有机、重金属污染物同时吸附的前沿态势文献计量分析

李文斌，李 雅，邓红艳，黎云祥，谢 婷，康 乐，廖运文，孟昭福

1. 西华师范大学环境科学与工程学院，四川 南充 637009；2. 西北农林科技大学图书馆，陕西 杨凌 712100；3. 西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100

有机、重金属污染物同时吸附的前沿态势文献计量分析

李文斌1*，李 雅2，邓红艳1，黎云祥1，谢 婷3，康 乐1，廖运文1，孟昭福3

1. 西华师范大学环境科学与工程学院，四川 南充 637009；2. 西北农林科技大学图书馆，陕西 杨凌 712100；3. 西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100

为了探索有机、重金属同时污染的研究现状和热点动态，以Thomson Reuters公司Web of Science信息平台提供的SCIE（网络版）数据库为数据源，运用Thomson Data Analyzer （TDA）和UCINET软件对1992年—2017年1月4日SCIE收录的有机、重金属同时吸附的研究论文进行数据挖掘和定量分析。结果显示，（1）国际上关于有机、重金属污染物同时吸附的研究分为初步研究期（1992—2000年）、稳步发展期（2001—2011年）和高速发展期（2012—2016年）3个阶段；年均发文量呈指数增加趋势，第3阶段达到176.8篇/年。（2）3个阶段所对应的研究主题分别为水污染处理、重金属污染和有机-重金属污染，且同时吸附是高速发展期研究的重点，并衍生出光催化和砷污染等研究主题。（3）中国的发文量从2001年开始超过美国成为主要研究力量，且中国科学院和浙江大学、中国科学院和湖南大学分别为稳步和高速发展期发文的主力机构；2012—2016年之间中国的总发文量再次达到最高（323篇），年发文量也达到了历史最高（64.6篇/年）。在亚洲国家中，日本也是这一领域研究的主要力量。（4）有机、重金属污染修复一直是科研的主流方向，2012—2016年的研究热点是重金属离子的同时吸附、零价铁对Cr(Ⅵ)的吸附效应、废水处理中的纳米过滤和有机污染物的光催化，主题之间紧密联系的研究点有纳米颗粒对有机、重金属的吸附，同时其交叉和衍生领域是未来研究的创新点。

有机污染物；重金属；文献计量；Web of science；前沿分析

石油化工产品的不充分燃烧、污水排放和农药等的长期使用，促使土壤和水体中多种类型污染物经常同时存在，而有机-无机复合污染是目前土壤和水体污染中普遍存在的现象（李剑睿等，2014；周跃花等，2014；何亚军等，2016），探索能同时修复有机-重金属复合污染的修复方法对于保护生态环境和人体健康具有十分重要的意义。

Chan（1995）首次采用一种非水溶性两性淀粉对（CrO42-或 Pb2+）和苯酚进行同时吸附，发现两性淀粉对有机、重金属污染物均有吸附作用，其对苯酚的吸附主要靠其叔胺基基团，对重金属的吸附主要是离子交换作用。随后改性活性炭、有机膨润土等均作为同时吸附有机、重金属污染物的材料，有学者（Andini et al.，2006；Liu et al.，2016）采用有机蒙脱土同时吸附Cd2+和（双酚A或2氯酚），发现经有机修饰的蒙脱土相比原土对 Cd2+的吸附量有小幅提升，吸附机制主要是电性引力和金属螯合作用；同时对酚类有机物的吸附量有较大幅度地提高，吸附机制主要为疏水修饰作用。采用改性碳材料同时吸附重金属（Cu2+或Cd2+）和有机物（苯酚或苯胺）等污染物均得到了较好的吸附效果（Liu et al.，2014；Arcibar-orozco et al.，2015；Liu et al.，2015）。

21世纪以来，文献计量学被广泛应用于许多学科前沿进展研究，如农业科学（胡娟等，2012；杨景宁等，2017）、地球科学（肖仙桃等，2005；陈晓杰等，2005）、环境科学（田亚平等，2012）、遥感科学（冯筠等，2005；王雪梅等，2014；Wang et al.，2015）、生物科学（张哲等，2011）等，其理论及方法已被广泛应用于描述、评价和预测不同研究领域的现状与发展趋势（Wei et al.，2013）。有学者基于文献计量的方法对 1990—2014年土壤中有机污染物（多环芳烃）的研究态势进行分析，发现中国研究机构近年来有关有机污染物方面的发文量飞速增长（吴健等，2016a），未来该领域的研究热点仍然集中于土壤环境中多环芳烃的降解及生物修复、多环芳烃在各种介质中的溶解与吸附、以及多环芳烃的源解析等方面（吴健等，2016b）。李珊珊等（2015）通过文献计量分析土壤修复的研究现状与趋势，发现重金属污染、有机物污染、农药污染是中国土壤污染的主要类型，且 2010年以后土壤修复方式以（吸附）固化方式为主（串丽敏等，2016）。同时有关河流污染物方面的文献计量分析也显示，研究重心主要在沉淀、营养、重金属等方面（杨立新等，2015；Ibekwe et al.，2016）。

