El papel de los nanomateriales y las nanotecnologías en el tratamiento de aguas residuales:un análisis bibliométrico

Resultados y discusión

Las características de las publicaciones de investigación

De 2604 registros sobre NN en el tratamiento de aguas residuales, el “Artículo” representó el 91,90% (2393 registros) mientras que el Papel de Revisión y Actas contribuyó con aproximadamente el 7,45% (194 registros) y el 5,45% (142 registros), respectivamente. Los registros de otros tipos constituyeron menos del 1%, incluido el resumen de la reunión, el capítulo del libro, la noticia, el material editorial y la corrección. En este documento, solo se estudia más a fondo el artículo.

Los artículos impresos en inglés representaron el 98,96% del total de registros, luego el 0,71% en chino. La proporción de los otros cinco idiomas, incluidos francés, alemán, malayo, polaco y español, fue inferior al 0,4%. Teniendo en cuenta que muchos autores chinos participaron en la investigación de NN en el tratamiento de aguas residuales, se consideran artículos tanto en inglés como en chino.

Como se observa en la Fig. 1, el histograma muestra las variaciones de los artículos relacionados con las NN en el tratamiento de aguas residuales entre 1997 y 2016. El primer período de 5 años fue testigo de un bajo nivel de publicación, con un promedio de 5 por año. Entre 2002 y 2006, el número medio de publicaciones fue de alrededor de 25, solo cinco veces el último período. Después de un aumento constante de 48 en 2007 a 74 en 2009, el récord de publicación anual superó los 100 y llegó a 138 en 2011. Durante los siguientes 5 años, el ritmo de publicación aumentó rápida y sustancialmente. Por tanto, revela que este tema ha despertado un interés creciente en el campo científico. Las curvas de ajuste en la Fig. 1 dieron una idea de crecimiento exponencial en este dominio. Y la relación exacta entre el año (x) y el número de publicación (y) se ha enumerado con una forma matemática. Garantiza que la investigación sobre las NN en el tratamiento de aguas residuales seguirá siendo un tema candente en los próximos años.

El número de publicación anual de los seis principales países productivos durante 1997–2016. TP:el número total de publicaciones. El número después del país es el total de publicaciones de este país en este campo durante el período de tiempo

El gráfico de líneas de la Figura 1 muestra el desempeño de la producción anual de publicaciones de los seis países más productivos. Aunque con un nivel de publicación bajo, Estados Unidos desempeñó un papel de pionero en esta área durante la primera década en general. Después de eso, el número de publicaciones en China experimentó y mantuvo un fuerte aumento en la década siguiente y tomó la posición de liderazgo con 962 artículos. Esto se debe al esquema nacional para el plan de desarrollo de la ciencia y la tecnología a mediano y largo plazo (2006-2020) que ha llevado los nanomateriales y la nanotecnología ambientales a una ubicación estratégica. La tendencia de crecimiento también se observó en EE. UU., Aunque con una forma mucho más suave. A fines de 2016, EE. UU. Tenía una publicación total de 324. Sin embargo, el número de artículos sobre NN en el tratamiento de aguas residuales de Irán (140), India (105), Corea del Sur (104) y España (101) no lo hizo. mostrar un aumento claro hasta los últimos 5 años. Y se pudo observar una brecha clara entre ellos con los dos países principales. Como resultado, podría ilustrarse que los países altamente productivos contribuyeron al desarrollo general de este dominio.

La contribución de los países / territorios

La dirección y las afiliaciones adjuntas a cada registro pueden considerarse información eficaz para la evaluación de países / territorios e institutos. Dado que faltan las direcciones de los autores, solo se aplicaron 2391 artículos al análisis en esta sección. Durante las dos décadas, 83 países / territorios tuvieron registros de publicación sobre NNS en el tratamiento de aguas residuales. Y los 20 países / territorios principales representaron el 83,95% del total de publicaciones.

En la Tabla 1, los 20 países / territorios más productivos se clasificaron según sus registros de publicación, el número y porcentaje de publicaciones sin y dentro de la colaboración internacional, el número de publicaciones publicadas por primer autor y autor correspondiente, y la información del índice h. En todos los aspectos, China mostró una ventaja sobre EE. UU., El segundo país productivo de la lista. Fue notable que EE. UU. Obtuvo una colaboración considerable y un desempeño de índice h, con solo un tercio del número de publicaciones de China. Teniendo en cuenta que el índice h podría usarse como indicador para medir tanto el impacto como la cantidad del registro de publicaciones, indicó que EE. UU. Posiblemente tenía una mayor proporción de publicaciones de alta calidad que China. En comparación con EE. UU., Irán se quedó atrás claramente en todos los aspectos. Y en lo que respecta al rango de colaboración e índice h, Irán acaba de ocupar el vigésimo y el undécimo lugar, respectivamente. Aparte de China y EE. UU., Australia, con un séptimo lugar en número total de publicaciones, presentó la mayoría de las actividades que cualquier otro país. Aunque no mostraron superioridad en el número total de publicaciones, Australia, Singapur, Alemania y Canadá obtuvieron clasificaciones de índice h relativamente más altas.

