地下水脫砷技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

石樂琪，郭莉，呂晨陽，杜冬云*

1.中南民族大學, 湖北省重金屬污染防治工程技術研究中心

2.中南民族大學, 催化轉化與能源材料化學教育部重點實驗室

全球地下水砷污染問題受到越來越多的關注。世界上很多國家有數(shù)百萬處含水層受低濃度砷的污染，對地方人群健康造成嚴重的威脅[1]。并且在全球范圍內，大約有2億人暴露于有毒水平的地下水砷環(huán)境中[2]。由于地下水所處位置使其具有受污染相對輕的優(yōu)勢，但是一旦被污染就存在著持久性、隱蔽性、復雜性和難治理的問題，近年來地下水脫砷技術研究受到較多關注。

目前，已有學者綜述了地下水中砷脫除技術相關的研究工作。如Alka等[3]總結分析了地下水中砷對環(huán)境的毒性、造成的健康危害及去除技術，Ghosh等[4]對地下水砷修復的技術、去除機理、成本效益及可持續(xù)性進行了綜述，Siddiq等[5]則圍繞以生物炭為基質的除砷材料的制備及其對地下水中砷的吸附性能的相關研究進行了綜述。雖然以上綜述對地下水脫砷技術的研究進行了系統(tǒng)的歸納和展望，但隨著國內外有關地下水中砷脫除技術的研究論文數(shù)量逐年增多，有必要對近10多年發(fā)表的相關學術論文進行系統(tǒng)地統(tǒng)計和分析，從而明確地下水脫砷技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

文獻計量學是以文獻體系和文獻計量特征為研究對象，采用數(shù)學、統(tǒng)計學等計量研究方法，對研究對象進行量化分析得出某些特征和規(guī)律的方法，應用計量學軟件得到的可視化圖譜可以清晰地揭示某一研究領域的研究歷史、現(xiàn)狀以及輔助預判研究趨勢。為了從量化角度系統(tǒng)性、綜合性地揭示地下水脫砷方法的研究歷史和發(fā)展趨勢，筆者采用文獻計量學的方法，對Web of Science（WoS）數(shù)據(jù)庫中有關地下水脫砷技術的論文從發(fā)文量、發(fā)文機構、發(fā)文期刊、發(fā)文作者以及論文關鍵詞等方面進行量化分析，從而客觀地揭示該領域的研究熱點及發(fā)展趨勢，以期為后續(xù)地下水脫砷技術的研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與統(tǒng)計方法

數(shù)據(jù)來源于WoS數(shù)據(jù)庫中Science Citation Index-Expanded (SCIE)和Social Sciences Citation Index (SSCI)收錄的文章，檢索日期為2021年2月1日。在該數(shù)據(jù)庫中，以“arsenic removal from groundwater”為主題檢索2008—2020年的論文，共檢索到1 578篇，剔除文獻綜述、會議論文摘要、會議論文、社論材料等類型文章，剩余1 501篇研究型論文（article），以此作為分析的基礎數(shù)據(jù)。按照文獻計量學理論及操作步驟，并借助Excel、CiteSpace軟件，統(tǒng)計分析地下水脫砷技術的論文，得出發(fā)文量、發(fā)文期刊、主要發(fā)文機構、發(fā)文作者以及研究熱點等信息，并以此判斷未來研究趨勢。

2 結果與分析

2.1 近13年發(fā)文量

發(fā)文量反映該領域研究的活躍情況。從2008—2020年WoS發(fā)文量〔圖1(a)〕看出，13年間地下水脫砷技術研究發(fā)文量總體呈上升趨勢。呈現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，一方面是由于工業(yè)的快速發(fā)展以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的化肥、農(nóng)藥量逐年增加，直接或間接造成了地下水砷污染[6]，讓更多的研究者關注地下水脫砷技術研究，從而使發(fā)文量呈逐年上升趨勢[7]；另一方面，據(jù)估計全球有近108個國家地下水中砷濃度超過世界衛(wèi)生組織建議的最大允許限度（0.01 mg/L），有超過2.3億人面臨砷中毒的風險[8]，其中孟加拉國、印度、巴基斯坦、中國、尼泊爾、越南、緬甸、泰國和柬埔寨等國地下水中砷污染較為嚴重。根據(jù)《2018中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》[9]，我國10 168個國家級地下水水質監(jiān)測點中，Ⅰ類～Ⅲ類水質監(jiān)測點僅占13.8%，個別監(jiān)測點還存在鉛、鋅、砷、汞、六價鉻和鎘等嚴重影響人類生產(chǎn)生活的重（類）金屬超標問題。在此背景下，不難看出部分國家已經(jīng)受到地下水中砷污染的侵害，導致地下水脫砷技術被廣泛研究，從而影響了發(fā)文量。

