龐新宇，劉文士?，李猛，龔天成，趙穎，孫孟陽，黃剛，焦宇欣，楊天學(xué)?

1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

2.中國林業(yè)科學(xué)研究院

3.中國環(huán)境科學(xué)研究院固廢分質(zhì)利用與污染控制研究室

生物炭是在缺氧的環(huán)境下將有機(jī)材料熱解而產(chǎn)生的富碳產(chǎn)物[1],因其具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、多樣化的表面官能團(tuán)及碳元素含量高且穩(wěn)定等良好特性,在土壤改良、環(huán)境治理及固碳減排等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。近年來越來越多的專家與學(xué)者將生物炭應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域,如Dai等[3]研究了四環(huán)素(tetracycline,TC)在不同熱解溫度下獲得的黑木耳渣生物炭(biochar,BC)上的吸附行為,發(fā)現(xiàn)在300、500和700℃下制備的生物炭樣品的最大吸附容量分別為7.22、9.90和11.90 mg∕g,表明生物炭可有效去除TC；Alburquerque等[4]研究發(fā)現(xiàn),生物炭與礦物肥料之間存在顯著的相互作用,因而施用生物炭對提高小麥產(chǎn)量有利,且生物炭對土壤特性有重要影響,試驗所用的2種生物炭均導(dǎo)致土壤pH、電導(dǎo)率和樹脂可提取的磷酸鹽濃度顯著增加。目前,生物炭修復(fù)性能研究方面的發(fā)文量逐漸增多,但從文獻(xiàn)計量學(xué)系統(tǒng)分析其研究進(jìn)展的文章相對較少,因而很難準(zhǔn)確地為研究人員指明未來的重點研究方向。文獻(xiàn)計量學(xué)以文獻(xiàn)為基礎(chǔ),用定量化方法對文獻(xiàn)特征進(jìn)行分析和處理以獲得必要的數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析從中找出變化規(guī)律,進(jìn)而預(yù)測未來的發(fā)展趨勢。文獻(xiàn)計量學(xué)以其顯著的客觀性、定量化和模型化的宏觀研究優(yōu)勢已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境工程與科學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、食品安全及新能源利用等領(lǐng)域[5-6]。

筆者以Web of Science(WoS)中Science Citation Index Expanded(SCI-E)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),檢索生物炭在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn),對文獻(xiàn)中相關(guān)文章作者、國家、年發(fā)文總量、關(guān)鍵詞、研究機(jī)構(gòu)、期刊等重點指標(biāo)進(jìn)行較為系統(tǒng)的文獻(xiàn)計量學(xué)分析,以對近10年生物炭用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程及研究近況進(jìn)行定性定量的評價,同時分析較為活躍的作者、國家、研究機(jī)構(gòu)以及其相互之間的合作現(xiàn)狀,以期闡明生物炭在環(huán)境領(lǐng)域污染物修復(fù)方面的研究發(fā)展趨勢,為科研工作者了解該領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)的整體研究情況提供支撐,為更好地把握未來研究方向提供思路。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

WoS核心合集是獲取全球?qū)W術(shù)信息的重要數(shù)據(jù)庫,收錄了諸多內(nèi)容涵蓋自然科學(xué)、工程技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的全球權(quán)威和高影響力學(xué)術(shù)期刊。SCI-E數(shù)據(jù)庫是全球最大、覆蓋學(xué)科最多的綜合性學(xué)術(shù)信息資源庫,兼具知識的檢索、提取、分析、評價及管理等多項功能[7],是國際公認(rèn)的反映科學(xué)研究水準(zhǔn)的核心數(shù)據(jù)庫[8]。以WoS中SCI-E數(shù)據(jù)庫為文獻(xiàn)源,采用主題式檢索,檢索主題詞為biochar、 charcoal、 biocarbon 與 remediate?、restoration?、repair?的排列組合,即檢索式為:“主題”＝(biochar remediate?)AND“主題”＝(biochar restoration?)AND“主題” ＝(biochar repair?)AND“主題”＝(charcoal remediate?)AND“主題”＝(charcoal restoration?)AND“主題” ＝(charcoal repair?)AND“主題” ＝(biocarbon remediate?)AND“主題”＝(biocarbon restoration?)AND“主題”＝(biocarbon repair?)。檢索時間跨度為2009年1月1日—2019年9月1日,共檢索到1 272篇文獻(xiàn)。

