淡水资源短缺是现代社会面临的一个严重挑战,影响到全球20亿以上人口。同时,工业的急速发展加剧了水体污染物的排放,如含有染料、抗生素和重金属的废水越来越多的进入到环境之中。在此背景下,科学家们急需开发新的材料和技术获取淡水资源。纳米材料的高比面积和可调控的化学性质引起了科学家们的关注,可将其用于污水净化和海水淡化过程。然而,纳米材料往往以粉体的形式存在,成型加工性差,易于团聚,难以回收,极大的限制了其工业化应用。通常需要寻求合适的载体来构筑复合材料(如膜、气凝胶和微球),从而提升其循环使用性能。纤维素气凝胶和天然木材为三维多孔结构,是一种绿色的可再生载体,同时,还能对纳米材料起到分散的作用。气凝胶和木材能解决回收困难的问题。基于此,本论文设计了三种以纤维素或速生木材为载体的复合材料,并用于吸附脱除水体中的污染物和太阳能海水淡化:(1)通过简单的溶液混合和冷冻干燥方法制备了氧化石墨烯(GO)/纤维素复合气凝胶,并测试了气凝胶对亚甲基蓝(MB)和四环素(TC)的吸附能力;(2)在未使用交联剂的条件下,我们将Zr基MOF(UiO-66)颗粒通过自交联作用引入到纤维素网络中,制备出了轻质的具有多级孔道气凝胶材料,并测试了其对阴离子甲基橙(MO)和阳离子MB的吸附能力;(3)以木材为载体,借助墨汁的光热转化能力和木材的水分传输作用,设计了一种自净化的太阳能界面蒸发装置并用于海水脱盐。论文开展的具体工作如下:(1)将GO加入到机械法制备的纳米纤维素溶液中,冷冻干燥后得到GO/纳米纤维素复合气凝胶。由于一维的纳米纤维素在空间位阻和静电斥力的作用下促进了二维GO片层的展开和剥离。并以MB和TC为模型污染物考察了复合气凝胶的吸附能力,测试结果显示负载25(wt%)GO的气凝胶具有最佳吸附能力,对MB的吸附量为174.8 mg/g,TC的吸附量为118.0 mg/g。复合气凝胶吸附过程遵循拟二级模型和Langmuir吸附等温线模型,吸附机理主要是静电吸引和π-π共轭作用。此外,气凝胶具有良好的可回收性和循环使用性能。该工作的开展有助于推动GO复合凝胶的制备及其在水污染处理过程中的应用;(2)借助自交联策略构筑了UiO-66/纳米纤维素气凝胶复合气凝胶,在不引入交联剂的情况下,UiO-66颗粒在三维网络中能够实现良好分散。红外(FT-IR)和光电子能谱(XPS)表征结果显示,UiO-66中的羟基能够与纤维素上的羟基形成新的氢键,从而提升界面相容性。所制备的气凝胶材料轻质且具有多级孔道结构,UiO-66的孔道具有良好的可及性。测试结果显示,负载50(wt%)UiO-66的气凝胶具有最佳的MB和MO去除能力,吸附量分别可达71.7和51.8 mg/g。该工作的开展能够有效推动MOF的器件化和工业应用进程,为MOF与生物质基载体的结合提供了新的思路;(3)墨汁的主要成分是纳米炭,能够吸收全谱的太阳光,是一种优异的光热转换材料。木材主要成分为纤维素、半纤维素和木质素,具有孔隙发达、亲水性强、绝热性好和水传输速率快的特点,是优良的蒸发装置基底材料。基于以上两点,本工作采用自上而下的策略,选取块状木材为基底,通过表面涂覆墨汁,构筑了一种双层的太阳能界面蒸发装置。此外,通过引入毫米级的人造孔,利用毛细管效应在木材内部构筑了多向的盐分传输通道,从而有效防止盐分在表面沉积。木基蒸发器(H-C-Wood)在模拟太阳光(1个太阳强度)下,光热转换效率稳定在74%,蒸发速率可达到1.6 kg/m~2/h,可用于连续脱盐过程。该工作的开展可以为低成本、高效率、连续性强的太阳能蒸发装置的开发提供有益的借鉴。以上工作通过选取可再生的纤维素和天然木材为基底,围绕提升炭基材料(石墨烯、墨汁)和MOF材料的成型性和可回收性展开,构筑了可用于水净化过程的复合材料,并对复合过程、复合机理和水处理效果进行了详细的考察,有助于推动新型环保复合材料和水处理技术的发展。