基于文献计量学的电渗析技术研究现状与趋势分析

胡小阳，褚衍旭，王红萍,2

(1.武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430072;2.水资源安全保障湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430072)

电渗析技术作为一种新兴的用于离子分离的膜分离技术[1]，因其效率高、能耗低、对预处理要求低、对分离组分选择性高、原水回收率高、环境友好[2]等优点，在国内外各行业废水处理中得到了广泛的应用。电渗析技术作为一种膜法水处理技术[3]，目前已发展成一个大规模的化工单元过程[4]，被广泛应用于苦咸水和海水的淡化[2]、化学工业[5]、废水处理[6]、食品行业[7]等领域，具有显著的社会和经济效益。目前，国内外关于电渗析技术研究的发文量持续增长，但是关于电渗析技术发展动态定量统计与分析的研究尚未见报道，这不利于研究者掌握此领域的研究现状及其发展趋势。文献计量学是图书情报与科学评价领域中的一门重要学科[8]。它以文献体系和文献计量特征为研究对象，采用数学、统计学等计量方法，研究文献情报的分布结构、数量关系、变化规律和定量管理，进而探讨科学技术的某些结构、特征和规律[9]。本文基于文献计量学方法，对SCIE数据库中1988—2017年近三十年来发表的以“电渗析”为主题的相关文献进行了检索与计量分析，以为电渗析技术今后的研究和发展提供依据。

1 数据来源与研究方法

数据源于美国科学信息研究所(ISI)的 SCIE 数据库。本文以“电渗析”——翻译成英文即为“electrodialysis”作为主题词进行文献检索(TS=“electrodialysis*” or “electro-dialysis*”)，检索年限为1988—2017年，并将检索到的文献下载且保存到Excel数据表，利用科学知识图谱算法[10]，借助软件Excel、ArcGIS、Ucinet分析电渗析技术研究相关文献的成长趋势、学科及期刊分布、主要研究机构、地域分布及国际合作和关键词。本文将出自“North Ireland”、“Wales”、“Scotland”、“England”的文献均归属于英国(“UK”)。

2 结果与讨论

2. 1 文献的成长趋势分析

经检索发现，1988—2017年期间以“电渗析”为主题的SCIE文献数量共计4 115篇，文献类型以研究论文(article)为主，共3 431篇，占文献总数的83.4%，另有会议论文(proceedings paper)共441篇，占文献总数的10.7%，评论(review)共171篇，占文献总数的4.2%。根据文献总量和年发表文献量对1988—2017年发表的以“电渗析”为主题的文献成长趋势进行分析，见图1。

图1 1988—2017年以“电渗析”为主题文献的成长趋势图Fig.1 Growth trend of publications on electrodialysis technology by year from 1988 to 2017

由图1可见，近三十年来，关于电渗析技术的研究热度正在不断地快速增长，年发文量从1988年的36篇(同年发表在SCIE数据库的文献总数为709 136篇)增加到2017年的401篇(同年发表在SCIE数据库的文章总数为1 898 992篇)，增长了近11.1倍(该数据库的文献总数增长了近2.7倍)。其中，1988—1990年发表的文献数目较少且增速较缓，仍处于起步阶段，但1990年之后发文量进入快速增长阶段，2012—2017年发文量增长更快。这一结果有力地表明，关于电渗析技术的研究已引起学术界重视并逐渐成为水处理技术中的一个不可或缺的研究方向，且近几年受到的关注尤为显著。

2. 2 文献的学科及期刊分布分析

2.2.1 文献的学科分布分析

根据ISI对学科领域的定义，本次检索到的1988—2017年以“电渗析”为主题发表的4 115篇SCIE文献共涉及170个学科领域，排名前十位的学科依次为工程(2 425篇，58.9%)、化学(951篇，23.1%)、水资源(871篇，21.2%)、高分子科学(642篇，15.6%)、电化学(356篇，8.7%)、环境科学与生态学(331篇，8.0%)、应用微生物学与生物技术(274篇，6.7%)、能源与燃料(256篇，6.2%)、科学与技术(173篇，4.2%)以及食物科学与技术(158篇，3.8%)。从学科分布来看，电渗析技术是一个涉及工程、化学、水资源、材料学、能源、食品科学以及环境科学等多门学科领域的研究课题，并与各学科之间的关系密切。图2为1988—2017年电渗析技术研究排名前五位的优势学科年文献量变化趋势图。

由图2可见，除了工程学科一直保持领先地位以外，化学学科与水资源学科交替排在第二、 三位，2017年化学学科才明显超越水资源学科排在第二位；高分子学科在2009年以后逐渐处于第四位，电化学学科处于第五位。

图2 1988—2017年电渗析技术研究排名前五位的优势学科的年文献量变化趋势图Fig.2 Trend of annual publication number of the top 5 subject categories in electrodialysis research from 1988 to 2017

