开题报告内容：（包括拟研究或解决的问题、采用的研究手段及文献综述，不少于2000字）
抗生素被广泛用于治疗人类和动物的多种感染，也通常用作动物的生长促进剂。抗生素通常包括人用和兽用两类，我国由于人口众多，人用抗生素的总用量一直居世界“领先”地位,与此同时,兽药抗生素近年来在养殖业和畜牧业中也大量使用,由此导致我国抗生素环境污染和生态毒害问题日益严重。抗生素污染已成为目前国际上的研究热点之一,但在我国还没有引起足够重视,相关研究尚未开展人畜服用的抗生素类药物大多不能被充分吸收利用而随排泄物进入污水或直接排入环境,各种污水处理过程对抗生素类药物基本不起作用或作用很少,进入水体中的抗生素成为水资源重复利用的一个巨大挑战。虽然许多抗生素的半衰期不长，但由于其被频繁地使用并进入环境,导致其形成“假持续”现象，进而对人体健康以及整个生态系统构成长期潜在危害。抗生素的环境污染及其生态毒理效应已成为我国乃至全球所面临的重大环境问题之一[1]。其中四环素和环丙沙星是使用量非常大的抗生素，广泛应用于医药医疗和养殖行业，如畜禽养殖业和水产养殖业，其性质稳定且毒性较强，对人和生物的影响巨大，必须采用经济环保的手段加以治理[2]。废水中抗生素污染物的去除方法包括吸附法、生物法、膜处理法、混凝法和高级氧化法等[3, 4]。由于具备工艺简单、处理效果稳定和价格相对较低等特点，吸附法是废水中四环素类抗生素去除的重要方法。吸附剂选择和吸附机制探讨是研究的重点。常用的吸附剂包括活性炭、分子筛、硅胶和树脂等，但是昂贵的价格限制了其广泛应用[5]。亟需寻找来源广泛、成本较低和去除效果良好的吸附剂[6]。
四环素（Tetracycline），化学名称为（4S，4aS，5aS，6S，12aS）-6-甲基-4-（二甲氨基）-3，6，10，12，12a-五羟基-1，11-二氧代-1，4，4a，5，5a，6，11，12a-八氢-2-并四苯甲酰胺盐酸盐，分子式C22H24N2O8，分子量444.45，是一种广谱抗菌素。黄色晶体，味苦，熔点170～175℃（分解）。微溶于水，溶于乙醇和丙酮，在空气中稳定，但易吸收水分，受强日光照射变色。盐酸四环素是广谱抗生素，对多数革兰阳性与阴性菌有抑制作用，高浓度有杀菌作用，并能抑制立克次体、沙眼病毒等，对革兰阴性杆菌作用较好。其作用机制主要是阻止氨酰基与核糖核蛋白体的结合，阻止肽链的增长和蛋白质的合成，从而抑制细菌的生长，高浓度时也有杀菌作用。本品和土霉素之间有交叉耐药性。临床主要用于细菌性痢疾、沙眼、百日咳、肺炎、化脓性脑膜炎、皮肤感染、中耳炎等。
图 1-4四环素分子结构图
作为中药生产和使用大国,我国废弃药渣年排放量达3000万吨，是传统中药企业的重要固体废弃物之一。中药渣含水量较高且极易腐烂变质，主要处理方式是焚烧、填埋等传统方法,对中药渣废弃物的资源化的报道较少。水凝胶是一种亲水但不溶于水的高分子聚合物，在水中迅速溶胀至平衡，并在一定条件下脱水退溶胀儿能保持其原形状，是一类集吸水，保水，缓释于一体的功能高分子材料。但目前对生物质基水凝胶的研究主要是利用秸秆、植物果壳、茶渣、浒苔等为主要材料制备水凝胶。或者是研究和其他材料一起作用的效果，而对中药渣的研究比较少。以黄芪中药废渣制备水凝胶，能实现“以废制废”的目的[7]。
