Die Rolle von Nanomaterialien und Nanotechnologien in der Abwasserbehandlung:eine bibliometrische Analyse

Hintergrund

Seit dem Vorbringen von „Nanomaterial“ und „Nanotechnologie“ stehen sie im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Forschung, sowohl innerhalb als auch über die Disziplinen hinweg. Wohl aufgrund der kontinuierlichen Forschungsförderung und wissenschaftlichen Durchbrüche im Nanometerbereich fördern neue NNs die Entwicklung von Bereichen wie Chemie [1] und Materialwissenschaften, Medizin und Pharmakologie [2], Elektronik und Photonik, Umwelt und Energie [3]. Darüber hinaus spielen NNs aufgrund ihrer großen Oberfläche und ihrer hohen Reaktivität auch eine wichtige Rolle bei der Abwasserbehandlung [4, 5].

Mit der ständig steigenden Bevölkerungsverbesserung des Lebensstandards weltweit werden massive Abwässer unsere Gesellschaft vor ernsthafte Herausforderungen und Belastungen stellen [6]. Die Abwasserbehandlungsanlage ist der Knotenpunkt zwischen Abwasser und natürlichen Wasserquellen wie Flüssen, Seen, Stauseen und Grundwasser. Folglich wird die Wirksamkeit des Abwasserbehandlungssystems einen großen Einfluss auf das Wasserrecycling haben. In vielen Fällen gewährleistet eine angemessene Abwasserbehandlung die Sicherheit des Trinkwassers [7] und die Ressourcenrückgewinnung [8]. Daher ist es nicht übertrieben, technologische Innovation zu einem führenden Ziel in der Abwasserbehandlung zu machen. Zum Glück bieten uns NNs mehr Möglichkeiten. Das Abwasserbehandlungs- und Wasserversorgungssystem der nächsten Generation, das auf NNs basiert, kann hocheffizient [9], umweltfreundlich, frei von Nebenprodukten [10] sowie wirtschaftlich machbar [11] sein. NNs bieten eine hohe Leistung in der Abwasserbehandlung mit Hauptanwendungsbereichen Adsorption [12], Membranen und Membranverfahren [13], Photokatalysator, Desinfektion und mikrobielle Kontrolle, Sensorik und Überwachung [14]. Angesichts der Tatsache, dass zunehmend kommerziell hergestellte Nanopartikel einen endgültigen Weg in Kläranlagen finden werden, haben einige Forscher Bedenken hinsichtlich eines möglichen Einflusses auf den Entsorgungsprozess geäußert [15]. Um besser zu verstehen, welche Rolle NNs bei der Abwasserbehandlung spielen, ist eine quantitative und qualitative Bewertung für wissenschaftliche Leitlinien erforderlich.

In den letzten Jahren wurde die bibliometrische Methode als neue Strategie identifiziert, um aus massiven Informationen schnell und genau nützliche Punkte herauszufinden. Es kann verwendet werden, um die Entwicklung einer Domäne während eines bestimmten Zeitraums mathematisch zu bewerten. Zyudet al. [16] boten Leitlinien für die zukünftige Forschung zur Lithiumtoxizität an, indem sie relative Veröffentlichungen für fast ein Jahrhundert mit bibliometrischen Methoden studierten. Zhanget al. [17] führte eine bibliometrische Analyse des Wasser-Fußabdrucks durch und stellte fest, dass Faktoren wie der Wasser-Nahrungs-Energie-Nexus und der treibende Mechanismus der Variation des Wasser-Fußabdrucks die Entwicklung dieses Gebiets förderten. Yataganbabaet al. [18] führten bibliometrische Messungen zu Phasenwechselmaterial und Verkapselungsthemen ein und lieferten Erkenntnisse für die zukünftige Forschung. CiteSpace ist als Software zur Visualisierung von Wissensdomänen konzipiert [19]. Und die zentralen Konzepte dieses Tools sind Burst Detection, Betweenness Centrality und heterogene Netzwerke [20]. Darüber hinaus kann es die Ergebnisse in einem leicht verständlichen visuellen Format durch die Diagramme darstellen [21]. Aus den oben genannten Gründen gewinnt CiteSpace zunehmend an Verbreitung unter wissenschaftlichen Forschern [22, 23].

Angesichts des exponentiellen Wachstums von Bedeutung und Veröffentlichungszahlen ist eine kritische Analyse seiner vergangenen, aktuellen und zukünftigen Studien dringend erforderlich. In diesem Artikel wird versucht, die Entwicklung von NNs in wissenschaftlichen Studien im Zusammenhang mit der Abwasserbehandlung von 1997 bis 2016 mit einer kombinierten Technik aus bibliometrischer und CiteSpace-Methode zu untersuchen.

