碳纳米管在污废水处理领域的研究热点与发展趋势

贾洋洋

摘要：基于Web of Science核心合集和CNKI数据库，综合利用CiteSpace、HistCite、VOSviewer等软件，对污废水处理领域碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）应用研究进行梳理和分析，对国内外研究现状、研究热点、发展趋势等进行了全面剖析。结果表明：受政策激励的影响，2015年以来污废水处理领域CNTs研究发文量呈明显增长趋势，并在2020年达到成熟增长阶段。中国在该技术领域处于国际第一梯队。中国科学院在该领域的研究中处于领先地位，发表的论文数量居于前沿位置。目前，CNTs的“吸附”功能是主要研究热点，而“可生化性”、“修饰电极”、“过氧单硫酸盐”、“界面聚合”等研究正逐渐成为新的研究热点和方向。

关键词：碳纳米管；污废水处理；文献计量；研究热点

中图分类号：X52 文献标志码：A

前言

CNTs具有良好的吸附、催化等性能，越来越多的研究人员探索将CNTs技术应用于污废水治理领域。目前的研究多是利用CNTs较高的比表面积等特征对污废水中的污染物进行吸附以及对CNTs功能改性和污染物去除模式和机制的研究。研究表明，采用CNTs可以有效降低污废水生物需氧量、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和微生物等污染指标，但是将CNTs应用于污废水处理领域还存在着成本控制难、研究多应用少等问题。采用文献计量分析方法进行可视化描述，以全面了解CNTs在该领域的发展现状和趋势，通过定量与定性相结合的方式，客观反映碳纳米管在污废水治理领域的发展现状以及发展态势，快速定位热点研究方向。文章将文献计量法应用于探索CNTs技术在污废水处理领域的应用研究，综合利用CiteSpace、HistCite、VOS-viewer等软件，结合软件优势分析能力，为CNTs在污废水治理领域相关研究做出整体分析判断，希望能够更加清楚了解CNTs技术在污废水治理领域发展潜力和研究热点，促进行业技术水平提高及新技术应用。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

此次检索数据主要来自Web of Science核心合集（WOS）和中国期刊全文数据库（CNKI）。

在中国期刊全文数据库（CNKI）中，将检索词定为“su=碳纳米管and su=（污水+废水）”，文献类型选择“期刊”和“论文”，共检索获取到140个有效数据结果。Web of Science核心合集（WOS）中，将检索词确定为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*”，选取的文献类型为“Article”和“Review”，语种选择为“English”，共检索获取数据3953个。

以上检索未设置检索年限区间，数据检索日期为2023年6月7日。

1.2 研究方法

文献特征分析：采用Excel对收集的文献数据进行整理，对发文量进行统计分析，对期刊分布情况进行汇总整理。

合作分析：采用VOSviewer软件对文献数据中的国家、机构间合作关系图谱进行绘制，分析相关领域内合作往来关系和国家、机构影响力。

热点和引文分析：采用CiteSpace软件统计该技术应用范围内的关键词，进行关键词聚类分析，并绘制关键词时间轴知识图谱。利用HistCite对文献引文情况进行可视化分析，挖掘高价值文献。

2 结果分析

2.1 发文量分析

通过对wos核心合集和CNKI数据库检索发现，CNTs应用于污废水治理领域的研究最早于2004年开始出现，尽管相关研究的应用相对于首次发现CNTs较晚，但在之后，CNTs研究在污废水治理领域得到了快速发展，国内CNTs技术研究在污废水治理领域与国际上基本同步。

以年度变化为自变量，以每年发表文献数量为发文量进行统计，CNTs技术应用于污废水处理领域的相关文献发文量变化情况如图1所示，CNKI数据库中发文量始终处于较低的水平，年平均发表数量仅为7篇左右（2005年-2023年），并且年度波动变化不明显。相比之下，WOS核心合集发文量呈现明显的上升趋势，年平均发表数量为197.65篇（2004年-2023年），达到了CNKI数据库发文量的28倍。在以WOS核心合集发文量为代表的国际研究中，发表区域来自中国地区的平均年发文量占到wos核心合集年平均发文量的44.20%。

从WOS核心合集和CNKI数据库中发文量总体来看，相关技术领域发文量呈现整体上升趋势，根据变化趋势，可以大致分为三个阶段：第一阶段2004年-2014年（探索发展阶段），本阶段CNTs技术在污废水处理领域的相关研究开始出现并初步发展，CNTs在污废水处理方面的研究开始逐渐增多；第二阶段2015年-2019年（快速增长阶段），随着各国对环境保护的重视程度逐渐加强，对污染防治技术提出新的需求，相关研究数量在这个阶段大幅提高，如中国在2015年开始密集发布了《水污染防治行动计划》、《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》、《“十三五”重点流域水环境综合治理建设规划》等文件，对水污染治理工作提出了新的更高的要求；第三阶段2020年-2022年（成熟增长阶段），增长的原因来自政策的延续，在此阶段中国发布了《长江保护法》、《关于推进污水资源化利用的指导意见》、《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》、《“十四五”重点流域水环境综合治理规划》、《工业水效提升行动计划》等政策性文件。

