基于關鍵詞共現(xiàn)的國內(nèi)納米CeO2處理污水研究主題分析

史啟明，雷易璇，屈撐囤，侯榮理，康美娟，樊長軍

(1.西安石油大學 圖書館，陜西 西安 710065； 2.西安石油大學 化學化工學院，陜西 西安 710065；3.西安石油大學 高教研究與評估中心，陜西 西安710065)

引 言

二氧化鈰(CeO2)是一種價廉且用途廣泛的稀土氧化物，其納米化材料具有高比表面積，優(yōu)良的儲放氧能力、氧離子傳導性能、氧化還原性能和高溫快速氧空位擴散能力，廣泛應用于功能陶瓷、發(fā)光材料、拋光劑、紫外吸收劑、催化劑、氣體傳感器、燃料電池、水處理和醫(yī)學領域[1]?；诩{米CeO2材料具有的高比表面積、高光催化活性及其他一些新穎的光電性能，目前國內(nèi)將納米CeO2基材料應用于污水處理研究工作中并取得豐富的研究成果[2-3]?；谖墨I關鍵詞的共現(xiàn)分析方法可以發(fā)現(xiàn)一個領域的研究熱點、子領域及它們之間的關系以及領域知識結構，國內(nèi)學者利用共詞分析方法的研究主要集中在信息與圖書情報[4]、醫(yī)學[5]、教育[6]、管理[7]等領域，專門針對自然科學與工程技術的研究還不多見[8-9]。未見國內(nèi)利用文獻計量分析法對納米CeO2基材料用于污水處理領域的相關文獻進行分析的報道。本文對2000—2019年國內(nèi)三大中文全文數(shù)據(jù)庫中有關納米CeO2基材料用于污水處理領域的文獻進行研究，采用對高頻關鍵詞的共現(xiàn)分析，多角度探討納米CeO2基材料用于污水處理領域的研究熱點及其特征，為納米CeO2基材料全面運用于環(huán)境污水治理提供了思路。

1 數(shù)據(jù)來源與研究工具

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究以“納米二氧化鈰”或“納米CeO2”和“污水處理”或“廢水處理”為主題檢索詞，對三大中文全文數(shù)據(jù)庫(CNKI中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫與重慶維普數(shù)據(jù)庫)在2000—2019年間文獻進行檢索，檢索截止時間2019年12月31日。每一條數(shù)據(jù)記錄包括文獻題目、作者、關鍵詞、摘要、參考文獻等關鍵信息，排除資料不全的來源文獻，最終共檢索到文獻題錄143條。

1.2 研究工具

(1)Excel 2016：用于對檢索到的文獻題錄去掉重復處理、文獻關鍵詞的匯總分析以及構建共詞分析法所需要的關鍵詞的詞篇矩陣和高頻關鍵詞的共現(xiàn)矩陣。

(2)SPSS 25.0：用于對高頻關鍵詞的共現(xiàn)矩陣進行因子分析、聚類分析及多維尺度分析。

2 研究方法與步驟

2.1 關鍵詞的預處理

由于目前作者關鍵詞的擬定具有一定的主觀性，所以在進行關鍵詞詞頻統(tǒng)計之前首先進行關鍵詞的預處理。主要包括4個方面：(1)語義合并：詞義相同但表述不同的詞，如“納米二氧化鈰”和“納米CeO2”；含義相近的詞，如“制備”和“合成”；(2)形式規(guī)范：“納米棒”、“納米CeO2棒”統(tǒng)一為“納米棒”；(3)刪掉毫無意義的關鍵詞(現(xiàn)狀、進展)；(4)從每篇文獻的題名、文摘中人工抽取關鍵詞，每篇論文的關鍵詞不超過8個，盡可能體現(xiàn)文獻的特征[10]。

2.2 關鍵詞詞頻統(tǒng)計分析

采用Excel的關鍵詞分列，運用 Excel 的分類功能，將處于一個列的關鍵詞分列為若干列，使每一個詞單獨呈現(xiàn)。將所有關鍵詞全部復制到一列，啟動數(shù)據(jù)透視表(單項表)，計數(shù)關鍵詞，按計數(shù)結果降序排列，統(tǒng)計關鍵詞詞頻。