2.2.2 文献的期刊分布分析

本次检索到的4 115篇以电渗析为主题发表的文献共计出版在608种期刊上。根据布拉德福定律[11]，将每种期刊的载文量按递减顺序排列并进行分区，得到核心区期刊4种，发表该类文献1 471篇；相关区期刊41种，发表该类文献1 274篇；离散区期刊563种，发表该类文献1 370篇。表1为刊载“电渗析”主题文献的4种核心期刊及其刊载的该类文献的数量(TP)、被引频次(TC)、篇均被引频次(TC/TP)和期刊影响因子(IF,2017年最新)。

由表1可知：虽然4种核心区期刊只占期刊总数的0.66%，但发表的文献数占电渗析主题文献总数的35.7%，说明该领域文献主要集中发表在这些核心区期刊上；4种核心区期刊的平均TC/TP达到22.193，远超于其平均IF(5.280)，说明发表在这些期刊中的电渗析主题文献都具有较高的学术水平及影响力。

表1 刊载“电渗析”主题文献的4种核心区期刊及其相关参数

注：表中括号内数据为占“电渗析”主题文献总量的百分比。

2. 3 文献的主要研究机构分析

经检索发现，1988—2017年间发表的电渗析主题文献的研究机构主要为学术院校和科研机构。其中，俄罗斯库班国立大学发表的文献数量最多，计134篇；加拿大拉瓦尔大学发表的文献数量排名第二，计119篇；中国科学技术大学发表的文献数量为116篇，排名第三；发表文献数量居于第四至第十名的研究机构依次为法国蒙波利埃第二大学(78篇)、荷兰特文特大学(65篇)、比利时鲁汶大学(63篇)、中国科学院(62篇)、俄罗斯沃罗涅日国立大学(61篇)、美国宾夕法尼亚州立大学(56篇)以及丹麦科技大学(51篇)。可见，世界范围内开展电渗析技术研究的机构主要以高校及科研单位为主，我国电渗析技术的研究机构以中国科学技术大学和中国科学院为主，积累了较多的研究成果。

2. 4 文献的地域分布及国际合作分析

2.4.1 文献的地域分布分析

经检索发现，发表电渗析技术研究文献的国家/地区由1988年的10个增加至2017年的56个，表明其研究地域正在不断扩大。

表2列出了1988—2017年间发表电渗析技术研究文献数量排名前二十位的国家及其相关参数。

由表2可见，1988—2017年发表电渗析技术研究文献排名前十位的国家包括1个南美国家(巴西)、2个北美国家(美国、加拿大)、6个亚洲国家(中国、日本、印度、韩国、伊朗、土耳其)、11个欧洲国家(法国、俄罗斯、西班牙、荷兰、德国、波兰、意大利、比利时、英国、捷克)、1个澳洲国家(澳大利亚)；20个国家共发表有关电渗析技术研究文献4 063篇，占总文献量的98.7%，属于电渗析技术主要研究国家;中国发表的电渗析技术研究文献的数量为631篇，处于世界领先水平，也是发表文献数量超过500篇的唯一一个国家，其次是美国、法国和日本。

表2 1988—2017年间发表电渗析技术研究文献数量排名前二十位的国家及其相关参数

注：“SP”表示独立文献数量；“CP”表示合作文献数量。

此外，根据各国家独立文献数(SP)和合作文献比(CP/TP)表明目前各国间电渗析技术研究以独立研究为主，合作研究较少(见表2)。

2.4.2 文献的国际合作分析

尽管如此，电渗析技术研究的国际合作趋势仍然十分显著。图3为1988—2017年间电渗析技术研究国际合作文献的年增长趋势图。

图3 1988—2017年间电渗析技术研究国际合作文献的年增长趋势图Fig.3 Growth trend of international cooperation publications on electrodialysis technology by year from 1988 to 2017

由图3可见，1990年之后电渗析技术研究国际合作日益增强，国际合作年文献数量呈指数型增长，其拟合方程为y=3.098 08×10-77e(-x/-11.147 08)-3.705 34(式中：x表示年份，y表示国际合作年文献数量),其相关系数R2=0.929 59。

图4为发表电渗析技术研究文献总数大于100篇的国家/地区之间的合作关系网。

图4 发表电渗析技术研究文献的主要国家/地区之间的合作关系网Fig.4 Cooperation of the major countries or territories on eletrodialysis techology 注：节点面积与该国合作文献数成正比，线条粗细与两国间合作次数成正比。

由图4可见，针对电渗析技术研究，各国形成了一个以美国、法国、中国为主的合作关系网，其中美国主要与中国、韩国等国家合作较多，法国主要与俄罗斯、加拿大等国家合作较多，中国的合作对象主要为美国。

2. 5 文献的关键词分析

关键词是文献的高度概括，对于揭示文献主题和信息检索具有重要意义[12]，通过关键词分析能揭示出研究趋势及热点。表3列出了电渗析技术研究文献中出现频次排在前三十位的关键词及其相关参数。根据表3可将这些关键词主要划分为以下四个方面：

