有機、重金屬污染物同時吸附的前沿態勢文獻計量分析

李文斌，李 雅，鄧紅艷，黎云祥，謝 婷，康 樂，廖運文，孟昭福

1. 西華師范大學環境科學與工程學院，四川 南充 637009；2. 西北農林科技大學圖書館，陜西 楊凌 712100；3. 西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100

有機、重金屬污染物同時吸附的前沿態勢文獻計量分析

李文斌1*，李 雅2，鄧紅艷1，黎云祥1，謝 婷3，康 樂1，廖運文1，孟昭福3

1. 西華師范大學環境科學與工程學院，四川 南充 637009；2. 西北農林科技大學圖書館，陜西 楊凌 712100；3. 西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100

為了探索有機、重金屬同時污染的研究現狀和熱點動態，以Thomson Reuters公司Web of Science信息平臺提供的SCIE（網絡版）數據庫為數據源，運用Thomson Data Analyzer （TDA）和UCINET軟件對1992年—2017年1月4日SCIE收錄的有機、重金屬同時吸附的研究論文進行數據挖掘和定量分析。結果顯示，（1）國際上關于有機、重金屬污染物同時吸附的研究分為初步研究期（1992—2000年）、穩步發展期（2001—2011年）和高速發展期（2012—2016年）3個階段；年均發文量呈指數增加趨勢，第3階段達到176.8篇/年。（2）3個階段所對應的研究主題分別為水污染處理、重金屬污染和有機-重金屬污染，且同時吸附是高速發展期研究的重點，并衍生出光催化和砷污染等研究主題。（3）中國的發文量從2001年開始超過美國成為主要研究力量，且中國科學院和浙江大學、中國科學院和湖南大學分別為穩步和高速發展期發文的主力機構；2012—2016年之間中國的總發文量再次達到最高（323篇），年發文量也達到了歷史最高（64.6篇/年）。在亞洲國家中，日本也是這一領域研究的主要力量。（4）有機、重金屬污染修復一直是科研的主流方向，2012—2016年的研究熱點是重金屬離子的同時吸附、零價鐵對Cr(Ⅵ)的吸附效應、廢水處理中的納米過濾和有機污染物的光催化，主題之間緊密聯系的研究點有納米顆粒對有機、重金屬的吸附，同時其交叉和衍生領域是未來研究的創新點。

有機污染物；重金屬；文獻計量；Web of science；前沿分析

石油化工產品的不充分燃燒、污水排放和農藥等的長期使用，促使土壤和水體中多種類型污染物經常同時存在，而有機-無機復合污染是目前土壤和水體污染中普遍存在的現象（李劍睿等，2014；周躍花等，2014；何亞軍等，2016），探索能同時修復有機-重金屬復合污染的修復方法對于保護生態環境和人體健康具有十分重要的意義。

Chan（1995）首次采用一種非水溶性兩性淀粉對（CrO42-或 Pb2+）和苯酚進行同時吸附，發現兩性淀粉對有機、重金屬污染物均有吸附作用，其對苯酚的吸附主要靠其叔胺基基團，對重金屬的吸附主要是離子交換作用。隨后改性活性炭、有機膨潤土等均作為同時吸附有機、重金屬污染物的材料，有學者（Andini et al.，2006；Liu et al.，2016）采用有機蒙脫土同時吸附Cd2+和（雙酚A或2氯酚），發現經有機修飾的蒙脫土相比原土對 Cd2+的吸附量有小幅提升，吸附機制主要是電性引力和金屬螯合作用；同時對酚類有機物的吸附量有較大幅度地提高，吸附機制主要為疏水修飾作用。采用改性碳材料同時吸附重金屬（Cu2+或Cd2+）和有機物（苯酚或苯胺）等污染物均得到了較好的吸附效果（Liu et al.，2014；Arcibar-orozco et al.，2015；Liu et al.，2015）。