2.3 篩選高頻關鍵詞

根據(jù)改進的齊普夫定律推導出的高頻低頻詞界定公式[11]T=0.749×Nmax計算出詞頻臨界值，篩選出對應的高頻關鍵詞。式中，T為高頻詞閾值，即高頻、低頻詞頻臨界值，Nmax為關鍵詞的頻次最高值。

2.4 構建關鍵詞詞篇矩陣

采用Excel設置行列來源于文獻，列為特征項(關鍵詞)，若關鍵詞在文獻中出現(xiàn)，賦值為1，否則為0，形成高頻關鍵詞的詞篇矩陣。

2.5 構建高頻關鍵詞共現(xiàn)矩陣

采用Excel設置行列均是高頻關鍵詞，單元格的數(shù)字則是行高頻關鍵詞和對應列高頻關鍵詞共同出現(xiàn)的次數(shù)，形成高頻關鍵詞的詞篇矩陣。

2.6 利用SPSS進行相關分析

利用SPSS對高頻關鍵詞的相關矩陣進行因子分析、聚類分析及多維尺度分析。

3 研究結果數(shù)據(jù)分析

3.1 關鍵詞詞頻統(tǒng)計分析

關鍵詞是作者為了文獻標引工作，從研究內(nèi)容中選擇出來用以揭示研究成果、思路以及研究方法等科學文獻核心內(nèi)容的自然語詞。關鍵詞出現(xiàn)的頻率越高，表明該關鍵詞所代表的研究領域越受關注并有可能成為研究熱點[12]。高頻關鍵詞能反映該領域研究熱點，關鍵詞的變化則能反映研究對象的發(fā)展趨勢。根據(jù)改進的齊普夫定律推導出的高頻低頻詞界定公式T=0.749×Nmax，計算的高頻詞閾值為5.8，選定詞頻≥6的32個高頻關鍵詞，部分列示于表1。

表1 高頻關鍵詞(部分)Tab.1 High-frequency keywords (part)

對高頻關鍵詞依據(jù)屬性聚類為：不同組成的納米CeO2基材料(納米復合氧化物、納米負載材料、鈰摻雜)；不同形貌的納米CeO2基材料(納米顆粒、多孔納米、納米棒、納米管)；不同的合成方法(水熱法、微波、浸漬法、溶膠凝膠法)；應用(光催化、催化濕式氧化、吸附、降解、染料廢水、醫(yī)藥廢水、苯酚)。可以看出，國內(nèi)關于納米CeO2基材料用于污水處理領域的研究主要集中在以下方面：(1)不同形貌納米CeO2基材料和不同組成的納米CeO2基材料制備；(2)納米CeO2基材料催化濕式氧化處理污水；(3)納米CeO2基材料光催化處理污水；(4)納米

CeO2基材料吸附處理污水。但僅憑詞頻統(tǒng)計還不足以準確描述國內(nèi)關于納米CeO2基材料在污水處理領域中應用的研究熱點。

3.2 高頻關鍵詞的共現(xiàn)分析

2個關鍵詞在同一篇文獻中同時出現(xiàn)稱為關鍵詞共現(xiàn)。關鍵詞的共現(xiàn)分析就是通過對能夠表達某一學科研究領域的2個或多個專業(yè)術語共同出現(xiàn)在同一篇文獻的現(xiàn)象進行統(tǒng)計分析，判斷學科研究領域中相關主題詞之間的親疏關系、梳理研究領域的知識基礎、展現(xiàn)該領域的研究結構、挖掘研究領域中隱含或潛在的信息、揭示學科研究熱點與研究前沿[13]。

5244運輸巷埋深390～480 m，位于潞新一礦東翼采區(qū)，屬未采區(qū)域，沿4號煤層底板掘進，矩形斷面4 200 mm×3 100 mm。從鄰近已掘巷道看，由于靠近F2斷層，掘進工作面動力顯現(xiàn)強烈，特別是頂煤中產(chǎn)生的動載致使頂板變形大，控制困難。

