有理论指导意义。