水凝胶(Hydrogels)是一种结构中含有-0H,-NH2,-COOH或-S03H等极性或亲水基团,通过共价键、氨键等作用而形成三维网络结构的交联聚合物,其在水中可吸收大量的水而仍保持其形状和结构。水凝胶是一种 亲水但不溶于水的高分子聚合物，在水中迅速溶胀至平衡，并在一定条件下脱水退溶胀而仍能保持其原有形状，是一类集吸水、保水、缓释于一体的功能高分子材料[8]。Wichterle等在1953年首次合成了水凝胶，并于1960发表于lt;《Nature》期刊。水凝胶的种类繁多，按来源分为天然和合成凝胶，按交联性质分为共价和物理的凝胶，按网络性质分为均聚物网络、共聚物网络、互穿网络和双网络水凝胶，按孔大小分为微孔和大孔的水凝胶，按有机物去向分为可降解和不可降解的水凝胶。水凝胶含有大量的功能团,作为新型功能髙分子在水处理进程中体现出独特的环境敏感性和快速响应性,对废水的深度处理具有很明显的效果。生物质基水凝胶具有优良的理化特性和生物学性质较高的水渗透性、一定的强度及生物相容和生物可降解等特性[9]。这些官能团还赋予水凝胶很强的金属吸附能力。与传统的固体吸附剂相比，水凝胶具有膨胀灵活、机械性能好、操作简单、可重复使用等优点，是一种理想的吸附铜(II)的吸附剂。此外，可调节的水凝胶三维结构可将其应用扩展到先进的分离和催化领域。最近的研究表明，水凝胶可以作为模板用于金属纳米颗粒的制备和保护，因为它们的载体网络具有内置的三维聚合物结构，可以用于辅助原位合成金属纳米颗粒[10-12]。水凝胶中丰富的官能团可以络合Cu、Ni、Ag、Co、Fe等金属离子，实现纳米粒子的原位合成[13-15]。其次，水凝胶的三维结构可以保证金属离子的充分分散。水凝胶基质可以作为模板/宿主来合成窄而稳定的纳米颗粒，也可以为金属纳米颗粒提供柔软的外壳(这可以防止它们聚集)。第三，由于高膨胀水凝胶在水相中的容量，柔性水凝胶-金属纳米复合材料可用作软催化剂反应器，特别是用于水相反应[10，14，15]。在众多的生物质材料中，纤维素是自然界中含量最丰富的多糖，由于其无毒、可生物降解、化学稳定性好，是许多材料的理想替代品。用NaOH/尿素或N-甲基吗啉-N-氧化物溶剂体系溶解再生制备了纤维素水凝胶[16-18]。纤维素还可以与其他聚合物结合，如聚乙二醇[19]，形成双网络水凝胶或明胶，形成半互穿聚合物网络水凝胶[20]。利用羧甲基纤维素和双醛纤维素等纤维素衍生物，采用冻锯法[21, 22]制备了聚乙烯醇(PVA)复合水凝胶，但水凝胶的溶胀度有待提高。有些人发现生物质木质素可用于改善PVA水凝胶的流变性能[23, 24]。基于木素胺的PVA水凝胶有望用于伤口敷料以促进伤口愈合[25]。木质素/聚乙烯醇共混膜可作为紫外线吸收剂、药瓶和食品包装的候选材料[23, 24]。水凝胶的一个重要分支,纤维素接枝系水凝胶克服了合成聚合物系水凝胶难于生物降解,淀粉接枝系水凝胶抗霉性能差的缺点,加之纤维素来源广泛、成本低廉,合成的水凝胶具有废物再利用,且环境友好的优势,是近十几年吸水材料发展的一个重要方面,其作为水环境中理想的吸附剂,具有广阔的发展前景[8]。木质素是一种复杂的天然高分子，由丁香基丙烷单元、愈创木基丙烷单元和对羟基苯丙烷单元三种苯丙烷结构单元通过碳-碳键和醚键连接而成[26, 27]。木质素作为第二丰富的聚合物，是热电材料[28]、生物医学工程材料[29-32]和胶粘剂[33]等先进工程材料[34-36]的潜在候选者。木质素具有酚羟基、醇羟基和羧基等多种官能团，可作为吸附染料和金属离子的潜在活性中心[37, 38]。木质素已被用于制备壳聚糖[39]、透明质酸[40]、环糊精[41]等天然多糖交联的水凝胶，用于生物医学材料和组织工程材料等方面，与聚丙烯酸等酸性聚合物共聚的木质素水凝胶对污染物Pb(II)离子有高效的快速去除作用[42]。由木质素磺酸盐-接枝聚丙烯酸和羟乙基纤维素组成的半互穿水凝胶具有重复吸附和去除染料污染物的能力。木质素或改性木质素基材料是去除工业废水中重金属离子[42-44]、有机染料[45, 46]和硝酸盐[47]的优良吸附剂。