利用選定的32個高頻關鍵詞構建高頻關鍵詞共詞矩陣(由于篇幅受限，只列出部分于表2)。其中的行列交叉點數(shù)據(jù)代表了兩兩關鍵詞同時出現(xiàn)的頻次?！皬秃涎趸铩迸c“催化濕式氧化”行列交叉點數(shù)據(jù)為30，表示有30篇論文的關鍵詞中同時含有上述2個關鍵詞。

從高頻關鍵詞共詞矩陣可以看出，國內(nèi)關于納米CeO2基材料用于污水處理領域的研究主要集中在以下方面：納米CeO2復合氧化物材料催化濕式氧化處理污水、不同形貌納米CeO2復合氧化物材料光催化處理污水、納米CeO2復合氧化物負載型材料處理污水、利用水熱法制備納米CeO2基材料催化處理污水、通過摻雜(錳、銅、鐵)改性納米CeO2基材料作為催化劑處理污水、通過鈰摻雜改性納米TiO2基材料作為催化劑處理污水、納米CeO2顆粒材料作為吸附劑處理污水。

表2 高頻關鍵詞的共詞矩陣(部分)Tab.2 Co-word matrix of high-frequency keywords (part)

3.3 高頻關鍵詞共現(xiàn)的多元統(tǒng)計分析

高頻關鍵詞共現(xiàn)的多元統(tǒng)計分析就是通過高頻關鍵詞共現(xiàn)相似矩陣進行因子分析、聚類分析和多維尺度分析，發(fā)現(xiàn)高頻關鍵詞之間所代表的類群關系，得出該研究領域包含的研究主題的組成狀況，呈現(xiàn)該領域的研究熱點和研究發(fā)展趨勢[14]。

3.3.1 關鍵詞共現(xiàn)的因子分析

關鍵詞共現(xiàn)的因子分析就是將關鍵詞的共現(xiàn)相似矩陣中的每個關鍵詞看作一個因子，利用 SPSS 25.0軟件選擇“主成分”和“相等最大值法”進行因子分析，得到碎石因子圖、抽取因子旋轉后的總方差解釋表及主成分矩陣，將研究的關鍵詞進行分組，得出該研究領域包含的研究主題的組成狀況。

(1)解釋的總方差分析

按照“特征值大于 1 的因子被保留，特征值小于 1 的因子被舍棄”以及“提取的因子累積方差百分比要達到50%以上”的原則[7]，從總方差解釋表(表3)可以看出，提取8個因子，因子分析的變量總累計貢獻率達到76.755%，說明對這143篇文章的關鍵詞進行因子分析是有價值的。同時說明國內(nèi)納米CeO2基材料用于污水處理領域的研究的32個高頻關鍵詞，可以歸類為8個研究方向主題，解釋該領域研究體系76.755%的信息。

表3 因子分析總方差解釋表Tab.3 Factor analysis total variance interpretation table

借助碎石圖(圖1)可以發(fā)現(xiàn)，前8個因子曲線較陡，因此可從高頻關鍵詞中提取8個因子，為聚類分析提供依據(jù)。

圖1 碎石因子圖Fig.1 Gravel factor graph

(2)因子成分的提取及分析

表4 因子成分指標矩陣Tab.4 Factor component index matrix

續(xù)表4：

舍棄載荷數(shù)值負數(shù)的關鍵詞，保留載荷數(shù)值為正數(shù)值(大于0.1)的關鍵詞，由此可以概括出國內(nèi)關于納米CeO2基材料用于污水處理領域研究的8個方向的主題組成狀況。