21世紀以來，文獻計量學被廣泛應用于許多學科前沿進展研究，如農業科學（胡娟等，2012；楊景寧等，2017）、地球科學（肖仙桃等，2005；陳曉杰等，2005）、環境科學（田亞平等，2012）、遙感科學（馮筠等，2005；王雪梅等，2014；Wang et al.，2015）、生物科學（張哲等，2011）等，其理論及方法已被廣泛應用于描述、評價和預測不同研究領域的現狀與發展趨勢（Wei et al.，2013）。有學者基于文獻計量的方法對 1990—2014年土壤中有機污染物（多環芳烴）的研究態勢進行分析，發現中國研究機構近年來有關有機污染物方面的發文量飛速增長（吳健等，2016a），未來該領域的研究熱點仍然集中于土壤環境中多環芳烴的降解及生物修復、多環芳烴在各種介質中的溶解與吸附、以及多環芳烴的源解析等方面（吳健等，2016b）。李珊珊等（2015）通過文獻計量分析土壤修復的研究現狀與趨勢，發現重金屬污染、有機物污染、農藥污染是中國土壤污染的主要類型，且 2010年以后土壤修復方式以（吸附）固化方式為主（串麗敏等，2016）。同時有關河流污染物方面的文獻計量分析也顯示，研究重心主要在沉淀、營養、重金屬等方面（楊立新等，2015；Ibekwe et al.，2016）。

隨著近年來材料、生物等相關學科的崛起，有機、重金屬同時吸附的研究也必將成為熱點方向和領域（Meng et al.，2008；王建濤，2014；Bisht et al.，2014）。針對復合污染對環境修復造成的工藝復雜、費用高昂和耗時較長等問題，該研究對于未來環境修復領域具有導向作用（周東美等，2000；Doong et al.，2008；高瑞麗等，2017），但目前相關研究仍鮮有報道，故從文獻計量的角度對其研究進行歸納和預測具有重要意義。本文基于文獻計量的方法對有機、重金屬同時吸附研究的主要力量分布、研究水平、涉及的重點學科領域和熱點研究方向及未來發展態勢等進行分析，以期為中國在該領域的研究和規劃提供借鑒和參考。

圖1 1992—2016年同時吸附研究論文的變化趨勢Fig.1 Amount of papers about simultaneous adsorption issued in different years during 1992～2016

1 研究方法

1.1 數據來源

在Thomson Reuters公司Web of Science信息平臺中 ，以TS=[(“Simultaneously adsorb” or“Simultaneous removal” or “Simultaneous sorption”or “Simultaneous uptake”or“Co-adsorption” or“Simultaneous adsorption” or“Simultaneous reduction”) and (“Metal ions”or“Heavy metal” or“Heavy metal ions” or “Heavy metal contaminants” or“Organic” or “Organic contaminants”or “Organic pollutant” or “Organic molecules” or “Heavy metal and organic” or “Heavy metal and organic pollutant”or“Heavy metal and organic contaminants” or“Multi-pollutant” or “Metal ions and organic molecules” or “Pollutant” or “Contaminant”)]檢索獲得 1992—2016年與有機、重金屬污染物同時吸附研究相關的論文共計1766篇[文獻類型包括研究論文（Article）、研究綜述（Review）和學術會議論文（Proceeding paper），數據采集時間為2017年1月4日，其中包含2017年1月1日—1月4日論文9篇]。

1.2 數據處理

首先利用Thomson Reuters公司開發的專業數據分析軟件Thomson Data Analyzer（TDA）（廖勝姣，2009）分析工具進行文獻數據挖掘和清理，其次將研究論文以發表年度、國家、研究機構、主題詞（關鍵詞）等信息輸入Excel軟件進行統計計算，最后運用UCINRT、Netdraw、Matlab等軟件進行可視化分析。

2 結果與討論

2.1 相關研究論文年變化趨勢及高頻關鍵詞分布

從發文時間（1992—2016年）分布來看（圖1），國際上對有機、重金屬污染物同時吸附（簡稱為同時吸附）的研究主要分為3個階段：第1階段為1992—2000年，是同時吸附研究的初步研究期，此階段發文量總計169篇，年均發文量18.8篇；第2階段為 2001—2011年，發文量持續增加，該階段為研究的穩步發展期，論文數量達704篇，平均每年發表論文64.0篇；第3階段為2012—2016年12月31日，呈現高速發展的趨勢，共計884篇論文，平均每年發表論文176.8篇。文章數量整體上呈現穩步增長并快速發展的趨勢，說明同時吸附研究越來越受到科研工作者的關注，且未來隨著交叉學科的不斷出現，其研究深度也將不斷增加，論文數量也將會持續并穩步增長。

