De rol van nanomaterialen en nanotechnologieën in afvalwaterzuivering:een bibliometrische analyse

Resultaten en discussie

De kenmerken van onderzoekspublicaties

Van 2604 records over NN's in afvalwaterzuivering, vertegenwoordigde "Artikel" 91,90% (2393 records), terwijl Review en Proceedings Paper respectievelijk ongeveer 7,45% (194 records) en 5,45% (142 records) bijdroegen. De records van andere typen vormden minder dan 1%, inclusief vergaderingssamenvatting, boekhoofdstuk, nieuwsbericht, redactioneel materiaal en correctie. In dit artikel wordt alleen het artikel verder bestudeerd.

De artikelen die in het Engels werden gedrukt, waren 98,96% van het totale aantal records, daarna 0,71% in het Chinees. Het aandeel van alle andere vijf talen, waaronder Frans, Duits, Maleis, Pools en Spaans, was minder dan 0,4%. Aangezien veel Chinese auteurs hebben deelgenomen aan het onderzoek van NN's naar afvalwaterzuivering, worden zowel Engelse als Chinese papers in overweging genomen.

Zoals te zien is in Fig. 1 toont het histogram de variaties van artikelen met betrekking tot NN's in afvalwaterzuivering tussen 1997 en 2016. De eerste periode van 5 jaar was getuige van een laag publicatieaantal, met een gemiddelde van 5 per jaar. Tussen 2002 en 2006 was het gemiddelde aantal publicaties ongeveer 25, slechts vijf keer zoveel als in de vorige periode. Na een gestage toename van 48 in 2007 tot 74 in 2009, brak het jaarlijkse publicatierecord door 100 en bereikte 138 in 2011. Gedurende de volgende 5 jaar nam het publicatietempo snel en aanzienlijk toe. Het laat daarom zien dat dit onderwerp een toenemende belangstelling heeft gewekt in het wetenschappelijk veld. De passende curven in figuur 1 gaven een idee van exponentiële groei in dit domein. En de exacte relatie tussen jaartal (x) en publicatienummer (y) is met een wiskundige vorm weergegeven. Het garandeert dat het onderzoek naar NN's in afvalwaterzuivering de komende jaren een hot topic zal blijven.

Het jaarlijkse publicatienummer van de zes meest productieve landen in de periode 1997-2016. TP:het totaal aantal publicaties. Het getal na het land is het totale aantal publicaties van dit land in dit veld over de tijdspanne

Het lijndiagram in figuur 1 toont de jaarlijkse publicatie-outputprestaties van de zes meest productieve landen. Hoewel de Verenigde Staten een laag publicatieniveau hadden, speelden ze in het eerste decennium in het algemeen een pioniersrol op dit gebied. Daarna kende en behield het publicatieaantal in China een forse stijging in het volgende decennium en nam het de leidende positie in met 962 artikelen. Dit is te danken aan het National Outline for Medium and Long-term Science and Technology Development Plan (2006-2020) dat milieu-nanomateriaal en nanotechnologie naar een strategische locatie heeft gebracht. De groeitrend werd ook waargenomen in de VS, zij het in een veel mildere vorm. Tegen het einde van 2016 hadden de VS een totale publicatie van 324. Het aantal artikelen over NN's in afvalwaterzuivering door Iran (140), India (105), Zuid-Korea (104) en Spanje (101) nam echter niet af. duidelijke stijging laten zien tot de afgelopen 5 jaar. En er kon een duidelijke kloof worden waargenomen tussen hen met de twee toplanden. Als resultaat kon worden geïllustreerd dat de zeer productieve landen hebben bijgedragen aan de algemene ontwikkeling van dit domein.

De bijdrage van landen/gebieden

Adres en affiliaties die aan elk document zijn gekoppeld, kunnen worden beschouwd als effectieve informatie voor de evaluatie van landen/gebieden en instituten. Omdat de adressen van auteurs ontbreken, zijn in deze sectie slechts 2391 artikelen toegepast op de analyse. In de afgelopen twee decennia hadden 83 landen/gebieden publicatiegegevens over NNS's in afvalwaterzuivering. En de top 20 landen/gebieden waren goed voor 83,95% van de totale publicaties.

