近50年國際海水淡化技術研究的發展狀況
摘要: 以Web of Science數據庫核心合集內收錄的1971—2020年海水淡化文獻為數據源, 借助CiteSpace對國際海水淡化研究領域的國家和研究機構、關鍵詞、參考文獻、期刊與基金等信息進行分析, 提出國際海水淡化技術演進大致經歷了三個階段: 起步階段; 以反滲透、多級閃蒸、超濾、微濾等研究為主的積累階段; 減壓滲透、正滲透、納米顆粒、石墨烯等海水淡化新材料新技術不斷涌現的快速發展階段。同時, 從技術進步和政策支持兩個方面提出了對國內相關研究的借鑒與啟示。
水是基礎性自然資源和戰略性經濟資源。根據世界氣象組織和聯合國教科文組織有關水資源的定義, 水資源是指可以被利用或有可能被利用的水源, 這個水源應具有足夠的數量和合適的質量, 并滿足某一地方在一段時間內具體利用的需求。海水淡化通過脫除海水中的鹽分生產出可供工業生產和居民生活用的淡水, 是水資源開源增量的有效途徑。自20世紀五十年代以來, 由于淡化技術發展、城市用水緊張、河流湖泊污染以及國防軍事需求等原因, 海水淡化作為海洋開發的重要組成部分開始興起。經過半個多世紀的發展, 國際上海水淡化技術日趨成熟, 相關研究主題和內容也在不斷深化或調整。
目前, 國內外已有不少海水淡化領域的知名學者通過研究海水淡化的特定內容, 定性地分析海水淡化的發展狀況和趨勢。如高從堦(2006年)對反滲透海水淡化技術方面取得的進步進行了概述; 王世昌(2015年)等簡述了淡化技術的發展與應用; 克萊門斯·弗里茨曼(Clemens Fritzmann, 2006年)等從海水淡化的流程討論了反滲透海水淡化的發展現狀;阿基利·夏威夷(Akili D.Khawaji, 2007年)等總結了海水淡化技術的進展和實踐經驗, 并對未來的淡化技術進行了展望; 梅納赫姆·伊利米勒(Menachem Elimelech, 2011年)等從能量、材料等角度探討了海水淡化技術的發展趨勢。這些成果為研究海水淡化的發展狀況和趨勢提供了有益的參考。
文獻本身包含著大量的信息, 除了對文獻的內容進行分析, 還可以以文獻的外部特征為研究對象對海水淡化技術領域進行定量分析。如柳洲(2014年)等以文獻計量方法分析了國際海水淡化研究熱點, 為開展海水淡化的前沿研究提供了可供借鑒的思路。本研究基于文獻計量方法, 從文獻年份分布、國家和機構分布與合作、研究主題、知識基礎、主要期刊與基金支持等角度, 對國內外關于海水淡化的研究成果進行分析, 進而探求海水淡化技術的演進路徑和發展狀況。
1 數據來源和研究方法
1.1 數據來源
Web of Science核心合集數據庫收錄了12 000多種世界權威的、高影響力的學術期刊, 最早可回溯至1900年。本文以此作為數據源, 采用主題檢索, 以“seawater desalination”為主題詞, 文獻類型為“article”, 時間跨度默認為該數據庫涉及的所有年份(1900—2020年), 檢索時間為2020年2月23日。經篩選, 共獲得5 367篇文獻。
1.2 研究方法
科學知識圖譜是進行文獻計量研究的一種有效方法, CiteSpace是當前研究人員廣泛使用的一種文獻計量與可視化分析工具。研究主要采用文獻計量方法, 運用CiteSpace軟件分析相關數據, 挖掘海水淡化的發展狀況與趨勢。按照每1年為1個時間切片進行分析; 節點類型分別選取國家、機構、關鍵詞、參考文獻、被引期刊、資助基金等; 閾值選擇為“每切片的前50節點”; 剪枝選擇為“無”。
2 研究結果
2.1 文獻年度分布
文獻的數量在一定程度上反映了相關領域的研究水平和發展速度。從圖1可以看出, 海水淡化的研究成果整體上處于增長態勢, 具體可分為三個階段。起步階段: 即1971—1990年期間, 每年被Web of Science核心合集數據庫收錄的文獻屈指可數, 少部分年份(1974年、1982年)甚至一篇都沒有, 收錄數量最多的1987年也僅為10篇; 積累階段: 即1991—2006年期間, 年度文獻量在波動中有了較快增長, 數量保持在9篇至110篇之間, 1993年僅為9篇, 2005年達到了110篇; 快速增長階段: 即2007年之后, 年度文獻量有了顯著增加, 從2007年的116篇迅速增加到2019年的687篇。而截至2020年2月23日, 2020年已被收錄109篇文獻, 可以預見2020年的文獻量較2019年會有所增加*。這可在一定程度上反映出學術共同體對海水淡化研究領域的關注度在逐步提高, 尤其是最近十幾年來, 海水淡化的研究處于一個快速增長階段。
注: 109為截至2020年2月23日, 已收錄到Web of Science核心合集數據庫的2020年文獻量; 738為平均法測算出的到2020年12月31日收錄的年度文獻量
2.2 國家和機構的分布與合作網絡
