废弃生物质水热转化技术研究热点与前沿态势分析:基于CiteSpace的大数据知识图谱分析

周朱梦，李丹阳，吴华山，靳红梅①

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014；2.南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京 210095；3.江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，江苏 南京 210095)

水热转化(hydrothermal conversion)是指在密封的压力容器中,以水为溶剂，在高温和高压条件下进行的化学反应[1-3]。水热转化技术的最初用途是生产生物燃料[4]，20世纪30年代以后该技术被应用于能源、材料与环境等诸多领域，并取得了一系列研究成果[5]。废弃生物质是指植物、动物和微生物在其生产和加工利用过程中产生的有机残体[6]，主要包括农林生产与加工中产生的植物类废弃物(如作物秸秆、林业剩余物等)[7-8]、畜牧业和渔业产生的动物类废弃物(如畜禽粪便)[9]、食品行业产生的废弃物(如厨余垃圾、菌渣和甘蔗渣等)[10-12]以及生活垃圾、市政污泥[13-14]等。全球废弃生物质产生量巨大，而我国废弃生物质产生量居世界首位[15-16]，对其进行无害化处理和资源化利用是实现“变废为宝”和减量化的重要措施。水热转化技术由于不受原料含水率的限制，特别适合用于含水量较高的废弃生物质处理。其优点是可以有效去除或钝化原料中的有毒有害物质[17]，产生的固体可作为吸附材料[18]、燃料以及肥料[19]，液体可作为生产甲烷等清洁能源的原料[20-21]，不仅可提高原料的转化效率，而且能将低劣的废弃生物质转化为更加高值和安全的功能产品。因此，水热转化技术研究有望成为未来废弃生物质资源多元多级利用的重要方向。

近年来，国内外对于水热转化技术处理废弃物生物质开展了大量的研究，但其全球尺度上的研究发展趋势和动态尚不清晰。引文空间(CiteSpace)是一款挖掘科学发展中蕴含的潜在知识，并将知识结构、规律和分布可视化的分析工具[22]，在实际应用中科学有效且简单易用，具有丰富而美观的可视化效果，被广泛应用于探寻一个学科或知识域的研究热点和前沿态势。CiteSpace目前主要用于作者共被引与作者合作网络分析、关键词网络分析、基于知识图谱的研究前沿与研究热点分析[23]。该研究以近20 a来国内外发表的关于废弃生物质水热转化的研究论文为对象，利用CiteSpace软件对其热点主题及发展演变进行知识图谱分析，旨在为废弃生物质资源生态安全利用提供参考[24]。

1 数据与方法

1.1 数据来源

数据来源为中文科技期刊数据库(CNKI)和外文科技期刊数据库(Web of Science)收录的研究论文。以“主题”为检索项，中文数据库以“水热”“湿解”和“生物质”为检索词，外文数据库以“TS=hydrothermal conversion AND waste biomass (主题为水热转化和废弃生物质)”“TS=hydrothermal liquefaction AND waste biomass(主题为水热液化和废弃生物质)”“TS=hydrothermal treatment AND waste biomass(主题为水热处理和废弃生物质)”和“TS=hydrothermal AND agricultural biomass(主题为水热处理和农业生物质)”为检索词，以模糊匹配的方式对主题进行检索，检索范围为全部期刊，时间范围为2000年1月—2019年12月。基于以上条件，CNKI数据库共检索到文献1 147篇，Web of Science数据库共4 082篇。

1.2 研究方法

该研究运用CiteSpace 5.5软件作为文献计量分析与可视化工具，该软件在科学发展理论范式下整合了共引分析、信息论、图论、统计和网络算法等理论与科学方法，可对选定领域的文献信息进行分析，解析特定研究领域演化的关键路径及知识转折点；通过对数据聚类形成一系列可视化的知识图谱，这些图谱都可以用来揭示科学结构的发展现状乃至变化情况，进而用于前沿分析、领域分析、科研评价等[25]。高频词分析、突现词分析、词共现(引)图谱分析是探寻学科领域研究热点和前沿的基础。关键词是揭示论文主要内容的重要方式，是研究主题的高度概括和凝炼[26]。高频词即出现频次较高的关键词，频次越高，说明相关的研究成果数越多，研究内容的集中性就越强。中心性被用于测量一个点在多大程度上位于图中与之联系的点的中心位置，数值越大意味着该点起到的中介作用越高，在图谱中的地位越重要[27]。突现词是基于突现检测算法识别的在特定时间内骤增的专业术语，根据突现词的进入和退出时间，可以识别研究的前沿及其演进态势[28]。