Methoden

Datenquellen

Die Web of Science Core Collection umfasst die meisten wichtigen Zeitschriften und wird in einer Vielzahl von wissenschaftlichen Bereichen weit verbreitet eingesetzt [24, 25]. Um qualifizierte Informationen zum Thema NNs in der Abwasserbehandlung zu erhalten, wurde unsere Datenquelle aus der Datenbank Science Citation Index Expanded (SCI) abgerufen. Mit dem Ziel einer zuverlässigen und genauen Erfassung wurden als Suchstrategie „Nano*“ und „Abwasserbehandlung“ bzw. „Abwasserbehandlung“ bzw. „Abwasserentsorgung“ oder „Abwasserentsorgung“ verwendet. Die Suche wurde am 30. Juni 2017 durchgeführt und Publikationen im Zeitraum von 1997 bis 2016 ausgewählt. Anschließend wurden 2604 Datensätze gesammelt.

Bibliometrische Analyse

Bibliometrie ist eine umfassende Technik, die sich auf mathematische und statistische Methoden bezieht, um die Verbreitung, Variation und Beziehungen von Publikationen quantitativ auf der Grundlage öffentlicher Datenbanken zu ermitteln [26]. Mit geteilten gültigen Informationen ist eine weitere Analyse der Literaturmerkmale und des zugrunde liegenden Wissens möglich.

Die Analyse sozialer Netzwerke ist ein nützliches Werkzeug zur Darstellung und Analyse relationaler Daten [27]. Es bietet eine quantitative Messmethode für multiple Beziehungen zwischen verschiedenen sozialen Rollen. Geph ist eine Prävalenzsoftware zur Analyse sozialer Netzwerke [28]. Und in dieser Studie wird es angewendet, um die Kooperationsnetzwerke zwischen den produktivsten Ländern/Territorien und Instituten aufzuzeigen.

Visualisierungsanalyse

Visualisierungsanalyse bezieht sich auf die Darstellung einer großen Datenmenge auf einer Karte durch verschiedene Netzwerkmodellierungswerkzeuge [23]. In der folgenden Studie wird CiteSpace für gleichzeitig auftretende Keyword-Studien verwendet. Und ArcGIS wird eingesetzt, um die Verteilung der Institutionen weltweit zu veranschaulichen.

Ergebnisse und Diskussion

Eigenschaften von Forschungspublikationen

Von 2604 Datensätzen zu NNs in der Abwasserbehandlung entfielen 91,90 % (2393 Datensätze) auf „Article“, während Review und Proceedings Paper 7,45% (194 Datensätze) bzw. 5,45 % (142 Datensätze) beitrugen. Die Aufzeichnungen anderer Art machten weniger als 1 % aus, einschließlich Besprechungsabstract, Buchkapitel, Nachrichtenartikel, redaktionelles Material und Korrekturen. In diesem Artikel wird nur der Artikel weiter untersucht.

Die Artikel, die in Englisch gedruckt wurden, machten 98,96 % der gesamten Datensätze aus, dann chinesisch 0,71 %. Der Anteil aller anderen fünf Sprachen, darunter Französisch, Deutsch, Malaiisch, Polnisch und Spanisch, betrug weniger als 0,4 %. In Anbetracht der Tatsache, dass viele chinesische Autoren an der Forschung zu NNs in der Abwasserbehandlung teilgenommen haben, werden sowohl englische als auch chinesische Artikel berücksichtigt.

Wie in Abb. 1 zu sehen ist, zeigt das Histogramm die Variationen der Artikel zu NNs in der Abwasserbehandlung zwischen 1997 und 2016. Im ersten 5-Jahres-Zeitraum war die Veröffentlichungszahl mit durchschnittlich 5 pro Jahr gering. Zwischen 2002 und 2006 lag die durchschnittliche Zahl der Veröffentlichungen bei etwa 25, nur das Fünffache der letzten Periode. Nach einem stetigen Anstieg von 48 im Jahr 2007 auf 74 im Jahr 2009 durchbrach der jährliche Veröffentlichungsrekord 100 und erreichte 2011 138. In den nächsten 5 Jahren stieg das Veröffentlichungstempo schnell und deutlich an. Daher zeigt sich, dass dieses Thema im wissenschaftlichen Bereich zunehmend auf Interesse gestoßen ist. Die Anpassungskurven in Abb. 1 geben eine Vorstellung von exponentiellem Wachstum in diesem Bereich. Und der genaue Zusammenhang zwischen Jahr (x) und Erscheinungsnummer (y) ist in mathematischer Form aufgeführt. Dies garantiert, dass die Forschung zu NNs in der Abwasserbehandlung in den kommenden Jahren ein heißes Thema bleiben wird.

