石樂琪，郭莉，呂晨陽，杜冬云*

1.中南民族大學(xué), 湖北省重金屬污染防治工程技術(shù)研究中心

2.中南民族大學(xué), 催化轉(zhuǎn)化與能源材料化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

全球地下水砷污染問題受到越來越多的關(guān)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(duì)地方人群健康造成嚴(yán)重的威脅[1]。并且在全球范圍內(nèi)，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(duì)輕的優(yōu)勢(shì)，但是一旦被污染就存在著持久性、隱蔽性、復(fù)雜性和難治理的問題，近年來地下水脫砷技術(shù)研究受到較多關(guān)注。

目前，已有學(xué)者綜述了地下水中砷脫除技術(shù)相關(guān)的研究工作。如Alka等[3]總結(jié)分析了地下水中砷對(duì)環(huán)境的毒性、造成的健康危害及去除技術(shù)，Ghosh等[4]對(duì)地下水砷修復(fù)的技術(shù)、去除機(jī)理、成本效益及可持續(xù)性進(jìn)行了綜述，Siddiq等[5]則圍繞以生物炭為基質(zhì)的除砷材料的制備及其對(duì)地下水中砷的吸附性能的相關(guān)研究進(jìn)行了綜述。雖然以上綜述對(duì)地下水脫砷技術(shù)的研究進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納和展望，但隨著國內(nèi)外有關(guān)地下水中砷脫除技術(shù)的研究論文數(shù)量逐年增多，有必要對(duì)近10多年發(fā)表的相關(guān)學(xué)術(shù)論文進(jìn)行系統(tǒng)地統(tǒng)計(jì)和分析，從而明確地下水脫砷技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是以文獻(xiàn)體系和文獻(xiàn)計(jì)量特征為研究對(duì)象，采用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等計(jì)量研究方法，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行量化分析得出某些特征和規(guī)律的方法，應(yīng)用計(jì)量學(xué)軟件得到的可視化圖譜可以清晰地揭示某一研究領(lǐng)域的研究歷史、現(xiàn)狀以及輔助預(yù)判研究趨勢(shì)。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(shì)，筆者采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的方法，對(duì)Web of Science（WoS）數(shù)據(jù)庫中有關(guān)地下水脫砷技術(shù)的論文從發(fā)文量、發(fā)文機(jī)構(gòu)、發(fā)文期刊、發(fā)文作者以及論文關(guān)鍵詞等方面進(jìn)行量化分析，從而客觀地揭示該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，以期為后續(xù)地下水脫砷技術(shù)的研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與統(tǒng)計(jì)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(xiàn)綜述、會(huì)議論文摘要、會(huì)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(chǔ)數(shù)據(jù)。按照文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)理論及操作步驟，并借助Excel、CiteSpace軟件，統(tǒng)計(jì)分析地下水脫砷技術(shù)的論文，得出發(fā)文量、發(fā)文期刊、主要發(fā)文機(jī)構(gòu)、發(fā)文作者以及研究熱點(diǎn)等信息，并以此判斷未來研究趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 近13年發(fā)文量