以關鍵詞-關鍵詞共現矩陣為基礎，對關鍵詞之間的聯系進行數據發掘。首先利用 Derwent Data Analytics軟件分別對圖1中3個時間段的關鍵詞進行規范，并依據詞頻對關鍵詞進行排序，篩選出了每個時間段的15個高頻關鍵詞（表1）。可以發現，研究初期頻次較高的關鍵詞為Adsorption（吸附）、Nitrification（硝化作用）和Denitrification（反硝化作用），證明此階段的研究以水處理為主。到達穩步發展期時，Adsorption、Sorption（吸附）和Heavy metals（重金屬）成為頻次較高的關鍵詞，說明研究者們開始更多地關注重金屬污染物的吸附研究。而在快速發展期內，Adsorption（吸附）、Heavy metals（重金屬）和 Phenol（苯酚）成為頻次較高的關鍵詞，說明此階段有機、重金屬污染吸附的研究開始增多。，Simultaneous removal、Co-adsorption（同時吸附）在3個階段中出現的頻次分別為6、17和34，說明同時吸附研究也逐漸發展為研究重點，且有機污染物中苯酚的研究也成為了熱點。Nitrification-Denitrification、Activated carbon、Activated sludge（活性材料）也均在3個階段保持延續研究，但隨著時間的推進，Nitrification-Denitrification詞頻比例減少，而活性材料的詞頻比例基本保持延續，說明活性材料的研究也是未來的延續方向之一。同時在快速發展階段，衍生出Photocatalysis（光催化）和Arsenic（砷）等研究主題，再次證實了隨著科研思路的不斷開拓，交叉學科和衍生學科必將不斷出現，并成為未來研究的創新點（Eldon et al.，2004；李青青，2010），所以有機、重金屬污染物的同時吸附、光催化和環保材料開發等方向將成為未來研究的主要領域。

表1 不同發文階段高頻關鍵詞及詞頻分布Table1 High-frequency key words and their frequency distribution under different issued stages

2.2 研究論文國家分布及機構分布

1992—2016年間，同時吸附領域較為活躍的研究機構如圖2所示，1992—2000年間不同研究機構的論文數量均較少，僅為2～3篇；而在2001—2011年發文量較多的前兩個機構分別是中國的中國科學院（Chinese Acad Sci，People R China）、浙江大學（Zhejiang Univ，People R China）；其次為清華大學（Tsinghua Univ，People R China）、印度理工大學（Indian Inst Technol）及意大利和西班牙的研究機構，說明中國科學院和浙江大學是該研究領域最為活躍的機構，亦說明此時中國的研究機構已經開始成為這一領域的研究主體。2012—2016年發表論文最多的前兩個機構也分別是中國的中國科學院、湖南大學（Hunan Univ，People R China），且中國科學院的發文量遠高于其他機構，發文量排前十名的機構中有 8個中國的研究機構，說明 2012年以后中國的研究機構在該領域迅速崛起，并成為研究主力。

表2 1992—2016主要國家發文情況Table2 Amount of papers issued in different countries during 1992—2016

2.3 研究主題聚類分析

運用 SPSS 19.0軟件提供的層次聚類分析功能，把參與聚類的單元（如關鍵詞）視為一類，在消除量綱差異后形成相關系數矩陣，以兩類之間在文獻中共現的程度為關聯特征進行逐步合并，直到合并為一個大類為止。由表3可知，1992—2000年，同時吸附研究產生了4個活躍的方向，分別是重金屬的界面化學反應（A）、有機、重金屬污染物的表面吸附（B）、表面活性劑的生物吸附（C）和有機、重金屬廢水處理（D）。

2001—2011年，方向 A進行了延續發展，而方向C沒有延續，方向B和方向D延續發展并分別演化出了 4個和 3個新的研究方向。在 2010—2016年，方向A-a仍然延續，并演化出了重金屬離子的同時吸附（I）和零價鐵對 Cr(Ⅵ)的吸附效應（II）兩個新的方向；方向C在該階段也沒有出現研究，說明了該研究方向已不再受研究者關注。同時，方向B-e、D-g和D-h也分別在該階段演化出了新的方向。從3個階段的變化可以看出，有機、重金屬污染的吸附及其廢水處理一直是近年來的主流研究方向。同時隨著時間的推移，納米材料、零價鐵、光催化等新研究領域也逐漸成為研究者們探索和關注的新領域，這也與關鍵詞詞頻分布的結果一致。