Die jährliche Veröffentlichungsnummer der sechs produktivsten Länder im Zeitraum 1997–2016. TP:die Gesamtzahl der Veröffentlichungen. Die Zahl nach dem Land gibt die Gesamtzahl der Veröffentlichungen dieses Landes in diesem Feld über den Zeitraum an

Das Liniendiagramm in Abb. 1 zeigt die jährliche Veröffentlichungsleistung der sechs produktivsten Länder. Obwohl auf niedrigem Verlagsniveau, spielten die USA im ersten Jahrzehnt insgesamt eine Vorreiterrolle auf diesem Gebiet. Danach erlebte und hielt die Publikationszahl in China im folgenden Jahrzehnt einen kräftigen Anstieg und nahm mit 962 Artikeln die Spitzenposition ein. Dies ist auf den Nationalen Entwurf für den mittel- und langfristigen Plan zur Entwicklung von Wissenschaft und Technologie (2006–2020) zurückzuführen, der Umwelt-Nanomaterialien und Nanotechnologie zu einem strategischen Standort gemacht hat. Auch in den USA war der Wachstumstrend zu beobachten, allerdings in deutlich milderer Form. Ende 2016 gab es in den USA insgesamt 324 Veröffentlichungen. Die Zahl der Veröffentlichungen zu NNs in der Abwasserbehandlung durch den Iran (140), Indien (105), Südkorea (104) und Spanien (101) war jedoch nicht bis zu den letzten 5 Jahren einen deutlichen Anstieg aufweisen. Und zwischen ihnen war ein deutlicher Abstand zu den beiden Spitzenländern zu beobachten. Als Ergebnis konnte gezeigt werden, dass die hochproduktiven Länder zur Gesamtentwicklung dieses Bereichs beigetragen haben.

Der Beitrag der Länder/Gebiete

Adresse und Zugehörigkeit, die jedem Datensatz beigefügt sind, können als wirksame Informationen für die Bewertung von Ländern/Gebieten und Instituten angesehen werden. Da die Anschriften der Autoren fehlen, wurden in diesem Abschnitt nur 2391 Artikel zur Analyse herangezogen. Im Laufe der zwei Jahrzehnte verfügten 83 Länder/Gebiete über Veröffentlichungen zu NNS in der Abwasserbehandlung. Und die Top-20-Länder/-Gebiete machten 83,95 % der gesamten Veröffentlichungen aus.

In Tabelle 1 wurden die 20 produktivsten Länder/Gebiete nach ihren Veröffentlichungsdatensätzen, der Anzahl und dem Prozentsatz der Veröffentlichungen ohne und innerhalb internationaler Zusammenarbeit, der Anzahl der von Erstautoren und korrespondierenden Autors veröffentlichten Veröffentlichungen sowie H-Index-Informationen geordnet. China zeigte in jeder Hinsicht einen Vorteil gegenüber den USA, dem zweiten produktiven Land in der Liste. Es war bemerkenswert, dass die USA mit nur einem Drittel der Veröffentlichungszahl von China eine beträchtliche Zusammenarbeit und h-Index-Performance erzielten. Angesichts der Tatsache, dass der h-Index als Indikator verwendet werden könnte, um sowohl die Wirkung als auch die Quantität von Veröffentlichungen zu messen, deutete dies darauf hin, dass die USA möglicherweise einen größeren Anteil an hochwertigen Veröffentlichungen hatten als China. Gegenüber den USA ist der Iran in allen Belangen deutlich zurückgefallen. Und wenn es um den Rang der Kollaboration und des h-Index ging, belegte der Iran nur den zwanzigsten bzw. elften Platz. Neben China und den USA präsentierte Australien mit einem siebten Platz bei der Gesamtzahl der Veröffentlichungen die meisten Aktivitäten wie kein anderes Land. Obwohl Australien, Singapur, Deutschland und Kanada bei der Gesamtzahl der Veröffentlichungen keine Überlegenheit zeigten, erreichten sie relativ höhere h-Index-Ränge.

Die soziale Netzwerkanalyse wurde dann angewendet, um die Co-Authoring-Beziehungen zwischen den 30 produktivsten Ländern/Gebieten zu analysieren. Die Ergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt. Insbesondere die USA und China arbeiteten unter allen Ländern/Gebieten am engsten zusammen. Sie haben 66 gemeinsam verfasste Publikationen produziert. Bemerkenswert war auch die Zusammenarbeit zwischen China und Hongkong, Saudi-Arabien und Großbritannien. Im Gegensatz zu China, das mit bestimmten Ländern/Gebieten relativ intensiv zusammenarbeitete, blieben die USA mit einer größeren Anzahl von Ländern/Gebieten verbunden, wenn auch mit geringerer Dichte.

