近年来,随着印染工业的飞速发展,染料的数量及种类也随之不断增多,染料废水的任意排放是导致水污染问题的重要源头。染料废水的难降解性、持久破坏性和高毒性等特点给人类的健康、生态的发展和国民经济的稳定增长造成了严重的影响,因此,利用合理的染料废水治理技术来有效处理染料废水是解决水污染问题、保护人类美好生存环境的根本所在。目前,吸附法由于具备操作简便、设备简单、能耗较低、吸附量大、吸附选择性高、净化废水效果显著和再生性好等优点,使其逐渐成了有效的污染物富集方法。选择一种优异的吸附剂对于使用吸附法高效处理废水发挥着重要的作用,吸附剂应具备以下基本条件:强的选择性吸附能力、丰富的纳米级孔道和优异的通透性。综合以上吸附材料的设计要求,本文瞄准染料废水深度处理中存在的污染物分子难以富集化难题,选取亚甲基蓝(Methylene blue,MB)作为模拟染料废水,进而设计了一种较为新颖的吸附材料,即微纳米分级中空炭管材料(Micro/nano hierarchical hollow tube carbon material,HTC)。主要是以具有中空管状结构的生物材料为导向,以蔗糖、NaCl和KOH分别作为炭源、造孔剂和活化剂,采用两步法真空浸渍蔗糖和活化剂,从而制备得到HTC材料。考察了蔗糖溶液浓度、NaCl溶液浓度、KOH溶液浓度、活化温度和活化时间对材料孔结构和材料对MB的吸附性能的影响,从而确定了最佳制备工艺。以木棉为模板,当蔗糖、NaCl、KOH溶液浓度均为10%,活化温度为800℃,活化时间为60 min时,可制备得到比表面积为625.1 m2/g、孔容为0.45 cm3/g的HTC材料,且孔径分布较窄,主要集中在2 nm以下。同时,该材料吸附MB的性能较好,针对初始浓度为120 mg/L的MB溶液,吸附饱和量高达98.5 mg/g。选取具有中空管状结构的其他生物体作为模板,即以丝瓜络、芦苇和鸡蛋内膜为模板制备得到HTC材料,考察所得材料对MB溶液的吸附效果,并与木棉模板制备得到材料的吸附性能进行对比,分析得到针对初始浓度为120 mg/L的MB溶液,吸附饱和量大小依次为:木棉样品>丝瓜络样品>芦苇样品>鸡蛋内膜样品。选取具有薄片状结构的生物体作为模板,即以香樟树叶和凌霄花瓣为模板制备得到微纳米分级多孔炭材料(Micro/nano hierarchical porous carbon material,HPC),考察所得材料对MB的吸附效果,并与上述制备得到的HTC材料的吸附性能进行对比,分析得到HTC材料的吸附效果远远大于薄片状材料为导向所制备的HPC材料,由此可知,以中空管状材料为结构导向材料,以蔗糖为炭源,可以有效地实现炭源对生物结构材料实体微米级孔和虚体纳米级孔结构的双重复制,合成的HTC材料吸附MB的性能显著提高。采用XRD、FESEM、TEM和氮气吸脱附法对HTC材料的孔结构和微观形貌进行表征。表征结果显示:HTC材料能够基本保留原模板的微观形貌和中空管状结构,引入炭源有助于实现对生物体实体孔结构的选择性复制,同时完全复制或部分复制细胞孔虚体孔道。该材料具有通透性的微米级大孔和丰富的纳米级小孔,是多孔炭材料和中空管状材料的有效复合,较高的比表面积决定了其吸附MB的性能较好,是一种新型吸附材料。采用低浓度的硝酸溶液对HTC进行表面修饰处理,改变材料的表面化学性质,大幅度提高材料对MB的吸附能力。研究发现,经浓度为10%的硝酸表面处理后得到的材料HTC10的比表面积有所下降,但针对初始浓度为120 mg/L的MB溶液,吸附饱和量升高至112.8 mg/g。考察了HTC和HTC10两种材料对MB模拟染料废水的吸附性能,结果显示:表面修饰前后材料对MB的吸附过程均符合准二级吸附动力学模型,同时,HTC和HTC10两种材料对MB的吸附可以利用Langmuir吸附等温方程准确拟合(R2>0.99),且吸附过程与单分子层的化学吸附相吻合。考察了HTC材料的吸附性能和TiO2的光催化性能联合处理染料废水,研究表明:利用炭膜包裹的方法将TiO2负载到HTC材料的表面可以合成一种新的材料HTC-TiO2,该材料处理MB模拟染料废水能实现更加优异的处理效果,HTC的吸附作用与TiO2的光催化作用的协同作用机制具有较高的研究价值。