基于文獻計量學的電滲析技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢分析

胡小陽，褚衍旭，王紅萍,2

(1.武漢大學資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430072;2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430072)

電滲析技術(shù)作為一種新興的用于離子分離的膜分離技術(shù)[1]，因其效率高、能耗低、對預處理要求低、對分離組分選擇性高、原水回收率高、環(huán)境友好[2]等優(yōu)點，在國內(nèi)外各行業(yè)廢水處理中得到了廣泛的應用。電滲析技術(shù)作為一種膜法水處理技術(shù)[3]，目前已發(fā)展成一個大規(guī)模的化工單元過程[4]，被廣泛應用于苦咸水和海水的淡化[2]、化學工業(yè)[5]、廢水處理[6]、食品行業(yè)[7]等領(lǐng)域，具有顯著的社會和經(jīng)濟效益。目前，國內(nèi)外關(guān)于電滲析技術(shù)研究的發(fā)文量持續(xù)增長，但是關(guān)于電滲析技術(shù)發(fā)展動態(tài)定量統(tǒng)計與分析的研究尚未見報道，這不利于研究者掌握此領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢。文獻計量學是圖書情報與科學評價領(lǐng)域中的一門重要學科[8]。它以文獻體系和文獻計量特征為研究對象，采用數(shù)學、統(tǒng)計學等計量方法，研究文獻情報的分布結(jié)構(gòu)、數(shù)量關(guān)系、變化規(guī)律和定量管理，進而探討科學技術(shù)的某些結(jié)構(gòu)、特征和規(guī)律[9]。本文基于文獻計量學方法，對SCIE數(shù)據(jù)庫中1988—2017年近三十年來發(fā)表的以“電滲析”為主題的相關(guān)文獻進行了檢索與計量分析，以為電滲析技術(shù)今后的研究和發(fā)展提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

數(shù)據(jù)源于美國科學信息研究所(ISI)的 SCIE 數(shù)據(jù)庫。本文以“電滲析”——翻譯成英文即為“electrodialysis”作為主題詞進行文獻檢索(TS=“electrodialysis*” or “electro-dialysis*”)，檢索年限為1988—2017年，并將檢索到的文獻下載且保存到Excel數(shù)據(jù)表，利用科學知識圖譜算法[10]，借助軟件Excel、ArcGIS、Ucinet分析電滲析技術(shù)研究相關(guān)文獻的成長趨勢、學科及期刊分布、主要研究機構(gòu)、地域分布及國際合作和關(guān)鍵詞。本文將出自“North Ireland”、“Wales”、“Scotland”、“England”的文獻均歸屬于英國(“UK”)。

2 結(jié)果與討論

2. 1 文獻的成長趨勢分析

經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，1988—2017年期間以“電滲析”為主題的SCIE文獻數(shù)量共計4 115篇，文獻類型以研究論文(article)為主，共3 431篇，占文獻總數(shù)的83.4%，另有會議論文(proceedings paper)共441篇，占文獻總數(shù)的10.7%，評論(review)共171篇，占文獻總數(shù)的4.2%。根據(jù)文獻總量和年發(fā)表文獻量對1988—2017年發(fā)表的以“電滲析”為主題的文獻成長趨勢進行分析，見圖1。

圖1 1988—2017年以“電滲析”為主題文獻的成長趨勢圖Fig.1 Growth trend of publications on electrodialysis technology by year from 1988 to 2017

由圖1可見，近三十年來，關(guān)于電滲析技術(shù)的研究熱度正在不斷地快速增長，年發(fā)文量從1988年的36篇(同年發(fā)表在SCIE數(shù)據(jù)庫的文獻總數(shù)為709 136篇)增加到2017年的401篇(同年發(fā)表在SCIE數(shù)據(jù)庫的文章總數(shù)為1 898 992篇)，增長了近11.1倍(該數(shù)據(jù)庫的文獻總數(shù)增長了近2.7倍)。其中，1988—1990年發(fā)表的文獻數(shù)目較少且增速較緩，仍處于起步階段，但1990年之后發(fā)文量進入快速增長階段，2012—2017年發(fā)文量增長更快。這一結(jié)果有力地表明，關(guān)于電滲析技術(shù)的研究已引起學術(shù)界重視并逐漸成為水處理技術(shù)中的一個不可或缺的研究方向，且近幾年受到的關(guān)注尤為顯著。