圖 1 2008—2020年地下水脫砷技術研究的發(fā)文量及發(fā)文國家占比Fig.1 Number of articles published and the proportion of published countriesin in the research field of groundwater arsenic removal technology from 2008 to 2020

由圖1（b）可知，地下水脫砷技術研究發(fā)文量排名前5的國家分別是中國、印度、美國、韓國和澳大利亞，其中，中國、印度和美國是地下水脫砷技術研究的主力國家，一定程度上影響發(fā)文量的總體增長趨勢。根據(jù)表1可知，中國和印度對2019年發(fā)文量貢獻最大，這與其爆發(fā)式增長密切相關，其中印度發(fā)文量的急劇增長可能與2019年印度面臨史上最嚴重的缺水危機，而地下水是印度不可或缺的關鍵水源，使得對地下水污染問題更為重視有關[10]。我國發(fā)文量的增長與2019年《水污染防治行動計劃》《全國地下水污染防治規(guī)劃（2011—2020年）》等面臨收官，并且還遭遇了幾起地下水污染的突發(fā)事件，引發(fā)我國研究者們對地下水脫砷技術的廣泛關注并開展了大量研究有關。另外，《2016中國環(huán)境狀況公報》[11]指出我國地下水水質存在安全問題，促使2017年我國發(fā)文量激增。

表 1 2008—2020年發(fā)文量排名前5的國家及其發(fā)文量Table 1 Top 5 countries and their annual number of publications from 2008 to 2020 篇

2.2 發(fā)文期刊

檢索結果中以“arsenic removal from groundwater”為主題文章的發(fā)文期刊共308種，其中8家期刊發(fā)文量在5篇以上，占總發(fā)文量的17.52%。從期刊發(fā)文量占比、影響因子以及學科網(wǎng)學科類別3個方面統(tǒng)計了2008—2020年發(fā)文量排名前10的期刊，其合計發(fā)文量占總發(fā)文量的33.19%（表2）。發(fā)文量排名第1的期刊為Journal of Hazardous Materials，其發(fā)文量為94篇，占比為6.26%；排名第2的為Desalination and Water Treatment，其發(fā)文量為60篇，占比為4.00%；排名第3的為Water Research，其發(fā)文量為58篇，占比為3.86%。發(fā)文量排名前10的期刊中，2020年平均影響因子為5.35，其中Chemical Engineering Journal的影響因子最高（10.65），其次為Water Research，再次為Journal of Hazardous Materials。這表明有較多地下水脫砷技術方面的論文發(fā)表在具有較高學術影響力的期刊上，根據(jù)期刊類別可以看出地下水脫砷技術受到了多學科領域研究者的關注。

表 2 2008—2020年地下水脫砷技術研究發(fā)文量排名前10的期刊Table 2 Top 10 journals in the number of articles published on groundwater arsenic removal technology from 2008 to 2020

2.3 研究機構

以“arsenic removal from groundwater”為主題檢索文章所屬的機構共有1 508所。2008—2020年地下水脫砷技術方面發(fā)文量排名前20的發(fā)文機構如表3所示。由表3可知，發(fā)文量排名前20的發(fā)文機構共發(fā)表論文435篇，占總發(fā)文量的28.98%，其中除了排名第13的美國國家環(huán)境保護局外均為高等院校，說明高等院校為地下水脫砷技術研究的主力軍。發(fā)文量排名第1的是中國科學院，達83篇，占總發(fā)文量的5.53%；其次是中國地質大學、印度理工學院和同濟大學，發(fā)文量分別為52、46、23篇，這些機構是地下水脫砷技術的主力研究機構。