In Tabel 1 zijn de 20 meest productieve landen/gebieden gerangschikt op basis van hun publicatierecords, het aantal en percentage publicaties zonder en binnen internationale samenwerking, het aantal publicaties gepubliceerd door eerste auteur en corresponderende auteur, en h-index-informatie. In elk opzicht toonde China een voordeel ten opzichte van de VS, het tweede productieve land op de lijst. Het was opmerkelijk dat de VS een aanzienlijke samenwerking en h-index-prestaties kregen, met slechts een derde publicatienummer van China. Aangezien de h-index kan worden gebruikt als indicator om zowel de impact als de hoeveelheid publicatiegegevens te meten, geeft dit aan dat de VS mogelijk een groter aandeel publicaties van hoge kwaliteit heeft dan China. Vergeleken met de VS liep Iran in alle opzichten duidelijk achter. En als het ging om de rangorde van collaboratie en h-index, nam Iran respectievelijk respectievelijk de twintigste en elfde plaats in. Afgezien van China en de VS, presenteerde Australië, met een zevende plaats in het totale aantal publicaties, de meeste activiteiten dan enig ander land. Hoewel ze geen superioriteit lieten zien in het totale aantal publicaties, kregen Australië, Singapore, Duitsland en Canada een relatief hogere h-index.

De sociale netwerkanalyse werd vervolgens toegepast om de co-auteurrelaties tussen de 30 belangrijkste productieve landen/gebieden te analyseren. En de resultaten worden weergegeven in figuur 2. Met name de VS en China werkten het nauwst samen tussen alle landen/gebieden. Ze hebben 66 co-auteur publicaties geproduceerd. Daarnaast was ook de samenwerking tussen China en Hong Kong, Saoedi-Arabië en het VK opmerkelijk. In tegenstelling tot China, dat relatief intensief samenwerkte met bepaalde landen/gebieden, onderhield de VS verbinding met een groter aantal landen/gebieden, zij het met minder dichtheid.

Het samenwerkingsnetwerk van de 30 meest productieve landen/gebieden

De bijdrage en verdeling van instituten

Volgens informatie van auteursadressen hebben 1871 instellingen interesse getoond in NN's in afvalwaterzuivering. En aanvullend bestand 1:Afbeelding S1 illustreert alle opgehaalde instellingen over de hele wereld. Gebieden met een hoge distributiedichtheid kwamen voornamelijk uit drie belangrijke economische regio's, namelijk Europa, Oost-Azië en Noord-Amerika. Europa had het grootste aantal instellingen, gevolgd door respectievelijk Oost-Azië en Noord-Amerika.

Zoals vermeld in tabel 2 kwam ongeveer tweederde van de top 30 instituten uit China en twee uit Singapore, één uit Iran, Maleisië en de VS. De Chinese Academie van Wetenschappen heeft de meeste publicaties op dit gebied bijgedragen (149) gevolgd door Tongji University (49) en Harbin Institute of Technology (40). Meer dan de helft van het totale aantal artikelen (54,75%) betrof samenwerkingen tussen meerdere instellingen. De rangorde van publicatienummer naar eerste auteur instituut, corresponderend en auteursinstituut waren in het algemeen in overeenstemming met het totale publicatienummer. Hoewel het opmerkelijk was dat Zhejiang University en Arizona State University, die niet opmerkelijk presteerden in het totale aantal publicaties, respectievelijk de achtste en negende plaats innamen in het land van de eerste auteur en het land van de corresponderende auteur. In termen van h-indexpositie behield de Chinese Academie van Wetenschappen de eerste plaats. Niettemin hadden de National University of Singapore, Tonji University, Shanghai Jiao Tong University en Nanyang Technological University met verschillende rangorde een vergelijkbare h-index (16 of 17).