2. 2 文獻的學科及期刊分布分析

2.2.1 文獻的學科分布分析

根據(jù)ISI對學科領(lǐng)域的定義，本次檢索到的1988—2017年以“電滲析”為主題發(fā)表的4 115篇SCIE文獻共涉及170個學科領(lǐng)域，排名前十位的學科依次為工程(2 425篇，58.9%)、化學(951篇，23.1%)、水資源(871篇，21.2%)、高分子科學(642篇，15.6%)、電化學(356篇，8.7%)、環(huán)境科學與生態(tài)學(331篇，8.0%)、應用微生物學與生物技術(shù)(274篇，6.7%)、能源與燃料(256篇，6.2%)、科學與技術(shù)(173篇，4.2%)以及食物科學與技術(shù)(158篇，3.8%)。從學科分布來看，電滲析技術(shù)是一個涉及工程、化學、水資源、材料學、能源、食品科學以及環(huán)境科學等多門學科領(lǐng)域的研究課題，并與各學科之間的關(guān)系密切。圖2為1988—2017年電滲析技術(shù)研究排名前五位的優(yōu)勢學科年文獻量變化趨勢圖。

由圖2可見，除了工程學科一直保持領(lǐng)先地位以外，化學學科與水資源學科交替排在第二、 三位，2017年化學學科才明顯超越水資源學科排在第二位；高分子學科在2009年以后逐漸處于第四位，電化學學科處于第五位。

圖2 1988—2017年電滲析技術(shù)研究排名前五位的優(yōu)勢學科的年文獻量變化趨勢圖Fig.2 Trend of annual publication number of the top 5 subject categories in electrodialysis research from 1988 to 2017

2.2.2 文獻的期刊分布分析

本次檢索到的4 115篇以電滲析為主題發(fā)表的文獻共計出版在608種期刊上。根據(jù)布拉德福定律[11]，將每種期刊的載文量按遞減順序排列并進行分區(qū)，得到核心區(qū)期刊4種，發(fā)表該類文獻1 471篇；相關(guān)區(qū)期刊41種，發(fā)表該類文獻1 274篇；離散區(qū)期刊563種，發(fā)表該類文獻1 370篇。表1為刊載“電滲析”主題文獻的4種核心期刊及其刊載的該類文獻的數(shù)量(TP)、被引頻次(TC)、篇均被引頻次(TC/TP)和期刊影響因子(IF,2017年最新)。

由表1可知：雖然4種核心區(qū)期刊只占期刊總數(shù)的0.66%，但發(fā)表的文獻數(shù)占電滲析主題文獻總數(shù)的35.7%，說明該領(lǐng)域文獻主要集中發(fā)表在這些核心區(qū)期刊上；4種核心區(qū)期刊的平均TC/TP達到22.193，遠超于其平均IF(5.280)，說明發(fā)表在這些期刊中的電滲析主題文獻都具有較高的學術(shù)水平及影響力。

表1 刊載“電滲析”主題文獻的4種核心區(qū)期刊及其相關(guān)參數(shù)

注：表中括號內(nèi)數(shù)據(jù)為占“電滲析”主題文獻總量的百分比。

2. 3 文獻的主要研究機構(gòu)分析

經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，1988—2017年間發(fā)表的電滲析主題文獻的研究機構(gòu)主要為學術(shù)院校和科研機構(gòu)。其中，俄羅斯庫班國立大學發(fā)表的文獻數(shù)量最多，計134篇；加拿大拉瓦爾大學發(fā)表的文獻數(shù)量排名第二，計119篇；中國科學技術(shù)大學發(fā)表的文獻數(shù)量為116篇，排名第三；發(fā)表文獻數(shù)量居于第四至第十名的研究機構(gòu)依次為法國蒙波利埃第二大學(78篇)、荷蘭特文特大學(65篇)、比利時魯汶大學(63篇)、中國科學院(62篇)、俄羅斯沃羅涅日國立大學(61篇)、美國賓夕法尼亞州立大學(56篇)以及丹麥科技大學(51篇)?？梢?，世界范圍內(nèi)開展電滲析技術(shù)研究的機構(gòu)主要以高校及科研單位為主，我國電滲析技術(shù)的研究機構(gòu)以中國科學技術(shù)大學和中國科學院為主，積累了較多的研究成果。

2. 4 文獻的地域分布及國際合作分析

2.4.1 文獻的地域分布分析

經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，發(fā)表電滲析技術(shù)研究文獻的國家/地區(qū)由1988年的10個增加至2017年的56個，表明其研究地域正在不斷擴大。

表2列出了1988—2017年間發(fā)表電滲析技術(shù)研究文獻數(shù)量排名前二十位的國家及其相關(guān)參數(shù)。

由表2可見，1988—2017年發(fā)表電滲析技術(shù)研究文獻排名前十位的國家包括1個南美國家(巴西)、2個北美國家(美國、加拿大)、6個亞洲國家(中國、日本、印度、韓國、伊朗、土耳其)、11個歐洲國家(法國、俄羅斯、西班牙、荷蘭、德國、波蘭、意大利、比利時、英國、捷克)、1個澳洲國家(澳大利亞)；20個國家共發(fā)表有關(guān)電滲析技術(shù)研究文獻4 063篇，占總文獻量的98.7%，屬于電滲析技術(shù)主要研究國家;中國發(fā)表的電滲析技術(shù)研究文獻的數(shù)量為631篇，處于世界領(lǐng)先水平，也是發(fā)表文獻數(shù)量超過500篇的唯一一個國家，其次是美國、法國和日本。