由CiteSpace生成的機構圖譜可以得到研究機構在不同時段的發(fā)文情況，其中生成的圓圈越大說明該機構發(fā)文量越多，而圓圈圈層的不同顏色則代表不同的年份。2008—2020年地下水脫砷技術研究機構發(fā)文情況共現(xiàn)圖譜如圖2所示。由圖2(a)可知，中國科學院發(fā)文量最多，且其發(fā)文年限貫穿整個2008—2020年；其次為中國地質大學和印度理工大學，這2所大學同樣研究年限較長。有些機構則只在某一年或少數(shù)幾年對地下水脫砷技術進行了研究并且發(fā)表相關研究論文，一方面可能是由于新學者的加入，另一方面可能是在研究過程中需要與其他機構的技術或者學者進行合作。不同機構之間同樣也存在著一定的合作關系，如中國科學院和中國地質大學、中國科學技術大學都存在著合作關系，且都是在該領域投入關注較多的機構，其合作研究促進了脫砷技術水平的提升〔圖2(b)〕。

圖 2 2008—2020年地下水脫砷技術研究機構共現(xiàn)圖譜Fig.2 Co-occurrence map of research institutes for groundwater arsenic removal technology from 2008 to 2020

表 3 2008—2020年地下水脫砷技術研究發(fā)文量排名前20的發(fā)文機構Table 3 Top 20 institutions in the number of articles published in groundwater arsenic removal technology from 2008 to 2020

2.4 主要作者

對于主要發(fā)文作者的統(tǒng)計分析表明，共有4 875人次在 WoS發(fā)表了地下水脫砷技術相關的論文。對作者進行分析可知，高校教師和碩士、博士研究生形成的研究團隊成為地下水脫砷技術研究的核心力量。2008—2020年地下水脫砷技術研究相關作者發(fā)文情況共現(xiàn)圖譜如圖3所示。由圖3可知，中國地質大學（武漢）的王焰新（Wang Y X）是2008年以來在WoS數(shù)據(jù)庫中發(fā)文量最多的學者，達23篇；其次是中國地質大學(北京)的郭華明（Guo H M）、印度理工學院的Mondal P以及印度理工學院的王亞（Wang Y），其發(fā)文量分別為14、14、13篇。不同研究者之間存在著合作關系，如中國地質大學（武漢）的王焰新、錢坤、謝先軍在該領域存在團隊合作關系，中國科學院曲久輝、趙旭在該領域有合作且合作時間集中在2008—2013年；庫爾德斯坦大學的Maleki A、Mckay G是該領域新興研究團隊，其發(fā)文量主要集中在2019—2020年。綜上，地下水脫砷技術研究以高等院校為主要研究基地，以高校教師和碩士、博士研究生為主要研究群體。

圖 3 2008—2020年地下水脫砷技術研究相關作者發(fā)文情況共現(xiàn)圖譜Fig.3 Co-occurrence map of authors' papers on groundwater arsenic removal technology from 2008 to 2020

2.5 研究熱點及發(fā)展趨勢

關鍵詞是對文章核心內容的提煉，可以反映出該領域的研究重點及未來研究發(fā)展趨勢，有助于研究者們更快地了解地下水脫砷技術研究的概況，并且提供研究思路以及相關啟發(fā)。將2008—2020年地下水脫砷技術論文關鍵詞及其出現(xiàn)頻次與中心性進行統(tǒng)計，結果如表4所示。由表4可知，從出現(xiàn)頻次排名前20的關鍵詞可以看出，吸附法是地下水脫砷的一項重要技術手段，而含鐵礦物和納米材料則是應用于地下水中砷脫除的重要材料。

采用CiteSpace對所有關鍵詞進行聚類分析，結果表明，關鍵詞主要分為9類，分別為subterranean stream（地下流）、aqueous solution（水溶液）、drinking water supply（飲用水供應）、arsenic-contaminated water（砷污染水）、arsenic-contaminated groundwater（砷污染地下水）、kinetic study（動力學）、electrocoagulation process（電絮凝過程）、selective removal（選擇性去除）、natural siderite（天然菱鐵礦）。電絮凝法和天然菱鐵礦吸附法為2種應用較為廣泛的脫砷技術。針對電絮凝法的研究主要集中在對其反應器結構進行優(yōu)化，如Sik等[12]利用鐵球陰極氣供電絮凝反應器去除地下水中的砷，并對操作參數(shù)進行了優(yōu)化；Mohora等[13]探究了水平流連續(xù)電絮凝作為獨立工藝去除地下水中的砷；Castaneda等[14]研究了運用蛇形陳列上流式反應器電絮凝去除地下水中砷和水合二氧化硅。而天然菱鐵礦作為去除地下水中砷的基礎材料，被廣泛應用于制備各種形貌的過濾器填料，其不但對地下水中砷具有良好的吸附性能，而且具有實際應用價值[15-16]，因此天然菱鐵礦在近10年仍保持著一定的研究熱度。