Zoals te zien is in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S2, hadden de Chinese Academie van Wetenschappen, China en de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China een sterke samenwerkingsrelatie. Het was vermeldenswaard dat een groot deel van de samenwerking tussen Chinese instellingen plaatsvond. Als centrum van het netwerk had de Chinese Academie van Wetenschappen partnerschappen met bijna alle binnenlandse instellingen, maar beperkte communicatie met het buitenland. Daarnaast werkte het Harbin Institute of Technology, China, ook goed samen met zes andere instituten. Bovendien toonden ETH, Zwitserland en Arizona State University, Islamic Azad University en University Teknol Malaysia alleen samenwerking met elkaar, maar verloren ze de verbinding met het hele samenwerkingsnetwerk. Het was noodzakelijk om erop te wijzen dat Duke University uit de VS niet werd gevonden in figuur 3. Dit betekende dat het niet samenwerkte met de rest van de top 30 instellingen.

Het samenwerkingsnetwerk van de 30 meest productieve instellingen

De jaarlijkse publicatie van de top vijf van productieve instituten in de afgelopen twee decennia, geïllustreerd in Aanvullend bestand 1:Figuur S2. Vóór 2005 werd in deze top vijf van instituten bijna geen publicatierecord gevonden. Sindsdien groeide het aantal publicaties snel, ondanks duidelijke fluctuaties in enkele jaren. Het was in het jaar 2011 dat de Chinese Academie van Wetenschappen een gigantische stap voorwaarts zette en andere vier instituten overtrof. Daarna behield het een hoger groeipercentage en stond het de afgelopen 5 jaar bovenaan. De trend onder deze vijf meest productieve instituten suggereerde dat dit vakgebied wereldwijd steeds meer de aandacht van onderzoekers krijgt.

De verspreiding van onderwerpcategorieën en tijdschriften

Alle gevonden artikelen zijn verdeeld over 44 onderwerpcategorieën. Zoals vermeld in tabel 3, stond engineering op de eerste plaats met 1069 records, gevolgd door chemie met 757 records en milieuwetenschappen en ecologie met respectievelijk 702 records. Zoals geïllustreerd in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S3, steeg het aantal zes meest productieve onderwerpcategorieën gestaag nadat het in de eerste periode van vijf jaar nauwelijks was gegroeid. Voor 2015 groeide engineering in een relatief hoog tempo en nam het continu een leidende plaats in. De chemie liet echter een duizelingwekkende groei zien na 2011 en nam in 2014 en 2016 een voorsprong op respectievelijk milieuwetenschappen en ecologie en engineering. De mogelijke reden was dat onderzoekers de betekenis van het chemische mechanisme van het gedrag van NN's bij afvalwaterzuivering hebben gerealiseerd. De consistente toename van milieuwetenschappen en ecologie, en watervoorraden impliceerden het belangrijke en potentiële effect van NN's op milieugebied. De welvaart van techniek, materiaalkunde en wetenschap en technologie - andere onderwerpen zijn misschien te wijten aan de opkomende NN's.

De 2393 artikelen zijn onderverdeeld in 449 tijdschriften. En zoals vermeld in Tabel 4, was de bijdrage van top 20-tijdschriften aan alle publicaties 47,20%. Rsc Advances, een uitgebreid tijdschrift voor chemische wetenschappen, was het meest productieve tijdschrift met 108 records, gevolgd door ontzilting en ontzilting en waterbehandeling met respectievelijk 97 en 96. Met een zeer hoge reputatie op het gebied van milieu wereldwijd, staat Environmental Science and Technology op de zevende plaats met 76 records. Het impliceerde dat NN's zich steeds meer zorgen maken over milieukwesties. Bovendien was het duidelijk dat de meeste tijdschriften die in tabel 4 worden vermeld, een hoge Impactfactor (IF)-waarde hadden, waarvan 65% varieerde van 4,2 tot 9,5. Over het algemeen wordt IF beschouwd als een effectieve indicator voor de kwaliteit van een tijdschrift [29]. Daarom suggereerde het de prevalentie van dit onderwerp onder vooraanstaande wetenschappers.

Aanvullend bestand 1 Figuur S4 toont de publicatieprestaties van de top vijf tijdschriften. Het is duidelijk dat de laatste 2 en 3 jaar getuige waren van de stijgende trends van Rsc Advances en ontzilting en waterbehandeling. De ontzilting liet in 2012 echter een scherpe daling zien en bleef daarna op een nog lager niveau dan in de periode 2005-2010. Bovendien stegen de overige vier tijdschriften over de hele periode in fluctuatie. Het toonde aan dat het onderzoek van NN's in afvalwaterzuivering zich op grote schaal heeft ontwikkeld tot een cross-over onderzoek.