1.2 數(shù)據(jù)分析

對檢索到的文獻(xiàn)文檔類型、語言、所屬國家及機(jī)構(gòu)、作者、關(guān)鍵詞、引文量、引用次數(shù)、學(xué)科分類、出版物名稱等進(jìn)行統(tǒng)計分析(Excel 2010軟件)。應(yīng)用VOSviewer 1.6.12軟件對作者間的合作關(guān)系和關(guān)鍵詞的共現(xiàn)性進(jìn)行分析,以揭示文獻(xiàn)間知識流動和轉(zhuǎn)移,并反映文獻(xiàn)間的相似性、親密性和引證關(guān)系[9]。應(yīng)用CiteSpace進(jìn)行文獻(xiàn)被引和聚類分析,以揭示全球?qū)⑸锾繎?yīng)用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域研究的動態(tài)和發(fā)展趨勢。使用普賴斯定律確定將生物炭用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的核心作者。

普賴斯定律是研究科技情報學(xué)的主要方法之一,用來衡量各學(xué)科領(lǐng)域文獻(xiàn)作者分布規(guī)律和文獻(xiàn)被引頻次高低,是確認(rèn)核心作者的重要方法之一[10-11],其公式如下:

式中:Mp為核心作者最低發(fā)文量；Npmax為生物炭應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)作者的最高發(fā)文量。

式中:Mc為高被引文獻(xiàn)被引頻次下限；Ncmax為生物炭應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)的最高被引頻次。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文總量及年發(fā)文量

發(fā)文量是科學(xué)界對某一領(lǐng)域關(guān)注程度的總體表征,可在一定程度上反映該領(lǐng)域的發(fā)展速度和歷程[12]。2009—2019年,主題中包含生物炭和修復(fù)的SCI源文獻(xiàn)共檢索到1 272篇。其中,研究型論文(article)1 120篇,占88.1%；評論(review)102篇,占8.0%；會議論文(proceedings paper)32篇,占2.5%；其他論文18篇,占1.4%。發(fā)文量總體逐年上升,由2009年的12篇增至2018年的275篇,增加了21.92倍,年均增長率達(dá)273.67%(圖1)。這表明生物炭逐漸引起全球環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域?qū)W者對其修復(fù)性能的關(guān)注。

圖1 2009—2019年發(fā)文量變化Fig.1 Annual number of published papers in 2009-2019

2.2 主要作者

通過對主要作者的分析,有助于了解該領(lǐng)域的主要科研人員及其關(guān)注的方向,有利于讀者結(jié)合自身科研需求進(jìn)行學(xué)術(shù)交流與合作。統(tǒng)計得到Npmax為75,由式(1)計算Mp,取整數(shù)為7,即發(fā)文量≥7篇的可被認(rèn)為是該領(lǐng)域的核心作者。經(jīng)統(tǒng)計,1 272篇生物炭修復(fù)領(lǐng)域的文獻(xiàn)由4 923位學(xué)者產(chǎn)出,其中發(fā)文量≥7篇的作者共有80人(占1.63%),共發(fā)表文章910篇(占71.54%),反映這些作者在生物炭應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域有著十分重要的貢獻(xiàn)。

對發(fā)文量前15名作者的發(fā)文量占比(占排名前15作者發(fā)文總量的比例)及所屬國家進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,生物炭用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域發(fā)文量最多的作者是來自韓國國立大學(xué)的Ok Y S,其發(fā)文量達(dá)75篇(占22%),占生物碳修復(fù)領(lǐng)域發(fā)文總量的5.9%；其次是來自中國香港的Tsang D CW,發(fā)文量為40篇(占12%)。15名作者中共有6名(42%)作者來自中國,表明中國對該領(lǐng)域的研究十分關(guān)注。這是由于近年來的土壤或水污染形勢使越來越多的科研人員關(guān)注環(huán)境修復(fù)問題。根據(jù)2014年《全國土壤污染情況調(diào)查公報》[13],我國土壤總的點位超標(biāo)率達(dá)25.5%。生物炭作為一種廉價且環(huán)境友好的修復(fù)材料,吸引越來越多的研究人員將其應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的研究。

