在过去的一个世纪里,随着全球人口的快速增长,工业化的爆炸性发展和能源需求的大幅度增加,水资源短缺已经成为一个全球性的挑战,预计在未来形势会更加严峻。纳米材料和纳米技术的出现为实现高效、低成本的水处理技术开辟了新的途径,为解决全球性水资源危机提供了一种可行的方案。纳米材料的出现同时也赋予吸附分离和膜分离这两种传统水处理技术一个全新的未来。氧化石墨烯(GrapheneOxide,GO),作为一种传统的石墨烯衍生材料,在吸附和膜分离领域得到了人们越来越多的关注。与此同时,越来越多的其他二维材料也被不断发现,并应用于水处理领域。本文中,我们以氧化石墨烯材料为基础,通过二次氧化开孔和氧化石墨烯量子点(GQDs)改性等途径,开发了新型的氧化石墨烯基材料,应用于染料分离领域。同时,我们发现二维碳化钛(2D Ti3C2Tr)材料具有很强的还原特性,并应用于有毒六价铬废水的高效处理。本文的主要成果如下:(1)利用二次氧化法制备得到多孔的氧化石墨烯片层,并利用真空抽滤法制备得到多孔氧化石墨烯分离膜,其水通量为191 liters per hourpersquare meter perbar(LHMbar-1),EvansBlue(EB)分子的截留率为89%。相比于原始的氧化石墨烯分离膜,开孔后的氧化石墨烯分离膜在保持截留率不变的情况下水通量增加了3倍,得到了较大地提高。通过不同尺寸被截留对象的选择,对多孔氧化石墨烯分离膜的纳米通道尺寸进行表征。探讨外加压力对多孔石墨烯分离膜分离性能和纳米通道结构的影响。(2)利用氧化石墨烯量子点对热还原后的氧化石墨烯(TRG)片层进行表面改性,提高其在水溶液中的分散性和稳定性,进而增加其实际可用比表面积,增强其吸附能力。其中,GQDs-1-TRG材料展现出优异的RhB饱和吸附量(497 mg g-1)以及超快的RhB吸附速率(475 mg g-1 min.1 20 ℃),远超其他同类材料。我们研究了 GQDs-1-TRG材料染料吸附动力学、热力学过程以及吸附机理。最重要的是,我们发现了溶剂辅助的脱附行为,并利用这种特性实现了混合染料的高效分离。(3)利用真空抽滤法制备得到具有高稳定性的GQDs-1-TRG分离膜,分别在错流分离体系和死端分离体系中测试了膜的分离测试。在错流分离测试中,GQD-1-TRG-3分离膜展现出优异的分离性能:在连续120h的测试中,其稳定水通量为2000±70LHMbar-1 EB的截留率为96.1±0.2%。相比于原始GO分离膜,GQD-1-TRG-3分离膜的截留率和水通量都得到了很大地提高,其中水通量增加了 27倍,相比于同类商用分离膜及其他二维层状分离膜都具有很强的竞争优势。基于死端分离体系,我们又研究了表面流体冲刷、外加驱动压力和膜厚度对分离性能的影响。利用分子动力学模拟证实了压力对于膜截留率的显著影响。在最优条件下(10cm液柱),GQD-1-TRG-5膜展现出长达7个月的分离稳定性,其中EB分子截留率保持在95.2±0.4%,稳定的水通量为800±30 LHMbar-1。(4)利用HF刻蚀法和超声插层作用,制备得到了二维层状碳化钛材料。二维碳化钛材料在水相中Cr(Ⅵ)的去除中展现出优异的效果(250mgg-1)。经处理后,水相中残留的Cr(Ⅵ)含量低于5ppb,达到WHO饮用水标准(≤50ppb)。分别研究了 HF浓度对于二维碳化钛材料性能的影响,研究了二维碳化钛材料六价铬的去除过程及机理。同时,我们还发现了一种在二维碳化钛材料表面沉积贵金属纳米颗粒的方法,未来可能在催化领域得到一定的应用。