将数据导入到CiteSpace软件中，时间段设定值为2000—2019年，时间间隔设置为1 a,节点类型设定为作者、机构和关键词，选择标准中设定TopN=50，即每年文献中被引频次最高的前50个节点，其余设定为默认值。研究首先通过关键词进行词共现(引)图谱分析，然后对高频词及其聚类图谱的结果进行解读，揭示近20 a来国内外在废弃生物质水热转化研究方面的热点领域和热点主题，进一步通过突现词分析来解析废弃生物质水热转化技术研究前沿的发展态势。

1.3 数据处理

对CNKI检索出的基础数据选择Refworks格式导出到CiteSpace中，通过CiteSpace的格式转换功能转换成软件能识别分析的格式；通过Web of Science数据库检索出来的基本数据选择全记录、纯文本格式导出。为提高检索出文献的相关性，进一步对初步检索得到的文献进行人工清洗，删除与主题不相关的文献，最终获得有效文献分别为600篇(CNKI)和2 360篇(Web of Science)，作为该研究的基础数据。用CiteSpace软件自带的主题词剔除及合并功能，将意思接近的主题词进行合并处理，同时剔除对聚类分析起干扰作用的检索词，并进行年度发文数量、合作发文量及高频关键词统计。

2 结果与讨论

2.1 文献数量与年度分布

根据文献计量学理论，文献数量的年度分布统计可以在一定程度上反映出该领域的研究水平和发展程度。从文献检索数量(图1)可以看出，全球范围内关于废弃生物质水热转化的研究可分为3个阶段，即缓慢增长期(2000—2005年)、快速增长期(2006—2018)、小幅下降期(2019年)；而我国相关研究起步较晚，大致可分为萌芽期(2005—2010年)、快速增长期(2011—2016年)、下降期(2017—2018年)和激增阶段(2019年)。农业废弃物是废弃生物质的重要来源，在CNKI和Web of Science数据库中以此为原料的水热转化研究占研究论文总数的比例均在4%～35%范围内，且近20 a来相关研究总体呈现增长趋势(2017年除外)。总体上看，近20 a来关于废弃生物质水热转化的中英文研究论文均呈现增长态势，说明水热转化技术在废弃生物质处理和利用方面受到越来越多的重视。但同时，废弃生物质水热转化技术也面临着诸多难题，主要是成本较高，产业化的难度较大，这可能是近年来相关研究增长放缓甚至略微下降的主要原因。而对于农业废弃物这类生物质而言，水热转化技术可以生产高附加值产品，有利于其无害化和资源化需求，因此研究热度持续增加。

2.2 核心作者与机构分析

共现图谱分析可以清晰地展示核心作者、发文机构及其合作关系(图2)。基于CNKI数据库的数据分析发现，核心作者主要以团队的形式进行合作，多数作者之间的关系线大于4，仅少数作者没有关系线；发文机构与核心作者所属单位相对应，但其合作关系基本呈单线状形式，仅少数核心机构存在合作。排名前20位的核心作者论文发表情况详见表1，可以看出发文最多的是中原工学院能源与环境学院的董向元、郭淑青教授团队，其次是华中科技大学煤燃烧国家重点实验室的王贤华教授团队，在废弃生物质水热转化方面,国内核心作者的中文发文数量比较平均。

基于Web of Science数据库的分析发现，核心作者的共现程度更高，之间的合作关系也更为紧密(图2)。从表1可知，发文最多的是伊利诺伊大学的张源辉(ZHANG Y H)教授团队，其次是东京工业大学的YOSHIKAWA K团队，再次是中国农业大学的刘志丹(LIU Z D)教授团队。

