基于Citespace软件的磁性生物炭进展研究
2023-10-13王筱娇怀阳阳
卢 伟，王筱娇，怀阳阳，杨 丽
（1.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林长春 130000；2.辽源市重点流域污染治理推进服务中心，吉林辽源 136200）
1 研究背景
当前，全球约有超过70%表面被水覆盖，但是只有少部分的水资源是可以供人们使用的。更让人担心的是，这些可用的水资源也受到了污染和毁坏。在众多水处理方法中，生物炭由于具有多孔结构、理化性质优良、比表面积大而且含有丰富的矿物组成及表面官能团等特点[1]，备受研究人员的青睐。但是，由于颗粒尺寸较小、密度较低、不易在水中进行分离的缺点[2]，其在水中的应用受到了一定的限制，同时也存在着难以回收、再生的问题，这是当前学术研究的热点和研究方向。通过前人研究发现，利用生物炭与磁性材料相结合，赋予生物炭磁性，制备出新型磁性生物炭是解决生物炭上述缺点的有效方法。通过文献计量学数据归纳总结，发现磁性生物炭材料在污水处理方面的应用发展迅速，对水环境方面的修复有着重要意义。本文运用Citespace 和RStuudio 软件，对2008—2022年Web of Science（WoS）核心合集数据库中收录的磁性生物炭材料相关文献进行全面梳理，清晰直观地表现出该领域内的研究趋势和现状，以为未来磁性生物炭材料研究提供参考。
2 数据采集与分析
在本研究中，使用CiteSpace 软件和RStudio 检索数据进行文献计量分析，并对数据进行分类和总结，以清晰地显示研究趋势，于2022年6月5日搜索了科学网（WoS）数据库。为了找到与磁性生物炭材料相关的文章，搜索词为“Magnetic biochar”。通过精简，检索了2008—2022年出版的出版物，共检索了1 214篇文章。CiteSpace（5.8.R3 http：//127.0.0.1：4930/）用于废水处理领域中磁性生物炭的文献计量分析。使用RStudio 从结构和时间层面分析从WoS检索的数据。所选1 214篇文章的数均以纯文本文件格式从WoS 数据库中导出，然后将导出的数据传输到CiteSpace 和RStudio 以绘制相关性图进行归纳和总结，最后用于文献计量分析。
3 结果分析
3.1 年度出版物数量分析
如图1所示，磁性生物炭的研究起步较晚，但发展迅速，发表的文献总量明显地呈现出了不同阶段。可以清楚地看出，磁性生物炭这一主题从2008年开始引起关注，2008—2016年，论文数量呈现稳定增长期，出版物数量逐渐增加。2017年，发表论文数量从46篇增加到90篇，比2016年增加了近一倍，出版物数量快速增长。2017—2021年出版物数量处于快速增长期，于2021年达到顶峰。由此可知学术界对磁性生物炭的研究给予了最高关注。
图1 年度出版物数量
3.2 前10名期刊分析
从表1 可以看出，排名前三的期刊依次为《总环境科学》《生物资源技术》《化学层》，这三大期刊影响因子颇高。在前10名期刊上发表的文章总数为41.9%，不到50%，这表明文献分布相对分散，研究成果并不集中在少数期刊上。其中H 指数是评价学术成就和影响力的指标，能够准确地反映相应领域的学术成就和影响力。前10名期刊的平均影响因子为23.3，有些期刊的影响因子甚至超过了25。例如，《生物资源技术》《化学层》《化学工程杂志》和《总环境科学》的影响因子分别为44、27、33和30。表明磁性生物炭在水处理中的应用研究受到了高水平期刊的重视和青睐。
表1 前10名期刊
3.3 作者共被引分析
为了评估质量，文章被引用的次数被用来反映作者的学术影响力。文章被引用的次数越多，其价值越高，对磁性生物炭领域的贡献也越大。根据图2，RStudio 用于分析研究人员在磁性生物炭领域发表的文章。圆圈面积越大，颜色越深，文章的引用频率越高，学术影响力越重要。
