碳納米管在污廢水處理領域的研究熱點與發展趨勢

賈洋洋

摘要：基于Web of Science核心合集和CNKI數據庫，綜合利用CiteSpace、HistCite、VOSviewer等軟件，對污廢水處理領域碳納米管（Carbon nanotubes，CNTs）應用研究進行梳理和分析，對國內外研究現狀、研究熱點、發展趨勢等進行了全面剖析。結果表明：受政策激勵的影響，2015年以來污廢水處理領域CNTs研究發文量呈明顯增長趨勢，并在2020年達到成熟增長階段。中國在該技術領域處于國際第一梯隊。中國科學院在該領域的研究中處于領先地位，發表的論文數量居于前沿位置。目前，CNTs的“吸附”功能是主要研究熱點，而“可生化性”、“修飾電極”、“過氧單硫酸鹽”、“界面聚合”等研究正逐漸成為新的研究熱點和方向。

關鍵詞：碳納米管；污廢水處理；文獻計量；研究熱點

中圖分類號：X52 文獻標志碼：A

前言

CNTs具有良好的吸附、催化等性能，越來越多的研究人員探索將CNTs技術應用于污廢水治理領域。目前的研究多是利用CNTs較高的比表面積等特征對污廢水中的污染物進行吸附以及對CNTs功能改性和污染物去除模式和機制的研究。研究表明，采用CNTs可以有效降低污廢水生物需氧量、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和微生物等污染指標，但是將CNTs應用于污廢水處理領域還存在著成本控制難、研究多應用少等問題。采用文獻計量分析方法進行可視化描述，以全面了解CNTs在該領域的發展現狀和趨勢，通過定量與定性相結合的方式，客觀反映碳納米管在污廢水治理領域的發展現狀以及發展態勢，快速定位熱點研究方向。文章將文獻計量法應用于探索CNTs技術在污廢水處理領域的應用研究，綜合利用CiteSpace、HistCite、VOS-viewer等軟件，結合軟件優勢分析能力，為CNTs在污廢水治理領域相關研究做出整體分析判斷，希望能夠更加清楚了解CNTs技術在污廢水治理領域發展潛力和研究熱點，促進行業技術水平提高及新技術應用。

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源

此次檢索數據主要來自Web of Science核心合集（WOS）和中國期刊全文數據庫（CNKI）。

在中國期刊全文數據庫（CNKI）中，將檢索詞定為“su=碳納米管and su=（污水+廢水）”，文獻類型選擇“期刊”和“論文”，共檢索獲取到140個有效數據結果。Web of Science核心合集（WOS）中，將檢索詞確定為TS=（“Carbon nanotubes”or CNTS））ANDTS=（“wastewater treatment*”OR“sewage treatment*”OR“sewage disposal*”OR“water treatment*”OR“wastewater*”OR“wastewater disposal*”OR“effluent disposal*”OR“effluent treatment*”OR“polluted water treatment*”OR“sewage processing*”，選取的文獻類型為“Article”和“Review”，語種選擇為“English”，共檢索獲取數據3953個。

以上檢索未設置檢索年限區間，數據檢索日期為2023年6月7日。

1.2 研究方法

文獻特征分析：采用Excel對收集的文獻數據進行整理，對發文量進行統計分析，對期刊分布情況進行匯總整理。

合作分析：采用VOSviewer軟件對文獻數據中的國家、機構間合作關系圖譜進行繪制，分析相關領域內合作往來關系和國家、機構影響力。

熱點和引文分析：采用CiteSpace軟件統計該技術應用范圍內的關鍵詞，進行關鍵詞聚類分析，并繪制關鍵詞時間軸知識圖譜。利用HistCite對文獻引文情況進行可視化分析，挖掘高價值文獻。

2 結果分析

2.1 發文量分析

通過對wos核心合集和CNKI數據庫檢索發現，CNTs應用于污廢水治理領域的研究最早于2004年開始出現，盡管相關研究的應用相對于首次發現CNTs較晚，但在之后，CNTs研究在污廢水治理領域得到了快速發展，國內CNTs技術研究在污廢水治理領域與國際上基本同步。

以年度變化為自變量，以每年發表文獻數量為發文量進行統計，CNTs技術應用于污廢水處理領域的相關文獻發文量變化情況如圖1所示，CNKI數據庫中發文量始終處于較低的水平，年平均發表數量僅為7篇左右（2005年-2023年），并且年度波動變化不明顯。相比之下，WOS核心合集發文量呈現明顯的上升趨勢，年平均發表數量為197.65篇（2004年-2023年），達到了CNKI數據庫發文量的28倍。在以WOS核心合集發文量為代表的國際研究中，發表區域來自中國地區的平均年發文量占到wos核心合集年平均發文量的44.20%。

