地下水脱砷技术的研究现状及发展趋势

石乐琪，郭莉，吕晨阳，杜冬云*

1.中南民族大学, 湖北省重金属污染防治工程技术研究中心

2.中南民族大学, 催化转化与能源材料化学教育部重点实验室

全球地下水砷污染问题受到越来越多的关注。世界上很多国家有数百万处含水层受低浓度砷的污染，对地方人群健康造成严重的威胁[1]。并且在全球范围内，大约有2亿人暴露于有毒水平的地下水砷环境中[2]。由于地下水所处位置使其具有受污染相对轻的优势，但是一旦被污染就存在着持久性、隐蔽性、复杂性和难治理的问题，近年来地下水脱砷技术研究受到较多关注。

目前，已有学者综述了地下水中砷脱除技术相关的研究工作。如Alka等[3]总结分析了地下水中砷对环境的毒性、造成的健康危害及去除技术，Ghosh等[4]对地下水砷修复的技术、去除机理、成本效益及可持续性进行了综述，Siddiq等[5]则围绕以生物炭为基质的除砷材料的制备及其对地下水中砷的吸附性能的相关研究进行了综述。虽然以上综述对地下水脱砷技术的研究进行了系统的归纳和展望，但随着国内外有关地下水中砷脱除技术的研究论文数量逐年增多，有必要对近10多年发表的相关学术论文进行系统地统计和分析，从而明确地下水脱砷技术的研究现状及发展趋势。

文献计量学是以文献体系和文献计量特征为研究对象，采用数学、统计学等计量研究方法，对研究对象进行量化分析得出某些特征和规律的方法，应用计量学软件得到的可视化图谱可以清晰地揭示某一研究领域的研究历史、现状以及辅助预判研究趋势。为了从量化角度系统性、综合性地揭示地下水脱砷方法的研究历史和发展趋势，笔者采用文献计量学的方法，对Web of Science（WoS）数据库中有关地下水脱砷技术的论文从发文量、发文机构、发文期刊、发文作者以及论文关键词等方面进行量化分析，从而客观地揭示该领域的研究热点及发展趋势，以期为后续地下水脱砷技术的研究提供参考。

1 数据来源与统计方法

数据来源于WoS数据库中Science Citation Index-Expanded (SCIE)和Social Sciences Citation Index (SSCI)收录的文章，检索日期为2021年2月1日。在该数据库中，以“arsenic removal from groundwater”为主题检索2008—2020年的论文，共检索到1 578篇，剔除文献综述、会议论文摘要、会议论文、社论材料等类型文章，剩余1 501篇研究型论文（article），以此作为分析的基础数据。按照文献计量学理论及操作步骤，并借助Excel、CiteSpace软件，统计分析地下水脱砷技术的论文，得出发文量、发文期刊、主要发文机构、发文作者以及研究热点等信息，并以此判断未来研究趋势。

2 结果与分析

2.1 近13年发文量

发文量反映该领域研究的活跃情况。从2008—2020年WoS发文量〔图1(a)〕看出，13年间地下水脱砷技术研究发文量总体呈上升趋势。呈现这种现象的原因，一方面是由于工业的快速发展以及农业生产使用的化肥、农药量逐年增加，直接或间接造成了地下水砷污染[6]，让更多的研究者关注地下水脱砷技术研究，从而使发文量呈逐年上升趋势[7]；另一方面，据估计全球有近108个国家地下水中砷浓度超过世界卫生组织建议的最大允许限度（0.01 mg/L），有超过2.3亿人面临砷中毒的风险[8]，其中孟加拉国、印度、巴基斯坦、中国、尼泊尔、越南、缅甸、泰国和柬埔寨等国地下水中砷污染较为严重。根据《2018中国生态环境状况公报》[9]，我国10 168个国家级地下水水质监测点中，Ⅰ类～Ⅲ类水质监测点仅占13.8%，个别监测点还存在铅、锌、砷、汞、六价铬和镉等严重影响人类生产生活的重（类）金属超标问题。在此背景下，不难看出部分国家已经受到地下水中砷污染的侵害，导致地下水脱砷技术被广泛研究，从而影响了发文量。

图 1 2008—2020年地下水脱砷技术研究的发文量及发文国家占比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

由图1（b）可知，地下水脱砷技术研究发文量排名前5的国家分别是中国、印度、美国、韩国和澳大利亚，其中，中国、印度和美国是地下水脱砷技术研究的主力国家，一定程度上影响发文量的总体增长趋势。根据表1可知，中国和印度对2019年发文量贡献最大，这与其爆发式增长密切相关，其中印度发文量的急剧增长可能与2019年印度面临史上最严重的缺水危机，而地下水是印度不可或缺的关键水源，使得对地下水污染问题更为重视有关[10]。我国发文量的增长与2019年《水污染防治行动计划》《全国地下水污染防治规划（2011—2020年）》等面临收官，并且还遭遇了几起地下水污染的突发事件，引发我国研究者们对地下水脱砷技术的广泛关注并开展了大量研究有关。另外，《2016中国环境状况公报》[11]指出我国地下水水质存在安全问题，促使2017年我国发文量激增。