圖2 發(fā)文量排名前15的作者發(fā)文量占比Fig.2 Proportion of articles published by the top 15 authors

相較作者發(fā)文量,第一作者發(fā)文量以及通信作者發(fā)文量更能體現(xiàn)作者自身的研究水平。對發(fā)文量前15名的第一作者以及通信作者進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果如表1所示。由表1可知,Tsang D CW以通信作者發(fā)文16篇,共發(fā)文40篇,發(fā)文總量排名第二,表明該作者在生物炭用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域有著大量深入的研究。Cao X D以通信作者發(fā)文13篇,共發(fā)文21篇,排名第五。Rinklebe J和Wang H L以通信作者發(fā)文7篇,共發(fā)文24篇,排名并列第三,表明2位作者在生物炭用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域也有著較為深入的研究。

表1 發(fā)文量排名前15的第一作者及通信作者統(tǒng)計Table 1 Top 15 statistics of the number of first authors and corresponding authors 篇

2.3 發(fā)文作者所屬國家∕地區(qū)

通過對發(fā)文作者所屬的國家∕地區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計,可較直觀地展示國家∕地區(qū)在某一研究領(lǐng)域整體的科研投入力度及影響力。對發(fā)文量排名前15的國家∕地區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果如表2所示。由表2可知,中國的發(fā)文量最多,為617篇,占28.72%；其次為美國,發(fā)文量為301篇,占14.01%；隨后是韓國,發(fā)文量為99篇,占4.61%。中國發(fā)文量分別為美國的2.05倍,韓國的6.23倍,體現(xiàn)出中國對生物炭用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的研究極為重視并在該領(lǐng)域投入了較多的科研力量,目前取得了較為豐碩的研究成果,在全球有著一定的影響力。中國獨立發(fā)文量為306篇,占中國發(fā)文總量的49.59%,表明中國在該領(lǐng)域有著較強(qiáng)的獨立科研能力。

表2 2009—2019年生物炭用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域研究發(fā)文量前15的國家∕地區(qū)Table 2 Top 15 countries and regions with most papers on biochar remediation research in various fields from 2009 to 2019

用VOSviewer軟件對國家∕地區(qū)間合作發(fā)文情況進(jìn)行了直觀展現(xiàn)(圖3)。圖中每個節(jié)點的大小代表一個國家∕地區(qū)的國際合作出版物總數(shù),節(jié)點較大表明該國家∕地區(qū)在生物炭應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的研究更具有國際性；連接線的寬度反映了協(xié)作頻率。從圖3可以看出,中國與美國、加拿大、德國和日本有著密切國際合作。此外,由于文化和語言上的關(guān)聯(lián)性,歐洲國家和北美國家之間有更多的合作活動,亞洲國家與其他國家的學(xué)術(shù)聯(lián)系則較少。

圖3 生物炭用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域發(fā)文國家∕地區(qū)間合作關(guān)系Fig.3 Cooperation between countries∕regions in the field of biochar for environmental remediation

2.4 高被引文獻(xiàn)

通過高被引文獻(xiàn)可洞察某領(lǐng)域在一定時間內(nèi)有影響力的作者和重要的研究主題[14]。統(tǒng)計得到文獻(xiàn)最高被引頻次為1 064,由式(2)可得被引頻次≥24為高被引文獻(xiàn)。