從WOS核心合集和CNKI數據庫中發文量總體來看，相關技術領域發文量呈現整體上升趨勢，根據變化趨勢，可以大致分為三個階段：第一階段2004年-2014年（探索發展階段），本階段CNTs技術在污廢水處理領域的相關研究開始出現并初步發展，CNTs在污廢水處理方面的研究開始逐漸增多；第二階段2015年-2019年（快速增長階段），隨著各國對環境保護的重視程度逐漸加強，對污染防治技術提出新的需求，相關研究數量在這個階段大幅提高，如中國在2015年開始密集發布了《水污染防治行動計劃》、《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》、《“十三五”重點流域水環境綜合治理建設規劃》等文件，對水污染治理工作提出了新的更高的要求；第三階段2020年-2022年（成熟增長階段），增長的原因來自政策的延續，在此階段中國發布了《長江保護法》、《關于推進污水資源化利用的指導意見》、《“十四五”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》、《“十四五”重點流域水環境綜合治理規劃》、《工業水效提升行動計劃》等政策性文件。

2.2 期刊分析

如表1所示，從文章發表期刊（單位）來看，WOS核心合集中污廢水處理領域CNTs技術相關研究來自于86個期刊的3953篇文獻，而CNKI數據庫中來源于98個期刊（單位）的140個有效數據，較WOS核心合集相比更加分散。在CNKI數據庫中發文量前十的期刊（單位）中，來源類型為“期刊”的僅包含2個（《工業水處理》、《應用化工》），其余發表單位均為高校，以碩博論文形式發表。這十個期刊（單位）發文總量占到CNKI數據集總量的29.29%。北京化工大學以9篇文獻的發表數量位居榜首。在WOS核心合集中，發文量排名前十名的期刊共占發文總量的27.93%。其中，期刊《化學工程雜志》（CHEMICAL ENCINEERINC JOURNAL）發表了217篇文獻，占WOS核心合集總發文量的5.49%，作為化工領域Q1期刊，該期刊影響因子高達16.744，顯示出污廢水處理CNTs技術研究成果在領城中具有較高的國際影響力。wOs核心合集中發文量前十期刊主要研究方向集中于化工、材料、環境等領域，表示CNTs技術在這些領域有著較強的應用前景和發展潛力。

2.3 研究與合作

發文量可以直觀的反映出一個國家或機構在該技術領域內的研究水平和影響力，中國的研究人員發表文章數量最多（發文量為1748篇，占發文量總數的44.22%），美國、伊朗、印度等國家位列第二梯隊（美國發文數量為449篇，占比約為11.36%），沙特阿拉伯王國、馬來西亞、韓國、埃及等國家或地區發文量排在第三梯隊。從區域分布來看，發文量排名前十的國家或地區主要集中在東亞、東南亞地區（亞洲國家或地區發文量達到3244篇，占總發文量的82.07%）。

采用VOSviewer軟件對WOS核心合集中CNTs在污廢水治理領域相關國家或地區、機構間合作關系進行分析，發現相關技術領域的研究共涉及了102個國家或地區。以中國為中心，相關國家緊密結合形成了該研究領域最強的合作網絡，中國與亞洲、歐洲、美洲等國家或地區合作均較為緊密。同時，部分歐洲國家如德國、西班牙等國以及部分亞洲國家阿曼、卡塔爾等國家或地區也展現出一定的聚集性，以中國為首的大多數國家在該領域搭建起了一個全面合作網絡，有力的推動了CNTs技術在污廢水治理領域的研究和發展。在WOS核心合集排名前十的研究機構中，中國科學院以239篇的發文量優勢占據首位，其次是埃及知識庫（EGYPTIANKNOWLEDCE BANK EKB）、阿扎德伊斯蘭大學（IS-LAMIC AZAD UNIVERSITY）等機構。由于CNKI數據庫數據相對較少，前三名的機構發文量相差不大。目前已基本形成了以中國科學院（CHINESE ACAD-EMY OF SCIENCES）、阿卜杜勒阿齊茲國王大學（KING ABDULAZIZ UNIVERSITY）、阿扎德伊斯蘭大學（ISLAMIG AZAD UNIVERSITY）三大機構領銜的國際合作框架結構。（見表2）

2.4 研究熱點

利用VOSviewer軟件生成CNKI數據庫關鍵詞熱點密度圖，可以發現CNKI數據庫研究熱點相對較少但熱點集中度較高。研究熱點主要集中于“碳納米管”、“吸附”兩方面，“光催化”是CNTs功能研究方面的一個重點。在材料類型研究方面，“多壁碳納米管”和“磁性碳納米管”的研究也具有一定熱度。從wos核心合集數據整理繪制研究熱點密度圖中發現“carbon nanotubes（碳納米管）”、“adsorp-tion（吸附）”、“wastewater（污廢水）”等熱度較高。“multi-walled carbon nanotubes（多壁碳納米管）”、“optimization extration（優化提純）”等研究熱點與“carbon nanotubes（碳納米管）”、“adsorption（吸附）”、“wastewater（污廢水）”具有較高重疊性，同樣具有較高的研究熱度。將CNKI數據庫和WOS核心合集的關鍵詞熱點密度圖對比發現，兩個數據庫的研究熱點重合性較高，不同的是在WOS核心合集中還出現了“degradation（降解）”、“performance（表征）”、“kinetics（動力學）”等幾個相對熱度較高的研究方向，可以為國內相關研究拓展提供新的思路和方向。

