폐수 처리에서 나노물질 및 나노기술의 역할:서지 분석

결과 및 토론

연구 간행물의 특징

폐수 처리에서 NN에 대한 2604건의 기록 중 "기사"가 91.90%(2393건)를 차지한 반면 Review and Proceedings Paper는 각각 약 7.45%(194건)와 5.45%(142건)를 차지했습니다. 회의초록, 단행본, 뉴스기사, 사설, 정정 등 기타 유형의 기록은 1% 미만이다. 이 문서에서는 기사만 더 연구합니다.

전체 기록의 98.96%가 영어로 인쇄되었고, 중국어가 0.71%로 뒤를 이었다. 프랑스어, 독일어, 말레이어, 폴란드어, 스페인어를 포함한 다른 5개 언어의 비율은 0.4% 미만이었습니다. 많은 중국 작가들이 폐수 처리에서 신경 신경망 연구에 참여했다는 점을 감안할 때 영문과 중국어 논문 모두 고려 대상입니다.

그림 1에서 볼 수 있듯이 히스토그램은 1997년과 2016년 사이의 폐수 처리에서 NN과 관련된 기사의 변화를 보여줍니다. 처음 5년 기간은 연간 평균 5건으로 낮은 수준의 간행물 수를 목격했습니다. 2002년과 2006년 사이에 평균 출판 수는 약 25건으로 지난 기간의 5배에 불과했습니다. 2007년 48권에서 2009년 74권으로 꾸준히 증가한 후 연간 출판 기록은 100회를 돌파하여 2011년에는 138회에 이르렀습니다. 이후 5년 동안 출판 속도는 빠르고 크게 증가했습니다. 따라서이 주제가 과학 분야에서 점점 더 많은 관심을 끌고 있음을 보여줍니다. 그림 1의 피팅 곡선은 이 영역의 기하급수적인 성장에 대한 아이디어를 제공했습니다. 그리고 연도(x)와 출판 횟수(y)의 정확한 관계를 수학 형식으로 나열했습니다. 폐수 처리에서 NN에 대한 연구가 향후 몇 년 동안 뜨거운 주제로 남을 것임을 보증합니다.

1997-2016년 동안 상위 6개 생산 국가의 연간 간행물 수. TP:출판물의 총 수. 국가 뒤의 숫자는 기간 동안 이 분야에서 이 국가의 총 출판물입니다.

그림 1의 꺾은선형 차트는 가장 생산적인 6개국의 연간 출판물 생산량을 보여줍니다. 비록 낮은 출판 수준이지만 미국은 일반적으로 처음 10년 동안 이 분야에서 개척자 역할을 했습니다. 그 후 중국에서의 출판 수는 10년 동안 견실한 증가를 경험하고 유지하며 962개의 기사로 선두 자리를 차지했습니다. 이는 환경나노소재와 나노기술을 전략적 위치에 놓은 국가 중장기 과학기술개발계획(2006~2020)에 따른 것이다. 성장 경향은 미국에서도 관찰되었지만 훨씬 더 완만한 형태였습니다. 2016년 말까지 미국은 총 324편의 출판물을 가지고 있었습니다. 그러나 이란(140), 인도(105), 한국(104), 스페인(101)의 폐수 처리에 관한 NN에 관한 논문의 수는 그렇지 않았습니다. 최근 5년까지 뚜렷한 증가세를 보여줍니다. 그리고 상위 2개국과의 뚜렷한 격차를 관찰할 수 있었습니다. 결과적으로 생산성이 높은 국가가 이 영역의 전반적인 발전에 기여했음을 설명할 수 있습니다.

국가/영토의 기여

모든 기록에 첨부된 주소와 소속은 국가/영토 및 기관 평가에 효과적인 정보로 간주될 수 있습니다. 저자의 주소가 없기 때문에 이 섹션에서는 2391개의 기사만 분석에 적용되었습니다. 20년 동안 83개 국가/영토에서 폐수 처리의 NNS에 대한 출판 기록을 보유했습니다. 그리고 상위 20개 국가/지역이 전체 출판물의 83.95%를 차지했습니다.