生物炭在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域被引頻次排名前10的文獻(xiàn)見表3。由表3可知,被引頻次最高的文獻(xiàn)為韓國國立大學(xué)的Ok Y S等的綜述文章,該篇綜述介紹了生物炭在廢水處理和土壤修復(fù)中吸附新興污染物(emerging contaminants,ECs),特別是PPCPs和EDCs的研究進(jìn)展,詳細(xì)介紹了通過動力學(xué)、顆粒內(nèi)擴(kuò)散及埃洛維奇等模型揭示生物碳對ECs的吸附機(jī)理的理論內(nèi)涵,提出生物炭吸附ECs主要為π—π鍵相互作用、氫鍵和官能團(tuán)、靜電作用、疏水作用以及空隙填充等作用[15]；同時揭示了包括pH及生物炭原料在內(nèi)的生物炭處理ECs時的影響因素；最后對制約生物炭技術(shù)發(fā)展?jié)撛趩栴}進(jìn)行了概述。其次是尼赫魯大學(xué)的學(xué)者M(jìn)ohan D等發(fā)表在Bioresource Technology上的綜述文章,該文獻(xiàn)綜述了生物質(zhì)熱解(慢速和快速)產(chǎn)生的生物炭在水和廢水處理中的最新應(yīng)用；比較并總結(jié)了慢速和快速熱解制備的生物炭對有機(jī)和無機(jī)污染物的吸附能力及機(jī)制；認(rèn)為未來應(yīng)在生物炭連續(xù)生產(chǎn)、改善能源效率和排放控制、提高生物炭產(chǎn)量、回收和副產(chǎn)品增值、改進(jìn)經(jīng)濟(jì)性、熱解以生產(chǎn)所需的物理化學(xué)生物炭的性質(zhì)、吸附劑的化學(xué)活化以及生物燃料經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行深入研究[16]。該文獻(xiàn)的第三作者為被引頻次最高文獻(xiàn)的通信作者Ok Y S,也是本次研究中發(fā)文量最多的作者,進(jìn)一步表明學(xué)者Ok Y S在生物炭用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域有著豐碩的研究成果,對該領(lǐng)域的發(fā)展起到了重要的推動作用。學(xué)者Beesley L及其團(tuán)隊發(fā)表的2篇主要研究生物炭對污染土壤有機(jī)、無機(jī)污染物及生物毒性影響的文章被引頻次排名靠前,表明該作者在生物炭修復(fù)污染土壤領(lǐng)域有較深入的研究且在該領(lǐng)域有一定的科研影響力。來自上海交通大學(xué)的Cao X D的文獻(xiàn)被引頻次為421次,該文獻(xiàn)主要研究了牛糞生物炭對水溶液中的Pb和阿特拉津的修復(fù)效果,結(jié)果表明,熱解溫度≥350℃產(chǎn)生的生物炭具有較高的pH,有益于中和土壤酸度。且該生物炭可以降低P的溶解度,可作為緩慢的P釋放肥料,改善作物產(chǎn)量,同時限制了直接使用生糞肥過量P的浸出。溫度≤200℃時制備的生物炭濃縮了可溶的P和有機(jī)炭,賦予了該類型生物炭從水溶液中吸附Pb和阿特拉津的強(qiáng)大能力[17]。10篇高被引文獻(xiàn)有3篇來自中國學(xué)者,說明中國在該領(lǐng)域有著一定的學(xué)術(shù)影響力,但由于,我國是該領(lǐng)域發(fā)文量最多的國家,因此文獻(xiàn)被引頻次相對較低。說明我國在該領(lǐng)域的研究相比于國外先進(jìn)水平還有一定的差距,需進(jìn)行深入研究。

表3 2009—2019生物炭修復(fù)領(lǐng)域被引頻次排名前10的文獻(xiàn)Table 3 Top 10 most cited documents in the field of biochar remediation from 2009 to 2019

2.5 學(xué)科類別和期刊分布

通過統(tǒng)計刊載過某一領(lǐng)域文獻(xiàn)的出版物情況,可以確定領(lǐng)域內(nèi)影響力較強(qiáng)的主要期刊。結(jié)合期刊的學(xué)科類別,有助于研究人員根據(jù)自己的研究方向選擇重點期刊進(jìn)行投稿和閱讀。檢索到的生物炭修復(fù)領(lǐng)域的文獻(xiàn)來自291種期刊,對刊載較多該領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)的期刊及其影響因子和H指數(shù)(H Index)進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果見表4。由表4可見,統(tǒng)計的期刊共刊載了545篇文獻(xiàn)(占42.7%)。發(fā)文總量最多的期刊為Science of the Total Environment,刊載96篇,占7.5%；其次是Environmental Science and Pollution Research和Chemosphere,分別刊載90篇(7.1%)和89篇(7.0%)。10本期刊的平均影響因子為5.406,最高達(dá)8.355,由此可見,這些期刊刊登了生物炭修復(fù)領(lǐng)域相對較多的高水平文獻(xiàn),在該領(lǐng)域有著較強(qiáng)的影響力。