随着近年来材料、生物等相关学科的崛起，有机、重金属同时吸附的研究也必将成为热点方向和领域（Meng et al.，2008；王建涛，2014；Bisht et al.，2014）。针对复合污染对环境修复造成的工艺复杂、费用高昂和耗时较长等问题，该研究对于未来环境修复领域具有导向作用（周东美等，2000；Doong et al.，2008；高瑞丽等，2017），但目前相关研究仍鲜有报道，故从文献计量的角度对其研究进行归纳和预测具有重要意义。本文基于文献计量的方法对有机、重金属同时吸附研究的主要力量分布、研究水平、涉及的重点学科领域和热点研究方向及未来发展态势等进行分析，以期为中国在该领域的研究和规划提供借鉴和参考。

图1 1992—2016年同时吸附研究论文的变化趋势Fig.1 Amount of papers about simultaneous adsorption issued in different years during 1992～2016

1 研究方法

1.1 数据来源

在Thomson Reuters公司Web of Science信息平台中 ，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”)]检索获得 1992—2016年与有机、重金属污染物同时吸附研究相关的论文共计1766篇[文献类型包括研究论文（Article）、研究综述（Review）和学术会议论文（Proceeding paper），数据采集时间为2017年1月4日，其中包含2017年1月1日—1月4日论文9篇]。

1.2 数据处理

首先利用Thomson Reuters公司开发的专业数据分析软件Thomson Data Analyzer（TDA）（廖胜姣，2009）分析工具进行文献数据挖掘和清理，其次将研究论文以发表年度、国家、研究机构、主题词（关键词）等信息输入Excel软件进行统计计算，最后运用UCINRT、Netdraw、Matlab等软件进行可视化分析。

2 结果与讨论

2.1 相关研究论文年变化趋势及高频关键词分布

从发文时间（1992—2016年）分布来看（图1），国际上对有机、重金属污染物同时吸附（简称为同时吸附）的研究主要分为3个阶段：第1阶段为1992—2000年，是同时吸附研究的初步研究期，此阶段发文量总计169篇，年均发文量18.8篇；第2阶段为 2001—2011年，发文量持续增加，该阶段为研究的稳步发展期，论文数量达704篇，平均每年发表论文64.0篇；第3阶段为2012—2016年12月31日，呈现高速发展的趋势，共计884篇论文，平均每年发表论文176.8篇。文章数量整体上呈现稳步增长并快速发展的趋势，说明同时吸附研究越来越受到科研工作者的关注，且未来随着交叉学科的不断出现，其研究深度也将不断增加，论文数量也将会持续并稳步增长。

以关键词-关键词共现矩阵为基础，对关键词之间的联系进行数据发掘。首先利用 Derwent Data Analytics软件分别对图1中3个时间段的关键词进行规范，并依据词频对关键词进行排序，筛选出了每个时间段的15个高频关键词（表1）。可以发现，研究初期频次较高的关键词为Adsorption（吸附）、Nitrification（硝化作用）和Denitrification（反硝化作用），证明此阶段的研究以水处理为主。到达稳步发展期时，Adsorption、Sorption（吸附）和Heavy metals（重金属）成为频次较高的关键词，说明研究者们开始更多地关注重金属污染物的吸附研究。而在快速发展期内，Adsorption（吸附）、Heavy metals（重金属）和 Phenol（苯酚）成为频次较高的关键词，说明此阶段有机、重金属污染吸附的研究开始增多。，Simultaneous removal、Co-adsorption（同时吸附）在3个阶段中出现的频次分别为6、17和34，说明同时吸附研究也逐渐发展为研究重点，且有机污染物中苯酚的研究也成为了热点。Nitrification-Denitrification、Activated carbon、Activated sludge（活性材料）也均在3个阶段保持延续研究，但随着时间的推进，Nitrification-Denitrification词频比例减少，而活性材料的词频比例基本保持延续，说明活性材料的研究也是未来的延续方向之一。同时在快速发展阶段，衍生出Photocatalysis（光催化）和Arsenic（砷）等研究主题，再次证实了随着科研思路的不断开拓，交叉学科和衍生学科必将不断出现，并成为未来研究的创新点（Eldon et al.，2004；李青青，2010），所以有机、重金属污染物的同时吸附、光催化和环保材料开发等方向将成为未来研究的主要领域。