A continuación, se aplicó el análisis de redes sociales para analizar las relaciones de coautoría entre los 30 países / territorios más productivos. Y los resultados se muestran en la Fig. 2. En particular, EE. UU. Y China trabajaron más de cerca entre todos los países / territorios. Han producido 66 publicaciones en coautoría. Además, la cooperación entre China y Hong Kong, Arabia Saudita y el Reino Unido también fue notable. A diferencia de China, que hizo una cooperación relativamente intensa con ciertos países / territorios, EE. UU. Mantuvo la conexión con una gama más amplia de países / territorios, aunque con menos densidad.

La red de cooperación de los 30 principales países / territorios productivos

La contribución y distribución de los institutos

Según la información de las direcciones de los autores, 1871 instituciones han mostrado interés en las NN en el tratamiento de aguas residuales. Y archivo adicional 1:la figura S1 ilustra todas las instituciones recuperadas en todo el mundo. Las áreas con alta densidad de distribución provinieron principalmente de tres regiones económicas principales, a saber, Europa, Asia Oriental y América del Norte. Europa tuvo la mayor cantidad de instituciones, seguida de Asia Oriental y América del Norte, respectivamente.

Como se enumera en la Tabla 2, aproximadamente dos tercios de los 30 institutos principales eran de China y dos de Singapur, uno de Irán, Malasia y EE. UU. La Academia de Ciencias de China contribuyó con la mayor cantidad de publicaciones en esta área (149), seguida de la Universidad de Tongji (49) y el Instituto de Tecnología de Harbin (40). Más de la mitad del total de artículos (54,75%) involucraron colaboraciones multiinstitucionales. El rango del número de publicación en cuanto al instituto del primer autor, correspondiente e instituto del autor coincidía con el número total de publicaciones en general. Si bien fue digno de mención que la Universidad de Zhejiang y la Universidad Estatal de Arizona, sin tener un desempeño notable en el número total de publicaciones, ocuparon el octavo y noveno lugar en el país del primer autor y el país del autor correspondiente, respectivamente. En términos de clasificación del índice h, la Academia de Ciencias de China mantuvo el primer lugar. Sin embargo, la Universidad Nacional de Singapur, la Universidad Tonji, la Universidad Jiao Tong de Shanghai y la Universidad Tecnológica de Nanyang con varios rangos tenían un índice h similar (16 o 17).

Como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S2, la Academia de Ciencias de China, China y la Universidad de Ciencia y Tecnología de China tenían una sólida relación de cooperación. Cabe señalar que una gran proporción de la colaboración se realizó entre instituciones chinas. Como centro de la red, la Academia de Ciencias de China tenía asociaciones con casi todas las instituciones nacionales, pero una comunicación limitada con el extranjero. Además de eso, el Instituto de Tecnología de Harbin, China, también cooperó bien con otros seis institutos. Además, ETH, Suiza y la Universidad Estatal de Arizona, la Universidad Islámica Azad y la Universidad Teknol Malasia mostraron colaboración entre sí, pero perdieron la conexión con toda la red de cooperación. Era necesario señalar que la Universidad de Duke de EE. UU. No se encontraba en la Fig. 3. Esto significaba que no cooperó con el resto de las 30 instituciones principales.

La red de cooperación de las 30 principales instituciones productivas

La publicación anual de los cinco institutos productivos más importantes durante las dos décadas ilustradas en el archivo adicional 1:Figura S2. Antes de 2005, casi no se encontró ningún registro editorial entre estos cinco institutos principales. Desde entonces, el número de publicaciones creció rápidamente a pesar de la obvia fluctuación en algunos años. Fue en el año de 2011 que la Academia de Ciencias de China dio un paso de gigante y superó a otros cuatro institutos. Después de eso, mantuvo una tasa de crecimiento más alta y se ubicó en la cima durante los últimos 5 años. La tendencia entre estos cinco institutos más productivos sugirió que este campo se ha convertido cada vez más en el foco de atención de los investigadores en todo el mundo.