表4 2009—2019生物炭修復(fù)領(lǐng)域刊載文獻(xiàn)量居前10的期刊Table 4 Top 10 journals in the field of biochar remediation from 2009 to 2019

據(jù)統(tǒng)計,檢索到的文獻(xiàn)共涉及75個學(xué)科類別,對排名前10的學(xué)科類別進(jìn)行發(fā)文量統(tǒng)計,結(jié)果見表5。從表5可以看出,environmental sciences(環(huán)境科學(xué))發(fā)文775篇,占29.0%；engineering(環(huán)境工程)發(fā)文283篇,占11.0%；environmental(環(huán)境)發(fā)文187篇,占7.1%。上述3個學(xué)科相關(guān)發(fā)文量共計1 245篇(47.1%),為生物炭應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的研究中非常重要的學(xué)科。

表5 2009—2019生物炭修復(fù)領(lǐng)域發(fā)文量居前10的學(xué)科類別Table 5 Top 10 disciplines in the field of biochar remediation from 2009 to 2019

2.6 未來的研究熱點及發(fā)展趨勢

關(guān)鍵詞通?？煞从澄墨I(xiàn)的研究主題,通過對關(guān)鍵詞的統(tǒng)計與分析可以準(zhǔn)確把握某一研究領(lǐng)域的研究熱點及未來研究方向[18],也可為今后的科學(xué)研究提供進(jìn)一步的發(fā)展方向。檢索到的文獻(xiàn)共涉及2 936個關(guān)鍵詞,將其進(jìn)行排序,最終出現(xiàn)頻率最高的共有 15個關(guān)鍵詞(表6)。其中,除biocharcharcoal、remediation等為主要檢索的關(guān)鍵詞外,soil remediation、 adsorption、heavy metals、immobilization、cadmium、soil等關(guān)鍵詞也有較高的使用頻率,說明近年來生物炭應(yīng)用于修復(fù)領(lǐng)域的研究主要集中在土壤修復(fù)、吸附、重金屬鎘、固定化等方向。同 時 發(fā) 現(xiàn) 2015—2019 年 adsorption 和immobilization關(guān)鍵詞相較2009—2014年排名顯著上升,表明近幾年科研人員在吸附與固定化的研究方向上投入了較多的科研精力,這2個方向很有可能成為生物炭環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域內(nèi)持續(xù)的研究熱點。

表6 2009—2019生物炭修復(fù)領(lǐng)域出現(xiàn)頻率最高的15個關(guān)鍵詞Table 6 15 most frequently occurring keywords in the field of biochar remediation from 2009 to 2019

用VOSviewer軟件對文獻(xiàn)關(guān)鍵詞進(jìn)行分析,構(gòu)建了生物炭修復(fù)為主題的疊加知識圖譜(圖4)。從圖4可以看出,使用生物炭進(jìn)行修復(fù)的相關(guān)研究大致經(jīng)歷了3個階段:1)2016—2017年,主要的關(guān)鍵詞有soil remediation、heavy metal、immobilization、sorption、stabilization等,表明該階段研究主要集中于生物炭對土壤重金屬的修復(fù)方面；2)2017—2018年,主要的關(guān)鍵詞有phytotoxicity、phytoremediation、mobility、accumulation、leaching和in situremediation,表明該階段研究主要集中在生物炭對植物中重金屬遷移轉(zhuǎn)化以及毒性浸出方面,并與有關(guān)植物進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)；3)2018—2019年,主要涉及的關(guān)鍵詞為adsorption、 nanoscale zero-valent iorn、 magnetic biochar、photodegradation和peat等,表明該階段主要研究方向為通過不同方式對生物炭進(jìn)行改性以提高生物炭修復(fù)性能,從而更好地對有關(guān)污染物進(jìn)行修復(fù)處理。

圖4 生物炭修復(fù)相關(guān)關(guān)鍵詞疊加知識圖譜Fig.4 Superimposed knowledge map of biochar remediation related keywords

