二氧化碳捕集研究進展的可視化分析*
——基于CiteSpace軟件與CNKI數據庫

邱明英 張藝峰 任樂 朱繁 徐繼法 張傳波

(中冶京誠工程技術有限公司冶金工程事業部,北京 100176)

0 引言

溫室氣體的過量排放是導致地球溫室效應加劇的元兇,其中,二氧化碳占人類活動排放溫室氣體總量的65%左右。我國CO2的排放主要集中在發電廠、水泥生產企業、鋼鐵工業以及石油和天然氣加工行業等大型固定源的化石燃料燃燒[1-4]。

從全流程角度出發,目前公認的能夠降低CO2的排放量主要有三種方案:一是提高能源利用率和轉換率來降低煤耗;二是調整能源布局,大力發展核能、風能、太陽能等低碳新能源;三是對排放的CO2進行回收、利用或者封存(CCUS)[5-7]。目前國內關于二氧化碳捕集領域的技術研究已取得長足進展,涉及跨學科、多領域的交叉,發文量持續增長,但從文獻計量角度研究其發展動態的報道較少[8,9],而基于Citation Space(簡稱CiteSpace,譯為“引文空間”)的二氧化碳捕集研究文獻可視化知識圖譜分析更少有報道。

CiteSpace是一款著眼于分析科學文獻中蘊含的潛在知識,并在科學計量學、數據和信息可視化背景下逐漸發展起來的多元、分時、動態的引文可視化分析軟件[10],在國內眾多領域均有應用[11-13]。本文就二氧化碳捕集領域的相關文獻進行全面調研,運用文獻計量學原理及方法,對收集到的文獻進行計量分析。

1 文獻來源與數據采集原則

文獻采集源為中文期刊全文數據庫——CNKI總庫,以主題“二氧化碳捕集”“二氧化碳吸收”“二氧化碳吸附”“二氧化碳分離”“CCS”“CCUS”為檢索項,匹配方式為精確匹配,同義詞擴展,檢索范圍為CSCD、CSSCI、北大核心、EI來源期刊,以更好地反映碳捕集技術研究進展,時間跨度為2000—2020年,共檢索到文獻題錄4936條,對檢索結果進行人工篩選、去重、刪除不相關、非學術性條目,最終整理得到2544篇相關文獻,運用Citespace軟件進行可視化統計分析。

2 結果與討論

2.1 文獻的年度分布

根據文獻計量學理論,按發表年代進行統計分析可從時間概念上了解該項研究的研究水平和發展程度。利用CNKI的計量可視化分析功能,生成文獻的年度分布圖,見圖1。

從發文趨勢上看,整體趨勢呈先上升后下降的態勢,2005年政府將碳減排列入了國家發展戰略,CCS技術被編入《國家中長期科技發展規劃綱要(2006—2020)》,從而引起學術界的廣泛關注,掀起了研究熱潮,發文量迅速遞增。此后,2013年科技部出臺《國家“十二五”碳捕集、利用與封存(CCUS)科技發展專項規劃,在2014、2015年論文數量又創新高后,論文數量逐漸回落,但仍維持150篇/年的熱度。

2.2 文獻的作者分布

學者的所發論文的發文量及學者間的合作關系能夠在一定程度上反映學者的學術水平、研究熱度[10],與主題相關的研究學者分布圖見圖2,從圖譜中節點之間的連線較少,顯示著本領域大部分作者之間的合作不緊密,僅小部分學者相互合作比較緊密,調查背景后發現合作關系大部分局限于同一所高校、同一課題組,具體呈現是師生聯合與同事聯合,主要類型以人脈中的“學緣”關系為主,鮮有以跨區域、跨學校的“地緣”聯合。另外,通過節點的大小,可清晰辨別該作者在本領域的貢獻,發文量前五的作者有:陸詩建(被引頻次,251),李琦(被引頻次,121),張衛風(被引頻次,126),方夢祥(被引頻次,437),鄭楚光(被引頻次,126),張建(被引頻次,208)。通過各高校網址對發文量前幾名的研究主題做初步分析,發現各學者之間的研究側重方向各有不同,說明我國的CO2捕集領域已進入研究高峰期,研究點全面開花。

圖1 發文趨勢圖Fig.1 Posting trend graph

2.3 文獻的機構分布

圖3為各個主要機構間的合作關系,節點大小代表發文數量,網絡中的連線表示機構間的合作關系,線寬代表合作強度。機構連線較為分散,沒有機構處于合作網絡圖譜的中心位置,除中國石油大學(華東)與中石化節能環保工程科技有限公司、北京化工大學與清華大學、上海理工大學與東華大學存在一定程度的合作關系,其他機構,如浙江大學、中國礦業大學、四川大學、昆明理工大學均處于高校內部自我結合發展階段,與外部尚無合作關系。近十年來,我國陸續投運了多個二氧化碳捕集示范工程—例如華能北京高碑店熱電廠二氧化碳捕集示范工程、華能上海石洞口第二電廠碳捕集項目、中電投重慶合川雙槐電廠的碳捕集項目[14],但參與項目的相關企業機構發文量較少,可以從側面推測,該研究領域技術的成果轉化尚未完全成熟,可能在投資成本、運行成本等方面能存在一定問題,尚未形成市場熱點,大規模全面推廣仍需要較大的技術革新或環保政策的大力支持。