表1 不同发文阶段高频关键词及词频分布Table1 High-frequency key words and their frequency distribution under different issued stages

2.2 研究论文国家分布及机构分布

1992—2016年间，同时吸附领域较为活跃的研究机构如图2所示，1992—2000年间不同研究机构的论文数量均较少，仅为2～3篇；而在2001—2011年发文量较多的前两个机构分别是中国的中国科学院（Chinese Acad Sci，People R China）、浙江大学（Zhejiang Univ，People R China）；其次为清华大学（Tsinghua Univ，People R China）、印度理工大学（Indian Inst Technol）及意大利和西班牙的研究机构，说明中国科学院和浙江大学是该研究领域最为活跃的机构，亦说明此时中国的研究机构已经开始成为这一领域的研究主体。2012—2016年发表论文最多的前两个机构也分别是中国的中国科学院、湖南大学（Hunan Univ，People R China），且中国科学院的发文量远高于其他机构，发文量排前十名的机构中有 8个中国的研究机构，说明 2012年以后中国的研究机构在该领域迅速崛起，并成为研究主力。

表2 1992—2016主要国家发文情况Table2 Amount of papers issued in different countries during 1992—2016

2.3 研究主题聚类分析

运用 SPSS 19.0软件提供的层次聚类分析功能，把参与聚类的单元（如关键词）视为一类，在消除量纲差异后形成相关系数矩阵，以两类之间在文献中共现的程度为关联特征进行逐步合并，直到合并为一个大类为止。由表3可知，1992—2000年，同时吸附研究产生了4个活跃的方向，分别是重金属的界面化学反应（A）、有机、重金属污染物的表面吸附（B）、表面活性剂的生物吸附（C）和有机、重金属废水处理（D）。

2001—2011年，方向 A进行了延续发展，而方向C没有延续，方向B和方向D延续发展并分别演化出了 4个和 3个新的研究方向。在 2010—2016年，方向A-a仍然延续，并演化出了重金属离子的同时吸附（I）和零价铁对 Cr(Ⅵ)的吸附效应（II）两个新的方向；方向C在该阶段也没有出现研究，说明了该研究方向已不再受研究者关注。同时，方向B-e、D-g和D-h也分别在该阶段演化出了新的方向。从3个阶段的变化可以看出，有机、重金属污染的吸附及其废水处理一直是近年来的主流研究方向。同时随着时间的推移，纳米材料、零价铁、光催化等新研究领域也逐渐成为研究者们探索和关注的新领域，这也与关键词词频分布的结果一致。

2.4 同时吸附研究前沿态势分析

以主题分析结果（表 3）进行战略坐标分析，确立研究领域内各研究方向热点程度及其联系。战略坐标图由Law et al.（1988）提出，其中X轴为向心度，代表不同研究方向间相互影响的程度；Y轴为密度，表示某研究方向内部不同主题的连接强度；坐标原点位于密度、向心度平均值处。向心度和密度将二维坐标空间划分为4个象限，按顺时针旋转，第一象限中各研究主题的密度和向心度值均较高，内外联系紧密，研究趋于成熟，是整个领域的中心；第二象限中研究主题内部结构不紧密，研究尚不成熟，但正在吸收其他研究的理论、实验方法或技术，具有潜在发展优势；第三象限研究主题的密度和向心度均较低，内部结构松散，处于该研究领域边缘地位，当它影响到整个领域发展时，需要重视其中存在的问题；第四象限各研究主题内部连接紧密，而与该领域内其他主题联系不密切，需加强与领域内其他研究方向的联系，推动其走向成熟（李雅等，2014）。

图3所示为1992—2016年（3个阶段）国际上同时吸附的相关研究态势，方向 A在2012—2016年分别演化出了方向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），均从第一象限发展到了第二象限，然后又回到第一象限，说明2001—2011年间，该研究方向与其他研究方向的联系降低，而到 2012年以后，与其他外部研究的联系又开始紧密。