表 1 2008—2020年发文量排名前5的国家及其发文量Table 1 Top 5 countries and their annual number of publications from 2008 to 2020 篇

2.2 发文期刊

检索结果中以“arsenic removal from groundwater”为主题文章的发文期刊共308种，其中8家期刊发文量在5篇以上，占总发文量的17.52%。从期刊发文量占比、影响因子以及学科网学科类别3个方面统计了2008—2020年发文量排名前10的期刊，其合计发文量占总发文量的33.19%（表2）。发文量排名第1的期刊为Journal of Hazardous Materials，其发文量为94篇，占比为6.26%；排名第2的为Desalination and Water Treatment，其发文量为60篇，占比为4.00%；排名第3的为Water Research，其发文量为58篇，占比为3.86%。发文量排名前10的期刊中，2020年平均影响因子为5.35，其中Chemical Engineering Journal的影响因子最高（10.65），其次为Water Research，再次为Journal of Hazardous Materials。这表明有较多地下水脱砷技术方面的论文发表在具有较高学术影响力的期刊上，根据期刊类别可以看出地下水脱砷技术受到了多学科领域研究者的关注。

表 2 2008—2020年地下水脱砷技术研究发文量排名前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 研究机构

以“arsenic removal from groundwater”为主题检索文章所属的机构共有1 508所。2008—2020年地下水脱砷技术方面发文量排名前20的发文机构如表3所示。由表3可知，发文量排名前20的发文机构共发表论文435篇，占总发文量的28.98%，其中除了排名第13的美国国家环境保护局外均为高等院校，说明高等院校为地下水脱砷技术研究的主力军。发文量排名第1的是中国科学院，达83篇，占总发文量的5.53%；其次是中国地质大学、印度理工学院和同济大学，发文量分别为52、46、23篇，这些机构是地下水脱砷技术的主力研究机构。

由CiteSpace生成的机构图谱可以得到研究机构在不同时段的发文情况，其中生成的圆圈越大说明该机构发文量越多，而圆圈圈层的不同颜色则代表不同的年份。2008—2020年地下水脱砷技术研究机构发文情况共现图谱如图2所示。由图2(a)可知，中国科学院发文量最多，且其发文年限贯穿整个2008—2020年；其次为中国地质大学和印度理工大学，这2所大学同样研究年限较长。有些机构则只在某一年或少数几年对地下水脱砷技术进行了研究并且发表相关研究论文，一方面可能是由于新学者的加入，另一方面可能是在研究过程中需要与其他机构的技术或者学者进行合作。不同机构之间同样也存在着一定的合作关系，如中国科学院和中国地质大学、中国科学技术大学都存在着合作关系，且都是在该领域投入关注较多的机构，其合作研究促进了脱砷技术水平的提升〔图2(b)〕。

图 2 2008—2020年地下水脱砷技术研究机构共现图谱Fig.2 Co-occurrence map of research institutes for groundwater arsenic removal technology from 2008 to 2020

表 3 2008—2020年地下水脱砷技术研究发文量排名前20的发文机构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

对于主要发文作者的统计分析表明，共有4 875人次在 WoS发表了地下水脱砷技术相关的论文。对作者进行分析可知，高校教师和硕士、博士研究生形成的研究团队成为地下水脱砷技术研究的核心力量。2008—2020年地下水脱砷技术研究相关作者发文情况共现图谱如图3所示。由图3可知，中国地质大学（武汉）的王焰新（Wang Y X）是2008年以来在WoS数据库中发文量最多的学者，达23篇；其次是中国地质大学(北京)的郭华明（Guo H M）、印度理工学院的Mondal P以及印度理工学院的王亚（Wang Y），其发文量分别为14、14、13篇。不同研究者之间存在着合作关系，如中国地质大学（武汉）的王焰新、钱坤、谢先军在该领域存在团队合作关系，中国科学院曲久辉、赵旭在该领域有合作且合作时间集中在2008—2013年；库尔德斯坦大学的Maleki A、Mckay G是该领域新兴研究团队，其发文量主要集中在2019—2020年。综上，地下水脱砷技术研究以高等院校为主要研究基地，以高校教师和硕士、博士研究生为主要研究群体。

图 3 2008—2020年地下水脱砷技术研究相关作者发文情况共现图谱Fig.3 Co-occurrence map of authors' papers on groundwater arsenic removal technology from 2008 to 2020