2.4 同時吸附研究前沿態勢分析

以主題分析結果（表 3）進行戰略坐標分析，確立研究領域內各研究方向熱點程度及其聯系。戰略坐標圖由Law et al.（1988）提出，其中X軸為向心度，代表不同研究方向間相互影響的程度；Y軸為密度，表示某研究方向內部不同主題的連接強度；坐標原點位于密度、向心度平均值處。向心度和密度將二維坐標空間劃分為4個象限，按順時針旋轉，第一象限中各研究主題的密度和向心度值均較高，內外聯系緊密，研究趨于成熟，是整個領域的中心；第二象限中研究主題內部結構不緊密，研究尚不成熟，但正在吸收其他研究的理論、實驗方法或技術，具有潛在發展優勢；第三象限研究主題的密度和向心度均較低，內部結構松散，處于該研究領域邊緣地位，當它影響到整個領域發展時，需要重視其中存在的問題；第四象限各研究主題內部連接緊密，而與該領域內其他主題聯系不密切，需加強與領域內其他研究方向的聯系，推動其走向成熟（李雅等，2014）。

圖3所示為1992—2016年（3個階段）國際上同時吸附的相關研究態勢，方向 A在2012—2016年分別演化出了方向I和II。形成了方向1.1[A-a-I（表3所示，下同）]和1.2（A-a-II），均從第一象限發展到了第二象限，然后又回到第一象限，說明2001—2011年間，該研究方向與其他研究方向的聯系降低，而到 2012年以后，與其他外部研究的聯系又開始緊密。

方向B在2001—2011年演化出4個方向b、c、d和e，且對方向b進行了延續，而方向e又在2012—2016年演化出IV、V和VI 3個方向。由此可知，方向2.1（B-b-III）、2.2（B-c）和2.3（B-d）均從第一象限最終發展到了第三象限，說明隨著科學的進步，這3個方向內部和外部研究聯系均逐漸降低，處于研究領域的邊緣或劣勢區域。方向 2.4.1（B-e-IV）、方向 2.4.2（B-e-V）和方向 2.4.3（B-e-VI）均先從第一象限發展到了第三象限，隨后在2012—1016年分別發展到了第三、第四和第一象限，方向2.4.1走向了邊緣化，而方向2.4.2開始增強了與外部研究主題之間的聯系，方向2.4.3同時增強了研究方向內外部主題之間的聯系，為未來研究的熱點。

圖2 1992—2016年研究機構的論文數量Fig.2 Amount of papers issued in different research institution during 1992—2016

表3 Web of science論文主題聚類分析Table3 Theme clustering analysis of key words in web of science

圖3 研究發展態勢戰略坐標圖Fig.3 Strategic diagram of research and development situation

方向3（方向C）僅在1992—2001年有研究，且處于第三象限，表明該研究方向內部主題之間、與其他方向研究之間均無緊密聯系，表面活性劑的生物吸附逐漸退出了熱點研究的舞臺。

方向4.1（D-f）從第二象限發展到了第一象限，說明該方向增強了與領域內其他研究方向之間的聯系，為目前的熱點研究方向。方向4.2.1（D-g-VII）和4.2.2（D-g-VIII）均先從第二象限發展到了第三象限，2012年后方向4.2.1仍處于第三象限而方向4.2.2發展到了第一象限，說明方向4.2.2增強了內外部主體之間的研究聯系，是目前研究的主流方向。而方向4.3.1（D-h-IX）和4.3.2（D-h-X）在前兩個發展階段均處于第二象限，2012年以后均發展到了第三象限，逐漸趨于研究邊緣。

2012—2016年研究的熱點主要是重金屬離子的同時吸附、零價鐵對Cr(Ⅵ)的吸附效應、廢水處理中的納米過濾和有機污染物的光催化4個方向。此階段幾乎沒有內部主題之間聯系較為緊密的研究點，而內部主題之間及與其他研究方向有緊密聯系的研究點僅有納米顆粒對有機、重金屬的吸附，其余研究點均逐漸進入邊緣化研究領域。

從近年來科研發展方面分析，土壤和地下水污染一直是研究者面臨的嚴峻挑戰（戴榮玲等，2007；Alkaram et al.，2009），所以重金屬和有機污染物的修復一直是近年來科研的主流方向，且在不同階段均成為高主流研究方向，其中，有機、重金屬污染的同時吸附更是重中之重（路來福等，2013；李文斌等，2015；鄧晶等，2017）。從衍生的研究方向分析，零價鐵、納米材料和光催化領域成為了近年來一直備受關注的熱點研究方向，這也是學科交叉發展的必然結果。