依據(jù)每組因子中前3位關鍵詞結合其他關鍵詞的屬性，對8組因子進行歸類命名可以看出國內(nèi)關于納米CeO2基材料用于污水處理領域研究方向主要包括：(1)納米CeO2負載型基材料催化濕式氧化處理污水；(2)納米CeO2復合氧化物材料光催化處理印染污水；(3)鈰摻雜的納米TiO2材料催化濕式氧化處理污水；(4)微波輔助多孔納米CeO2基材料催化濕式氧化處理印染污水；(5)不同形貌的納米CeO2基材料光催化處理印染污水；(6)摻雜納米CeO2負載型材料催化氧化處理污水；(7)不同形貌的納米CeO2基材料吸附處理污水；(8)不同形貌的納米CeO2基材料催化濕式氧化處理污水。

3.3.2 關鍵詞聚類分析

關鍵詞聚類分析是利用 SPSS 25.0軟件對關鍵詞相異矩陣進行系統(tǒng)聚類，得到樹狀聚類分析圖(見圖2)，直觀呈現(xiàn)出關鍵詞之間的親疏關系，判斷它們的關聯(lián)程度，將零散的關鍵詞聚合成若干個研究詞團以揭示研究領域的熱點。

根據(jù)聚類結果并結合專業(yè)知識對每一類關鍵詞組合的語義關系加以分析，歸納出國內(nèi)有關納米CeO2基材料用于污水處理領域研究的8個研究熱點：(1)納米CeO2基材料作為光催化劑應用；(2)納米CeO2基材料作為濕式氧化催化劑應用；(3)納米CeO2復合氧化物材料制備及應用；(4)鈰摻雜納米TiO2材料制備及應用；(5)摻雜改性納米CeO2基材料制備及應用；(6)納米CeO2基材料作為吸附劑的應用；(7)不同形貌納米CeO2基材料制備及應用；(8)多孔納米CeO2材料制備及應用。

圖2 樹狀聚類分析圖Fig.2 Tree cluster analysis graph

3.3.3 多維尺度分析

利用相異矩陣計算得到納米CeO2基材料用于污水處理領域的研究論文的高頻關鍵詞中心度和密度，以X軸代表中心度，用Y軸代表密度，繪制戰(zhàn)略坐標圖(圖3)。用密度和中心度來表示某個主題的發(fā)展狀況及主題與其他主題之間的聯(lián)系緊密程度。主題的密度越大說明該主題的發(fā)展越趨于成熟，反之，說明該主題處于基礎階段，發(fā)展越遲緩。主題的中心度越高，說明該主題與其他主題之間的聯(lián)系越密切，反之，說明與其他主題之間的聯(lián)系不大[10]。從可視化圖譜中可以看出，相同群集的關鍵詞分布情況與系統(tǒng)聚類的結果基本一致。

圖3 派生激勵配置歐氏距離模型Fig.3 Derived incentive allocation Euclidean distance model

第一象限內(nèi)催化濕式氧化、納米負載材料、浸漬法等研究主題具有較高的中心度和密度，表明其類間聯(lián)系緊密、核心作用較強。以浸漬法制備納米CeO2基負載材料催化濕式氧化處理污水研究主題比較重要并且發(fā)展較成熟。

第二象限內(nèi)的多孔納米、納米球、吸附劑等主題具有高密度，表明其內(nèi)部聯(lián)系較強，但外部聯(lián)系較差。不同形貌納米CeO2基材料作為吸附劑處理污水研究主題是發(fā)展成熟的孤立主題。

第三象限內(nèi)的水熱法、溶膠凝膠法、鈰摻雜、二氧化鈦、納米顆粒、甲基橙等主題的中心度和密度都較低，表明與內(nèi)外部的聯(lián)系都不大。不同合成法制備鈰摻雜二氧化鈦納米材料處理污水研究主題處于新出現(xiàn)的狀態(tài)，納米CeO2顆粒處理染料廢水研究主題為可能將要退出的狀態(tài)。

第四象限內(nèi)的復合氧化物、光催化等主題具有較高的中心度，但密度較低。納米CeO2復合氧化物材料處理污水和納米CeO2基材料光催化處理污水研究領域很重要，主題本身沒有發(fā)展成熟。