Das Kooperationsnetzwerk der 30 produktivsten Länder/Territorien

Der Beitrag und die Verteilung von Instituten

Nach Angaben der Autorenadressen haben 1871 Institutionen Interesse an NNs in der Abwasserreinigung gezeigt. Und zusätzliche Datei 1:Abbildung S1 zeigt alle abgerufenen Institutionen auf der ganzen Welt. Gebiete mit hoher Verbreitungsdichte kamen hauptsächlich aus drei Hauptwirtschaftsregionen, nämlich Europa, Ostasien und Nordamerika. Europa hatte die meisten Institutionen, gefolgt von Ostasien bzw. Nordamerika.

Wie in Tabelle 2 aufgeführt, kamen etwa zwei Drittel der Top-30-Institute aus China und zwei aus Singapur, eines aus dem Iran, Malaysia und den USA. Die Chinesische Akademie der Wissenschaften steuerte die meisten Veröffentlichungen in diesem Bereich bei (149), gefolgt von der Tongji-Universität (49) und dem Harbin Institute of Technology (40). Mehr als die Hälfte der gesamten Artikel (54,75 %) betrafen multiinstitutionelle Kooperationen. Die Rangfolge der Publikationsnummer nach Erstautoreninstitut, Korrespondenzinstitut und Autorinstitution entsprach der Gesamtpublikationsnummer im Allgemeinen. Es war zwar bemerkenswert, dass die Zhejiang University und die Arizona State University, die bei der Gesamtzahl der Veröffentlichungen keine bemerkenswerten Ergebnisse erzielten, den achten bzw. neunten Platz im Land des Erstautors bzw. des Landes des korrespondierenden Autors belegten. In Bezug auf den h-Index-Rang belegte die Chinesische Akademie der Wissenschaften den ersten Platz. Nichtsdestotrotz hatten die National University of Singapore, die Tonji University, die Shanghai Jiao Tong University und die Nanyang Technological University mit unterschiedlichem Rang einen ähnlichen h-Index (16 oder 17).

Wie in Zusätzliche Datei 1:Abbildung S2 gezeigt, hatten die Chinese Academy of Sciences, China und die University of Science and Technology of China eine enge Zusammenarbeit. Es ist erwähnenswert, dass ein großer Teil der Zusammenarbeit zwischen chinesischen Institutionen stattfand. Als Zentrum des Netzwerks unterhielt die Chinesische Akademie der Wissenschaften Partnerschaften mit fast allen inländischen Institutionen, aber nur begrenzte Kommunikation mit dem Ausland. Darüber hinaus hat das Harbin Institute of Technology, China, auch mit anderen sechs Instituten gut zusammengearbeitet. Darüber hinaus zeigten die ETH, die Schweiz und die Arizona State University, die Islamic Azad University und die University Teknol Malaysia nur eine Zusammenarbeit miteinander, verloren jedoch die Verbindung zum gesamten Kooperationsnetzwerk. Es sei darauf hingewiesen, dass die Duke University aus den USA in Abb. 3 nicht zu finden war. Dies bedeutete, dass sie nicht mit den anderen Top-30-Institutionen kooperierte.

Das Kooperationsnetzwerk der Top 30 produktiven Institutionen

Die jährliche Veröffentlichung der fünf produktivsten Institute in den zwei Jahrzehnten, dargestellt in Zusatzdatei 1:Abbildung S2. Vor 2005 gab es unter diesen fünf besten Instituten fast keinen Publikationsrekord. Seitdem ist die Zahl der Veröffentlichungen trotz deutlicher Schwankungen in einigen Jahren rasant gestiegen. Im Jahr 2011 machte die Chinesische Akademie der Wissenschaften einen großen Schritt nach vorne und übertraf andere vier Institute. Danach behielt es eine höhere Wachstumsrate bei und lag in den letzten 5 Jahren an der Spitze. Der Trend unter diesen fünf produktivsten Instituten deutet darauf hin, dass dieses Gebiet zunehmend in den Fokus der Aufmerksamkeit von Forschern weltweit gerückt ist.