發(fā)文量反映該領(lǐng)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(shù)研究發(fā)文量總體呈上升趨勢(shì)。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(guān)注地下水脫砷技術(shù)研究，從而使發(fā)文量呈逐年上升趨勢(shì)[7]；另一方面，據(jù)估計(jì)全球有近108個(gè)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(fēng)險(xiǎn)[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(yán)重。根據(jù)《2018中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》[9]，我國10 168個(gè)國家級(jí)地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，Ⅰ類～Ⅲ類水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)僅占13.8%，個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)還存在鉛、鋅、砷、汞、六價(jià)鉻和鎘等嚴(yán)重影響人類生產(chǎn)生活的重（類）金屬超標(biāo)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(dǎo)致地下水脫砷技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)研究的主力國家，一定程度上影響發(fā)文量的總體增長(zhǎng)趨勢(shì)。根據(jù)表1可知，中國和印度對(duì)2019年發(fā)文量貢獻(xiàn)最大，這與其爆發(fā)式增長(zhǎng)密切相關(guān)，其中印度發(fā)文量的急劇增長(zhǎng)可能與2019年印度面臨史上最嚴(yán)重的缺水危機(jī)，而地下水是印度不可或缺的關(guān)鍵水源，使得對(duì)地下水污染問題更為重視有關(guān)[10]。我國發(fā)文量的增長(zhǎng)與2019年《水污染防治行動(dòng)計(jì)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(duì)地下水脫砷技術(shù)的廣泛關(guān)注并開展了大量研究有關(guān)。另外，《2016中國環(huán)境狀況公報(bào)》[11]指出我國地下水水質(zhì)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(jié)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(xué)科網(wǎng)學(xué)科類別3個(gè)方面統(tǒng)計(jì)了2008—2020年發(fā)文量排名前10的期刊，其合計(jì)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(shù)方面的論文發(fā)表在具有較高學(xué)術(shù)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(shù)受到了多學(xué)科領(lǐng)域研究者的關(guān)注。

表 2 2008—2020年地下水脫砷技術(shù)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(jī)構(gòu)

以“arsenic removal from groundwater”為主題檢索文章所屬的機(jī)構(gòu)共有1 508所。2008—2020年地下水脫砷技術(shù)方面發(fā)文量排名前20的發(fā)文機(jī)構(gòu)如表3所示。由表3可知，發(fā)文量排名前20的發(fā)文機(jī)構(gòu)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(hù)局外均為高等院校，說明高等院校為地下水脫砷技術(shù)研究的主力軍。發(fā)文量排名第1的是中國科學(xué)院，達(dá)83篇，占總發(fā)文量的5.53%；其次是中國地質(zhì)大學(xué)、印度理工學(xué)院和同濟(jì)大學(xué)，發(fā)文量分別為52、46、23篇，這些機(jī)構(gòu)是地下水脫砷技術(shù)的主力研究機(jī)構(gòu)。

由CiteSpace生成的機(jī)構(gòu)圖譜可以得到研究機(jī)構(gòu)在不同時(shí)段的發(fā)文情況，其中生成的圓圈越大說明該機(jī)構(gòu)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(shù)研究機(jī)構(gòu)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(xué)院發(fā)文量最多，且其發(fā)文年限貫穿整個(gè)2008—2020年；其次為中國地質(zhì)大學(xué)和印度理工大學(xué)，這2所大學(xué)同樣研究年限較長(zhǎng)。有些機(jī)構(gòu)則只在某一年或少數(shù)幾年對(duì)地下水脫砷技術(shù)進(jìn)行了研究并且發(fā)表相關(guān)研究論文，一方面可能是由于新學(xué)者的加入，另一方面可能是在研究過程中需要與其他機(jī)構(gòu)的技術(shù)或者學(xué)者進(jìn)行合作。不同機(jī)構(gòu)之間同樣也存在著一定的合作關(guān)系，如中國科學(xué)院和中國地質(zhì)大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)都存在著合作關(guān)系，且都是在該領(lǐng)域投入關(guān)注較多的機(jī)構(gòu)，其合作研究促進(jìn)了脫砷技術(shù)水平的提升〔圖2(b)〕。

圖 2 2008—2020年地下水脫砷技術(shù)研究機(jī)構(gòu)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(shù)研究發(fā)文量排名前20的發(fā)文機(jī)構(gòu)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(duì)于主要發(fā)文作者的統(tǒng)計(jì)分析表明，共有4 875人次在 WoS發(fā)表了地下水脫砷技術(shù)相關(guān)的論文。對(duì)作者進(jìn)行分析可知，高校教師和碩士、博士研究生形成的研究團(tuán)隊(duì)成為地下水脫砷技術(shù)研究的核心力量。2008—2020年地下水脫砷技術(shù)研究相關(guān)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(zhì)大學(xué)（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(xué)者，達(dá)23篇；其次是中國地質(zhì)大學(xué)(北京)的郭華明（Guo H M）、印度理工學(xué)院的Mondal P以及印度理工學(xué)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(guān)系，如中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）的王焰新、錢坤、謝先軍在該領(lǐng)域存在團(tuán)隊(duì)合作關(guān)系，中國科學(xué)院曲久輝、趙旭在該領(lǐng)域有合作且合作時(shí)間集中在2008—2013年；庫爾德斯坦大學(xué)的Maleki A、Mckay G是該領(lǐng)域新興研究團(tuán)隊(duì)，其發(fā)文量主要集中在2019—2020年。綜上，地下水脫砷技術(shù)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(shù)研究相關(guān)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(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