目前態勢分析有4個研究熱點，其他大部分研究區域還處于沒有延續和相互交叉階段，所以未來不同研究方向的內部主題和外部研究的交叉領域還有很多研究切入點，對于交叉領域的探索也是擺在研究者面前的一項艱巨任務，例如納米復合材料對污染物的吸附，有機、重金屬污染物的修復（阮長平等，2016；劉潔等，2017）和生物化學聯合手段對污染物的處理等（Ma et al.，2016；李海燕等，2017)。整體上，有機、重金屬污染同時吸附研究處于發展階段，已有突出的研究熱點，但是其衍生領域還很少有研究涉及，未來發展前景廣闊。

3 結論

國際上對同時吸附的研究主要分為初步研究期、穩步發展期和快速發展期3個階段，且研究主題分別是水處理、重金屬污染和有機-重金屬污染。從穩步發展期開始，中國的總發文量開始達到最高并延續到高速發展期，且發文量最高的機構均是中國科學院。3個研究階段的主流方向均為有機、重金屬污染的吸附及其廢水處理研究，但目前（2012—2016年）研究的熱點主要是重金屬離子的同時吸附、零價鐵對Cr(Ⅵ)的吸附效應、廢水處理中的納米過濾和有機污染物的光催化4個方向。

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A Bibliometrical Analysis of the Exploration Research of Simultaneous Adsorption of Organic Pollutants and Heavy Metal Ions

LI Wenbin1*, LI Ya2, DENG Hongyan1, LI Yunxiang1, XIE Ting3, KANG Le1, LIAO Yunwen1, MENG Zhaofu3
1. College of Environmental Science and Engineering, China West Normal University, Nanchong 637009, China;2. Library of Northwest A & F University, Yangling 712100, China;3. College of Natural Resource and Environment, Northwest A & F University, Yangling, 712100, China

To understand the current status and hotspot of simultaneous adsorption of organic and heavy metal pollution research,papers (from 1992 to 2017.1.4) related to the topic of simultaneous adsorption of organic pollutants and heavy metal ions were analyzed, which were based on SCIE databas proveded by Web of Science information platform (online) of Thomson Reuters.Thomson Data Analyzer and UCINET were used for data processing and quantitatively analysis. The results showed that, (1)Internationally, studies of simultaneous adsorption could be divided into three stages, which were initial study stage (1992—2000),steady development stage (2001—2011) and high-speed development stage (2012—2016). The annual number of research articles increased exponentially and reached 176.8 articles per year in the third stage. (2) Research topic in three stages were water pollution treatment, heavy metal pollution adsorption, and organic and heavy metal pollutant simultaneous adsorption, respectively. Moreover,photocatalysis and arsenic pollution treatment were derived in high-speed development stage. (3) From 2001, papers published by China exceeded United States, which made China become the main strength of the study of pollution adsorption. Researches were mainly from the Chinese Academy of Sciences and Zhejiang University, the Chinese Academy of Sciences and Hunan University in steady development stage and high-speed development stage, respectively. In addition, papers publised from 2012 to 2016 by China reached a maximum of 323 articles, and its annual output reached 64.6 articles. Japan was another major research force in this field amonng Asian countries. (4) The main research direction was remediation of organic and heavy metal pollution. The current research hotspots were simultaneous adsorption of organic and heavy metal pollution, the effect of Cr(Ⅵ) adsorption on zero-valent iron,nanometer filter in the waste water treatment and photocatalytic of organic pollutant. Furthermore, the adsorption of nanoparticles on organic and heavy metals is closely related research points of each subject, the cross-over studies and derivative fields will be the innovation points in the future.

organic pollutant; heavy metal pollutant; bibliometrics; web of science; exploration research

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.12.024

X523

A

1674-5906（2017）12-2177-08

李文斌, 李雅, 鄧紅艷, 黎云祥, 謝婷, 康樂, 廖運文, 孟昭福. 2017. 有機、重金屬污染物同時吸附的前沿態勢文獻計量分析[J]. 生態環境學報, 26(12): 2177-2184.

LI Wenbin, LI Ya, DENG Hongyan, LI Yunxiang, XIE Ting, KANG Le, LIAO Yunwen, MENG Zhaofu. 2017. A bibliometrical analysis of the exploration research of simultaneous adsorption of organic pollutants and heavy metal ions [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(12): 2177-2184.

國家自然科學基金項目（41271244）；陜西省情報學會課題（2016-2）；四川省教育廳項目（15ZA0147）

李文斌（1985年生），男，講師，博士，主要從事土壤污染修復研究。E-mail: lwb062@163.com

*通信作者

2017-09-17