Die Verteilung von Fachkategorien und Zeitschriften

Alle gefundenen Artikel sind in 44 Themenkategorien unterteilt. Wie in Tabelle 3 aufgeführt, rangieren die Ingenieurwissenschaften mit 1.069 Datensätzen an erster Stelle, gefolgt von der Chemie mit 757 Datensätzen und den Umweltwissenschaften und der Ökologie mit 702 Datensätzen. Wie in Zusatzdatei 1:Abbildung S3 dargestellt, ist die Zahl der sechs produktivsten Fächerkategorien stetig gestiegen, nachdem sie in den ersten fünf Jahren kaum gewachsen war. Vor 2015 stieg der Maschinenbau relativ schnell und nahm kontinuierlich eine Spitzenposition ein. Allerdings verzeichnete die Chemie nach 2011 ein überwältigendes Wachstum und war 2014 bzw. 2016 den Umweltwissenschaften und der Ökologie sowie den Ingenieurwissenschaften überlegen. Der mögliche Grund war, dass Forscher die Bedeutung des chemischen Mechanismus des Verhaltens von NNs bei der Abwasserbehandlung erkannt haben. Die stetige Zunahme der Umweltwissenschaften und Ökologie sowie der Wasserressourcen implizierte die wichtige und potenzielle Wirkung von NNs im Umweltbereich. Der Wohlstand der Ingenieurwissenschaften, der Materialwissenschaften sowie der Wissenschaft und Technologie – andere Themen könnten auf die aufkommenden NNs zurückzuführen sein.

Die 2393 Artikel sind in 449 Zeitschriften unterteilt. Und wie in Tabelle 4 aufgeführt, betrug der Beitrag der Top-20-Zeitschriften zu allen Veröffentlichungen 47,20 %. Rsc Advances, eine umfassende Zeitschrift für chemische Wissenschaften, war mit 108 Einträgen die produktivste Zeitschrift, gefolgt von Entsalzung und Entsalzung und Wasseraufbereitung mit 97 bzw. 96. Umweltwissenschaften und -technologie genießen weltweit einen sehr guten Ruf im Umweltbereich und rangieren mit 76 Datensätzen auf Platz sieben. Dies implizierte, dass NNs zunehmend als Umweltprobleme betrachtet werden. Darüber hinaus war offensichtlich, dass die meisten in Tabelle 4 aufgeführten Zeitschriften einen hohen Impact-Faktor (IF)-Wert hatten, wobei 65 % davon zwischen 4,2 und 9,5 lagen. Generell gilt IF als effektiver Indikator für die Qualität einer Zeitschrift [29]. Daher legte es nahe, dass dieses Thema unter herausragenden Wissenschaftlern verbreitet ist.

Zusätzliche Datei 1 Abbildung S4 zeigt die Veröffentlichungsleistung der fünf besten Zeitschriften. In den letzten 2 und 3 Jahren waren eindeutig die rasanten Trends der Rsc-Fortschritte sowie der Entsalzung und Wasseraufbereitung zu beobachten. Die Entsalzung erlitt jedoch 2012 einen starken Rückgang und hielt sich danach auf einem noch niedrigeren Niveau als im Zeitraum von 2005 bis 2010. Darüber hinaus nahmen die anderen vier Zeitschriften über den gesamten Zeitraum an Fluktuation zu. Es zeigte, dass sich die Erforschung von NNs in der Abwasserbehandlung weithin zu einer Cross-Over-Studie entwickelt hat.

Die Hauptforschungsbereiche

Schlüsselwörter eines Papiers können wirksame Punkte in Bezug auf seine Hauptgedanken bieten. Die Burst-Erkennung in CiteSpace kann Burst-Schlüsselwörter als Anzeichen für aufkommende Trends von NNs in der Abwasserbehandlung abrufen [30]. In diesem Abschnitt wurden nur 2386 Datensätze analysiert, da weitere 7 Datensätze mit unvollständigen Informationen ungültig waren.

Ein auf Schlüsselwörtern basierendes Zeitachsennetzwerk ist in Abb. 4 dargestellt. Die Farbe sowohl des Kreises als auch der Linie im Netzwerk entsprach aufeinanderfolgenden Jahren oben in der Abbildung. Jeder Punkt repräsentierte einen Knoten im Netzwerk. Und die Knoten sind Schlüsselwörter. Linien zwischen Knoten deuten auf gleichzeitig auftretende Verbindungen hin. Hervorzuheben ist, dass Highlight-Knoten mit signifikanten Forschungsfeldern mit violetten Rändern markiert sind. Und ein dickerer violetter Rand deutet auf eine höhere Häufigkeit des gleichzeitigen Auftretens hin [31]. Insbesondere Adsorption (430), Abbau (306), Nanofiltration (264), Umkehrosmose (132), Membran (130), TiO ₂ (183), Photokatalyse (124), Ultrafiltration (114), rEntfernung (461) und Nanokomposit (157) waren hochfrequente Schlüsselwörter, die in einem früheren Stadium auftraten.hile, Kohlenstoff-Nanoröhren (120), Sorption (96), TiO₂ Nanoröhre (72), photokatalytischer Abbau (71), Photokatalysator (55), Silber-Nanopartikel (103), Verbundwerkstoff (139), Hydrothermale Synthese (34), Graphenoxid (60), Graphen (43), Klärschlamm (37), Umwandlung (34) und magnetische Nanopartikel (33) waren in letzter Zeit häufig verwendete Keywords. Es zeigte sich, dass dies Forschungsschwerpunkte von NNs in der Abwasserbehandlung waren.