使用CiteSpace得到生物炭在環(huán)境修復(fù)研究中的7個關(guān)鍵詞聚類圖譜(圖5),可以直觀地反映出研究熱點,同時導(dǎo)出了對應(yīng)的聚類信息(表7)。

表7 聚類信息總結(jié)Table 7 Summary of clustering information

圖5 生物炭修復(fù)關(guān)鍵詞聚類圖譜Fig.5 Biochar remediation keyword clustering map

從圖5和表7可以看出,聚類＃0是最大的聚類,涉及的標(biāo)簽詞是biochor amendment(生物炭修復(fù)),同時也為搜索關(guān)鍵詞。近年來越來越多的學(xué)者開始投入到污染治理等領(lǐng)域的研究,而生物炭憑借其自身獨特的理化性質(zhì)及良好的吸附性能,越發(fā)受到環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注。如Li等[20]通過微波輔助水熱處理法制備了一系列稻草水熱生物炭,對剛果紅、鹽酸小檗堿、2-萘酚的最大吸附量分別為222.1、174.0、48.7 mg∕mL,對Zn2＋和Cu2＋的最大吸附量分別為112.8和144.9 mg∕g。吳蒨蒨[21]研究了生物炭增強(qiáng)土壤吸附阿特拉津的作用及機(jī)理,發(fā)現(xiàn)添加2%生物炭的水稻土和黑土對阿特拉津的吸附常數(shù)分別提高了79和34倍。

聚類＃1標(biāo)簽詞為nanoscale zero-valent iron(納米零價鐵,nZVI)。nZVI是一種可有效去除水中重金屬的吸附劑,但是由于其顆粒很小以及很強(qiáng)的團(tuán)聚效應(yīng)限制了其在水環(huán)境中的應(yīng)用[22]。由此一些學(xué)者選擇用生物炭負(fù)載nZVI來提高其修復(fù)性能。作為一種綠色合成和優(yōu)良改性后的材料,2種材料結(jié)合不僅能夠最大化地運用綠色生物原料,也更大程度地解決了成本問題。如薛嵩[23]使用3BC-Fe、5BC-Fe、7BC-Fe、生物炭及純nZVI對甲基橙進(jìn)行降解,結(jié)果表明:生物炭基本上沒有去除甲基橙的能力,nZVI對甲基橙的去除率為83.5%；而將nZVI負(fù)載于生物炭上明顯增加了甲基橙的去除效果,去除率均為93.26%以上。彭湘奇[24]將生物炭負(fù)載nZVI作為Fenton體系的催化劑,在pH為3,H2O2濃度為40 mmol∕L條件下,5BC∕nZVI對左氧氟沙星的降解率可達(dá)到88%；生物炭負(fù)載nZVI催化劑較為穩(wěn)定,可以重復(fù)使用。Dong等[25]對生物炭及改性生物炭負(fù)載nZVI進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:nZVI負(fù)載HCl改性的生物炭表現(xiàn)出最好的性能,與Cr(Ⅵ)反應(yīng)后形成的Cr(Ⅲ)∕Fe(Ⅲ)可以均勻地沉積在HCl-BC的表面上,而不是僅涂覆在nZVI表面上,從而揭示了載體HCl-BC可在減輕nZVI的鈍化中起作用。

聚類＃2標(biāo)簽詞為surface complexation modeling(表面絡(luò)合模型)。表面絡(luò)合模型建立在熱力學(xué)和表面配位理論基礎(chǔ)上,采用表面官能團(tuán)與溶解化合態(tài)之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)來描述吸附,結(jié)合水中化學(xué)形態(tài)分類模式來描述吸附平衡[26]。它的發(fā)展為解釋吸附劑表面性質(zhì)以及吸附質(zhì)在吸附劑表面吸附形態(tài)的差異,以及更好地解釋固液吸附的內(nèi)在機(jī)制等問題提供了重要的途徑。因此,近10年來較多的學(xué)者以生物炭為原料,在研究生物炭對污染物的吸附作用時,對吸附過程采用表面絡(luò)合模型進(jìn)行研究,深入探索吸附重金屬全過程的影響因素、吸附行為,以期揭示吸附機(jī)理。Daňo等[27]應(yīng)用化學(xué)平衡模型(CEM)和離子交換模型(IExM)總結(jié)了生物炭與蒙脫土復(fù)合吸附劑在以NH4ReO4為載體的情況下從廢液中分離Tc(Ⅶ)的適用性,發(fā)現(xiàn)以99mTcO4－和ReO4－作為載體,在pH為2~3時,邊緣位官能團(tuán)被完全質(zhì)子化,即具有正電荷,因此可捕獲帶負(fù)電荷的Tc(Ⅶ)和Re(Ⅶ)的陰離子。

