基于Citespace軟件的磁性生物炭進(jìn)展研究

盧 偉，王筱嬌，懷陽(yáng)陽(yáng)，楊 麗

（1.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林長(zhǎng)春 130000；2.遼源市重點(diǎn)流域污染治理推進(jìn)服務(wù)中心，吉林遼源 136200）

1 研究背景

當(dāng)前，全球約有超過70%表面被水覆蓋，但是只有少部分的水資源是可以供人們使用的。更讓人擔(dān)心的是，這些可用的水資源也受到了污染和毀壞。在眾多水處理方法中，生物炭由于具有多孔結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)優(yōu)良、比表面積大而且含有豐富的礦物組成及表面官能團(tuán)等特點(diǎn)[1]，備受研究人員的青睞。但是，由于顆粒尺寸較小、密度較低、不易在水中進(jìn)行分離的缺點(diǎn)[2]，其在水中的應(yīng)用受到了一定的限制，同時(shí)也存在著難以回收、再生的問題，這是當(dāng)前學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)和研究方向。通過前人研究發(fā)現(xiàn)，利用生物炭與磁性材料相結(jié)合，賦予生物炭磁性，制備出新型磁性生物炭是解決生物炭上述缺點(diǎn)的有效方法。通過文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)數(shù)據(jù)歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)磁性生物炭材料在污水處理方面的應(yīng)用發(fā)展迅速，對(duì)水環(huán)境方面的修復(fù)有著重要意義。本文運(yùn)用Citespace 和RStuudio 軟件，對(duì)2008—2022年Web of Science（WoS）核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)中收錄的磁性生物炭材料相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行全面梳理，清晰直觀地表現(xiàn)出該領(lǐng)域內(nèi)的研究趨勢(shì)和現(xiàn)狀，以為未來(lái)磁性生物炭材料研究提供參考。

2 數(shù)據(jù)采集與分析

在本研究中，使用CiteSpace 軟件和RStudio 檢索數(shù)據(jù)進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和總結(jié)，以清晰地顯示研究趨勢(shì)，于2022年6月5日搜索了科學(xué)網(wǎng)（WoS）數(shù)據(jù)庫(kù)。為了找到與磁性生物炭材料相關(guān)的文章，搜索詞為“Magnetic biochar”。通過精簡(jiǎn)，檢索了2008—2022年出版的出版物，共檢索了1 214篇文章。CiteSpace（5.8.R3 http：//127.0.0.1：4930/）用于廢水處理領(lǐng)域中磁性生物炭的文獻(xiàn)計(jì)量分析。使用RStudio 從結(jié)構(gòu)和時(shí)間層面分析從WoS檢索的數(shù)據(jù)。所選1 214篇文章的數(shù)均以純文本文件格式從WoS 數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)出，然后將導(dǎo)出的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺iteSpace 和RStudio 以繪制相關(guān)性圖進(jìn)行歸納和總結(jié)，最后用于文獻(xiàn)計(jì)量分析。

3 結(jié)果分析

3.1 年度出版物數(shù)量分析

如圖1所示，磁性生物炭的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，發(fā)表的文獻(xiàn)總量明顯地呈現(xiàn)出了不同階段?？梢郧宄乜闯觯判陨锾窟@一主題從2008年開始引起關(guān)注，2008—2016年，論文數(shù)量呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)期，出版物數(shù)量逐漸增加。2017年，發(fā)表論文數(shù)量從46篇增加到90篇，比2016年增加了近一倍，出版物數(shù)量快速增長(zhǎng)。2017—2021年出版物數(shù)量處于快速增長(zhǎng)期，于2021年達(dá)到頂峰。由此可知學(xué)術(shù)界對(duì)磁性生物炭的研究給予了最高關(guān)注。

圖1 年度出版物數(shù)量

3.2 前10名期刊分析

從表1 可以看出，排名前三的期刊依次為《總環(huán)境科學(xué)》《生物資源技術(shù)》《化學(xué)層》，這三大期刊影響因子頗高。在前10名期刊上發(fā)表的文章總數(shù)為41.9%，不到50%，這表明文獻(xiàn)分布相對(duì)分散，研究成果并不集中在少數(shù)期刊上。其中H 指數(shù)是評(píng)價(jià)學(xué)術(shù)成就和影響力的指標(biāo)，能夠準(zhǔn)確地反映相應(yīng)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)成就和影響力。前10名期刊的平均影響因子為23.3，有些期刊的影響因子甚至超過了25。例如，《生物資源技術(shù)》《化學(xué)層》《化學(xué)工程雜志》和《總環(huán)境科學(xué)》的影響因子分別為44、27、33和30。表明磁性生物炭在水處理中的應(yīng)用研究受到了高水平期刊的重視和青睞。

表1 前10名期刊

3.3 作者共被引分析

為了評(píng)估質(zhì)量，文章被引用的次數(shù)被用來(lái)反映作者的學(xué)術(shù)影響力。文章被引用的次數(shù)越多，其價(jià)值越高，對(duì)磁性生物炭領(lǐng)域的貢獻(xiàn)也越大。根據(jù)圖2，RStudio 用于分析研究人員在磁性生物炭領(lǐng)域發(fā)表的文章。圓圈面積越大，顏色越深，文章的引用頻率越高，學(xué)術(shù)影響力越重要。

