基于文献计量学方法剖析磷石膏研究及进展

2021-04-07郭卫广罗大鹏

磷肥与复肥 2021年1期

侯江，郭卫广，雍毅，罗大鹏，吴怡

（四川省生态环境科学研究院，四川成都 610041）

磷石膏是湿法磷酸生产中产生的固体废渣，其主要成分为二水硫酸钙（质量分数在90%左右），每生产磷酸1 t 可产生磷石膏4.8 ～5.0 t［1］。目前，我国磷石膏的总库存量约5 亿t，每年仍产生磷石膏约7 000万t。国内磷石膏产生量排名前5的省份分别是湖北、云南、贵州、四川和安徽，其磷石膏产生量占全国总产生量的85%以上［2］。磷石膏露天堆存仍然是处置的主要方式，不仅占用土地，且其中的可溶性磷、氟及重金属易造成土壤、水体及大气污染［3］。

2019 年8 月，国家生态环境部通报长江经济带“三磷”专项排查结果，7 省（市）692 家“三磷”企业（矿、库）中有276 家存在生态环境问题，占比约39.9%。其中，磷石膏库的问题最为突出，50%以上的磷石膏库存在环境隐患，主要原因是历史遗留的磷石膏非规范化堆积以及磷石膏的综合利用率较低。

随着磷石膏堆场环境问题的日益突出，国内磷石膏相关研究呈现爆发式增长，但大多集中在磷石膏理化性质［4-5］、磷石膏堆体污染治理［6-8］、磷石膏清洁生产技术［9-11］、磷石膏综合利用［12-15］等实验研究和政策研究上，对于磷石膏的文献计量学研究较少，且对磷石膏研究历程及未来趋势、热点的相关研究几乎没有。笔者采用文献计量学方法，对中国知网数据库（CNKI）中以磷石膏为主题的文献进行统计定量分析，为后续进行磷石膏研究的相关学者提供方向参考。

1 数据来源

研究数据主要来自于中国知网（CNKI）。以磷石膏为主题对1956—2019 年（共计64 年）文献进行检索，共检索到相关文献6 482 篇，其中中文文献5 011 篇，英文文献1 471 篇。按照文献类型分类：期刊论文5 546篇，博士论文68篇，硕士论文478篇，会议论文248篇，报纸新闻66篇，图书76部。

2 研究方法

笔者采用文献计量学方法，结合地理信息系统（GIS）、文献统计分析软件（Citespace）和数据分析软件（Origin）对磷石膏相关研究文献进行研究热点及趋势分析。文献计量学作为文献统计分析的主流方法，以数学与统计学方法为依托，相关信息材料为对象，通过数量统计与分析，对样本所呈现的数量特征进行描述，由此评价样本在某一阶段的发展历程［16-17］。文献计量学方法已被应用于高校科研水平评价、期刊水平评价、文献综合指数评价、各学科领域的论文统计及发展趋势分析等［18-19］。

3 结果与分析

文献的年度趋势分析、区域分布、研究机构分析、期刊来源分析、关键词分析是衡量科研成果的5项重要指标，特别是关键词分析能够对本领域的研究历程进行综述，并对未来研究趋势进行预测［20］。

3.1 年度趋势分析

图1 1956—2019年CNKI收录磷石膏相关研究文献量变化

1956—2019 年CNKI 收录磷石膏相关研究文献量变化见图1。磷石膏相关文献研究发展历程共分为3个阶段：1956—1981年为研究起步阶段，每年发表文献数量在10 篇以下，该时期国内各项研究受到环境制约，基本都处于起步摸索阶段；1982—1995 年为缓慢发展期，每年发表文献数量呈现较快增长，但年发表量仍保持在100篇以内；1996—2019 年为快速发展期，发文量呈线性快速增长趋势，14 年间发文量达到5 779 篇，占总发文量的89.2%，此阶段外文文献也呈现快速增长趋势。

3.2 研究区域分布

将CNKI 的检索结果按研究地区在地图上标注，并将文献发表数量进行赋值，然后导入GIS软件中，采用反距离插值等工具进行研究区域集聚状态和热点分析。研究发现，我国磷石膏相关研究主要集中在云南、贵州、湖北、四川4个省份，文献发表量分别为852篇、783篇、702篇和630篇。这4 省为我国最重要的磷矿资源地和磷化工聚集区，磷矿石总产量约占全国的73%，磷化工产业相应较为发达，磷石膏的产生和堆存量也居于全国前列。其他研究区域主要为山东省（259 篇）、江苏省（255篇）、北京市（220篇）、重庆市（214篇）、湖南省（144篇）、安徽省（113篇）等。

3.3 研究机构分析

在CNKI 中，对1956—2019 年以磷石膏为主题的文献进行检索统计分析，文献发表量前20 的单位见表1。由表1 可知，文献发表量靠前的单位主要为以学术研究为主的大学。

表1 磷石膏相关研究机构文献发表量

3.4 期刊来源分析

1956—2019 年出版的磷石膏相关期刊论文，发表于北京大学《中文核心期刊要目总览》来源期刊（以下简称北大中文核心期刊）共计1 219 篇，EI 来源期刊150篇，SCI 来源期刊29篇。刊载磷石膏类相关文献较多的期刊见图2。

