水体砷污染是当今国际社会面临的重要环境问题之一。高砷地下水及工业废水严重威胁人们身体健康，因此探寻高效除砷的新材料、新方法及新原理已成为环境科学研究领域的前沿热点。新型高效纳米TiO2吸附材料由于其优越的吸附性能和良好的稳定性已受到广泛关注。然而，由于环境水体中共存离子的复杂性和多样性，共存离子对砷吸附及迁移转化的影响机制仍不明确，限制了TiO2吸附材料的广泛应用。本研究旨在分子水平上阐明复杂体系中共存离子影响砷在TiO2上吸附的过程及机制，为TiO2吸附材料在工业废水与地下水处理中的应用提供理论基础和实际范例。　　首先，通过宏观吸附试验并结合多种光谱手段，在分子水平上研究了As(Ⅲ)与Cd在TiO2上的共吸附机理。吸附试验和Zeta电位结果表明As(Ⅲ)与Cd在TiO2上形成了三元表面络合结构从而相互促进吸附。另一方面，脱附试验结果证明这种三元表面络合结构能够有效减少As(Ⅲ)和Cd的溶出，有利于吸附态As(Ⅲ)和Cd的长期稳定。扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)和原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)结果表明，与Cd相比，As(Ⅲ)与TiO2表面有较强的亲和力，因此形成了以As(Ⅲ)为桥联分子的三元表面络合结构，即Cd-As(Ⅲ)-TiO2，且Cd与As(Ⅲ)的先后吸附顺序不会影响此表面络合物的分子结构。基于量子化学的密度泛函理论(DFT)计算所得As-O、As-Ti、As-Cd的键长与EXAFS试验结果吻合，且计算所得的红外特征振动频率与ART-FTIR结果匹配，确证了EXAFS及ATR-FTIR推断得出的表面络合结构。研究结果不仅发现了As(Ⅲ)、Cd共去除的分子机理，同时为三元表面络合吸附态As(Ⅲ)与Cd的稳定性提供了有力证据。　　其次，研究了As(Ⅴ)与Cd在TiO2上的共去除机理。吸附试验与X射线衍射（XRD）结果表明，与As(Ⅲ)不同，As(Ⅴ)与Cd在TiO2上的共去除主要归结于Cd-As(Ⅴ)表面沉淀的形成，且表面沉淀形态依赖于pH及As(Ⅴ)/Cd的摩尔比。在不同条件下，TiO2表面生成Cd3(AsO4)2、 CdsH2(AsO4)·4H2O以及非晶态的沉淀。以上不同形态表面沉淀及其变化规律的结论也通过ATR-FTIR特征频率的偏移得到了验证。吸附试验结果显示，同时生成Cd3(AsO4)2和Cd5H2(AsO4)·4H2O两种表面沉淀时，As(Ⅴ)与Cd去除量较高。同样，解吸附试验结果显示表面沉淀的形成可有效减少As(Ⅴ)与Cd的溶出量及溶解速率，有利于As(Ⅴ)与Cd的固定化。以上研究结果一方面拓宽了人们对阴阳离子在矿物表面共去除机理的认识，另一方面为优化工业废水的处理条件提供了理论基础。　　最后，研究了地下水共存离子影响砷吸附去除的过程机理，并将此微观吸附机理用于预测砷的吸附容量与穿透曲线。地下水过滤试验结果表明，砷浓度为542μg/L的地下水，在TiO2滤柱出水浓度小于10μg/L时，可过滤2955柱体积，此时颗粒TiO2上吸附量为1.53 mg-As/g-TiO2;TiO2再生后，可再次处理2563柱体积的地下水，对应的砷吸附量为1.36 mg-As/g-TiO2。通过比较地下水过滤前后主要离子浓度，表明本研究地下水中只有Si、Ca和HCO3会影响砷的吸附。EXAFS结果证明Si不会影响As(Ⅴ)在TiO2上的吸附构型，但会与As(Ⅴ)竞争吸附位点。原位流动池ATR-FTIR结果表明Si在TiO2上形成单体、二聚体、低聚体和多聚体四种络合结构，其中Si的低聚体及高聚体随反应时间增加而增多，且与TiO2的结合强于As(Ⅴ)，会抑制As(Ⅴ)的吸附并阻碍吸附材料的再生。Ca能够与As(Ⅴ)形成Ca-As(Ⅴ)-TiO2三元表面络合结构从而促进As(Ⅴ)的吸附。考虑所有离子对砷吸附的复合作用，利用批试验中所得砷的吸附常数，建立的PHREEQC模型能够成功拟合地下水中As、Si、Ca和HCO3的穿透曲线。当地居民饮用除砷水后，尿中总砷浓度在15-33天内从972-2080μg/L降低至31.7-73.3μg/L，且符合拟一级动力学方程。研究结果为TiO2吸附材料在砷污染地区的应用提供了理论基础与实际处理范例。