Zeitachsenansicht eines Netzwerks im Zusammenhang mit gleichzeitig vorkommenden Keywords

Keyword Bursts sind ein effektiver Indikator für Forschungs-Hotspots im diskutierten Bereich [22]. Der Keyword-Burst deutet darauf hin, dass ein bestimmtes Keyword mit immer mehr anderen Keywords in Kontakt steht und in der Wissenschaft große Beachtung gefunden hat. In Tabelle 5 sind die 20 Keywords mit den stärksten Ausbrüchen in den Jahren 1997 bis 2016 aufgeführt. Das Jahr in der letzten Spalte repräsentiert den bestimmten Zeitraum eines Keyword-Ausbruchs. Seit 1998 tauchten viele Keywords auf. Die drei stärksten waren Nanofiltration , rUmkehrosmose , und Ultrafiltration mit langer Ausbruchsperiode von 14, 10 bzw. 13 Jahren. Einnahme von Nanofiltration , zum Beispiel, der Ausbruch begann 1998 und endete 2011. Es bedeutete Nanofiltration hatte besondere Aufmerksamkeit erhalten und war im Verlauf von 1998 bis 2011 ein Forschungs-Hotspot. Im Allgemeinen entsprach der Zeitraum der Keyword-Bursts den Ergebnissen in Abb. 4. Ähnlich wie bei den hochfrequenten Keywords handelte es sich bei den meisten Keyword-Bursts um die Kern-Nanotechnologie der Wasserreinigung und die Anwendung von NNs. Außerdem waren die letzten Schlagwortausbrüche composite , Graphen , und Klärschlamm . Dies könnte darauf hindeuten, dass Verbundnanomaterialien und Graphen ein aufstrebender Trend sind. Inzwischen erstreckt sich der Anwendungsbereich der NNs-Studien auf die Klärschlammforschung.

Die am häufigsten zitierten Artikel

Die am häufigsten zitierten Publikationen sind auch nützliche Indizes, um das Forschungsinteresse und den Brennpunkt eines wissenschaftlichen Bereichs zu demonstrieren [32]. Die 10 am häufigsten zitierten Publikationen während des Zeitraums sowie die 3 Top-Publikationen in fast allen 3 Jahren wurden in Tabelle 6 aufgeführt. mit jeweils 5 und 3. Die USA trugen am meisten zu allen aufgelisteten Zitationen bei, und China kam an zweiter Stelle.

Die Analyse der Zitate ergab, dass sich der Einsatz verschiedener NNs zur Schadstoffentfernung aus dem Abwasser durchweg als heißes Feld gehalten hat. Die Entwicklung und Anwendung neuer Nanomaterialien waren beliebte Themen in allen erwähnten Artikeln. Generell zeigten die gefundenen Hotpots in den häufig zitierten Publikationen einen ähnlichen Trend wie in Teil 3.5. Und dies war in den letzten 3 Jahren besonders deutlich in Bezug auf die häufig zitierten Arbeiten. Von den neun Veröffentlichungen basierten vier Studien auf Graphen Einsatz in der Abwasserreinigung. Außerdem magnetische Nanopartikel , Kohlenstoff-Nanoröhren , und Silbernanopartikel wurden auch in den linken fünf Papieren aufgeführt. Außerdem ist anzumerken, dass die negativen Auswirkungen von Nanomaterialien auf Mensch und Umwelt auch die Besorgnis der Forscher auf sich gezogen haben. Es deutete darauf hin, dass Forscher Nanomaterialien auf rationale Weise in Betracht gezogen haben, obwohl die Entwicklung, die sie in unsere Gesellschaft gebracht hat.