方向B在2001—2011年演化出4个方向b、c、d和e，且对方向b进行了延续，而方向e又在2012—2016年演化出IV、V和VI 3个方向。由此可知，方向2.1（B-b-III）、2.2（B-c）和2.3（B-d）均从第一象限最终发展到了第三象限，说明随着科学的进步，这3个方向内部和外部研究联系均逐渐降低，处于研究领域的边缘或劣势区域。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）均先从第一象限发展到了第三象限，随后在2012—1016年分别发展到了第三、第四和第一象限，方向2.4.1走向了边缘化，而方向2.4.2开始增强了与外部研究主题之间的联系，方向2.4.3同时增强了研究方向内外部主题之间的联系，为未来研究的热点。

图2 1992—2016年研究机构的论文数量Fig.2 Amount of papers issued in different research institution during 1992—2016

表3 Web of science论文主题聚类分析Table3 Theme clustering analysis of key words in web of science

图3 研究发展态势战略坐标图Fig.3 Strategic diagram of research and development situation

方向3（方向C）仅在1992—2001年有研究，且处于第三象限，表明该研究方向内部主题之间、与其他方向研究之间均无紧密联系，表面活性剂的生物吸附逐渐退出了热点研究的舞台。

方向4.1（D-f）从第二象限发展到了第一象限，说明该方向增强了与领域内其他研究方向之间的联系，为目前的热点研究方向。方向4.2.1（D-g-VII）和4.2.2（D-g-VIII）均先从第二象限发展到了第三象限，2012年后方向4.2.1仍处于第三象限而方向4.2.2发展到了第一象限，说明方向4.2.2增强了内外部主体之间的研究联系，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）在前两个发展阶段均处于第二象限，2012年以后均发展到了第三象限，逐渐趋于研究边缘。

2012—2016年研究的热点主要是重金属离子的同时吸附、零价铁对Cr(Ⅵ)的吸附效应、废水处理中的纳米过滤和有机污染物的光催化4个方向。此阶段几乎没有内部主题之间联系较为紧密的研究点，而内部主题之间及与其他研究方向有紧密联系的研究点仅有纳米颗粒对有机、重金属的吸附，其余研究点均逐渐进入边缘化研究领域。

从近年来科研发展方面分析，土壤和地下水污染一直是研究者面临的严峻挑战（戴荣玲等，2007；Alkaram et al.，2009），所以重金属和有机污染物的修复一直是近年来科研的主流方向，且在不同阶段均成为高主流研究方向，其中，有机、重金属污染的同时吸附更是重中之重（路来福等，2013；李文斌等，2015；邓晶等，2017）。从衍生的研究方向分析，零价铁、纳米材料和光催化领域成为了近年来一直备受关注的热点研究方向，这也是学科交叉发展的必然结果。

目前态势分析有4个研究热点，其他大部分研究区域还处于没有延续和相互交叉阶段，所以未来不同研究方向的内部主题和外部研究的交叉领域还有很多研究切入点，对于交叉领域的探索也是摆在研究者面前的一项艰巨任务，例如纳米复合材料对污染物的吸附，有机、重金属污染物的修复（阮长平等，2016；刘洁等，2017）和生物化学联合手段对污染物的处理等（Ma et al.，2016；李海燕等，2017)。整体上，有机、重金属污染同时吸附研究处于发展阶段，已有突出的研究热点，但是其衍生领域还很少有研究涉及，未来发展前景广阔。

3 结论

国际上对同时吸附的研究主要分为初步研究期、稳步发展期和快速发展期3个阶段，且研究主题分别是水处理、重金属污染和有机-重金属污染。从稳步发展期开始，中国的总发文量开始达到最高并延续到高速发展期，且发文量最高的机构均是中国科学院。3个研究阶段的主流方向均为有机、重金属污染的吸附及其废水处理研究，但目前（2012—2016年）研究的热点主要是重金属离子的同时吸附、零价铁对Cr(Ⅵ)的吸附效应、废水处理中的纳米过滤和有机污染物的光催化4个方向。

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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, 邓红艳, 黎云祥, 谢婷, 康乐, 廖运文, 孟昭福. 2017. 有机、重金属污染物同时吸附的前沿态势文献计量分析[J]. 生态环境学报, 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.

国家自然科学基金项目（41271244）；陕西省情报学会课题（2016-2）；四川省教育厅项目（15ZA0147）

李文斌（1985年生），男，讲师，博士，主要从事土壤污染修复研究。E-mail: lwb062@163.com

*通信作者

2017-09-17