图2 作者共被引分析
在本文中， Gao Bin 的影响最为突出，最具影响力的文章是关于磁性生物炭除砷的研究，两篇文章被引用频次均高于400多次。如，Gao课题组[3]描述了用氯化铁处理的生物质热解制备的磁性生物炭吸附剂。研究发现，Langmuir对As（v）的最大吸附容量为3 147 mg/kg，该吸附剂的最大吸附容量与许多商业吸附剂相当，可作为水处理中高效吸附和去除砷的材料。为了更好地研究磁性，从磁滞曲线观察到，生物炭/c-Fe2O3的矫顽力场为34.1O e，饱和磁化强度为69.2 emu/g，这与纯c-Fe2O3材料的磁性（76.0 emu/g）非常接近，表明复合材料可能含有其他磁性物质，这对于使用后方便回收充满污染物的生物炭/c-Fe2O3吸附剂至关重要。
3.4 关键词趋势分析
使用RStudio 观察关键词趋势分析可以识别研究周期中的前沿热点问题。从文献中提取高频关键词，并进行趋势分析。通过这种方式，可以清楚观察到关键词之间的相关性和时间线关系，体现出研究思路的趋势。文章的关键词代表了研究的主要思想。关键词突出是指在一定时间段内关键词出现频率的快速增加，有助于跟踪特定时间段内的研究热点和新趋势。关键词集群如图3所示，横轴是时间线，纵轴是关键词。每个关键词延伸出一条直线，代表的是该关键词在这一时间切片中的发展趋势，每条直线中都有一节点，节点越大该关键词在此时间线中凸显强度越高。图3中红圈代表调查生物炭来源的文章，包括理论描述、影响因素和缺点。蓝色圆圈代表关注吸附过程的文章，包括吸附技术。数据几种颜色最深的关键词分别是：水、生物炭、废水、去除、水溶液、吸附剂、动力学、生物质、碳热解、重金属、磁性生物炭。
图3 关键词趋势分析
早期研究的主要趋势是探索黑炭（BC，现在称为生物炭）的氧化机制和相关分子的影响[4]。随后主要的研究方向是赋予生物炭磁性以制备磁性生物炭，观察热解温度对磁性生物炭的影响，分析磁性生物炭与非磁性生物炭相比的优势，寻找可回收的生物炭。例如Kwapinsk 等[6]发现了生物炭的长期前景和需要解决的问题，并发现生物炭具有广泛的用途。生物炭产品通常被气化以提供能量，或用于高价值产品，如活性炭等。随后主要的研究方向是赋予生物炭磁性以制备磁性生物炭，观察热解温度对磁性生物炭的影响，分析磁性生物炭与非磁性生物炭相比的优势，寻找可回收的生物炭。例如，Brewer，CE 等[7]对生物质热解的热化学进行了深入研究，以生产用于吸附的生物炭。实验对柳草和玉米秸秆进行了快速热解和气化，发现灰分含量高，大部分是二氧化硅。结果表明，生物质热解生产的生物炭具有巨大的资源潜力。目前研究方向是探索不同类型污染物的去除、影响磁性生物炭吸附效果的因素和去除率。如Zhang 等[8]利用壳聚糖改性磁性生物炭（CMB）用于去除废水中重金属六价铬。分析了动力学和其他相关因素对吸附过程的影响。结果表明，吸附过程受水溶液pH 的影响。当pH 为2时达到最大吸附容量，在20℃、30℃和40℃下获得的最大吸附容量分别为139.21 mg/g、154.37 mg/g 和164.71 mg/g。可见磁性生物炭领域正不断走向成熟，技术和方法更加完善。
4 结束语
国内外关于磁性生物炭研究的出版物揭示了三个阶段。2008—2016年是探索的初始阶段，文章侧重于探索新型处理水中污染物的吸附剂。2016—2021年是一个研究阶段，文章探索了使用低成本农业废弃物原料来改性生物炭并赋予生物磁性以治理水环境。在第三阶段，从2021—2022年，在先前工作的基础上对实用技术进行改进和表征。更常见的关键词是吸附和磁性。继续研究的重点是选择合适的磁性生物炭应用的原材料，探索赋予生物炭磁性响应的不同方式。目前，磁性生物炭是通过化学沉淀、球磨法及相关技术制备的，用于去除水中的污染物。如重金属、有机污染物和无机污染物等。未来的研究将继续改进制备和改良方法，以提高去除效率，改善水质。