표 1에서 가장 생산적인 20개 국가/지역은 출판 기록, 국제 협력이 없는 출판물의 수와 비율, 제1저자와 교신저자가 출판한 출판물의 수, h-index 정보에 따라 순위가 매겨졌습니다. 모든 면에서 중국은 두 번째로 생산적인 국가인 미국을 압도했다. 미국이 중국의 3분의 1에 불과한 출판 수로 상당한 협력과 h-index 성과를 얻었다는 점은 주목할 만하다. h-index가 출판 기록의 영향력과 양을 측정하는 지표로 사용될 수 있다는 점을 고려할 때, 미국이 중국보다 고품질 출판의 비중이 더 높을 수 있음을 시사했다. 미국과 비교하면 이란은 모든 면에서 확연히 뒤쳐져 있다. 협업 순위와 h-index 순위에서는 이란이 각각 20위와 11위를 차지했습니다. 중국과 미국을 제외하면 호주는 총 발행부수 7위를 기록해 그 어느 나라보다 많은 활동을 펼쳤다. 전체 출판 수에서는 우월하지 않았으나 호주, 싱가폴, 독일, 캐나다가 상대적으로 h-index 순위가 높았다.

그런 다음 소셜 네트워크 분석을 적용하여 상위 30개 생산 국가/지역 간의 공동 작성 관계를 분석했습니다. 그리고 그 결과를 그림 2에 나타내었다. 특히, 미국과 중국은 모든 국가/영토 중에서 가장 밀접하게 일했다. 그들은 66개의 공동 저작물을 제작했습니다. 또한 중국과 홍콩, 사우디아라비아, 영국의 협력도 두드러졌다. 특정 국가/영토와 상대적으로 긴밀한 협력을 했던 중국과 달리 미국은 밀도는 낮지만 더 넓은 범위의 국가/영토와 연결을 유지했습니다.

상위 30개 생산 국가/지역의 협력 네트워크

기관의 기여 및 배포

저자 주소 정보에 따르면 1871개 기관이 폐수 처리에서 신경망에 관심을 보이고 있습니다. 추가 파일 1:그림 S1은 전 세계에서 검색된 모든 기관을 보여줍니다. 분포 밀도가 높은 지역은 주로 유럽, 동아시아 및 북미의 세 가지 주요 경제 지역에서 왔습니다. 유럽은 기관 수가 가장 많았고 각각 동아시아와 북미가 그 뒤를 이었습니다.

표 2에 나와 있는 것처럼 상위 30개 기관 중 약 3분의 2가 중국, 2개는 싱가포르, 1개는 이란, 말레이시아, 미국입니다. 중국과학원(Chinese Academy of Sciences)이 이 분야에서 가장 많은 출판물을 기고했으며(149) Tongji University(49)와 Harbin Institute of Technology(40)가 그 뒤를 이었습니다. 전체 기사의 절반 이상(54.75%)이 다기관 협업과 관련되어 있습니다. 제1저자 소속기관, 교신저자기관, 저자기관에 대한 출판수 순위는 일반적으로 총 출판수를 따랐다. 주목할 만한 점은 Zhejiang University와 Arizona State University가 전체 출판 수에서 눈에 띄는 성과를 거두지 못하여 제1저자 국가와 교신저자 국가에서 각각 8위와 9위에 올랐습니다. h-index 순위에서는 중국과학원이 1위를 지켰다. 그럼에도 불구하고 다양한 순위의 싱가포르국립대학교, 톤지대학교, 상하이교통대학교, 난양공과대학교의 h-index는 16 또는 17로 비슷했습니다.