La distribución de categorías temáticas y revistas

Todos los artículos recuperados se dividen en 44 categorías temáticas. Como se enumera en la Tabla 3, la ingeniería ocupó el primer lugar con 1069 registros, seguida de la química con 757 registros y las ciencias ambientales y la ecología con 702 registros, respectivamente. Como se ilustra en el archivo adicional 1:Figura S3, el número de las seis categorías principales de materias productivas aumentó de manera constante después de apenas crecer durante el primer período de 5 años. Antes de 2015, la ingeniería creció a un ritmo relativamente alto y ocupó un lugar de liderazgo de forma continua. Sin embargo, la química mostró un crecimiento asombroso después de 2011 y tomó ventaja sobre las ciencias ambientales y la ecología, y la ingeniería en 2014 y 2016, respectivamente. La posible razón fue que los investigadores se dieron cuenta de la importancia del mecanismo químico del comportamiento de las NN en el tratamiento de aguas residuales. El aumento constante de las ciencias ambientales y la ecología y los recursos hídricos implicaron el efecto importante y potencial de las NN en el área ambiental. La prosperidad de la ingeniería, la ciencia de los materiales y la ciencia y la tecnología; otros temas quizás se deben a las NN emergentes.

Los 2393 artículos están divididos en 449 revistas. Y como se enumera en la Tabla 4, la contribución de las 20 principales revistas a todas las publicaciones fue del 47,20%. Rsc Advances, una revista integral de ciencias químicas, fue la revista más productiva con 108 registros, seguida de Desalination y Desalination and Water Treatment con 97 y 96 respectivamente. Con una reputación muy alta en el ámbito del medio ambiente en todo el mundo, la ciencia y la tecnología medioambientales ocupó el séptimo lugar con 76 registros. Implicaba que las NN se preocupan cada vez más como cuestiones medioambientales. Además, era obvio que la mayoría de las revistas enumeradas en la Tabla 4 tenían un valor de factor de impacto (FI) alto, con un 65% de ese valor que oscilaba entre 4,2 y 9,5. En general, la FI se considera un indicador eficaz de la calidad de una revista [29]. Por lo tanto, sugirió la prevalencia de este tema entre científicos destacados.

Archivo adicional 1 La Figura S4 muestra el rendimiento de publicación de las cinco principales revistas. Claramente, los últimos 2 y 3 años fueron testigos de las crecientes tendencias de Rsc Advances, y Desalinización y Tratamiento de agua. La desalación, sin embargo, sufrió una fuerte caída en 2012 y mantuvo un nivel aún más bajo que en el período de 2005 a 2010. Además, las otras cuatro revistas aumentaron en fluctuación durante todo el período de tiempo. Demostró que la investigación de las NN en el tratamiento de aguas residuales se ha estado convirtiendo en un estudio cruzado ampliamente.

Los principales campos de investigación

Las palabras clave de un artículo pueden ofrecer puntos efectivos relacionados con sus ideas principales. La detección de ráfagas en CiteSpace puede recuperar palabras clave de ráfagas como signos de tendencias emergentes de NN en el tratamiento de aguas residuales [30]. En esta sección, solo se analizaron 2386 registros, porque otros 7 registros no eran válidos con información incompleta.

En la Fig. 4 se muestra una red de visualización de la línea de tiempo basada en palabras clave. El color del círculo y la línea en la red correspondían a años consecutivos en la parte superior de la figura. Cada punto representaba un nodo en la red. Y los nodos son palabras clave. Las líneas entre los nodos sugieren vínculos concurrentes. Es necesario enfatizar que los nodos destacados con campos de investigación importantes están marcados con adornos de color púrpura. Y unos ribetes púrpuras más gruesos sugieren una mayor frecuencia de co-ocurrencia [31]. En particular, adsorción (430), degradación (306), nanofiltración (264), ósmosis inversa (132), membrana (130), TiO ₂ (183), fotocatálisis (124), ultrafiltración (114), r emoval (461) y nanocompuestos (157) eran palabras clave de alta frecuencia que aparecían en una etapa anterior. Mientras, nanotubos de carbono (120), sorción (96), TiO ₂ nanotubo (72), degradación fotocatalítica (71), fotocatalizador (55), nanopartícula de plata (103), compuesto (139), síntesis hidrotermal (34), óxido de grafeno (60), grafeno (43), lodos de depuradora (37), transformación (34) y nanopartículas magnéticas (33) fueron palabras clave de uso frecuente últimamente. Demostró que eran focos de investigación de las NN en el tratamiento de aguas residuales.