表1 废弃生物质水热转化领域主要作者发文情况Table 1 The main authorsof the literatures in the field of hydrothermal conversion of waste biomass

2.3 研究热点

2.3.1热点主题分析

标识某一领域研究热点的指标主要有2个：一是出现频次较高的关键词[29]，二是关键词的中心性。基于CNKI数据库分析得到废弃生物质水热转化研究的关键词及其关联关系，关键词的出现频次从大到小依次为生物质、生物油、水热液化、水热碳化、超级电容器、木质素、纤维素、吸附、水热碳、微藻和玉米秸秆(表2)。中心性反映了研究领域的核心内容，其中生物质的中心性最高，为0.43;其次是生物油，为0.23；再次是水热炭化和水热液化，分别为0.27和0.18。综上可以看出，废弃生物质水热转化研究的热点主题是生产生物油作为能源利用，而原料主要为微藻、玉米秸秆、纤维素类和浒苔等废弃生物质。研究发现，微藻水热转化后可得到含氧量低、热值高的生物油[30-31]，是化石燃料良好的代替品；为了降低微藻液化油的黏度以及N和S含量，将微藻生物油以四氢萘为供氢剂，在400 ℃、1 MPa初始氦气压力、w为10%的Ru/C(钌催化剂，5%Ru)反应条件下进行改性,油产率大幅度提高，最高可达55.6%[32]。同时，在藻基生物油理化性质的表征方法上也开展了一些研究，并提出了藻基生物燃料存在的问题及发展方向[33-34]。部分学者探究了麦秆、草坪草、马粪和梧桐叶等木质纤维素类生物质在不同湿解条件下的固、液相产物特性变化，发现原料进入液体产物中的碳份额增多，有机质的转化率均超过了95%，可用作土壤改良剂或有机肥料，为土壤提供丰富的有机质[35-37]。张波[38]创新性地开展了玉米秸秆和多氢原料(高密度聚乙烯)催化共热解研究，提高了烃类在产物中的相对含量，为生物质转化源头补氢提供了技术支撑。可见，水热转化技术的不断发展推动了其在农业废弃物领域的应用，特别是在新型肥料生产、气化制H2、液化产酸以及生物柴油等方面的研究尤为突出[39-40]。

基于Web of Science数据库分析得到废弃生物质水热转化研究的关键词及其关联关系(表2)。排名前20位的关键词中，activated carbon(活性炭)的中心性最高，为0.13；其次是waste water(废水)，为0.09；再次为bio-oil(生物油)，为0.08。这说明全球废弃生物质水热转化研究的热点主题是水热转化的固体炭基产物(即水热炭)、液体产物及生物油生产等方面，与国内的研究热点有所差异。除研究微藻、秸秆、畜禽粪便、食物残渣等生物质制取生物油的产率及能量密度外[41-44]，有研究进一步评估了水热炭中重金属的环境风险[45]，提高了水热转化产物后续利用的安全性。除碳素转化外，LU等[46]首次系统研究了水热转化过程畜禽粪便中氮化合物的转化特征。为了拓宽水热转化液体产物的利用途径，SHEN等[47]利用水热转化的液体产物进行微生物电解池处理顽固性水热液化废水(HTL-WW)，使难降解化合物得到有效去除；WU等[48]利用水热技术对微藻进行预处理，提高微藻产甲烷量。MKEL等[49]、TRIYONO等[50]、ZHAO等[51]对造纸污泥、城市固体废物和污泥进行水热处理制备固体燃料，拓宽了水热技术原料的选择范围。

表2 废弃生物质水热转化的高频关键词Table 2 High frequency keywordsin the literatures for hydrothermal conversion of waste biomass

