Наноматериалы и нанотехнологии в очистке сточных вод: инсайты из библиометрического анализа (1997–2016)

Аннотация

За последние два десятилетия наноматериалы и нанотехнологии (NN) глубоко переформировали очистку сточных вод. Библиометрические методы предлагают объективную линзу, через которую можно отследить развивающуюся научную ландшафт. В этом исследовании мы применили строгие библиометрические техники к 2604 записям из Web of Science Core Collection за 1997–2016 гг. Китай, США и Иран стали самыми плодовитыми вкладчиками, с 962, 324 и 140 публикациями соответственно. Внутри Китайской академии наук, Туньцзи университет и Харбинский институт технологии вели путь. Хотя Китай и США образовывали позвоночник международного сотрудничества, топ китайские институты демонстрировали ограниченное зарубежное вовлечение. RSC Advances (108 статей) возглавил список журналов, за которым следовали Desalination (97) и Desalination and Water Treatment (96). Наиболее влиятельные наноматериалы — графен, углеродные нанотрубки, магнитные наночастицы и серебряные наночастицы — последовательно выделялись. Эта работа также предлагает прогнозные рекомендации для исследователей, ищущих значимые темы в области.

Введение

Появление терминологии наноматериалов и нанотехнологий стимулировало междисциплинарные исследования через химию, материаловедение, медицину, электронику, фотонику и экологическую науку. Исключительные соотношения площадь/объем и реактивность NN делают их идеальными кандидатами для решения растущего вызова сточных вод и восстановления ресурсов. По мере роста глобального населения и повышения уровня жизни объем муниципальных и промышленных стоков угрожает экосистемам и запасам питьевой воды. Продвинутые, стоимоэффективные и экологически дружественные технологии очистки поэтому необходимы.

Наночастицы могут применяться как адсорбенты, модификаторы мембран, фотокатализаторы, дезинфектанты и сенсоры, предлагая высокую производительность по спектру классов загрязнителей. Однако возрастающее распространение инженерированных наночастиц в коммерческих продуктах вызывает опасения относительно их судьбы и потенциальных воздействий в системах очистки сточных вод. Систематическая, количественная оценка таким образом требуется для направления будущих исследований и политических решений.

Библиометрический анализ доказал свою ценность для картирования научных областей, идентификации растущих трендов и прогнозирования будущих направлений. Инструменты такие как CiteSpace предоставляют визуализации ко-цитируемых сетей, взрывов ключевых слов и паттернов сотрудничества, позволяя исследователям принимать основанные на данных решения. В свете экспоненциального роста NN-связанных публикаций, этот документ проводит комплексный библиометрический и визуальный анализ литературы с 1997 по 2016 год.

Методы

Источники данных

Мы запросили Science Citation Index Expanded (SCI) 30 июня 2017 года используя поисковую строку «nano*» AND («wastewater treatment» OR «sewage treatment» OR «wastewater disposal» OR «sewage disposal»). Эта стратегия извлекла 2604 записи, охватывающие 1997–2016, обеспечивая покрытие наиболее релевантной рецензируемой литературы.

Библиометрический анализ

Библиометрический анализ применяет статистические техники к данным публикаций, позволяя количественную оценку трендов публикаций, цитируемости и коллаборативных сетей. Анализ социальных сетей, реализованный через Gephi, использовался для картирования ко-авторства среди наиболее продуктивных стран и институтов.

Визуализационный анализ

Визуальные представления генерировали с использованием CiteSpace для ко-встречаемости ключевых слов и обнаружения взрывов, и ArcGIS для картирования географического распределения институтов.

Результаты и обсуждение

Характеристики публикаций

Из 2604 записей 2393 (91,9%) были оригинальными исследовательскими статьями, в то время как обзоры и статьи конференций составляли 7,45% и 5,45% соответственно. Английский доминировал в литературе (98,96%), с китайским вкладом 0,71%; другие языки коллективно составляли менее 0,4%.

Годовая траектория публикаций (Рисунок 1) демонстрирует экспоненциальный рост от среднего пяти статей в год в начале 1990-х до 138 в 2011 году и последующего быстрого ускорения. Аппроксимирующая кривая подтверждает устойчивую траекторию роста области.

Китай доминировал в области с 962 статьями (40,2% от общего), за ним следовали США (324) и Иран (140). Хотя США показывали устойчивый рост, скачок Китая связан с национальными стратегическими планами, приоритизирующими экологические наноматериалы. Другие ведущие нации — Индия, Южная Корея и Испания — показывали скромный рост, сохраняя значительный разрыв относительно топ двух.

Вклады стран и институтов

Из 2391 статьи с полными авторскими аффилиациями, 83 страны внесли вклад, с топ 20, охватывающими 83,95% всех публикаций. Китай возглавлял по количеству, однако США достигли более высокого h-индекса (55 против 62 у Китая) и более широкой коллаборативной сети, предполагая более высокую долю высоковлиятельных работ.

Сеть коллабораций топ 30 стран (Рисунок 2) раскрывает плотное партнерство между США и Китаем, включающее 66 совместных статей. Китай также активно сотрудничает с Гонконгом, Саудовской Аравией и Великобританией, тогда как США поддерживают более разнообразную, хоть и менее плотную международную сеть.