De belangrijkste onderzoeksgebieden

Trefwoorden van een paper kunnen effectieve punten bieden met betrekking tot de belangrijkste ideeën. Burst-detectie in CiteSpace kan burst-trefwoorden ophalen als tekenen van opkomende trends van NN's in afvalwaterzuivering [30]. In deze sectie werden slechts 2386 records geanalyseerd, omdat nog eens 7 records ongeldig waren met onvolledige informatie.

Een in de tijdlijn gevisualiseerd netwerk op basis van trefwoorden werd getoond in figuur 4. De kleur van zowel de cirkel als de lijn in het netwerk kwamen overeen met opeenvolgende jaren bovenaan de figuur zelf. Elke stip vertegenwoordigde een knoop in het netwerk. En de knooppunten zijn trefwoorden. Lijnen tussen knooppunten suggereren gelijktijdig voorkomende koppelingen. Er moet worden benadrukt dat knooppunten met belangrijke onderzoeksvelden zijn gemarkeerd met paarse randen. En een dikkere paarse rand suggereert een hogere frequentie van gelijktijdig voorkomen [31]. Met name adsorptie (430), degradatie (306), nanofiltratie (264), omgekeerde osmose (132), membraan (130), TiO ₂ (183), fotokatalyse (124), ultrafiltratie (114), rverwijdering (461) en nanocomposiet (157) waren hoogfrequente zoekwoorden die in een eerder stadium verschenen.hile, carbon nanotube (120), sorptie (96), TiO₂ nanobuis (72), fotokatalytische afbraak (71), fotokatalysator (55), zilver nanodeeltje (103), composiet (139), hydrothermische synthese (34), grafeenoxide (60), grafeen (43), zuiveringsslib (37), transformatie (34) en magnetische nanodeeltjes (33) waren de laatste tijd veelgebruikte trefwoorden. Het toonde aan dat ze onderzoeksfocussen waren van NN's in afvalwaterzuivering.

Tijdlijnweergave van een netwerk gerelateerd aan gelijktijdig voorkomende zoekwoorden

Keyword burst is een effectieve indicator van onderzoekshotspots in het besproken gebied [22]. De uitbarsting van trefwoorden suggereert dat een bepaald trefwoord in contact komt met een toenemend aantal andere trefwoorden en veel aandacht heeft gekregen van het wetenschappelijk veld. Tabel 5 bevatte de top 20 zoekwoorden met de sterkste uitbarstingen in de periode 1997-2016. Het jaar in de laatste kolom vertegenwoordigde de bepaalde periode van een zoekwoorduitbarsting. Een groot aantal zoekwoorden begon op te duiken sinds 1998. En de sterkste drie waren nanofiltratie , romgekeerde osmose , en ultrafiltratie met een lange uitbarstingsperiode van respectievelijk 14, 10 en 13 jaar. nanofiltratie gebruiken , de uitbarsting begon bijvoorbeeld in 1998 en eindigde in 2011. Het betekende nanofiltratie had speciale aandacht gekregen en was een onderzoekshotspot in de cursus van 1998 tot 2011. Over het algemeen was de periode van het uitbarsten van trefwoorden in overeenstemming met de resultaten in Fig. 4. Evenzo met hoogfrequente trefwoorden, gingen de meeste trefwoordbursts over de kern nanotechnologie van waterzuivering en de toepassing van NN's. Bovendien waren de meest recente reeksen trefwoorden composiet , grafeen , en zuiveringsslib . Het zou erop kunnen wijzen dat composiet nanomaterialen en grafeen een opkomende trend zijn. Ondertussen breidt de reikwijdte van de NNs-studies zich uit tot zuiveringsslibonderzoek.

De meest geciteerde artikelen

De meest geciteerde publicaties zijn ook een nuttige index om de onderzoeksinteresse en hotpot van een wetenschappelijk veld aan te tonen [32]. De 10 meest geciteerde publicaties gedurende de tijdspanne, evenals 3 toppublicaties in bijna elke 3 jaar, werden allemaal vermeld in Tabel 6. Milieuwetenschap en -technologie, en wateronderzoek waren de meest voorkomende tijdschriften voor de top 10 van veel geciteerde artikelen, met respectievelijk 5 en 3 op elk. De VS droegen het meest bij aan alle vermelde citaten, en China kwam als tweede.