采用CiteSpace軟件繪制關鍵詞時間軸圖譜，可以分析CNTs在污廢水治理相關領域發展的前沿與發展趨勢，通過分析各個聚類中關鍵詞的數量情況，發現“0#吸附”和“1#修飾電極”兩個聚類中關鍵詞數量最多，從時間跨度來看，聚類“0#吸附”、“1#修飾電極”的相關研究橫跨了整個研究時段，充分說明了這兩個聚類在研究范圍內的重要性；“3#光催化”、“2#固定化”、“6#工業廢水”、“4#膜分離”聚類研究在中期表現較為突出，出現了較多的研究方向，表明在該時段內相關研究在不斷深入擴展。通過聚類分析發現CNTs在污廢水治理領域中，主要的治理方式是“吸附”、“固定化”、“光催化”、“膜分離”，CNTs應用最多的污廢水形式是“工業廢水”、“印染廢水”、“含油廢水”、“養殖廢水”，治理主要針對的污染物是“染料”、“銅離子”、“氯霉素”等。

采用CiteSpace軟件繪制wos核心合集關鍵詞時間軸圖譜，共生成8個明顯聚類，“1# water treat-ment（水處理）”、“2# adsorption（吸附）”、“0# micro-bial fuel cell（微生物燃料電池）”、“6# carbon nano-tubes（碳納米管）”等聚類在研究早期即出現且橫跨了整個研究周期，但是在研究后期出現了不同程度的衰減。“2# adsorption（吸附）”聚類由“aqueous（水基）”、“kinerics（動力學）”的研究，逐步向“grapheneoxide（石墨烯氧化）”、“methylene blue（亞甲藍）”、“walled carbon nanotuhes（壁式碳納米管）”等研究方向擴展。在研究的中后期，“6# carbon nanotubes（碳納米管）”聚類呈現明顯衰減，“5# Peroxymonosulfate（過氧單硫酸鹽）”、“3# interfacial polymerization（界面聚合）”聚類的相關研究出現明顯增強。通過關鍵詞聚類分析發現，在污廢水處理領域CNTs應用的主要的功能方式為“oxygen reduction reaction（氧化還原反應）”、“adsorption（吸附）”、“interfacial po-lymeriztion（界面聚合）”，在治理的目標上主要是針對的是“wastewater treatment（污水處理）”、“watertreatment（水處理）”，治理主要針對的污染物為“methylene blue（亞甲藍）”、“heavy metals（重金屬）”、“peroxymonosulfate（過氧單硫酸鹽）”等。

2.5 引文分析

重點文獻對相關領域的發展有較大的推動作用，通過了解文獻間的發展關系，可以有效地梳理研究的發展脈絡，利用HistCite對收集的3953篇WOS核心數據集文獻進行可視化的分析，以節點大小代表引用強度，箭頭指向被引用文獻。分析發現155、62、39、390號文獻的本地引用次數分別達到了152、146、137、135次，其中155號文獻GCS次數為5770次，遠高于其他文獻，可以判斷該文獻為該領域內的研究價值最高的文章，通過對155號文獻“Removal of heawmetalions from wastewaters：A review”一文的解讀，FENGLIAN FU等通過對185篇文章的綜述總結出CarbonNanotubes對污水中重金屬具有較強的吸附作用。62號文獻“AdsorptionMechanisms of Or-ganicChemicals on CarbonNanotubes”探討了有機化合物在碳納米管表面的吸附機制，并闡明了各種因素對吸附過程的影響；39號文獻“Sorption of di-valentmetalions f'rom aqueoussolution bycarbonnano-tubes：A review”綜述了不同類型的碳納米管對于二價金屬離子的吸附作用，并得出改良后的碳納米管是良好的環境改良吸附材料的結論，這兩篇文章被155、62、390號等文章引用，均對CNTs在污水處理領域的應用做了系統的闡述，因此可以被認為是具有突出成果的文章。（見圖2）

3 結論

污廢水處理領域CNTs技術應用研究的發文量持續增長，隨著研究進入成熟增長階段，相關研究和發文量將會持續增長。研究領域內合作密切，逐漸形成了以中國為第一梯隊的國家間合作關系以及中國科學院領銜的國際機構合作框架。CNTs在污廢水處理領域涌現出了“光催化”、“石墨烯氧化”、“壁式碳納米管”等研究熱點，以及“修飾電極”、“降解”、“表征”、“動力學”、“優化提純”等新研究方向；國內和國際上研究熱點有較高的重合度，但國際上研究方向更加多樣化。未來“可生化性”、“修飾電極”、“過氧單硫酸鹽”、“界面聚合”等有可能成為新的研究熱點。通過分析也發現了如國內和國際研究發文量不平衡等問題。隨著研究的深入和擴展，CNTs在污廢水治理領域的應用研究也將迎來新的發展。

基金項目：福建省屬公益類科研院所基本科研專項項目“基于專利視角的水環保產業技術創新研究一以納米材料技術為例”（2023R1008006）資助