(1) 离子交换膜。“离子交换膜”(ion exchange membrane)是电渗析技术中最重要的部分，在一定程度上决定了电渗析技术的发展。1988—2017年发表的涉及“离子交换膜”关键词的文献共计903篇(包括离子交换膜、双极膜、阴离子交换膜、阳离子交换膜)，说明其在该领域中为研究焦点。这些研究一方面改进了离子交换膜制备的材料和方法[13-14]，极大地提高了电渗析技术的性能，提高了电流效率，降低了能源损耗；另一方面，表明双极膜的制备、发展及其应用已成为电渗析技术研究新的增长点[15]。

表3 1988—2017年间电渗析技术研究文献中出现频次排在前三十的关键词及其相关参数

注：“↑”表示关键词排名上升，“↓”表示关键词排名下降。

此外，离子交换膜作为关键词的排名逐年上升，且随着双极膜电渗析技术的快速发展，双极膜研究的发展趋势比阴离子交换膜和阳离子交换膜更为明显。

(2) 电渗析过程。电渗析过程涉及方面较广，电压、电流、浓淡室浓度差、隔室体积比等都是其重要的影响因素。本文所检索的电渗析技术研究文献关键词中涉及 “浓差极化”(concentration polarization)的文献有65篇、“极限电流密度”(limiting current density)的文献有57篇、“水解离”(water dissociation)的文献有54篇、“电流效率”(current efficiency)的文献有46篇。

(3) 工艺创新。电渗析技术在发展过程中出现了较多的创新工艺，例如“反向电渗析技术”(reverse electrodialysis)，在2006年之前发表的文献数量为0，但在2011—2017年间发表了86篇文献，排名跃至第三位，表明反向电渗析技术成为了该领域新的研究方向。另外，寻求合理的电渗析与传统化工单元的集成工艺也是近年来电渗析技术研究的热点，例如电渗析-离子交换树脂工艺、电渗析-纳滤工艺[16]等，这些工艺均具有较好的处理效果，因此这些关键词出现的频次较高。

(4) 技术应用。由于电渗析技术广泛应用于海水淡化、苦咸水脱盐领域，而这是目前电渗析应用领域中最大的化工单元，因此“脱盐”(desalination)在关键词排名中位居前列。此外，随着膜技术的发展，电渗析技术呈现出广阔的应用前景，乳酸广泛用于食品、发酵、化工等领域[17-18]，“乳酸”(lactic acid)这一关键词出现频次较高,体现了电渗析技术在氨基酸领域中的重要应用。

3 结论与展望

本文基于文献计量学方法对SCIE数据库中1988—2017年收录的以“电渗析”为主题的4 115篇文献进行了检索与计量分析，得到如下结论：

(1) 1988—2017年间发表的以“电渗析”为主题的文献数量不断地快速增长，每年发表文献量从1988年的36篇增加到2017年的401篇，增长了近11.1倍(该数据库的文献总数增长了2.7倍 )，可见电渗析技术的研究越来越受到重视，近几年的增长量更加显著。

(2) 电渗析技术是一个涉及化学、水资源、材料学、能源、食品科学以及环境科学与工程等多门学科领域的研究课题。检索的4 115篇电渗析技术研究文献发表在608种期刊上，主要集中发表在以《脱盐》、《膜科学杂志》为代表的4种核心区期刊，并具有较高的学术水平及影响力。

(3) 从研究机构上看，发表的有关电渗析技术文献的研究机构主要为学术院校和科研机构，其中我国研究电渗析技术的研究机构以中国科学技术大学和中国科学院为主。

(4) 目前有关电渗析技术研究的地域主要分布在北美洲、亚洲、欧洲，我国电渗析技术研究文献的数量处于世界领先水平，国际间合作趋势日益增强，尤其1990年之后各国逐渐形成了一个以美国、法国和中国为主的合作关系网，其中中国的合作对象主要为美国。

(5) 通过对电渗析技术研究文献中出现频次排在前三十位的关键词进行分析，可将电渗析技术的主要研究方向划分为离子交换膜、电渗析过程、工艺创新、技术应用四个方面。其中，“离子交换膜”(包括阳离子交换膜、阴离子交换膜、双极膜)、“脱盐”一直是近三十年来该领域的研究重点，“反向电渗析技术”在2007年之后逐渐发展成为该领域新的研究热点。

目前电渗析技术在膜分离技术领域中的研究已比较成熟，随着制膜技术的改进、新型工业装置的出现以及水污染防治的迫切需求，其规模和应用都取得了巨大的进展，尤其是在苦咸水脱盐及海水淡化、食品行业、化工分离等领域已取得了显著的经济和社会效益。然而，电渗析技术在实际应用中也面临着一些难题，如电耗较大、运行不够稳定等。未来电渗析技术的发展仍体现在：研制具有高化学性和热稳定性、高选择性和透过性以及抗污染强的离子交换膜；减少离子交换膜污染；提高电流效率，减少能耗；创新、发展双极膜-电渗析技术、反渗透-电渗析技术、纳滤-电渗析技术等工艺组合；等等。相信随着科技的发展以及科研工作者的日益关注，电渗析技术还会焕发更多的活力。总之，电渗析技术作为水处理技术的一项单元技术，其前景十分可观。