2.3.2研究热点聚类分析

借助 CiteSpace 软件的关键词分析功能，对废弃生物质水热转化研究关键词进行聚类分析，根据绘制出的可视化时间线知识图谱(图3)，揭示废弃生物质水热转化研究的演变过程。由图3可见，基于CNKI数据库的废弃生物质水热转化高频关键词聚类分为5个类别，即水热碳化、生物油、甲烷、重金属和炭微球。由图3和图1结合分析可知，CNKI数据库在2004—2010年期间相关文献数量较少，主要研究主题为#0水热炭化、#2甲烷及#3重金属，相关主题研究一直持续至今；2011—2016年间，研究主题趋于多元化，新兴主题有#1生物油、#4炭微球，在此期间出现的多个高频关键词说明废弃生物质水热转化研究被高度重视；2017—2019年间相关主题的高频关键词数量较少，说明废弃生物质水热转化研究放缓。

基于Web of Science数据库的关键词聚类分为5个类别，为bioethanol(生物乙醇)、hydrothermal carbonization(水热炭化)、supercritical water(超临界水)、hydrothermal liquefaction(水热液化)和hydrothermal synthesis(水热合成)(图3)。由图3和图1结合分析可知，2004—2007年Web of Science数据库侧重于水热炭化研究，为后续研究奠定基础，研究主题为#1 hydrothermal carbonization(水热炭化)和#2 supercritical water(超临界水)；2008—2016年间，文献数量、研究主题和关联性快速增长，总体分为3个主题：#0 bioethanol(生物乙醇)、#3 hydrothermal liquefaction(水热液化)和#4 hydrothermal synthesis(水热合成)，各聚类间连线密集、关系复杂，表明此阶段研究较为活跃；2017—2019年间研究不活跃，主要集中在燃料(bio-fuel)、热解(pyrolysis)等方面。

对图中数据对比发现，国内外对于废弃生物质水热转化研究主题大同小异，都侧重于生物油、燃料、水热炭方面。

具体来看，在生物油转化及特性方面，畜禽粪便富含蛋白质，玉米秸秆含大量的碳水化合物，当两者混合经过水热转化后，蛋白质中的氨基化合物会与碳水化合物中的羰基化合物发生美拉德反应，提高生物原油的产量，其最高产率为34.4%，热值达40.3 MJ·kg-1[52]。秸秆类物质主要由半纤维素和纤维素构成，利用水热技术制备生物油，会导致生物原油中氧化物过高，进而影响生物原油品质。通过微波、催化剂联合水热处理可使有机组分不断发生脱水、脱羧基反应，同时芳香小分子化合物和轻质油类化合物逐渐溶解进入液相或者发生气化反应，使O/C比下降[53]，进而实现提高生物油产率和品质的目的，其热值可达35.2～37.2 MJ·kg-1 [54]，同时还能抑制固体残渣的形成[55]。

在生物炭的高值利用方面，水热炭相互贯通的孔结构和独特的含氧表面使其表现出优异的电化学性能。张传涛等[73]利用核桃壳水热炭经高温和KOH活化后，形成了具有较高比表面积和贯通层次孔结构的活性炭，同时核桃壳水热炭表面的含氧官能团在一定程度上可以改变活性炭的表面化学性质，改善其对应电极材料的表面湿润性，进而降低电解液离子在孔隙内的传递与扩散阻力，提高活性炭的比表面积和表面利用率[74]，从而改善电极材料的电化学性能，此种方法制备出的核桃壳活性炭比电容可达200 F·g-1以上，1 000次循环后比电容保持率达92.4%，具有很好的循环性能。

2.3.3研究热点的阶段性演进分析

采用突出词(即发表文献中骤增的关键术语)对废弃生物质水热转化研究进行前沿分析，确定研究领域的前沿热点。对Web of Science数据库的突现词进行分析，可以看出关于废弃生物质水热转化的研究热点主要有4个领域(表3)。

表3 基于Web of Science数据库的突现词图谱Table 3 Emerging word map based on the Web of Science database

一是对于水热转化原料的研究。包括cellulose(纤维素)、biomass(生物材料)、wood(木材)、wheat straw(小麦秸秆)、agricultural residue(农业废弃物)、algae(藻类)和municipal solid waste(城市固体废物)。目前，有关废弃生物质水热转化的研究中，藻类、水葫芦等凭借其光合作用效率高、生长速率快、环境适应能力强、生物产量高等优点，常作为可再生清洁生物质能源产生物油[75-77]。秸秆、木材等纤维素、木质素含量丰富，而且在世界范围内广泛存在，充分利用可生产高品质生物质燃料，不仅能解决资源短缺问题，也能避免废弃农作物副产品处理不当的环境问题[78-79]。近年来，各学者也开始研究畜禽养殖粪污及厨余垃圾等材料[80-81]。