聚類＃3標(biāo)簽詞為heavy metal sequestration(固定重金屬)。生物炭被越來越廣泛地用作固定化材料,以修復(fù)被重金屬污染的水土。盤麗珍等[28]研究發(fā)現(xiàn),污染土壤添加生物炭時,Zn和Cd有效態(tài)含量顯著減少；施加3%大豆秸稈生物炭能夠消除鉛鋅尾礦污染對空心菜生長的抑制作用,可以阻控鉛鋅尾礦污染土壤中Cu、Zn、Pb和Cd向空心菜地上部遷移富集,大豆秸稈生物炭對空心菜吸收富集Cu、Zn、Pb、Cd的影響存在元素間的拮抗作用以及由于生物炭提高空心菜生物量所產(chǎn)生的稀釋作用。排名第三的高被引文獻(xiàn)[29]介紹了生物炭施入土壤對As及土壤改良的影響:生物炭的施加可能會增加As的遷移率；堆肥和其他改良劑與生物炭的混用可最有效地修復(fù)用植被來恢復(fù)的土壤。但污染物-生物炭隨時間的保留和釋放以及生物炭改性劑對土壤生物環(huán)境影響的具體機(jī)制仍不清楚。排名第四的高被引文獻(xiàn)[30]對用生物炭改良的污染土壤中痕量元素和PAHs濃度進(jìn)行了監(jiān)測,結(jié)果表明:添加生物炭后,土壤孔隙水中的Cu和As濃度增加了30倍以上,這與溶解有機(jī)碳濃度和pH的顯著增加有關(guān)；而Zn和Cd濃度顯著下降,且生物炭使孔隙水中的Cd濃度降低10倍,從而降低了植物毒性；生物炭還可降低土壤中50%以上PAHs濃度。生物炭在土壤修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用有較為明顯的潛力。

綜上,將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可用作吸附劑的生物炭,可以實現(xiàn)改善廢物管理、環(huán)境和資源可持續(xù)利用的雙贏局面。加之生物炭修復(fù)為本研究中最大聚類,因此推測生物炭修復(fù)環(huán)境中污染物仍將成為未來環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點。ECs通常不會在環(huán)境中被監(jiān)控,其濃度低、不易降解但可能對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成不利影響[31]。最高被引頻次文獻(xiàn)[15]即綜述了生物炭對該類污染物的作用效果。近年來,諸如藥品和個人護(hù)理產(chǎn)品(PPCPs)以及內(nèi)分泌干擾化合物(EDCs)等ECs因其來源化合物及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在環(huán)境中無處不在,而引起全世界的關(guān)注[25]。由此,生物炭在修復(fù)污水或土壤中ECs方面還有著一定的研究空間,或成為潛在的研究熱點。由于生物炭修復(fù)環(huán)境中ECs后,污染物仍留存于生物炭上,存在二次污染的可能。同時為使生物炭在環(huán)境修復(fù)中廣泛應(yīng)用,未來的研究應(yīng)側(cè)重于全面的生物炭環(huán)境風(fēng)險評估、低成本材料的研發(fā)以及生產(chǎn)和工藝集成的轉(zhuǎn)型,以更有效地促進(jìn)生物炭作為ECs吸附劑的使用。結(jié)合聚類＃2,通過表面絡(luò)合模型揭示生物炭對污染物的吸附機(jī)理還停留在研究表面宏觀吸附,對于生物炭是否同時存在吸收、降解污染物等行為,還缺乏系統(tǒng)全面的研究。