表2 1988—2017年間發(fā)表電滲析技術(shù)研究文獻數(shù)量排名前二十位的國家及其相關(guān)參數(shù)

注：“SP”表示獨立文獻數(shù)量；“CP”表示合作文獻數(shù)量。

此外，根據(jù)各國家獨立文獻數(shù)(SP)和合作文獻比(CP/TP)表明目前各國間電滲析技術(shù)研究以獨立研究為主，合作研究較少(見表2)。

2.4.2 文獻的國際合作分析

盡管如此，電滲析技術(shù)研究的國際合作趨勢仍然十分顯著。圖3為1988—2017年間電滲析技術(shù)研究國際合作文獻的年增長趨勢圖。

圖3 1988—2017年間電滲析技術(shù)研究國際合作文獻的年增長趨勢圖Fig.3 Growth trend of international cooperation publications on electrodialysis technology by year from 1988 to 2017

由圖3可見，1990年之后電滲析技術(shù)研究國際合作日益增強，國際合作年文獻數(shù)量呈指數(shù)型增長，其擬合方程為y=3.098 08×10-77e(-x/-11.147 08)-3.705 34(式中：x表示年份，y表示國際合作年文獻數(shù)量),其相關(guān)系數(shù)R2=0.929 59。

圖4為發(fā)表電滲析技術(shù)研究文獻總數(shù)大于100篇的國家/地區(qū)之間的合作關(guān)系網(wǎng)。

圖4 發(fā)表電滲析技術(shù)研究文獻的主要國家/地區(qū)之間的合作關(guān)系網(wǎng)Fig.4 Cooperation of the major countries or territories on eletrodialysis techology 注：節(jié)點面積與該國合作文獻數(shù)成正比，線條粗細與兩國間合作次數(shù)成正比。

由圖4可見，針對電滲析技術(shù)研究，各國形成了一個以美國、法國、中國為主的合作關(guān)系網(wǎng)，其中美國主要與中國、韓國等國家合作較多，法國主要與俄羅斯、加拿大等國家合作較多，中國的合作對象主要為美國。

2. 5 文獻的關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞是文獻的高度概括，對于揭示文獻主題和信息檢索具有重要意義[12]，通過關(guān)鍵詞分析能揭示出研究趨勢及熱點。表3列出了電滲析技術(shù)研究文獻中出現(xiàn)頻次排在前三十位的關(guān)鍵詞及其相關(guān)參數(shù)。根據(jù)表3可將這些關(guān)鍵詞主要劃分為以下四個方面：

(1) 離子交換膜?！半x子交換膜”(ion exchange membrane)是電滲析技術(shù)中最重要的部分，在一定程度上決定了電滲析技術(shù)的發(fā)展。1988—2017年發(fā)表的涉及“離子交換膜”關(guān)鍵詞的文獻共計903篇(包括離子交換膜、雙極膜、陰離子交換膜、陽離子交換膜)，說明其在該領(lǐng)域中為研究焦點。這些研究一方面改進了離子交換膜制備的材料和方法[13-14]，極大地提高了電滲析技術(shù)的性能，提高了電流效率，降低了能源損耗；另一方面，表明雙極膜的制備、發(fā)展及其應用已成為電滲析技術(shù)研究新的增長點[15]。

表3 1988—2017年間電滲析技術(shù)研究文獻中出現(xiàn)頻次排在前三十的關(guān)鍵詞及其相關(guān)參數(shù)

注：“↑”表示關(guān)鍵詞排名上升，“↓”表示關(guān)鍵詞排名下降。

此外，離子交換膜作為關(guān)鍵詞的排名逐年上升，且隨著雙極膜電滲析技術(shù)的快速發(fā)展，雙極膜研究的發(fā)展趨勢比陰離子交換膜和陽離子交換膜更為明顯。

(2) 電滲析過程。電滲析過程涉及方面較廣，電壓、電流、濃淡室濃度差、隔室體積比等都是其重要的影響因素。本文所檢索的電滲析技術(shù)研究文獻關(guān)鍵詞中涉及 “濃差極化”(concentration polarization)的文獻有65篇、“極限電流密度”(limiting current density)的文獻有57篇、“水解離”(water dissociation)的文獻有54篇、“電流效率”(current efficiency)的文獻有46篇。