추가 파일 1:그림 S2에서 볼 수 있듯이 중국 과학원과 중국 과학 기술 대학은 강력한 협력 관계를 유지했습니다. 협력의 상당 부분이 중국 기관 간에 이루어졌다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 중국과학원은 네트워크의 중심으로서 거의 모든 국내 기관과 파트너십을 맺었지만 해외와의 소통은 제한적이었다. 그 외에도 중국 하얼빈공과대학(Harbin Institute of Technology)은 다른 6개 기관과도 잘 협력했다. 또한 스위스 ETH와 애리조나 주립대학교, 이슬람 아자드 대학교, 말레이시아 테크놀 대학교는 서로 협력하는 모습만 보였으나 전체 협력 네트워크와의 연결은 끊겼다. 미국의 Duke University는 그림 3에서 찾을 수 없다는 점을 지적할 필요가 있었습니다. 즉, 상위 30개 대학의 나머지 기관과 협력하지 않았습니다.

상위 30개 생산 기관의 협력 네트워크

추가 파일 1:그림 S2에 설명된 20년 동안 상위 5개 생산 기관의 연간 간행물. 2005년 이전에는 이 상위 5개 기관에서 출판 기록이 거의 없었습니다. 그 이후로 출판 수는 몇 년 동안 명백한 변동에도 불구하고 빠르게 증가했습니다. 2011년에는 중국과학원이 다른 4개 연구소를 제치고 큰 걸음을 내디뎠습니다. 이후 높은 성장률을 유지하며 지난 5년 동안 1위를 차지했습니다. 가장 생산적인 이 5개 기관의 추세는 이 분야가 점점 전 세계적으로 연구원들의 관심의 초점이 되고 있음을 시사합니다.

주제 카테고리 및 저널 배포

검색된 모든 기사는 44개의 주제 범주로 나뉩니다. 표 3에 나와 있는 것처럼 공학이 1069건으로 1위, 화학이 757건으로, 환경과학과가 702건으로 뒤를 이었다. 추가 파일 1:그림 S3에서 볼 수 있듯이 생산적인 상위 6개 주제 카테고리의 수는 처음 5년 동안 간신히 성장한 후 꾸준히 증가했습니다. 2015년 이전에는 엔지니어링이 비교적 빠른 속도로 상승하여 지속적으로 선두 자리를 차지했습니다. 그러나 화학은 2011년 이후 눈부신 성장을 보여 2014년과 2016년에 각각 환경과학과 생태학, 공학을 제치고 우위를 점했다. 가능한 이유는 연구자들이 폐수 처리에서 NN 거동의 화학적 메커니즘의 중요성을 깨달았기 때문입니다. 환경 과학 및 생태학 및 수자원의 지속적인 증가는 환경 영역에서 NN의 중요하고 잠재적인 영향을 암시합니다. 엔지니어링, 재료 과학, 과학 및 기술의 번영—다른 주제는 신흥 신경망으로 인한 것일 수 있습니다.

2393개의 논문이 449개의 저널로 나누어져 있습니다. 그리고 표 4에 나와 있는 것처럼 상위 20개 학술지의 전체 출판물에 대한 기여도는 47.20%였습니다. 화학 과학 종합 저널인 Rsc ​​Advances는 108건의 기록으로 가장 생산적인 저널로, 그 다음으로 담수화(Desalination), 담수화 및 수처리(Desalination and Water Treatment)는 각각 97건과 96건으로 그 뒤를 이었습니다. 전 세계적으로 환경 영역에서 매우 높은 명성을 누리고 있는 환경 과학 기술은 76개의 기록으로 7위에 올랐습니다. NN이 점점 더 환경 문제로 관심을 받고 있음을 암시합니다. 또한 표 4에 나열된 대부분의 저널은 IF(임팩트 팩터) 값이 65%로 4.2에서 9.5 사이인 것이 분명했습니다. 일반적으로 IF는 저널의 질에 대한 효과적인 지표로 간주됩니다[29]. 따라서 뛰어난 과학자들 사이에서 이 주제가 널리 퍼져 있음을 시사했습니다.

추가 파일 1 그림 S4는 상위 5개 저널의 출판 실적을 보여줍니다. 분명히 지난 2년과 3년 동안 Rsc Advances, 담수화 및 수처리의 급증하는 추세를 목격했습니다. 그러나 담수화는 2012년 큰 폭의 하락세를 보였고 이후 2005~2010년보다 낮은 수준을 유지했다. 또한 다른 4개 저널은 전체 기간 동안 변동폭이 커졌다. 폐수 처리에서 NN에 대한 연구가 광범위하게 교차 연구로 발전하고 있음을 보여주었습니다.