2.2 期刊分析

如表1所示，从文章发表期刊（单位）来看，WOS核心合集中污废水处理领域CNTs技术相关研究来自于86个期刊的3953篇文献，而CNKI数据库中来源于98个期刊（单位）的140个有效数据，较WOS核心合集相比更加分散。在CNKI数据库中发文量前十的期刊（单位）中，来源类型为“期刊”的仅包含2个（《工业水处理》、《应用化工》），其余发表单位均为高校，以硕博论文形式发表。这十个期刊（单位）发文总量占到CNKI数据集总量的29.29%。北京化工大学以9篇文献的发表数量位居榜首。在WOS核心合集中，发文量排名前十名的期刊共占发文总量的27.93%。其中，期刊《化学工程杂志》（CHEMICAL ENCINEERINC JOURNAL）发表了217篇文献，占WOS核心合集总发文量的5.49%，作为化工领域Q1期刊，该期刊影响因子高达16.744，显示出污废水处理CNTs技术研究成果在领城中具有较高的国际影响力。wOs核心合集中发文量前十期刊主要研究方向集中于化工、材料、环境等领域，表示CNTs技术在这些领域有着较强的应用前景和发展潜力。

2.3 研究与合作

发文量可以直观的反映出一个国家或机构在该技术领域内的研究水平和影响力，中国的研究人员发表文章数量最多（发文量为1748篇，占发文量总数的44.22%），美国、伊朗、印度等国家位列第二梯队（美国发文数量为449篇，占比约为11.36%），沙特阿拉伯王国、马来西亚、韩国、埃及等国家或地区发文量排在第三梯队。从区域分布来看，发文量排名前十的国家或地区主要集中在东亚、东南亚地区（亚洲国家或地区发文量达到3244篇，占总发文量的82.07%）。

采用VOSviewer软件对WOS核心合集中CNTs在污废水治理领域相关国家或地区、机构间合作关系进行分析，发现相关技术领域的研究共涉及了102个国家或地区。以中国为中心，相关国家紧密结合形成了该研究领域最强的合作网络，中国与亚洲、欧洲、美洲等国家或地区合作均较为紧密。同时，部分欧洲国家如德国、西班牙等国以及部分亚洲国家阿曼、卡塔尔等国家或地区也展现出一定的聚集性，以中国为首的大多数国家在该领域搭建起了一个全面合作网络，有力的推动了CNTs技术在污废水治理领域的研究和发展。在WOS核心合集排名前十的研究机构中，中国科学院以239篇的发文量优势占据首位，其次是埃及知识库（EGYPTIANKNOWLEDCE BANK EKB）、阿扎德伊斯兰大学（IS-LAMIC AZAD UNIVERSITY）等机构。由于CNKI数据库数据相对较少，前三名的机构发文量相差不大。目前已基本形成了以中国科学院（CHINESE ACAD-EMY OF SCIENCES）、阿卜杜勒阿齐兹国王大学（KING ABDULAZIZ UNIVERSITY）、阿扎德伊斯兰大学（ISLAMIG AZAD UNIVERSITY）三大机构领衔的国际合作框架结构。（见表2）

2.4 研究热点

利用VOSviewer软件生成CNKI数据库关键词热点密度图，可以发现CNKI数据库研究热点相对较少但热点集中度较高。研究热点主要集中于“碳纳米管”、“吸附”两方面，“光催化”是CNTs功能研究方面的一个重点。在材料类型研究方面，“多壁碳纳米管”和“磁性碳纳米管”的研究也具有一定热度。从wos核心合集数据整理绘制研究热点密度图中发现“carbon nanotubes（碳纳米管）”、“adsorp-tion（吸附）”、“wastewater（污废水）”等热度较高。“multi-walled carbon nanotubes（多壁碳纳米管）”、“optimization extration（优化提纯）”等研究热点与“carbon nanotubes（碳纳米管）”、“adsorption（吸附）”、“wastewater（污废水）”具有较高重叠性，同样具有较高的研究热度。将CNKI数据库和WOS核心合集的关键词热点密度图对比发现，两个数据库的研究热点重合性较高，不同的是在WOS核心合集中还出现了“degradation（降解）”、“performance（表征）”、“kinetics（动力学）”等几个相对热度较高的研究方向，可以为国内相关研究拓展提供新的思路和方向。