并且为了克服高吸水性木质素的溶胀性能和力学性能差、预处理复杂、反应剧烈、资源丰富等问题，Linjun Wu等提出了以造纸副产碱木质素和生物炼油厂酶解木质素为原料，聚乙烯醇(PVA)为骨架模板，环氧乙烷(ECH)为交联剂，在温和的条件下，在碱性水溶液中制备膨胀率高达456g/g的高吸水性木质素-聚乙烯醇(PVA)水凝胶的方法。木质素和聚乙烯醇浓度、木质素分子量和酚羟基含量、聚乙烯醇相对分子质量等反应条件对其溶胀性能、得率、流变性和水分的影响[13]。并且农林生物质（eg：黄芪中药渣）细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,质量占细胞壁的80%~95%,是构成植物纤维原料的主要化学成分[9]。对这些组分进行有目的转化利用可获得对现代社会发展和经济生活有重要意义的材料——水凝胶。
目前,水中抗生素检出浓度一般在纳克至微克间,有效去除抗生素主要分为化学降解和物理吸附法, 其中化学降解法有化学氧化、生物降解、光降解等。物理吸附作为一种便捷、快速、经济有效的去除方法,逐渐成为去除水体中污染物有效方法。目前已有研究报道将多孔材料如分子筛、活性炭、水凝胶、高分子聚合材料等应用于吸附水体中抗生素。然而吸附的效率受孔道尺寸、孔隙率、物理化学材料性质等影响很大, 通常吸附效率偏低,所以寻找优异性能的多孔吸附材料成了当前研究热点[48]。本文为水体中抗生素污染物的处理提供一种高性价比、环境友好、绿色可持续的处理技术，为水体净化，安全饮用水供给提供一条有效的途径[49]。其中科学家们将凝胶亲切地称为“超级海绵”，因为其表面有成百上千万的小孔，是非常理想的吸附水中污染物的材料。气凝胶通常是指纳米粒子或者高分子在一定条件下相互连接形成空间多孔网络结构，并且以气体作为分散介质充满网络孔隙的轻质固态材料。气凝胶具有极高的孔隙率和极大的比表面积，其孔隙率可高达99.8%；均匀密集的空隙分布、极大的比表面积气凝胶对于吸附水中的污染物十分有利[50]。而我国中药厂主要固废为中药渣，对我们的环境造成了污染。所以本课题以黄芪中药废渣制备水凝胶去除水中污染物，充分合理地利用资源，实现“以废制废”的目的。
本研究用中药废渣为原料,研制出黄芪中药渣基水凝胶,确定制备工艺、优化合成参数,阐明黄芪中药渣基水凝胶的结构特征,对拓宽中药渣的再利用领域,丰富水凝胶材料研制和性能的理论体系具有重要意义。通过进行黄芪中药渣基水凝胶去除水体中抗生素的系列实验,为黄芪中药渣基水凝胶作为水体污染物吸附剂的应用研究奠定理论基础,对水环境的污染修复也具有重要的现实意义。在实现中药渣废弃物资源化利用的同时，将得到的水凝胶用于抗生素污染环境介质修复，对环境保护更具有重要意义。此外,本论文还将吸附去除水体中抗生素之后的水凝胶,直接炭化进行再次利用,对于重复利用节能环保,实现水凝胶材料的再利用具有重要的理论价值。
具体思路如下：
- 选取黄芪提取废渣为基质制备水凝胶，并优化制备方法，利用SEM、TEM、FTIR、TGA等手段对黄芪中药渣基水凝胶（气凝胶）进行表征。
- 选择典型四环素为目标污染物，考察材料吸附去除的性能。
- 研究pH、粒径、共存离子、温度等因素对黄芪中药渣基水凝胶去除溶液中四环素的影响，并通过吸附动力学与表征手段进一步研究。
- 对处理药物的凝胶进行解吸。对处理重金属的凝胶进行脱附，测试其重复利用性。
- 凝胶吸附饱和之后进行炭化，在对其去除污染物能力进行评估。
实验技术路线图如下：
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