주요 연구 분야

논문의 키워드는 주요 아이디어와 관련된 효과적인 포인트를 제공할 수 있습니다. CiteSpace의 버스트 감지는 폐수 처리에서 NN의 새로운 경향의 징후로 버스트 키워드를 검색할 수 있습니다[30]. 이 섹션에서는 다른 7개의 레코드가 불완전한 정보로 유효하지 않기 때문에 2386개의 레코드만 분석되었습니다.

그림 4는 키워드 기반의 타임라인 시각화된 네트워크를 보여줍니다. 네트워크의 원과 라인의 색상은 그림 자체 상단에서 연속된 연도에 해당합니다. 각 점은 네트워크의 노드를 나타냅니다. 그리고 노드는 키워드입니다. 노드 사이의 선은 동시 발생 링크를 제안합니다. 중요한 연구 분야가 있는 하이라이트 노드는 자주색 트림으로 표시된다는 점을 강조해야 합니다. 그리고 더 두꺼운 보라색 테두리는 더 높은 동시 발생 빈도를 나타냅니다[31]. 특히, 흡착 (430), 열화 (306), 나노여과 (264), 역삼투 (132), 막 (130), TiO ₂ (183), 광촉매 (124), 한외여과 (114), 제거 (461) 및 나노복합체 (157)은 탄소 나노튜브 초기 단계에 등장한 빈도가 높은 키워드였습니다. (120), 흡착 (96), TiO₂ 나노튜브 (72), 광촉매 분해 (71), 광촉매 (55), 은 나노입자 (103), 합성 (139), 열수 합성 (34), 그래핀 옥사이드 (60), 그래핀 (43), 하수 슬러지 (37), 변신 (34) 및 자성 나노입자 (33) 최근 자주 사용되는 키워드입니다. 그것은 그들이 폐수 처리에서 NN의 연구 초점임을 보여주었습니다.

동시 발생 키워드와 관련된 네트워크의 타임라인 보기

키워드 버스트는 논의된 영역에서 연구 핫스팟의 효과적인 지표입니다[22]. 키워드 버스트는 특정 키워드가 점점 더 많은 수의 다른 키워드와 접촉하고 있으며 과학 분야에서 큰 주목을 받고 있음을 나타냅니다. 표 5에는 1997년에서 2016년 사이에 가장 많이 급증한 상위 20개의 키워드가 나열되어 있습니다. 마지막 열의 연도는 키워드 급증의 특정 기간을 나타냅니다. 1998년부터 수많은 키워드가 등장하기 시작했습니다. 그리고 가장 강력한 상위 3개 키워드는 나노여과였습니다. , r역삼투 및 한외여과 각각 14년, 10년 및 13년의 긴 파열 기간이 있습니다. 나노여과 복용 예를 들어, 폭발은 1998년에 시작되어 2011년에 끝났습니다. 그것은 나노여과를 의미했습니다. 1998년부터 2011년까지의 과정에서 특별한 주목을 받았으며 연구 핫스팟이였습니다. 일반적으로 키워드 버스트 기간은 그림 4의 결과와 일치했습니다. 빈도가 높은 키워드와 유사하게 키워드 버스트의 대부분은 약 정수의 핵심 나노기술과 NN의 적용. 게다가, 가장 최근의 키워드 폭발은 복합이었습니다. , 그래핀 , 및 하수 슬러지 . 복합 나노 물질과 그래핀이 떠오르는 추세임을 시사할 수 있습니다. 한편, NN 연구의 범위는 하수슬러지 연구로 확장되고 있습니다.

가장 많이 인용된 기사

가장 많이 인용된 출판물은 연구 관심과 과학 분야의 핫팟을 보여주는 유용한 지표이기도 합니다[32]. 해당 기간 동안 가장 많이 인용된 10개의 간행물과 3년마다 3개의 상위 간행물이 거의 모두 표 6에 나열되었습니다. 환경 과학 및 기술, 물 연구는 가장 많이 인용된 논문 10개에 대해 가장 널리 퍼진 저널이었고, 각각 5와 3이 있습니다. 미국이 나열된 모든 인용에 가장 많이 기여했으며 중국이 두 번째였습니다.