采用CiteSpace软件绘制关键词时间轴图谱，可以分析CNTs在污废水治理相关领域发展的前沿与发展趋势，通过分析各个聚类中关键词的数量情况，发现“0#吸附”和“1#修饰电极”两个聚类中关键词数量最多，从时间跨度来看，聚类“0#吸附”、“1#修饰电极”的相关研究横跨了整个研究时段，充分说明了这两个聚类在研究范围内的重要性；“3#光催化”、“2#固定化”、“6#工业废水”、“4#膜分离”聚类研究在中期表现较为突出，出现了较多的研究方向，表明在该时段内相关研究在不断深入扩展。通过聚类分析发现CNTs在污废水治理领域中，主要的治理方式是“吸附”、“固定化”、“光催化”、“膜分离”，CNTs应用最多的污废水形式是“工业废水”、“印染废水”、“含油废水”、“养殖废水”，治理主要针对的污染物是“染料”、“铜离子”、“氯霉素”等。

采用CiteSpace软件绘制wos核心合集关键词时间轴图谱，共生成8个明显聚类，“1# water treat-ment（水处理）”、“2# adsorption（吸附）”、“0# micro-bial fuel cell（微生物燃料电池）”、“6# carbon nano-tubes（碳纳米管）”等聚类在研究早期即出现且横跨了整个研究周期，但是在研究后期出现了不同程度的衰减。“2# adsorption（吸附）”聚类由“aqueous（水基）”、“kinerics（动力学）”的研究，逐步向“grapheneoxide（石墨烯氧化）”、“methylene blue（亚甲蓝）”、“walled carbon nanotuhes（壁式碳纳米管）”等研究方向扩展。在研究的中后期，“6# carbon nanotubes（碳纳米管）”聚类呈现明显衰减，“5# Peroxymonosulfate（过氧单硫酸盐）”、“3# interfacial polymerization（界面聚合）”聚类的相关研究出现明显增强。通过关键词聚类分析发现，在污废水处理领域CNTs应用的主要的功能方式为“oxygen reduction reaction（氧化还原反应）”、“adsorption（吸附）”、“interfacial po-lymeriztion（界面聚合）”，在治理的目标上主要是针对的是“wastewater treatment（污水处理）”、“watertreatment（水处理）”，治理主要针对的污染物为“methylene blue（亚甲蓝）”、“heavy metals（重金属）”、“peroxymonosulfate（过氧单硫酸盐）”等。

2.5 引文分析

重点文献对相关领域的发展有较大的推动作用，通过了解文献间的发展关系，可以有效地梳理研究的发展脉络，利用HistCite对收集的3953篇WOS核心数据集文献进行可视化的分析，以节点大小代表引用强度，箭头指向被引用文献。分析发现155、62、39、390号文献的本地引用次数分别达到了152、146、137、135次，其中155号文献GCS次数为5770次，远高于其他文献，可以判断该文献为该领域内的研究价值最高的文章，通过对155号文献“Removal of heawmetalions from wastewaters：A review”一文的解读，FENGLIAN FU等通过对185篇文章的综述总结出CarbonNanotubes对污水中重金属具有较强的吸附作用。62号文献“AdsorptionMechanisms of Or-ganicChemicals on CarbonNanotubes”探讨了有机化合物在碳纳米管表面的吸附机制，并阐明了各种因素对吸附过程的影响；39号文献“Sorption of di-valentmetalions f'rom aqueoussolution bycarbonnano-tubes：A review”综述了不同类型的碳纳米管对于二价金属离子的吸附作用，并得出改良后的碳纳米管是良好的环境改良吸附材料的结论，这两篇文章被155、62、390号等文章引用，均对CNTs在污水处理领域的应用做了系统的阐述，因此可以被认为是具有突出成果的文章。（见图2）

3 结论

污废水处理领域CNTs技术应用研究的发文量持续增长，随着研究进入成熟增长阶段，相关研究和发文量将会持续增长。研究领域内合作密切，逐渐形成了以中国为第一梯队的国家间合作关系以及中国科学院领衔的国际机构合作框架。CNTs在污废水处理领域涌现出了“光催化”、“石墨烯氧化”、“壁式碳纳米管”等研究热点，以及“修饰电极”、“降解”、“表征”、“动力学”、“优化提纯”等新研究方向；国内和国际上研究热点有较高的重合度，但国际上研究方向更加多样化。未来“可生化性”、“修饰电极”、“过氧单硫酸盐”、“界面聚合”等有可能成为新的研究热点。通过分析也发现了如国内和国际研究发文量不平衡等问题。随着研究的深入和扩展，CNTs在污废水治理领域的应用研究也将迎来新的发展。

基金项目：福建省属公益类科研院所基本科研专项项目“基于专利视角的水环保产业技术创新研究一以纳米材料技术为例”（2023R1008006）资助