(3) 工藝創(chuàng)新。電滲析技術(shù)在發(fā)展過程中出現(xiàn)了較多的創(chuàng)新工藝，例如“反向電滲析技術(shù)”(reverse electrodialysis)，在2006年之前發(fā)表的文獻數(shù)量為0，但在2011—2017年間發(fā)表了86篇文獻，排名躍至第三位，表明反向電滲析技術(shù)成為了該領(lǐng)域新的研究方向。另外，尋求合理的電滲析與傳統(tǒng)化工單元的集成工藝也是近年來電滲析技術(shù)研究的熱點，例如電滲析-離子交換樹脂工藝、電滲析-納濾工藝[16]等，這些工藝均具有較好的處理效果，因此這些關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次較高。

(4) 技術(shù)應用。由于電滲析技術(shù)廣泛應用于海水淡化、苦咸水脫鹽領(lǐng)域，而這是目前電滲析應用領(lǐng)域中最大的化工單元，因此“脫鹽”(desalination)在關(guān)鍵詞排名中位居前列。此外，隨著膜技術(shù)的發(fā)展，電滲析技術(shù)呈現(xiàn)出廣闊的應用前景，乳酸廣泛用于食品、發(fā)酵、化工等領(lǐng)域[17-18]，“乳酸”(lactic acid)這一關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次較高,體現(xiàn)了電滲析技術(shù)在氨基酸領(lǐng)域中的重要應用。

3 結(jié)論與展望

本文基于文獻計量學方法對SCIE數(shù)據(jù)庫中1988—2017年收錄的以“電滲析”為主題的4 115篇文獻進行了檢索與計量分析，得到如下結(jié)論：

(1) 1988—2017年間發(fā)表的以“電滲析”為主題的文獻數(shù)量不斷地快速增長，每年發(fā)表文獻量從1988年的36篇增加到2017年的401篇，增長了近11.1倍(該數(shù)據(jù)庫的文獻總數(shù)增長了2.7倍 )，可見電滲析技術(shù)的研究越來越受到重視，近幾年的增長量更加顯著。

(2) 電滲析技術(shù)是一個涉及化學、水資源、材料學、能源、食品科學以及環(huán)境科學與工程等多門學科領(lǐng)域的研究課題。檢索的4 115篇電滲析技術(shù)研究文獻發(fā)表在608種期刊上，主要集中發(fā)表在以《脫鹽》、《膜科學雜志》為代表的4種核心區(qū)期刊，并具有較高的學術(shù)水平及影響力。

(3) 從研究機構(gòu)上看，發(fā)表的有關(guān)電滲析技術(shù)文獻的研究機構(gòu)主要為學術(shù)院校和科研機構(gòu)，其中我國研究電滲析技術(shù)的研究機構(gòu)以中國科學技術(shù)大學和中國科學院為主。

(4) 目前有關(guān)電滲析技術(shù)研究的地域主要分布在北美洲、亞洲、歐洲，我國電滲析技術(shù)研究文獻的數(shù)量處于世界領(lǐng)先水平，國際間合作趨勢日益增強，尤其1990年之后各國逐漸形成了一個以美國、法國和中國為主的合作關(guān)系網(wǎng)，其中中國的合作對象主要為美國。

(5) 通過對電滲析技術(shù)研究文獻中出現(xiàn)頻次排在前三十位的關(guān)鍵詞進行分析，可將電滲析技術(shù)的主要研究方向劃分為離子交換膜、電滲析過程、工藝創(chuàng)新、技術(shù)應用四個方面。其中，“離子交換膜”(包括陽離子交換膜、陰離子交換膜、雙極膜)、“脫鹽”一直是近三十年來該領(lǐng)域的研究重點，“反向電滲析技術(shù)”在2007年之后逐漸發(fā)展成為該領(lǐng)域新的研究熱點。

目前電滲析技術(shù)在膜分離技術(shù)領(lǐng)域中的研究已比較成熟，隨著制膜技術(shù)的改進、新型工業(yè)裝置的出現(xiàn)以及水污染防治的迫切需求，其規(guī)模和應用都取得了巨大的進展，尤其是在苦咸水脫鹽及海水淡化、食品行業(yè)、化工分離等領(lǐng)域已取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。然而，電滲析技術(shù)在實際應用中也面臨著一些難題，如電耗較大、運行不夠穩(wěn)定等。未來電滲析技術(shù)的發(fā)展仍體現(xiàn)在：研制具有高化學性和熱穩(wěn)定性、高選擇性和透過性以及抗污染強的離子交換膜；減少離子交換膜污染；提高電流效率，減少能耗；創(chuàng)新、發(fā)展雙極膜-電滲析技術(shù)、反滲透-電滲析技術(shù)、納濾-電滲析技術(shù)等工藝組合；等等。相信隨著科技的發(fā)展以及科研工作者的日益關(guān)注，電滲析技術(shù)還會煥發(fā)更多的活力?？傊?，電滲析技術(shù)作為水處理技術(shù)的一項單元技術(shù)，其前景十分可觀。