2.4 關鍵詞聚類分析

圖2 重要研究作者間的合作關系Fig.2 ooperative relationship among important research authors

利用關鍵詞詞頻分析可以從尋找二氧化碳捕集技術的研究趨勢,反映出該研究的熱點和弱項。通過篩選、合并、剔除同義詞等數據清洗方式,利用Citespace繪制關鍵詞共現知識圖譜,進一步得到關鍵詞頻次及中心性,見表1。出現頻次較高的二氧化碳、CO2、吸附、吸收、二氧化碳捕集、CCUS、離子液體、n-甲基二乙醇胺、乙醇胺、分離、活性炭、燃煤電廠、煙道氣等。中心性表示關鍵詞在所有關鍵詞中的地位,中心性越高,越占主導地位[7]。可以發現,頻次越高的關鍵詞,中心性也較高,但頻次與中心性并不是一一對應的,一些詞頻較低的關鍵詞反而中心性較大,說明它們關注的是同一個問題或同一領域的問題,在同一篇文章中與其他關鍵詞共現的概率較大。

表1 關鍵詞頻次及中心性Tab.1 Keyword frequency and centrality

為進一步對該研究領域有一個整體全面的認知,對上述高頻關鍵詞進行對數似然算法(LLR)聚類分析,得到聚類知識圖譜,見圖4。模塊值Modularity Q=0.6946,意味著聚類結構顯著,平均輪廓值Mean S=0.5998,說明聚類是合理的,這意味著這一共被引聚類可以清楚的界定出science mapping的各個子領域。聚類分析的結果為:CO2吸附、CCS、甲醇、MDEA、復合胺溶液、光催化、羥乙基二乙胺、活性炭、吸附等溫線、氣體分離、離子液體、回收、介孔SiO2、溫室氣體、煤炭地下氣化。通過對聚類信息進一步整理,大致歸納出以下5個研究熱點:(1)新型吸附劑,包括CO2吸附、活性炭、吸附等溫線,(2)新型吸收劑,包括復合胺溶液、MEDA、離子液體、羥乙基二乙胺等;(3)CCUS,包括CCS、回收等;(4)催化與合成,包括光催化、介孔SiO2、溫室氣體、甲醇等;(5)煤炭地下氣化。

圖3 重要研究機構間的合作關系Fig.3 Cooperative relationship among important research institutions

圖4 關鍵詞聚類知識圖譜Fig.4 Keyword clustering knowledge map

圖5 近20年來的突顯關鍵詞Fig.5 Highlighted keywords in the past 20 years

圖5展示了近20年來的突顯關鍵詞,其中突顯強度較高的關鍵詞依次為變壓吸附、氣候變化、氨水、聚乙烯亞胺、吸收、CO2吸附,二氧化碳捕集、吸附劑、中空纖維膜等,代表著研究方向發生新的分類:以2010年為界,研究熱度逐漸從關注單一的變壓吸附分離CO2、回收其他能源氣體,轉變到關注CO2捕集再利用。二十年間產生了多個熱點,如2010年以來吸附工藝研究熱度遞減,研究熱度轉向液體吸收工藝,產生了氨水、聚乙烯亞胺、解吸、改性等關鍵詞,2015年以來,吸附工藝研究又重新成為主流,關注點變為新型材料,產生了吸附劑、多孔材料等關鍵詞,期間又產生了另一個新的研究熱點,膜分離,代表關鍵詞為:中空纖維膜。

3 結論

本文借助CiteSpace軟件對二氧化碳捕集技術研究的文獻進行了可視化計量分析,并從發文數量、作者、機構、關鍵詞、研究主題及演進方面進行梳理,得到如下結論:

(1)從發文數量上看,整體趨勢呈先上升后下降的態勢,在2014、2015年論文數量達到巔峰,近三年有所回落但仍維持150篇/年的熱度。

(2)從研究機構、作者來看,國內高校關于二氧化碳捕集技術研究的團隊主要聚集在中國石油大學(華東)、清華大學、中國礦業大學、東南大學、浙江大學,但研究機構分散,作者之間的聯系不緊密,大多數合作以“學緣”為主。

(3)從關鍵詞聚類圖譜看,研究主要集中在吸收、吸附為主,均側重新型材料的改性與研發等方面。

(4)從關鍵詞時區知識圖譜看,近十年,學者關注熱點由吸附工藝轉向液體吸收工藝,高頻關鍵詞不斷更迭,氨水、聚乙烯亞胺、解吸、改性等高頻出現;期間又產生了新的研究熱點,膜分離。