圖2 作者共被引分析

在本文中， Gao Bin 的影響最為突出，最具影響力的文章是關(guān)于磁性生物炭除砷的研究，兩篇文章被引用頻次均高于400多次。如，Gao課題組[3]描述了用氯化鐵處理的生物質(zhì)熱解制備的磁性生物炭吸附劑。研究發(fā)現(xiàn)，Langmuir對(duì)As（v）的最大吸附容量為3 147 mg/kg，該吸附劑的最大吸附容量與許多商業(yè)吸附劑相當(dāng)，可作為水處理中高效吸附和去除砷的材料。為了更好地研究磁性，從磁滯曲線觀察到，生物炭/c-Fe2O3的矯頑力場(chǎng)為34.1O e，飽和磁化強(qiáng)度為69.2 emu/g，這與純c-Fe2O3材料的磁性（76.0 emu/g）非常接近，表明復(fù)合材料可能含有其他磁性物質(zhì)，這對(duì)于使用后方便回收充滿污染物的生物炭/c-Fe2O3吸附劑至關(guān)重要。

3.4 關(guān)鍵詞趨勢(shì)分析

使用RStudio 觀察關(guān)鍵詞趨勢(shì)分析可以識(shí)別研究周期中的前沿?zé)狳c(diǎn)問題。從文獻(xiàn)中提取高頻關(guān)鍵詞，并進(jìn)行趨勢(shì)分析。通過這種方式，可以清楚觀察到關(guān)鍵詞之間的相關(guān)性和時(shí)間線關(guān)系，體現(xiàn)出研究思路的趨勢(shì)。文章的關(guān)鍵詞代表了研究的主要思想。關(guān)鍵詞突出是指在一定時(shí)間段內(nèi)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率的快速增加，有助于跟蹤特定時(shí)間段內(nèi)的研究熱點(diǎn)和新趨勢(shì)。關(guān)鍵詞集群如圖3所示，橫軸是時(shí)間線，縱軸是關(guān)鍵詞。每個(gè)關(guān)鍵詞延伸出一條直線，代表的是該關(guān)鍵詞在這一時(shí)間切片中的發(fā)展趨勢(shì)，每條直線中都有一節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)越大該關(guān)鍵詞在此時(shí)間線中凸顯強(qiáng)度越高。圖3中紅圈代表調(diào)查生物炭來(lái)源的文章，包括理論描述、影響因素和缺點(diǎn)。藍(lán)色圓圈代表關(guān)注吸附過程的文章，包括吸附技術(shù)。數(shù)據(jù)幾種顏色最深的關(guān)鍵詞分別是：水、生物炭、廢水、去除、水溶液、吸附劑、動(dòng)力學(xué)、生物質(zhì)、碳熱解、重金屬、磁性生物炭。

圖3 關(guān)鍵詞趨勢(shì)分析

早期研究的主要趨勢(shì)是探索黑炭（BC，現(xiàn)在稱為生物炭）的氧化機(jī)制和相關(guān)分子的影響[4]。隨后主要的研究方向是賦予生物炭磁性以制備磁性生物炭，觀察熱解溫度對(duì)磁性生物炭的影響，分析磁性生物炭與非磁性生物炭相比的優(yōu)勢(shì)，尋找可回收的生物炭。例如Kwapinsk 等[6]發(fā)現(xiàn)了生物炭的長(zhǎng)期前景和需要解決的問題，并發(fā)現(xiàn)生物炭具有廣泛的用途。生物炭產(chǎn)品通常被氣化以提供能量，或用于高價(jià)值產(chǎn)品，如活性炭等。隨后主要的研究方向是賦予生物炭磁性以制備磁性生物炭，觀察熱解溫度對(duì)磁性生物炭的影響，分析磁性生物炭與非磁性生物炭相比的優(yōu)勢(shì)，尋找可回收的生物炭。例如，Brewer，CE 等[7]對(duì)生物質(zhì)熱解的熱化學(xué)進(jìn)行了深入研究，以生產(chǎn)用于吸附的生物炭。實(shí)驗(yàn)對(duì)柳草和玉米秸稈進(jìn)行了快速熱解和氣化，發(fā)現(xiàn)灰分含量高，大部分是二氧化硅。結(jié)果表明，生物質(zhì)熱解生產(chǎn)的生物炭具有巨大的資源潛力。目前研究方向是探索不同類型污染物的去除、影響磁性生物炭吸附效果的因素和去除率。如Zhang 等[8]利用殼聚糖改性磁性生物炭（CMB）用于去除廢水中重金屬六價(jià)鉻。分析了動(dòng)力學(xué)和其他相關(guān)因素對(duì)吸附過程的影響。結(jié)果表明，吸附過程受水溶液pH 的影響。當(dāng)pH 為2時(shí)達(dá)到最大吸附容量，在20℃、30℃和40℃下獲得的最大吸附容量分別為139.21 mg/g、154.37 mg/g 和164.71 mg/g。可見磁性生物炭領(lǐng)域正不斷走向成熟，技術(shù)和方法更加完善。

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外關(guān)于磁性生物炭研究的出版物揭示了三個(gè)階段。2008—2016年是探索的初始階段，文章側(cè)重于探索新型處理水中污染物的吸附劑。2016—2021年是一個(gè)研究階段，文章探索了使用低成本農(nóng)業(yè)廢棄物原料來(lái)改性生物炭并賦予生物磁性以治理水環(huán)境。在第三階段，從2021—2022年，在先前工作的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)用技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和表征。更常見的關(guān)鍵詞是吸附和磁性。繼續(xù)研究的重點(diǎn)是選擇合適的磁性生物炭應(yīng)用的原材料，探索賦予生物炭磁性響應(yīng)的不同方式。目前，磁性生物炭是通過化學(xué)沉淀、球磨法及相關(guān)技術(shù)制備的，用于去除水中的污染物。如重金屬、有機(jī)污染物和無(wú)機(jī)污染物等。未來(lái)的研究將繼續(xù)改進(jìn)制備和改良方法，以提高去除效率，改善水質(zhì)。