Vista de la línea de tiempo de una red relacionada con palabras clave concurrentes

La ráfaga de palabras clave es un indicador eficaz del hotspot de investigación en el área discutida [22]. La ráfaga de palabras clave sugiere que una palabra clave en particular está en contacto con un número cada vez mayor de otras palabras clave y ha recibido una gran atención del campo científico. La Tabla 5 enumeró las 20 palabras clave principales con las ráfagas más fuertes durante 1997 a 2016. El año en la última columna representó el período determinado de una ráfaga de palabras clave. Una gran cantidad de palabras clave comenzaron a surgir desde 1998. Y las tres más fuertes fueron nanofiltración , r ósmosis eterna y ultrafiltración con un largo período de ruptura de 14, 10 y 13 años respectivamente. Tomando nanofiltración , por ejemplo, el estallido comenzó en 1998 y terminó en 2011. Significó nanofiltración había recibido atención especial y solía ser un punto de acceso de investigación en el curso de 1998 a 2011. En general, el período de ráfagas de palabras clave se mostró de acuerdo con los resultados de la figura 4. De manera similar, con las palabras clave de alta frecuencia, la mayoría de las ráfagas de palabras clave se referían a nanotecnología básica de la depuración de agua y la aplicación de NN. Además, las ráfagas más recientes de palabras clave fueron compuestas , grafeno y lodos de depuradora . Podría sugerir que los nanomateriales compuestos y el grafeno son una tendencia emergente. Mientras tanto, el alcance de los estudios NNs se está extendiendo a la investigación de lodos de depuradora.

Los artículos más citados

Las publicaciones más citadas también son índices útiles para demostrar el interés de investigación y el punto caliente de un campo científico [32]. Las 10 publicaciones más citadas durante el período de tiempo, así como las 3 publicaciones principales cada 3 años casi se enumeraron en la Tabla 6. La ciencia y la tecnología ambientales, y la investigación del agua fueron las revistas más prevalentes para los 10 artículos más citados principales. con 5 y 3 en cada uno respectivamente. Estados Unidos contribuyó más a todas las citas enumeradas y China llegó a ser la segunda.

Al analizar las citas, se encontró que el uso de varios NN para la eliminación de contaminantes de las aguas residuales se ha mantenido constantemente como un campo caliente. El desarrollo y la aplicación de nuevos nanomateriales fueron temas populares entre todos los artículos mencionados. En general, los puntos calientes encontrados según publicaciones muy citadas mostraron una tendencia similar a la de la parte 3.5. Y esto fue especialmente obvio en términos de artículos muy citados en los últimos 3 años. De los nueve artículos, cuatro estudios se basaron en grafeno utilización en el tratamiento de aguas residuales. Además, nanopartícula magnética , nanotubos de carbono y nanopartículas ilícitas también se enumeraron en los cinco artículos de la izquierda. Además, cabe señalar que los efectos negativos de los nanomateriales tanto para los seres humanos como para el medio ambiente también han despertado la preocupación de los investigadores. Sugiere que los investigadores han estado considerando los nanomateriales de una manera racional, a pesar de la evolución que ha estado trayendo a nuestra sociedad.

Aplicación actual y potencial de NN en el tratamiento de aguas residuales

La adsorción, la filtración por membrana y la detección y detección fueron cuatro enfoques en 3.4–3.6 según el análisis bibliométrico. Se basó en las principales funciones de las NN en el tratamiento de aguas residuales. A pesar de que la contaminación del agua aumenta y emerge de múltiples fuentes, el mecanismo al que recurrimos para eliminar los problemas varió poco. Por lo tanto, revisamos críticamente el presente y el futuro de las NN de las cuatro categorías mencionadas anteriormente. El riesgo potencial de las NN no se desarrolló aquí para trascender el ámbito de la aplicación.

Adsorción

La adsorción fue una opción preferida sobre otras estrategias de agua por su simplicidad en la operación y la universalidad de los contaminantes orgánicos e inorgánicos comunes [33]. Las nanoestructuras dependientes del tamaño garantizaron a los nanomateriales ventajas inherentes en áreas de superficie específicas comparables o sitios activos, que fueron cuellos de botella de larga data para los adsorbentes convencionales. Los nanoadsorbentes a base de carbono, típicamente aerogeles de carbono [34], nanotubos de carbono (CNT) [35], grafeno [36] y sus estados de hibridación [37] eran prometedores para el tratamiento de aguas residuales, y su excelente rendimiento para metales pesados ​​y orgánicos La eliminación de contaminantes ha demostrado en general. Para la hidrofobicidad de su superficie grafítica, los nanoadsorbentes basados ​​en carbono formaron agregados sueltos, que redujeron el área de superficie efectiva y aumentaron la energía de adsorción. Aunque se introdujeron grupos funcionales o nanopartículas de óxidos metálicos para eliminar este inconveniente, su recuperación completa del agua después del proceso de adsorción siguió siendo un costo operativo [38]. La regeneración y reutilización de nanoadsorbentes a base de carbono podría lograrse reduciendo el pH acuoso [39]. La capacidad de adsorción fue relativamente estable después de la regeneración. Aunque se han producido avances impresionantes en los últimos años, las etapas de producción y purificación a menudo introducen contaminantes e impurezas, e incluso provocan la degradación de la estructura. Además, la síntesis de nanopartículas de carbono con una red porosa deseada u homogénea sigue siendo un gran desafío para toda la investigación en este campo.