인용 분석을 통해 폐수에서 오염 물질 제거를 위한 다양한 NN의 사용이 지속적으로 핫 필드로 유지되고 있음을 발견했습니다. 새로운 나노물질 개발 및 응용은 언급된 모든 기사에서 인기 있는 주제였습니다. 일반적으로 인용률이 높은 문헌에 따르면 핫팟은 3.5부와 유사한 경향을 보였다. 그리고 이는 최근 3년 동안 인용률이 높은 논문에서 특히 두드러졌습니다. 9개의 논문 중 4개의 연구는 그래핀을 기반으로 했습니다. 폐수 처리에 활용. 또한, 자성 나노입자 , 탄소 나노튜브 및 s은 나노입자 왼쪽 5개 논문에도 등재되었다. 게다가 나노물질이 인간과 환경 모두에 미치는 부정적인 영향도 연구자들의 관심을 끌었다는 점에 유의해야 합니다. 그것은 연구자들이 나노물질이 우리 사회에 가져오고 있는 진화에도 불구하고 합리적인 방식으로 나노물질을 고려하고 있음을 시사했습니다.

폐수 처리에서 NN의 현재 및 잠재적 적용

흡착, 막 여과, 감지 및 감지는 서지 분석을 기반으로 한 3.4–3.6의 4가지 초점이었습니다. 폐수 처리에서 NN의 주요 기능을 기반으로 했습니다. 다양한 출처에서 수질 오염이 증가하고 있지만 문제를 제거하기 위해 우리가 선택한 메커니즘은 거의 변하지 않았습니다. 따라서 위에서 언급한 네 가지 범주에서 신경망의 현재와 미래를 비판적으로 검토했습니다. NN의 잠재적 위험은 애플리케이션 영역을 초월하기 위해 여기에서 자세히 설명되지 않았습니다.

흡착

흡착은 작동의 단순성과 일반적인 유기 및 무기 오염 물질에 대한 보편성으로 인해 다른 물 전략보다 선호되는 선택이었습니다[33]. 크기 의존적 나노구조는 기존 흡착제의 오랜 병목 현상이었던 유사한 비표면적 또는 활성 부위에서 나노물질의 고유한 이점을 보장합니다. 탄소 기반 나노 흡착제, 일반적으로 탄소 에어로겔[34], 탄소 나노튜브(CNT)[35], 그래핀[36] 및 이들의 혼성화 상태[37]는 폐수 처리에 유망했으며 중금속 및 유기물에 대한 우수한 성능을 보였습니다. 오염 물질 제거가 일반적으로 입증되었습니다. 흑연 표면의 소수성을 위해 탄소 기반 나노 흡착제는 느슨한 응집체를 형성하여 유효 표면적을 줄이고 흡착 에너지를 증가시켰습니다. 이러한 단점을 없애기 위해 작용기나 금속 산화물 나노입자가 도입되었지만 흡착 과정 후 물에서 완전히 회복되는 것은 운영 비용으로 남아 있었다[38]. 탄소 기반 나노 흡착제의 재생 및 재사용은 수성 pH를 줄임으로써 달성할 수 있습니다[39]. 흡착 용량은 재생 후 비교적 안정적이었습니다. 지난 몇 년 동안 인상적인 발전이 있었지만 생산 및 정제 단계에서 종종 오염 물질과 불순물이 유입되고 심지어 구조가 저하되기도 합니다. 게다가, 원하는 또는 균일한 다공성 네트워크를 갖는 탄소 나노입자의 합성은 이 분야의 모든 연구에서 여전히 주요 과제입니다.