二是对水热反应机理的研究。包括hot compressed water(热压缩水)、supercritical water(超临界水)、hydrolysis(水解)、decomposition(分解)、hydrothermal gasification(热解气化)、biomass gasification(生物质气化)、oxidation(氧化)、kinetics(动力学)等突现词，突现率最高可达12.029。生物质水热处理技术根据温度可以分为水热炭化(180～250 ℃)、水热液化(180～250 ℃)和水热气化(250～400 ℃)[82]。生物质中各种成分会随着温度的变化发生各种反应。以纤维素为例，当温度低于180 ℃时，体系中的水自电离产生氢离子对半纤维素水解起催化作用，将半纤维分解成低聚糖和单糖[83]，随着温度的升高，在热和氢离子的作用下，纤维素和木质素也开始水解[84]。

三是对水热处理技术应用的研究。包括high temperature(高温)、thermochemical conversion(热化学转化)、fermentation(发酵)、hydrothermal pretreatment(水热预处理)和enzymatic hydrolysis(酶法水解)。水热技术除了用于生产各种固液相产品外，还可以作为预处理手段与其他技术进行配合，实现技术优化。对菌渣、生活垃圾进行水热预处理可以明显改善其干燥性、脱水性，而且溶解性化学需氧量(SCOD)有了明显提高，使其具有更高的产甲烷潜力[85-86]。

四是对水热转化产物的研究。包括hydrogen production(制氢)、acetic acid(乙酸)、ethanol(乙醇)、coal(煤)和solid fuel(固体燃料)。根据不同的水热处理温度，可以分别得到固、液、气3种产物，对于不同产物的应用前文已详细说明，此处不再赘述。

未来废弃生物质水热转化研究的重点方向除了继续扩大水热转化生物质原料选择范围，分析水热反应过程中各常见重金属和营养元素的迁移变化规律外，还应考虑其他有毒有害物质的生成与转化机理，优化水热转化工艺条件以制备更加安全的产品；应着重探究提高固、液相产品质量的工艺，实现产物高值化利用，同时对整个水热工艺进行生命周期评价，为产业提供一个完善的水热工艺评价体系与标准，推动水热技术的推广和应用。此外，目前关于整个水热转化工艺的研究仍比较片面，学者间缺乏合作，未来应加强不同领域的合作，以完善水热转化工艺，降低处理成本，提升产品品质。

3 结论

运用CiteSpace 5.5软件对废弃生物质水热转化领域的文献进行计量和可视化分析，得出以下结论：

(1)近20 a来水热转化对废弃生物质处理和利用方面的研究快速增加，中英文发文量的走势基本一致。全球范围内废弃生物质水热转化发文量可分为缓慢发展期(2000—2007年)、快速增长期(2008—2016年)和小幅下降期(2017—2019年)，其中农业废弃生物质水热转化的中英文研究论文均呈现增长态势，我国学者整体贡献较为突出。

(2)全球废弃生物质水热转化研究的热点主题总体包括四大块：围绕所使用的原料展开的研究，主要集中在微藻、秸秆、畜禽粪便、食物垃圾等废弃生物质方面；围绕水热产物的研究，包括固体炭基产物、液体产物以及生物油，可用作吸附材料、土壤修复剂、燃料和肥料等；围绕水热转化过程的研究，包括各种元素、组分变化及机理研究；水热预处理技术，通常作为预处理手段与其他技术进行配合，实现物质高效转化。

(3)目前关于废弃生物质水热转化的研究热点尚集中在水热转化原料、水热反应机理、水热转化技术优化及水热转化产物方面。未来还应更加关注基于目标产物的水热转化条件优化，在提升产品品质及安全性的同时进一步加强对水热转化全过程的科学评价。