Институциональный анализ идентифицировал 1871 активный исследовательский субъект, преимущественно кластеризованных в Европе, Восточной Азии и Северной Америке. Две трети топ 30 институтов были китайскими, с Китайской академией наук, Туньцзи университетом и Харбинским институтом технологий лидирующими по выходу публикаций. Высокая доля (54,75%) статей включала межинституциональные коллаборации. Хотя китайские институты показывают надежные внутринациональные связи, их зарубежное сотрудничество остается ограниченным.

Тематические категории и журнал ландшафт

Литература охватывает 44 тематические категории. Инженерия ведет (1069 статей), за ней следуют Химия (757) и Экологические науки и экология (702). Восходящий тренд в Химии после 2011 отражает растущий акцент на механистическом понимании NN в контексте сточных вод.

Эти 2393 статьи появляются в 449 журналах. Топ 20 журналов вносят 47,2% всех публикаций. RSC Advances (108 статей) наиболее пролифичен, за ним следуют Desalination (97) и Desalination and Water Treatment (96). Преобладание журналов с высоким фактором влияния (IF 4,2–9,5) подчеркивает надежность и научную строгость области.

Эволюция ключевых слов и растущие темы

Анализ взрывов ключевых слов (Рисунок 4) идентифицировал 20 терминов с сильными пиками внимания между 1998 и 2016. Долгосрочные взрывы в нанофильтрации (14 лет), обратном осмосе (10 лет) и ультрафильтрации (13 лет) подчеркивают устойчивый интерес к мембранным технологиям. Недавние взрывы в композитах, графене и сточных осадках указывают на эволюцию исследовательских фокусов к продвинутым нанокомпозитам и валоризации осадков.

Высокочастотные ключевые слова такие как адсорбция, деградация, нанофильтрация, TiO₂ и фотокатализация доминировали на ранних стадиях, тогда как новые термины — углеродная нанотрубка, оксид графена, магнитная наночастица — сигнализируют о сдвиге к новым наноструктурам и стратегиям функционализации.

Наиболее цитируемые работы

Топ десять высокоцитируемых статей, извлеченных из Environmental Science & Technology и Water Research, коллективно демонстрируют акцент области на удалении загрязнителей и инновациях материалов. Графен-основанные исследования, магнитные наночастицы и исследования углеродных нанотрубок появляются заметно, отражая их трансформационный потенциал. Одновременно несколько высоковлиятельных статей повышают осведомленность об экологических и здоровье рисках, связанных с выделением наночастиц.

Текущие применения и будущие направления

Четыре прикладных домена — адсорбция, мембранная фильтрация, фотокатализа и сенсирование — выявляются как ядро текущих исследований. Хотя эти технологии зрели, проблемы такие как восстановление наночастиц, стоимоэффективный синтез и регуляторное соответствие сохраняются.

Адсорбция

Углеродные нано-адсорбенты (аэрогель, CNT, графен) демонстрируют превосходные удельные площади и активные сайты, позволяя эффективное удаление тяжелых металлов и органических загрязнителей. Тем не менее, агрегация, сложность регенерации и препятствия масштабирования остаются. Стратегии иммобилизации наночастиц в гранулах или бидс могут смягчить проблемы восстановления, хотя они вводят массообменные ограничения.

Мембранная фильтрация

Нановолоконные, нанокомпозитные и тонкопленочные нанокомпозитные (TFN) мембраны включают неорганические наночастицы (Al₂O₃, SiO₂, цеолит, TiO₂) для улучшения гидрофильности, снижения загрязнения и повышения проницаемости. TFN мембраны, первопроходцем которых стала группа Hoek, демонстрируют заметные приросты производительности. Будущая работа должна фокусироваться на выяснении точных взаимодействий между наноматериалами и полимерными матрицами и на интеграции антимикробных наночастиц (например, Ag) для противодействия биофаулингу.

Сенсоры и детектирование

Наноматериалы служат платформами для обнаружения следов органических загрязнителей (PAH, PCB, PBDE) и патогенов. CNT, Au-TiO₂ композиты и оксид графена позволили пределы обнаружения ниже нанограмма на миллилитр. Однако проблемы сохраняются в смягчении ложноположительных результатов в сложных матрицах сточных вод и в разработке портативных, многоразовых сенсорных устройств.

Заключение

Это библиометрическое обзор раскрывает быстро расширяющуюся область, с Китаем лидирующим по объему публикаций и США достигающими более высокого относительного h-индекса и более широкого международного сотрудничества. Ключевые наноматериалы — графен, углеродные нанотрубки, магнитные наночастицы и серебряные наночастицы — остаются на переднем крае исследований. Хотя лабораторные демонстрации обильны, крупномасштабное коммерческое развертывание ограничено, в основном из-за проблем восстановления и потенциальных экологических рисков. Решение этих пробелов — через масштабируемый синтез, надежные технологии восстановления и комплексну оценку рисков — будет необходимо для перевода нанотехнологических инноваций в практические решения очистки сточных вод.

Аббревиатуры

CP:

Число международных коллаборативных публикаций

FP:

Число публикаций как страна первого автора

NNs:

Наноматериалы и нанотехнологии

R (%):

Ранг (отношение числа) определенного элемента

R(h-index):

Ранг (значение h-индекса) определенного элемента

RP:

Число публикаций как страна корреспондирующего автора

SP:

Число публикаций одной страны

TP:

Общее число публикаций