砷是毒性极强的类金属元素，含砷地下水(＞10μg/L)是世界范围内亟待解决的环境问题。长期饮用高砷水会引发癌症等疾病，因此如何高效去除地下水中砷已成为环境领域的研究热点与难点，也是本研究拟解决的关键科学问题。本研究目的在于通过调查分析典型原生高砷地区环境及人体样品中砷含量，评估砷暴露对当地人群构成的健康风险，进而研发新型高效除砷材料，并从分子水平阐明砷的微界面去除机理。本研究建立的高效砷去除方法为原生高砷地区饮用水安全提供了新的解决思路，具有重要的环境意义和社会意义。　　首先，本文对比研究了环境中砷浓度与人体砷浓度的关系，分析结果表明原生高砷地区77％的地下水(n=131)、92％的蔬菜(n=120)及32％的粮食(n=32)样品砷浓度超出国家标准;70％的尿液(n=99)、76％的指甲(n=176)和62％的头发(n=61)样品砷浓度超出背景值。当地居民日均砷摄入量与尿液、指甲及头发砷浓度呈现出显著的正相关性(p均小于0.01)，表明砷摄入会造成人体内砷累积。基于同步辐射的微区X射线荧光分析（μ-XRF）结果表明指甲横断面中砷主要分布在内外两侧。微区X射线近边吸收结构（μ-XANES）光谱表明指甲和头发中砷主要与硫结合，证明砷易富集于含巯基的角质层。基于日均砷摄入量的健康风险评估表明地下水砷暴露已对当地人群构成较高的致癌风险，高砷地下水亟待治理。　　其次，本研究比较了铁盐与聚合铁盐絮凝法去除地下水中砷，并评估了铁盐絮凝的可行性及安全性。试验在山西山阴县现场，集成了次氯酸氧化、铁盐絮凝、直接过滤及活性炭深度处理相结合的工艺。结果表明此工艺在5个循环中能持续提供～75倍床体积(～500 L)的安全饮用水。XANES结果表明铁盐和聚合铁盐的絮凝产物中主要成分均为水铁矿。扩展X射线吸附精细结构(EXAFS)结果证明砷主要以双齿双核结构吸附于原位生成的水铁矿上，而不是与三价铁离子形成FeAsO4沉淀。毒性滤出实验表明两种絮凝残渣滤液中砷浓度（0.9μg/L-0.487mg）远低于危险固体废物的限定值(5 mg/L)。聚合铁盐因其除砷效果较好且残渣量较少，在地下水砷去除中优于铁盐。然而砷去除过程中产生的残渣在长期物理化学及生物作用下会缓慢释放砷，这仍将造成潜在的环境威胁。　　再次，为了克服传统絮凝法存在的缺陷，本研究合成了TiO2颗粒除砷材料。该TiO2颗粒可再生循环使用，在地下水除砷过程中不产生残渣等二次污染。实验表明地下水中共存钙/镁离子促进了As(Ⅴ)在TiO2颗粒上的吸附，吸附量分别提高了37％和42％;但对As(Ⅲ)的吸附影响不大。硅酸根的存在使As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的吸附量分别降低了57％和50％。共存碳酸氢根使As(Ⅴ)的吸附量降低了52％，但对As(Ⅲ)影响不大，只降低了8％。将TiO2颗粒用于高砷地区快速小柱实验，结果表明当地下水中砷浓度为700μg/L，空床接触时间为1.08 min时，进水968倍柱体积后出水砷浓度达到10μg/L，此时砷吸附量为0.96 mg/g。应用地球化学模拟软件PHREEQC，结合砷及共存离子在固液微界面上的吸附结构，较好地模拟了地下水中砷在小柱中的穿透曲线，实现了电荷分配多位络合模型(CD-MUSIC)及一维反应迁移模块的有效结合。同时设计了装载TiO2颗粒的小型家用滤水壶，可为当地居民持续提供安全饮用水。　　最后，本研究针对某些高砷地区地下水中砷氟复合污染的问题，本以活性炭为载体，负载TiO2与镧化合物制备得到复合吸附材料(TLAC)，实现了砷氟共同去除的目的。吸附等温线、吸附动力学和pH边等实验结果均表明TLAC对砷氟有较高的吸附容量，效果明显优于传统铁和铝基吸附剂。同步辐射μ-XRF表明钛和镧均匀分布于活性炭表面。EXAFS结果表明砷选择性地吸附于TiO2上，砷钛原子间距为3.34(A)，证明砷在TiO2表面形成稳定的双齿双核络合结构，该结构不受共存氟离子的影响。吸附实验和红外光谱分析证明氟选择性地吸附于镧氧化物上。由于砷与氟在TLAC表面的吸附位点不同，该材料可实现砷氟共同去除。CD-MUSIC模型综合微界面分析出的吸附结构，较好地模拟了砷氟的吸附曲线，实现了宏观实验和微界面吸附构型的有效结合。综上表明，TLAC吸附材料可同时去除地下水中砷和氟，在砷氟复合污染地区有广泛的应用前景。