En forma de polvo, los nanoadsorbentes se integran fácilmente en los procesos de tratamiento existentes en cualquier reactor de suspensión relacionado con el proceso de mezcla. Si bien se requiere una tecnología de separación combinada para separar y recuperar los nanoadsorbentes. Se han realizado algunas mejoras para fijar las nanopartículas en gránulos / perlas para formar un sistema nanocargado. El proceso de separación adicional puede omitirse dadas las circunstancias; sin embargo, surgirán problemas sobre las limitaciones de transferencia de masa y la pérdida de carga.

Filtración de membrana

Como componente común del sistema de tratamiento de agua y aguas residuales, los procesos de membrana se dividieron en microfiltración (MF), ultrafiltración (UF) y nanofiltración (NF) según su tamaño [40]. Dado que la parte clave de los procesos de membrana era el material de filtración, los NN estaban contribuyendo a procesos de filtración de agua más eficientes (membranas de nanofibras, membranas de nanocompuestos, membranas de nanocompuestos de película fina (TFN)) [40]. El alto consumo de energía, la reducción de la vida útil y la falla de filtración provocada por el ensuciamiento de la membrana fueron los principales desafíos de los procesos de membrana. Las membranas modificadas con nanomateriales funcionales se consideraron una oportunidad prometedora para afrontar este dilema. Al decorar con nanopartículas inorgánicas, como alúmina [41], silicio [42], zeolita y TiO [43], se aumentó la hidrofilicidad de la membrana [44] para evitar el ensuciamiento. La membrana TFN, un nuevo concepto del grupo de investigación de Hoek, se inició mediante la incrustación de nanopartículas de zeolita NaA en una capa de poliamida para formar una membrana compuesta [45]. Y se logró una mejora significativa del flujo de membrana en comparación con la membrana TFC común [45]. Sin embargo, en este campo se esperaba un estudio significativo sobre cómo los nanomateriales mejoran las características de la capa de poliamida de la membrana TFN. Y nano-Ag también se agregó en membranas poliméricas para prevenir la formación de biopelículas [46] y matar virus [47] en la superficie de la membrana. TiO ₂ nanomateriales basados ​​en nanopartículas catalizadoras metálicas / bimetálicas, como el hierro nanovalente cero (nZVI), eran catalizadores comunes para la degradación de contaminantes, por lo que incorporarlos a las membranas aliviaría eficazmente la retención de residuos.

Sensor y detección

Una gran cantidad de compuestos orgánicos sintéticos, como los HAP, los PCB y los PBDE, contaminaron el agua en una concentración extremadamente baja. Un gran desafío para el tratamiento de aguas residuales fue detectarlas y detectarlas con rapidez y precisión. Para muchos, los nanomateriales eran excelentes adsorbentes; concentraron la contaminación para alcanzar el umbral de detección. Los CNT se han utilizado en muestras de agua reales para la detección de compuestos orgánicos [48]. Au-TiO ₂ Los nanocompuestos mostraron buenos insecticidas lineales con trazas de organofosforados (OP) a un nivel de 1,0 ng / ml [49]. Matriz de nanotubos multifuncional basada en TiO ₂ se utilizó para detectar herbicida 4-clorofenol (4-CP), ácido diclorofenoxiacético (2,4-D) y metil-paratión (MP) [50]. Los patógenos y los virus también se han considerado una amenaza a largo plazo en las aguas residuales. Debido a las grandes relaciones superficie / volumen en los dispositivos de tamaño nanométrico, los nanobiosensores dependientes de NN fueron rápidos y oportunos en el diagnóstico de algunos patógenos y virus. Los puntos cuánticos [51], los nanotubos de carbono [52], el óxido de grafeno [53], la sílice [54] y las nanopartículas metálicas [55, 56] fueron una base sólida para las tecnologías de detección y sensores. Los desafíos actuales están destinados a eliminar la detección falsa de patógenos y virus en muestras complicadas de aguas residuales. Además, la investigación y el desarrollo de detectores portátiles y reutilizables también serán un esfuerzo creativo.