近年来,随着工农业的迅速发展、人口的激增,全球范围内水污染问题日益严峻,对生态环境以及人类健康构成了极大的威胁。重金属离子和染料是水体污染的主要来源。为有效处理水体中的这两类污染物,开发成本低廉、来源丰富的环境友好型污水处理材料成为近年来的研究热点。作为一类具有3D网络结构的多孔材料,水凝胶具有化学组成可调、官能团多样、生物相容性好、孔隙率高、吸附能力强、比表面积大等优点,成为去除水环境中的污染物的理想材料。然而,现有的水凝胶存在的原材料成本高、机械性能较差、分离回收困难、吸附污染物后易产生二次污染等问题限制了其实际应用。针对这些问题,论文首先以环境友好的纤维素衍生物为原料,通过改进并创新水凝胶的制备方法,设计了机械性能良好的、低密度的泡沫水凝胶。同时,考察了水凝胶的构效关系以及对重金属的吸附行为和机制。然后,探索了将吸附后的泡沫水凝胶废物变为有用材料以解决二次污染的途径。在此基础上,对水凝胶进行功能性修饰,设计了具有光催化活性的复合泡沫水凝胶,实现了对染料的高效降解。论文在解决水体污染问题的同时,实现了纤维素衍生物的高值化利用。论文主要包括以下五个部分:第一章,绪论。分析了水体污染现状,汇总了水体中重金属离子和有机染料的处理方法,总结了现有处理技术的优势与面临的问题。阐述了水凝胶的制备方法及其在污水处理方面的优势与缺陷。总结了纤维素衍生物基水凝胶在污水处理应用中的前景。最后对论文的研究意义和内容作了阐述。第二章,利用自由基聚合法,采用聚合物网络互穿的策略,以羧甲基纤维素（CMC）和银耳多糖（WSK）为原料,以N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）为单体。经过条件优化,得到了机械性能良好的WSK/CMC/PNIPAM水凝胶。通过调控多糖含量与单体含量的相对比例以及两种多糖的相对比例,实现了水凝胶机械性能和溶胀性能的可调控性。此外,WSK/CMC/PNIPAM水凝胶还呈现出良好的环境响应性。第三章,在第二章工作的基础上,将自由基聚合法和机械起泡法相结合,通过引入水基泡沫为模板,制备低密度的、易分离的泡沫水凝胶。首先,利用实验手段和动力学模拟,考察了两种非离子型的表面活性剂的界面分子行为和泡沫性质,并选择具有较高泡沫稳定性的十二烷基-β-D-麦芽糖苷（DDM）来构建水基泡沫模板。通过系统考察DDM和羧甲基纤维素（CMC）混合溶液的泡沫性质,并结合丙烯酰胺（AM）单体的自由基聚合反应进行条件优化,制备出了一系列机械性能良好、低密度的PAM/CMC/DDM泡沫水凝胶。机制研究表明,基于-CONH2、-COO-等基团对Cu2+的鳌合作用和连通的孔结构对Cu2+的扩散与传输的促进作用,得到的泡沫水凝胶对Cu2+的吸附能力高于未引入水基泡沫模板的PAM/CMC常规水凝胶。进一步地,为解决吸附重金属离子后水凝胶的二次污染问题,本章探索将吸附的Cu2+原位还原为铜纳米颗粒（CuNPs）,得到了负载Cu NPs的PAM/CMC/DDM-Cu NPs复合凝胶。研究表明,基于复合凝胶的吸附作用和对电子的传递,PAM/CMC/DDM-Cu NPs对染料的还原具有良好的催化能力。该策略将水凝胶吸附重金属离子后产生的废物转化为有用材料,并且可实现有机染料的高效还原,具有突出的创新性和意义。第四章,在第三章工作的基础上,采用机械起泡-自由基聚合与原位沉淀法相结合的方法,对泡沫水凝胶进行功能化组装,将凝胶吸附的重金属Zn2+原位沉淀为氧化锌纳米颗粒,得到了集吸附性能和光催化性能于一体的功能性复合泡沫水凝胶。这不仅为吸附重金属离子的泡沫水凝胶的废物再利用提供了一条新的途径,还可在光照射条件下实现对有机染料的高效降解。研究结果表明,基于凝胶与染料间的静电相互作用和氢键相互作用,PAM/CMC/DDM-ZnO复合泡沫水凝胶能高效吸附阳离子型染料。在可见光照射下,PAM/CMC/DDM-ZnO借助凝胶的吸附性能和染料的敏化作用实现了对染料的高效催化降解,具有很好的应用前景。第五章,进一步探索了具有光催化活性的羟乙基纤维素基复合泡沫水凝胶的制备方法,考察了其结构-性能间的作用关系并调控和优化了复合凝胶的性能,实现了染料的高效去除。基于羟乙基纤维素,以二氧化硅为交联剂,g-C3N4为光催化剂,将物理交联法和溶液起泡法相结合,制备了复合泡沫水凝胶。通过调控前驱体溶液的泡沫性质,实现了对凝胶的吸附/催化降解性能的调控。综上所述,本文基于可再生的纤维素衍生物,通过改进和创新水凝胶的制备方法,并对其进行功能化组装与设计,构建了机械性能良好且易回收的绿色环保的泡沫水凝胶。其中引入泡沫模板制备低密度的泡沫水凝胶以克服现有水凝胶缺陷的策略,以及通过将吸附重金属离子后的泡沫水凝胶转变为负载催化剂纳米颗粒的复合水凝胶从而实现变废物为有用材料的策略,具有一定创新性和应用价值。总之,泡沫水凝胶不仅能高效去除重金属和染料,还能有效解决凝胶的分离和回收问题,为水污染治理提供了新的思路和新的材料。