Door de citaten te analyseren, bleek dat het gebruik van verschillende NN's voor het verwijderen van verontreinigingen uit afvalwater consequent als een hot veld is gebleven. De ontwikkeling en toepassing van nieuwe nanomaterialen waren populaire onderwerpen bij alle genoemde artikelen. Over het algemeen vertoonden de gevonden hotpots volgens veel geciteerde publicaties een vergelijkbare trend als die in deel 3.5. En dit was vooral duidelijk in termen van veel geciteerde artikelen in de afgelopen 3 jaar. Van de negen artikelen waren vier onderzoeken gebaseerd op grafeen gebruik in de afvalwaterzuivering. Bovendien, magnetische nanodeeltjes , koolstof nanobuisjes , en silver nanodeeltjes werden ook vermeld in de linker vijf kranten. Bovendien moet worden opgemerkt dat de negatieve effecten van nanomaterialen op mens en milieu ook zorgen baren bij onderzoekers. Het suggereerde dat onderzoekers nanomaterialen op een rationele manier hebben overwogen, ondanks de evolutie die het in onze samenleving heeft gebracht.

Huidige en potentiële toepassing van NN's in afvalwaterzuivering

Adsorptie, membraanfiltratie en detectie en detectie waren vier aandachtspunten in 3.4-3.6 op basis van bibliometrische analyse. Het was gebaseerd op de hoofdfuncties van NN's in afvalwaterzuivering. Hoewel toenemende en opkomende waterverontreiniging uit tal van bronnen, varieerde het mechanisme waarop we ons wendden voor het elimineren van problemen weinig. Daarom hebben we het heden en de toekomst van NN's kritisch bekeken vanuit vier bovengenoemde categorieën. Het potentiële risico van NN's werd hier niet uitgewerkt voor het overstijgen van het applicatiedomein.

Adsorptie

Adsorptie had de voorkeur boven andere waterstrategieën vanwege de eenvoud in gebruik en de universaliteit voor veelvoorkomende organische en anorganische verontreinigingen [33]. Grootte-afhankelijke nanostructuren garandeerden nanomaterialen inherente voordelen in vergelijkbare specifieke oppervlakte of actieve plaatsen, die al lang bestaande knelpunten waren voor conventionele adsorbentia. Op koolstof gebaseerde nano-adsorbentia, meestal koolstofaerogels [34], koolstofnanobuizen (CNT's) [35], grafeen [36] en hun hybridisatietoestanden [37] waren veelbelovend voor afvalwaterzuivering en hun uitstekende prestaties voor zware metalen en organische verwijdering van verontreinigingen hebben over het algemeen aangetoond. Voor hydrofobiciteit van hun grafietoppervlak vormden op koolstof gebaseerde nano-adsorbentia losse aggregaten, die het effectieve oppervlak verkleinden en de adsorptie-energie verhoogden. Hoewel functionele groepen of metaaloxide-nanodeeltjes werden geïntroduceerd om dit nadeel te elimineren, bleef hun volledige herstel uit water na het adsorptieproces operationele kosten [38]. Regeneratie en hergebruik van op koolstof gebaseerde nano-adsorbentia zou kunnen worden bereikt door de waterige pH te verlagen [39]. De adsorptiecapaciteit was relatief stabiel na regeneratie. Hoewel er de afgelopen jaren indrukwekkende vooruitgang is geboekt, hebben de productie- en zuiveringsstappen vaak verontreinigingen en onzuiverheden geïntroduceerd en zelfs structuurdegradatie veroorzaakt. Bovendien is de synthese van koolstofnanodeeltjes met een gewenst of homogeen poreus netwerk nog steeds een grote uitdaging voor al het onderzoek op dit gebied.