图2 刊载磷石膏类研究的主要期刊相关文献发表量对比

3.5 关键词分析

在CNKI 中以磷石膏为主题进行文献检索，将中文文献以Refworks 格式导出，并导入CiteSpace软件进行关键词聚类分析，得出磷石膏研究相关文献关键词知识网络图谱，图谱以关键词“磷石膏”和“综合利用”为中心呈双中心辐射结构。在中文文献关键词出现频次分析中，除了“磷石膏”以外，“综合利用”成为出现频次最高的关键词，其他高频关键词依次为“水泥”、“粉煤灰”、“湿法磷酸”、“土壤改良剂”、“联产水泥”、“硫酸”、“水泥缓凝剂”、“硫酸钙晶须”、“半水石膏”、“资源化利用”、“硫酸钾”、“建筑石膏”、“堆场”、“α-半水石膏”、“制砖”、“砌块”等。大部分关键词和“综合利用”同时出现的频次都比较高。可见在中文文献中磷石膏综合利用是该领域的研究热点，而磷石膏制硫酸联产水泥、水泥缓凝剂、半水石膏、纸面石膏板、建筑石膏、石膏砌块和制砖是磷石膏综合利用重要的研究方向。

将CNKI 中中文文献主要关键词进行分年统计，使用Origin绘图分析软件进行关键词频次趋势分析，如图3 所示。由图3 可知，从1996 年开始，各个关键词出现频次都呈现较大数量增长。

磷石膏相关中文文献中，1963 年关键词“联产水泥”首次出现，主要介绍欧洲各国高度关注磷石膏污染及资源化问题，开始将磷石膏制硫酸联产水泥进行工业化；1977 年首次出现文献报道，国内开始磷石膏制硫酸联产水泥基础实验研究；1983年文献开始报道国内磷石膏制硫酸联产水泥工业化测试研究；1995—2000 年出现第一次相关研究热潮，主要集中在机制和工业工艺设计优化研究；2005—2015 年出现持续性大量研究，为研究爆发期，包含磷石膏制硫酸联产水泥的机制研究、新工艺研究、政策研究等；2015—2018 年，相关研究文献逐渐减少，主要集中在文献综述和政策建议研究等。

图3 磷石膏相关关键词频次年度趋势

磷石膏相关中文文献中，关键词“水泥缓凝剂”最早出现在1978 年，从1999 年开始出现持续大量研究，至今仍为研究热点。从最初的磷石膏直接作为水泥缓凝剂研究，到磷石膏预处理后作为水泥缓凝剂研究，再到磷石膏的新型改性研究，使磷石膏制作水泥缓凝剂的工艺更加成熟，水泥产品质量更加可靠。

磷石膏相关中文文献中，关键词“半水石膏”最早出现在1975 年，从2010 年开始出现持续大量研究，且逐年增加，2019 年相关文献发表量最多，为当前研究热点。半水石膏研究热点也从磷石膏制备半水石膏试验研究、半水石膏转晶剂条件测试研究、半水石膏结晶机制研究转向α-半水石膏不同生产工艺研究、半水石膏工业化生产研究、高品质高强度半水石膏的研制与应用研究。

磷石膏相关中文文献中，关键词“堆场”最早出现在1989 年，1989—2005 年相关研究文献较少，年平均文献量一直保持在5篇以内。从2008年开始出现稳步增长趋势，特别是2017—2019 年，相关文献出现爆发式增长，成为当前研究热点。磷石膏堆场研究热点从国外堆场研究报告、国内堆场技术设计、堆场堆体稳定及安全性研究，逐步转向堆场浸出污染物迁移规律研究、堆场渗滤液研究、堆场历史沉积石膏研究、堆场污染整治与封场技术研究、堆场资源化利用研究。

其他关键词如“改性磷石膏”、“硫酸钙晶须”、“α-半水石膏”、“石膏板”、“纸面石膏板”等在最近5年作为高频词出现，也为当今磷石膏领域研究热点。而“制砖”、“砌块”、“粉煤灰”、“土壤改良剂”等关键词在1995—2005 成为高频词，在最近5年出现频次逐渐减少，为次要研究热点。

4 讨论

磷石膏制硫酸联产水泥是磷石膏综合利用的重要方向，能使磷石膏中的硫、钙等资源得到充分利用，在一定程度上缓解了我国硫资源严重依赖进口、受制国外的情况。制得的硫酸可循环用于磷化工生产，制得的氧化钙等可作为水泥的主要原料，在一定程度上减少了石灰石的开采量，利于生态保护。目前，我国磷石膏制硫酸联产水泥装置已经达到产业化程度，但存在能耗大、成本高的问题，降耗成为此方向研究热点。

磷石膏生产水泥缓凝剂成为目前磷石膏的主要应用方向。水泥缓凝剂是水泥生产中的添加剂，使用量仅为2% ～6%。但考虑到我国水泥生产规模及用量较大，且磷石膏生产水泥缓凝剂，预处理仅需要加入石灰拌混，工艺简单，操作方便，水泥缓凝剂成为磷石膏的最主要综合利用途径。

磷石膏经预处理或改性后，可制成α-半水石膏或β-半水石膏，再作为生产纸面石膏板、纤维石膏板、空心砌砖、粉刷石膏和自流平石膏等产品的直接原料，目前市场前景较好。但因磷石膏本身含有少量杂质，原料质量存在不稳定性，因此磷石膏除杂、改性及制备稳定高品质的半水石膏成为研究热点。