4 納米CeO2基材料用于污水處理領域的研究主題論述

基于前面的分析可知，國內(nèi)關于納米CeO2基材料用于污水處理領域的研究主題聚焦于納米CeO2基材料應用于催化濕式氧化法處理環(huán)境廢水研究、納米CeO2基光催劑處理有機廢水研究、納米CeO2基吸附材料處理環(huán)境廢水研究等3個領域。

4.1 納米CeO2基材料應用于催化濕式氧化法處理環(huán)境廢水研究

納米CeO2基材料應用于催化濕式氧化法處理廢水研究主要集中在采用不同形貌的納米CeO2基材料催化不同氧化劑處理不同來源的工業(yè)廢水。研究可以分成以下4類：(1)不同形貌納米CeO2基材料制備和催化濕式氧化法處理廢水性能[15]；(2)納米CeO2復合氧化物材料制備和催化濕式氧化法處理廢水性能[16-17]；(3)不同負載型納米CeO2基材料制備和催化濕式氧化法處理廢水性能[18-19]；(4)不同負載型納米CeO2復合氧化物材料制備和催化濕式氧化法處理廢水性能[20-21]。

4.2 納米CeO2基材料應用于光催化處理有機廢水研究

納米CeO2具有優(yōu)異的光催化性能和低的成本，使以CeO2為基材的納米級半導體材料逐漸取代TiO2成為新型光催化劑。目前主要研究集中在考察了不同組成及形貌的CeO2納米光催化劑對不同類型的有機廢水的處理性能，研究可以分成以下5類：(1)不同組成及形貌的CeO2納米光催化劑制備及對染料廢水中單一的亞甲藍、吖啶橙、氨基黑、甲基橙、酸性橙、剛果紅、偶氮等染料光降解[22-23]，未來應加強納米CeO2對混合染料光降解研究；(2)不同組成及形貌的CeO2納米光催化劑制備及對通過人工合成有機物進入水體或在水體中轉化而形成的水中苯酚、酚類有機物降解性能[24]；(3)不同組成及形貌的CeO2納米光催化劑制備及處理有機農(nóng)藥廢水[25]；(4)不同組成及形貌的CeO2納米光催化劑制備及處理醫(yī)藥廢水[26]；(5)不同組成及形貌的CeO2納米光催化劑制備及處理含油廢水[27]。

4.3 納米CeO2基材料應用于吸附法處理環(huán)境廢水研究

納米CeO2基材料具有高比表面積使得納米吸附劑具有高吸附容量，納米CeO2基材料的孔徑和結構可調(diào)控性可以用來控制納米吸附劑的吸附動力學性能，納米材料的表面化學性質使得納米吸附劑可以產(chǎn)生高活性的吸附位點，具有較高選擇性。利用納米CeO2基材料具有高表面活性的特點作為吸附劑，通過吸附去除水中重金屬離子和有機染料。目前納米CeO2基材料用作吸附劑的研究主要集中在探究合成多孔的不同形貌的納米CeO2基材料作為水處理中的吸附劑，除去金屬離子和有機物。研究可以分成2類：(1)不同組成及形貌的CeO2納米吸附劑的制備及除去金屬離子[28-29]；(2)不同組成及形貌的CeO2納米吸附劑的制備及除去有機物[30]。

5 結 語

(1)利用關鍵詞共現(xiàn)分析對國內(nèi)納米CeO2基材料在污水處理領域的研究主題進行量化研究，發(fā)現(xiàn)主要涉及催化濕式氧化法處理環(huán)境廢水、光催劑處理有機廢水、吸附法處理環(huán)境廢水等3個研究熱點領域、11個研究方向，這與文獻查閱的結論是一致的，說明基于關鍵詞共現(xiàn)方式查閱資料可有效確定研究的熱點領域。

(2)開發(fā)廉價制備納米CeO2基材料的方法、探究復合理論化機理、將傳統(tǒng)污水處理技術與納米CeO2基材料催化降解相結合以形成新型的聯(lián)合新工藝、分析納米CeO2基材料催化降解污水目標物機理及關注最終產(chǎn)物，是未來研究的熱點。