表 4 2008—2020年出現(xiàn)頻次排名前20的地下水脫砷技術研究的關鍵詞Table 4 Keywords of groundwater arsenic removal technology with top 20 occurrences in 2008-2020

關鍵詞突現(xiàn)圖譜（表5）可以反映出研究熱點持續(xù)的狀況以及趨勢，表中藍色線條表示相應時段關鍵詞未出現(xiàn)，紅色線條表示相應時段關鍵詞出現(xiàn)。從表 5可以看出，zerovalent iron、hydroxide、Bangladesh、phosphate、alumina、carbonate等在2008年出現(xiàn)且經(jīng)過幾年后突現(xiàn)結束。值得關注的是那些到2020年仍出現(xiàn)的關鍵詞，其可以反映近年的熱點和發(fā)展趨勢，這些關鍵詞包括binary oxide（二元氧化物）、electrode（電極）、graphene oxide（石墨烯氧化物）、pollution（污染）、contaminant（污染物）、biochar（生物炭）、adsorptive removal（吸附去除）、health risk（健康風險）、risk assessment（風險評估）、response surface methodology（響應面法）、methylene blue（亞甲藍）、simultaneous removal（同時去除）、waste water（廢水）、nanocomposite（納米復合材料）。其中一些關鍵詞可以反映出現(xiàn)在的研究熱點，如利用二元氧化物、石墨烯氧化物、生物炭以及納米復合材料等作為脫砷材料，利用響應面法制成地下水脫砷的最佳材料等。Cheng等[17]開發(fā)了鐵錳二元氧化物濾料，發(fā)現(xiàn)其可以有效地去除 As（Ⅲ)；Wu等[18]利用Fe-Mn-Cu三元氧化物吸附劑（FMCTO），發(fā)現(xiàn)3 h時As(Ⅲ)去除率達到動態(tài)平衡，24 h時As (Ⅲ)去除率達到98.9%；Pal等[19]研究了一種新型氧化石墨烯納米復合材料，采用響應面優(yōu)化法確定了最佳操作條件，該模片成功地從受污染地下水中選擇性地去除了98.5%的砷。Chowdhury[20]等利用金屬有機框架-氧化石墨烯納米復合材料去除As(Ⅲ)，結果表明，這種納米復合材料對As(Ⅲ)的吸附能力高于原始的MIL-53(Al)和石墨烯氧化物。值得注意的是熱點關鍵詞simultaneous removal（同時去除），其表明除砷外，地下水中還存在其他目標污染物如鉻和氟等[21]，而各種目標污染物的共同去除及其在去除過程中拮抗和協(xié)同作用機制則成為近年來的熱點研究方向[22-28]。

表 5 2008—2020年地下水脫砷技術研究關鍵詞突現(xiàn)圖譜Table 5 Keywords of groundwater arsenic removal technology from 2008 to 2020

3 結論

（1）2008—2020年地下水脫砷技術研究的發(fā)文量總體呈上升趨勢，論文主要發(fā)表在Journal of Hazardous Materials、Water Research以及Chemical Engineering Journal等期刊上，主要發(fā)文機構為中國科學院、中國地質大學以及印度理工大學等高等院校。我國在該領域的研究處于領先地位，有8所研究機構躋身于發(fā)文量排名前20名，且中國科學院排名第1。

（2）從事地下水脫砷技術研究的主要人員為高校教師和碩士、博士研究生，其中最具影響力的為中國地質大學(武漢)的王焰新、中國地質大學(北京)的郭華明、印度理工學院的Mondal P。

（3）吸附和電絮凝技術是地下水脫砷的主流方法，鐵氧化物或零價鐵是常用的地下水脫砷材料，利用二元甚至多元氧化物、石墨烯氧化物、生物炭以及納米復合材料等作為脫砷材料是地下水脫砷技術研究的發(fā)展趨勢。