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

采用CiteSpace對(duì)所有關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明，關(guān)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(yīng)）、arsenic-contaminated water（砷污染水）、arsenic-contaminated groundwater（砷污染地下水）、kinetic study（動(dòng)力學(xué)）、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(yīng)用較為廣泛的脫砷技術(shù)。針對(duì)電絮凝法的研究主要集中在對(duì)其反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如Sik等[12]利用鐵球陰極氣供電絮凝反應(yīng)器去除地下水中的砷，并對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；Mohora等[13]探究了水平流連續(xù)電絮凝作為獨(dú)立工藝去除地下水中的砷；Castaneda等[14]研究了運(yùn)用蛇形陳列上流式反應(yīng)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(chǔ)材料，被廣泛應(yīng)用于制備各種形貌的過濾器填料，其不但對(duì)地下水中砷具有良好的吸附性能，而且具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(shù)研究的關(guān)鍵詞Table 4 Keywords of groundwater arsenic removal technology with top 20 occurrences in 2008-2020

關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖譜（表5）可以反映出研究熱點(diǎn)持續(xù)的狀況以及趨勢(shì)，表中藍(lán)色線條表示相應(yīng)時(shí)段關(guān)鍵詞未出現(xiàn)，紅色線條表示相應(yīng)時(shí)段關(guān)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(jié)束。值得關(guān)注的是那些到2020年仍出現(xiàn)的關(guān)鍵詞，其可以反映近年的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，這些關(guān)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(fēng)險(xiǎn)）、risk assessment（風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估）、response surface methodology（響應(yīng)面法）、methylene blue（亞甲藍(lán)）、simultaneous removal（同時(shí)去除）、waste water（廢水）、nanocomposite（納米復(fù)合材料）。其中一些關(guān)鍵詞可以反映出現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)，如利用二元氧化物、石墨烯氧化物、生物炭以及納米復(fù)合材料等作為脫砷材料，利用響應(yīng)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(shí)As(Ⅲ)去除率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，24 h時(shí)As (Ⅲ)去除率達(dá)到98.9%；Pal等[19]研究了一種新型氧化石墨烯納米復(fù)合材料，采用響應(yīng)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(jī)框架-氧化石墨烯納米復(fù)合材料去除As(Ⅲ)，結(jié)果表明，這種納米復(fù)合材料對(duì)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(diǎn)關(guān)鍵詞simultaneous removal（同時(shí)去除），其表明除砷外，地下水中還存在其他目標(biāo)污染物如鉻和氟等[21]，而各種目標(biāo)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(jī)制則成為近年來的熱點(diǎn)研究方向[22-28]。

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

3 結(jié)論

（1）2008—2020年地下水脫砷技術(shù)研究的發(fā)文量總體呈上升趨勢(shì)，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(jī)構(gòu)為中國科學(xué)院、中國地質(zhì)大學(xué)以及印度理工大學(xué)等高等院校。我國在該領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位，有8所研究機(jī)構(gòu)躋身于發(fā)文量排名前20名，且中國科學(xué)院排名第1。

（2）從事地下水脫砷技術(shù)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(zhì)大學(xué)(武漢)的王焰新、中國地質(zhì)大學(xué)(北京)的郭華明、印度理工學(xué)院的Mondal P。

（3）吸附和電絮凝技術(shù)是地下水脫砷的主流方法，鐵氧化物或零價(jià)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(fù)合材料等作為脫砷材料是地下水脫砷技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)。