In de vorm van poeder kunnen nano-adsorbentia gemakkelijk worden geïntegreerd in bestaande behandelingsprocessen in slurryreactoren met betrekking tot het mengproces. Terwijl een aangepaste scheidingstechnologie vereist is om de nano-adsorbentia te scheiden en terug te winnen. Er zijn enkele verbeteringen aangebracht om de nanodeeltjes in pellets/kralen te fixeren om een ​​nano-geladen systeem te vormen. Het verdere scheidingsproces kan onder de gegeven omstandigheden achterwege blijven, er zullen echter problemen ontstaan ​​over massaoverdrachtsbeperkingen en drukverlies.

Membraanfiltratie

Als een gemeenschappelijk bestanddeel van water- en afvalwaterbehandelingssysteem, werden membraanprocessen verdeeld in microfiltratie (MF), ultrafiltratie (UF) en nanofiltratie (NF) op basis van hun grootte [40]. Omdat het belangrijkste onderdeel van membraanprocessen filtratiemateriaal was, droegen NN's bij aan efficiëntere waterfiltratieprocessen (nanovezelmembranen, nanocomposietmembranen, dunne film nanocomposiet (TFN) membranen) [40]. Het hoge energieverbruik, de verkorting van de levensduur en het falen van de filtratie als gevolg van membraanvervuiling waren grote uitdagingen van membraanprocessen. Gemodificeerde membranen met functionele nanomaterialen werden beschouwd als een veelbelovende kans om dit dilemma het hoofd te bieden. Door te decoreren met anorganische nanodeeltjes, zoals aluminiumoxide [41], silicium [42], zeoliet en TiO [43], werd de hydrofiliciteit van het membraan [44] verhoogd om vervuiling te voorkomen. TFN-membraan, een nieuw concept van de onderzoeksgroep van Hoek, werd geïnitieerd door zeoliet-NaA-nanodeeltjes in een polyamidelaag in te bedden om een ​​composietmembraan te vormen [45]. En er werd een significante verbetering van de membraanflux bereikt in vergelijking met het gewone TFC-membraan [45]. Op dit gebied werd echter een zinvol onderzoek verwacht naar hoe nanomaterialen de eigenschappen van de polyamidelaag van het TFN-membraan verbeteren. En nano-Ag werd ook toegevoegd aan polymere membranen om biofilmvorming [46] te voorkomen en virussen [47] op het membraanoppervlak te doden. TiO₂ Nanomaterialen op basis van metalen en metallische/bimetaalkatalysatoren, zoals nano-nulvalent ijzer (nZVI), waren een veelvoorkomende katalysator voor de afbraak van verontreinigende stoffen, dus door ze in membranen op te nemen, zou de retentie van residuen effectief worden verlicht.

Sensor en detectie

Een groot aantal synthetische organische verbindingen, zoals PAK's, PCB's en PBDE's, veroorzaakten waterverontreiniging in een extreem lage concentratie. Een grote uitdaging voor afvalwaterzuivering was om ze snel en nauwkeurig te detecteren en te detecteren. Voor velen waren nanomaterialen uitstekende adsorbentia; ze concentreerden de vervuiling om de detectiedrempel te halen. CNT's zijn gebruikt in echte watermonsters voor detectie van organische verbindingen [48]. Au-TiO₂ nanocomposiet bleek goed lineair met insecticiden met sporenorganofosfaten (OP's) op een niveau van 1,0 ng / ml [49]. Multifunctionele nanobuis-array op basis van TiO₂ werd gebruikt om herbicide 4-chloorfenol (4-CP), dichloorfenoxyazijnzuur (2,4-D) en methylparathion (MP) [50] te detecteren. Ziekteverwekkers en virussen worden ook beschouwd als een langetermijnbedreiging in afvalwater. Vanwege de grote oppervlakte- / volumeverhoudingen in apparaten met nano-afmetingen, waren NN's-afhankelijke nano-biosensoren snel en goed getimed bij sommige pathogenen en virusdiagnoses. Quantum dots [51], koolstof nanobuisjes [52], grafeenoxide [53], silica [54] en metalen nanodeeltjes [55, 56] vormden een solide basis voor sensor- en detectietechnologieën. De huidige uitdagingen zijn gericht op het elimineren van valse detectie van ziekteverwekkers en virussen in gecompliceerde afvalwatermonsters. Bovendien zal onderzoek en ontwikkeling naar draagbare en herbruikbare detectoren ook een creatieve onderneming zijn.