Aktuelle und potenzielle Anwendung von NNs in der Abwasserbehandlung

Adsorption, Membranfiltration sowie Sensorik und Detektion waren vier Schwerpunkte in 3.4–3.6 basierend auf bibliometrischer Analyse. Es basierte auf den Hauptfunktionen von NNs in der Abwasserbehandlung. Obwohl die Wasserverschmutzung durch eine Vielzahl von Quellen zunimmt und auftaucht, variierten die Mechanismen, denen wir uns zur Beseitigung von Problemen zuwandten, nur wenig. Daher haben wir die Gegenwart und Zukunft von NNs aus den vier oben genannten Kategorien kritisch überprüft. Das potenzielle Risiko von NNs wurde hier nicht näher ausgeführt, um den Anwendungsbereich zu überschreiten.

Adsorption

Die Adsorption war aufgrund ihrer einfachen Handhabung und der Universalität für gängige organische und anorganische Verunreinigungen eine bevorzugte Wahl gegenüber anderen Wasserstrategien [33]. Größenabhängige Nanostrukturen garantierten den Nanomaterialien inhärente Vorteile in vergleichbarer spezifischer Oberfläche oder aktiver Zentren, die für herkömmliche Adsorbentien lange Zeit Engpässe waren. Kohlenstoffbasierte Nanoadsorbentien, typischerweise Kohlenstoffaerogele [34], Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) [35], Graphen [36] und ihre Hybridisierungszustände [37] waren vielversprechend für die Abwasserbehandlung und ihre hervorragende Leistung für Schwermetalle und organische Die Entfernung von Schadstoffen hat sich im Allgemeinen erwiesen. Für die Hydrophobie ihrer graphitischen Oberfläche bildeten Nanoadsorbentien auf Kohlenstoffbasis lose Aggregate, die die effektive Oberfläche verringerten und die Adsorptionsenergie erhöhten. Obwohl funktionelle Gruppen oder Metalloxid-Nanopartikel eingeführt wurden, um diesen Nachteil zu beseitigen, blieb ihre vollständige Rückgewinnung aus Wasser nach dem Adsorptionsprozess Betriebskosten [38]. Eine Regeneration und Wiederverwendung von kohlenstoffbasierten Nanoadsorbentien könnte durch eine Verringerung des wässrigen pH-Werts erreicht werden [39]. Die Adsorptionskapazität war nach der Regeneration relativ stabil. Obwohl in den letzten Jahren beeindruckende Fortschritte erzielt wurden, wurden durch die Produktions- und Reinigungsschritte häufig Verunreinigungen und Verunreinigungen eingebracht und sogar eine Strukturdegradation verursacht. Außerdem ist die Synthese von Kohlenstoff-Nanopartikeln mit einem gewünschten oder homogenen porösen Netzwerk nach wie vor eine Hauptherausforderung für die gesamte Forschung auf diesem Gebiet.

In Pulverform lassen sich Nanoadsorbentien problemlos in bestehende Aufbereitungsprozesse in beliebigen Slurry-Reaktoren rund um den Mischprozess integrieren. Zur Abtrennung und Rückgewinnung der Nano-Adsorbentien ist jedoch eine abgestimmte Trenntechnologie erforderlich. Es wurden einige Verbesserungen vorgenommen, um die Nanopartikel in Pellets/Perlen zu fixieren, um ein nanobeladenes System zu bilden. Der weitere Trennprozess kann unter Umständen entfallen, es treten jedoch Probleme hinsichtlich Stoffübergangsbegrenzungen und Druckverlust auf.

Membranfiltration

Als gängiger Bestandteil von Wasser- und Abwasseraufbereitungssystemen wurden Membranverfahren nach ihrer Größe in Mikrofiltration (MF), Ultrafiltration (UF) und Nanofiltration (NF) unterteilt [40]. Da der Hauptteil von Membranprozessen Filtrationsmaterial war, trugen NNs zu effizienteren Wasserfiltrationsprozessen (Nanofasermembranen, Nanokompositmembranen, Dünnschicht-Nanokompositmembranen (TFN)) bei [40]. Der hohe Energieverbrauch, die Reduzierung der Lebensdauer und das Versagen der Filtration durch Membranfouling waren große Herausforderungen bei Membranprozessen. Modifizierte Membranen mit funktionellen Nanomaterialien wurden als vielversprechende Möglichkeit angesehen, diesem Dilemma zu begegnen. Durch Dekorieren mit anorganischen Nanopartikeln wie Aluminiumoxid [41], Silizium [42], Zeolith und TiO [43] wurde die Hydrophilie der Membran [44] erhöht, um Fouling zu vermeiden. Die TFN-Membran, ein neues Konzept von Hoeks Forschungsgruppe, wurde durch die Einbettung von Zeolith-NaA-Nanopartikeln in eine Polyamidschicht zur Bildung einer Verbundmembran initiiert [45]. Und im Vergleich zur üblichen TFC-Membran wurde eine signifikante Verbesserung des Membranflusses erreicht [45]. Auf diesem Gebiet wurden jedoch aussagekräftige Studien erwartet, wie Nanomaterialien die Eigenschaften der Polyamidschicht von TFN-Membranen verbessern. Und Nano-Ag wurde auch auf Polymermembranen hinzugefügt, um die Bildung von Biofilmen [46] zu verhindern und Viren [47] auf der Membranoberfläche abzutöten. TiO₂ -basierte Nanomaterialien und metallische/bimetallische Katalysator-Nanopartikel wie nano-nullwertiges Eisen (nZVI) waren übliche Katalysatoren für den Schadstoffabbau, sodass deren Einbau in Membranen die Rückhaltung von Rückständen effektiv verringern würde.