분말 형태의 나노 흡착제는 혼합 공정과 관련된 모든 슬러리 반응기의 기존 처리 공정에 쉽게 통합됩니다. 반면에 나노 흡착제를 분리하고 회수하기 위해서는 정합 분리 기술이 필요합니다. 나노로드 시스템을 형성하기 위해 펠렛/비드의 나노 입자를 고정하기 위해 일부 개선이 이루어졌습니다. 상황에 따라 더 이상의 분리 과정을 생략할 수 있지만, 물질 전달 제한 및 수두 손실에 대한 문제가 발생합니다.

막 여과

수처리 및 폐수 처리 시스템의 공통 구성 요소로서 멤브레인 공정은 크기에 따라 미세여과(MF), 한외여과(UF), 나노여과(NF)로 구분된다[40]. 멤브레인 공정의 핵심 부분이 여과 물질이었기 때문에 NN은 보다 효율적인 물 여과 공정(나노섬유 멤브레인, 나노복합체 멤브레인, 박막 나노복합체(TFN) 멤브레인)에 기여했습니다[40]. 높은 에너지 소비, 수명 감소 및 막 오염으로 인한 여과 실패는 막 공정의 주요 과제였습니다. 기능성 나노물질로 변형된 멤브레인은 이러한 딜레마에 직면할 수 있는 유망한 기회로 간주되었습니다. 알루미나[41], 규소[42], 제올라이트, TiO[43]와 같은 무기 나노입자로 장식함으로써 막 친수성을 증가시켜 오염을 방지했습니다. Hoek의 연구 그룹의 새로운 개념인 TFN 멤브레인은 제올라이트 NaA 나노 입자를 폴리아미드 층 내에 내장하여 복합 멤브레인을 형성함으로써 시작되었습니다[45]. 그리고 일반적인 TFC 멤브레인과 비교하여 상당한 멤브레인 플럭스 향상이 달성되었습니다[45]. 그러나 이 분야에서 나노물질이 TFN 막의 폴리아미드층의 특성을 어떻게 향상시킬 수 있는지에 대한 의미 있는 연구가 기대되었다. 그리고 나노-은(nano-Ag)은 또한 고분자막에 첨가되어 생물막 형성을 방지하고[46], 막 표면의 바이러스를 죽였다[47]. TiO₂ 나노 0가 철(nZVI)과 같은 금속/이중 금속 촉매 나노 입자 및 나노 기반 나노 물질은 오염 물질 분해에 대한 일반적인 촉매이므로 멤브레인에 통합하면 잔류물 보유를 효과적으로 완화할 수 있습니다.

센서 및 감지

PAH, PCB 및 PBDE와 같은 수많은 합성 유기 화합물은 극도로 낮은 농도로 수질 오염을 유발했습니다. 폐수 처리의 주요 과제는 신속하고 정확하게 감지하고 감지하는 것이었습니다. 많은 경우 나노물질은 우수한 흡착제였습니다. 그들은 검출 임계값을 충족시키기 위해 오염을 집중시켰습니다. CNT는 유기 화합물 검출을 위한 실제 물 샘플에 사용되었습니다[48]. Au-TiO₂ 나노복합체는 1.0ng/ml 수준에서 미량 유기인산염(OPs) 살충제와 좋은 선형을 보였습니다[49]. TiO₂ 기반 다기능 나노튜브 어레이 제초제 4-클로로페놀(4-CP), 디클로로페녹시아세트산(2,4-D) 및 메틸-파라티온(MP)을 검출하는 데 사용되었습니다[50]. 병원체와 바이러스도 폐수에서 장기적인 위협으로 간주되어 왔습니다. 나노 크기 장치의 큰 표면/부피 비율로 인해 NN 의존 나노 바이오센서는 일부 병원체 및 바이러스 진단에서 빠르고 시기적절했습니다. 양자점[51], 탄소 나노튜브[52], 산화 그래핀[53], 실리카[54], 금속 나노입자[55, 56]는 센서 및 감지 기술의 견고한 토대였습니다. 현재의 과제는 복잡한 폐수 샘플에서 병원체 및 바이러스의 잘못된 검출을 제거하는 것을 목표로 합니다. 또한 휴대용 및 재사용이 가능한 감지기에 대한 연구 개발도 창의적인 노력을 기울일 것입니다.