由聚類＃3可知,人們對使碳固存成為可能的土壤改良生物炭有極大興趣,生物炭修復(fù)土壤重金屬污染或?qū)⒊掷m(xù)成為未來研究熱點。生物炭通過改變金屬在土壤中的溶解度、有效性、遷移和空間分布,顯著影響金屬在土壤中的行為。將生物炭應(yīng)用到金屬污染的土壤上具有通過固定金屬而進(jìn)行原位修復(fù)的潛力,從而降低了植物的金屬利用率,且較高的生物炭添加量將導(dǎo)致更多的污染物吸收和碳固存[32]。但目前多為生物炭對土壤單一重金屬污染的研究,而生物炭在土壤原位修復(fù)的持久性、最終去向(是否會隨介質(zhì)遷移)以及是否會對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生截留影響等問題研究較少,因此后續(xù)的研究應(yīng)側(cè)重生物炭對土壤的復(fù)合污染修復(fù)以及生物炭的收集、回收和再生等。

合成生物炭基納米復(fù)合材料通常在官能團(tuán)、孔性能及表面活性位點具有優(yōu)勢,且易于分離,特別是可同時發(fā)揮吸附和催化降解功能,在去除有機(jī)污染物效果方面表現(xiàn)出極大的改進(jìn)。生物炭已經(jīng)成為擴(kuò)大生物炭和納米技術(shù)在環(huán)境中應(yīng)用的重要實踐[33]。由聚類＃1可推測,以nZVI負(fù)載生物炭等復(fù)合手段對生物炭進(jìn)行改性處理,或?qū)⒊蔀槲磥淼难芯繜狳c。但成本是決定改性材料是否可以大面積工程推廣應(yīng)用的重要因素,因此進(jìn)一步的研究重點應(yīng)為選擇合適的原料以及優(yōu)化生產(chǎn)條件和合成參數(shù),從而生產(chǎn)出成本低、對特定污染物具有較高去除能力的改性材料。不同生物炭作用機(jī)制不盡相同,目前以何種類型的生物炭處理何種污染物尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),由此,制定生物炭標(biāo)準(zhǔn)化施用準(zhǔn)則也可能成為未來的研究重點。

3 結(jié)論

(1)近年來,生物炭在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的研究受到了越來越廣泛的關(guān)注,其文獻(xiàn)數(shù)量總體逐年遞增。中國對生物炭修復(fù)領(lǐng)域的研究關(guān)注度較高,發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量位居榜首,但我國相比于國外先進(jìn)水平還存在差距,高被引文獻(xiàn)較少。

(2)根據(jù)普賴斯定律,生物炭用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的研究中核心作者共80人,其中韓國國立大學(xué)的Ok Y S發(fā)文總量位居榜首。結(jié)合對第一作者及通信作者的統(tǒng)計,Tsang D C W、Cao X D、Beesley L等排名較為靠前。

(3)在生物炭用于環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的研究中,環(huán)境科學(xué)、工程學(xué)和環(huán)境學(xué)為主流學(xué)科。

(4)應(yīng)用CiteSpace、VOSviewer等軟件進(jìn)行關(guān)鍵詞分析發(fā)現(xiàn),土壤修復(fù)、吸附性、重金屬、固定化等為研究熱點。生物炭修復(fù)在nZVI、表面絡(luò)合、固定重金屬方面受到了較為廣泛的關(guān)注。

(5)生物炭在修復(fù)污水或土壤中新興污染物方面或?qū)⒊蔀闈撛诘难芯繜狳c。二次污染的可能以及生物炭的推廣問題,使未來的研究或?qū)⑾蛏锾凯h(huán)境風(fēng)險評估、低成本材料研發(fā)以及生產(chǎn)和工藝集成的轉(zhuǎn)型等內(nèi)容傾斜。生物炭在土壤原位修復(fù)的持久性、最終去向問題推動后續(xù)研究向生物炭對土壤的復(fù)合污染修復(fù)以及生物炭的收集、回收和再生等方向深入發(fā)展。生物炭修復(fù)環(huán)境中污染物的有關(guān)機(jī)理有待進(jìn)一步研究,制定生物炭標(biāo)準(zhǔn)化施用準(zhǔn)則可能成為未來研究重點。