Sensor und Erkennung

Eine Vielzahl synthetischer organischer Verbindungen, wie PAK, PCB und PBDE, verursachten in extrem geringer Konzentration Wasserverschmutzung. Eine große Herausforderung für die Abwasserbehandlung bestand darin, sie schnell und genau zu erfassen und zu erkennen. Für viele waren Nanomaterialien ausgezeichnete Adsorptionsmittel; sie konzentrierten die Verschmutzung, um die Nachweisschwelle zu erreichen. CNTs wurden in echten Wasserproben zum Nachweis organischer Verbindungen verwendet [48]. Au-TiO₂ Nanocomposite zeigte gute lineare Insektizide mit Spurenorganophosphaten (OPs) bei einer Konzentration von 1,0 ng/ml [49]. Multifunktionales Nanoröhren-Array auf Basis von TiO₂ wurde zum Nachweis der Herbizide 4-Chlorphenol (4-CP), Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D) und Methylparathion (MP) verwendet [50]. Auch Krankheitserreger und Viren gelten im Abwasser als langfristige Bedrohung. Aufgrund der großen Oberflächen/Volumen-Verhältnisse in Geräten in Nanogröße waren NNs-abhängige Nano-Biosensoren bei einigen Pathogen- und Virusdiagnosen schnell und zeitlich gut abgestimmt. Quantenpunkte [51], Kohlenstoffnanoröhren [52], Graphenoxid [53], Siliziumdioxid [54] und Metallnanopartikel [55, 56] waren eine solide Grundlage für Sensor- und Detektionstechnologien. Die aktuellen Herausforderungen zielen darauf ab, einen falschen Nachweis von Krankheitserregern und Viren in komplizierten Abwasserproben zu vermeiden. Darüber hinaus wird die Forschung und Entwicklung an tragbaren und wiederverwendbaren Detektoren ebenfalls ein kreatives Unterfangen sein.

Schlussfolgerungen

Die bibliometrische Technik wurde angewendet, um die Entwicklung von NNs in der Abwasserbehandlung zu untersuchen. Die Zahl der Publikationen ist in den untersuchten zwei Jahrzehnten exponentiell gestiegen. China war das produktivste Land und machte 40,22% (962) der gesamten Artikel mit dem höchsten h-Index aus (62). Allerdings erreichen die USA mit nur einem Drittel der Veröffentlichungszahlen Chinas einen ungefähren h-Index (55). Darüber hinaus haben sowohl China als auch die USA bei der internationalen Zusammenarbeit überwältigende Vorteile gegenüber anderen Ländern/Gebieten erlangt. Und zwischen ihnen wurden stärkste Kooperationsbeziehungen beobachtet. Die Chinesische Akademie der Wissenschaften hatte die stärkste Kooperationsfähigkeit, zeigte jedoch eine begrenzte Kommunikation mit ausländischen Institutionen.

Graphene, nanotube, magnetic nanoparticle, and silver nanoparticle are hotpots in recent years. And NNs is developing toward a more detailed and sophisticated classification in spatial structure. Different from traditional NNs, nanocomposites with multicomponent or multi-element emerged with optimization and precise control of processing. Researchers are trying to design nanomaterials rather than to prepare them. However, when it comes to practical application, wider commercialization of NNs is urgently needed. Nanoparticles with hazardous and toxic bring risk to environmental safety and public health. Synchronous recovery technology is urgently needed to eliminate its negative effects and realize resources recycle. Though some NNs have been widely applied in water and wastewater treatment, we are far from making the most of them commercially.

Abkürzungen

CP:

The number of internationally collaborative publications

FP:

The number of publications as first author’s country

NNs:

Nanomaterials and nanotechnologies

R (%):

The rank (the ratio of the number) of a certain item

R(h-index):

The rank (the value of h-index) of a certain item’s

RP:

The number of publications as corresponding author’s country

SP:

The number of single country publications

TP:

The number of total publications