2.5 研究热点及发展趋势

关键词是对文章核心内容的提炼，可以反映出该领域的研究重点及未来研究发展趋势，有助于研究者们更快地了解地下水脱砷技术研究的概况，并且提供研究思路以及相关启发。将2008—2020年地下水脱砷技术论文关键词及其出现频次与中心性进行统计，结果如表4所示。由表4可知，从出现频次排名前20的关键词可以看出，吸附法是地下水脱砷的一项重要技术手段，而含铁矿物和纳米材料则是应用于地下水中砷脱除的重要材料。

采用CiteSpace对所有关键词进行聚类分析，结果表明，关键词主要分为9类，分别为subterranean stream（地下流）、aqueous solution（水溶液）、drinking water supply（饮用水供应）、arsenic-contaminated water（砷污染水）、arsenic-contaminated groundwater（砷污染地下水）、kinetic study（动力学）、electrocoagulation process（电絮凝过程）、selective removal（选择性去除）、natural siderite（天然菱铁矿）。电絮凝法和天然菱铁矿吸附法为2种应用较为广泛的脱砷技术。针对电絮凝法的研究主要集中在对其反应器结构进行优化，如Sik等[12]利用铁球阴极气供电絮凝反应器去除地下水中的砷，并对操作参数进行了优化；Mohora等[13]探究了水平流连续电絮凝作为独立工艺去除地下水中的砷；Castaneda等[14]研究了运用蛇形陈列上流式反应器电絮凝去除地下水中砷和水合二氧化硅。而天然菱铁矿作为去除地下水中砷的基础材料，被广泛应用于制备各种形貌的过滤器填料，其不但对地下水中砷具有良好的吸附性能，而且具有实际应用价值[15-16]，因此天然菱铁矿在近10年仍保持着一定的研究热度。

表 4 2008—2020年出现频次排名前20的地下水脱砷技术研究的关键词Table 4 Keywords of groundwater arsenic removal technology with top 20 occurrences in 2008-2020

关键词突现图谱（表5）可以反映出研究热点持续的状况以及趋势，表中蓝色线条表示相应时段关键词未出现，红色线条表示相应时段关键词出现。从表 5可以看出，zerovalent iron、hydroxide、Bangladesh、phosphate、alumina、carbonate等在2008年出现且经过几年后突现结束。值得关注的是那些到2020年仍出现的关键词，其可以反映近年的热点和发展趋势，这些关键词包括binary oxide（二元氧化物）、electrode（电极）、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（健康风险）、risk assessment（风险评估）、response surface methodology（响应面法）、methylene blue（亚甲蓝）、simultaneous removal（同时去除）、waste water（废水）、nanocomposite（纳米复合材料）。其中一些关键词可以反映出现在的研究热点，如利用二元氧化物、石墨烯氧化物、生物炭以及纳米复合材料等作为脱砷材料，利用响应面法制成地下水脱砷的最佳材料等。Cheng等[17]开发了铁锰二元氧化物滤料，发现其可以有效地去除 As（Ⅲ)；Wu等[18]利用Fe-Mn-Cu三元氧化物吸附剂（FMCTO），发现3 h时As(Ⅲ)去除率达到动态平衡，24 h时As (Ⅲ)去除率达到98.9%；Pal等[19]研究了一种新型氧化石墨烯纳米复合材料，采用响应面优化法确定了最佳操作条件，该模片成功地从受污染地下水中选择性地去除了98.5%的砷。Chowdhury[20]等利用金属有机框架-氧化石墨烯纳米复合材料去除As(Ⅲ)，结果表明，这种纳米复合材料对As(Ⅲ)的吸附能力高于原始的MIL-53(Al)和石墨烯氧化物。值得注意的是热点关键词simultaneous removal（同时去除），其表明除砷外，地下水中还存在其他目标污染物如铬和氟等[21]，而各种目标污染物的共同去除及其在去除过程中拮抗和协同作用机制则成为近年来的热点研究方向[22-28]。

表 5 2008—2020年地下水脱砷技术研究关键词突现图谱Table 5 Keywords of groundwater arsenic removal technology from 2008 to 2020

3 结论

（1）2008—2020年地下水脱砷技术研究的发文量总体呈上升趋势，论文主要发表在Journal of Hazardous Materials、Water Research以及Chemical Engineering Journal等期刊上，主要发文机构为中国科学院、中国地质大学以及印度理工大学等高等院校。我国在该领域的研究处于领先地位，有8所研究机构跻身于发文量排名前20名，且中国科学院排名第1。

（2）从事地下水脱砷技术研究的主要人员为高校教师和硕士、博士研究生，其中最具影响力的为中国地质大学(武汉)的王焰新、中国地质大学(北京)的郭华明、印度理工学院的Mondal P。

（3）吸附和电絮凝技术是地下水脱砷的主流方法，铁氧化物或零价铁是常用的地下水脱砷材料，利用二元甚至多元氧化物、石墨烯氧化物、生物炭以及纳米复合材料等作为脱砷材料是地下水脱砷技术研究的发展趋势。