在國家共現圖譜中, 共計出現國家69個, 其中文獻量超過100篇的國家共19個。從表1可知, 中國以953篇的文獻量位居第一, 其次為美國(840篇)和韓國(494篇), 接下來分別是沙特阿拉伯(416篇)和西班牙(353篇)。雖然我國發表的文獻數量最多, 但是中心性排名位居第六(0.10), 說明我國在海水淡化研究領域的文獻雖多但影響力有待提升。
以色列(170篇)、伊朗(155篇)、埃及(132篇)、科威特(119篇)、卡塔爾(112篇)等中東地區缺水國家在海水淡化領域的文獻數量也較多。分析認為, 中東地區獨特的地理位置和氣候條件, 再加之其豐富的能源, 促使海水淡化成為該地區解決淡水資源短缺問題的現實選擇, 進而促進了技術的發展。還有一些國家本身可能并不是特別缺水, 但技術裝備實力強勁, 擁有強勢的海水淡化公司, 并成為主要的技術裝備輸出強國, 如美國、日本、韓國。此外, 2016年后, 巴西(25篇)、巴基斯坦(23篇)和伊拉克(20篇)等國發表文獻較多, 側面反映了近年來淡化技術的研究在這些國家開始興起。
在研究機構發表的文獻量上, 阿卜杜拉國王科技大學以160篇的文獻量位居第一。從圖2可知, 在文獻量排名前10的研究機構中, 有2個機構來自沙特阿拉伯, 2個機構來自新加坡, 2個機構來自韓國, 1個來自美國, １個來自澳大利亞, 我國的中國科學院和天津大學分別以81篇和53篇的發文量名列其中。通過對研究機構進行共現圖譜分析, 共計出現研究機構375個、連線571個, 且大多數研究機構相對集中, 說明研究機構之間的聯系較強、合作研究較為普遍。
2.3 研究主題
關鍵詞是文章主題的高度概括和濃縮, 體現出研究熱點的演變和延伸, 通過繪制關鍵詞可視化圖譜, 分析不同時期的研究熱點, 有助于把握研究動態和發展脈絡。1971—2020年間海水淡化研究領域出現頻次不少于200次的關鍵詞如表2所示, 脫鹽(desalination)、海水淡化(seawater desalination)、反滲透(reverse osmosis)、海水(seawater)、性能(performan-ce)、水(water)、系統(system)、能量(energy)、膜(membrane)、設備(plant)等構成了海水淡化研究領域知識網絡的主要節點。因文獻檢索詞為海水淡化, 因而基于脫鹽、海水淡化、海水等關鍵詞出現頻次較高; 基于反滲透、能量、膜、膜蒸餾(membrane distillation)、納濾(nanofiltration)、正滲透(forward osmosis)、回收(recovery)等關鍵詞出現頻次較高, 體現了反滲透技術及與海水淡化裝置密切相關的膜及能量回收等一直是海水淡化研究的重要問題; 基于系統、設備、設計(design)、預處理(pretreatment)、廢水(waste water)等與海水淡化工程相關的關鍵詞出現頻次較高, 反映了海水淡化不僅僅是技術領域關心的問題, 也是應用層面關切的內容。另外, 從出現頻次和初次出現時間來看, 自2017年起, 納米顆粒(nanoparticle)作為關鍵詞出現了103次, 說明納米微粒在海水淡化技術領域開始引起較多的關注。
關鍵詞的中心性可以說明其在整個關鍵詞網絡中的重要性, 代表了一定時期內的核心研究主題。除了檢索詞海水淡化, 與淡化技術相關的反滲透、能量、膜、納濾等關鍵詞中心性也較高, 可見反滲透、膜及能量回收等是海水淡化研究的重要內容。與淡化工程相關的系統、設備等關鍵詞中心性也較高, 可見應用研究也是海水淡化領域研究的一項重要內容。
通過對1971—2020年間海水淡化領域的關鍵詞進行共現時間段圖譜分析, 共計出現關鍵詞320個, 關鍵詞之間的連線共計2546個, 說明關鍵詞之間的聯系較強, 且大多數研究熱點相對集中, 自1990年后開始形成反滲透(1992年)、膜(1997年)、納濾(1998年)、太陽能(solar, 1999年)、能量(2000年)、電滲析(elec-trodialysis, 2001年)、膜蒸餾(2002年)、濃鹽水(brine, 2003年)、質量傳遞(mass transfer, 2004年)、分離(separation, 2005年)、正滲透(2006年)、氨-二氧化碳(ammonia carbon dioxide, 2009年)、減壓滲透(pres-sure retarded osmosis, 2010年)、中空纖維膜(hollow fiber membrane, 2011年)、復合膜(thin film composite, 2014年)、納米顆粒(2017年)、石墨烯(graphene, 2018年)等研究熱點。各個時間段的關鍵詞普遍與以往時間段存在較強連線, 說明海水淡化研究領域存在較強的學術傳承關系。
突現詞是指在某一段時間內突然增加或使用頻率較高的詞, 突現詞的出現可能預示著未來技術的發展方向。1971—2020年間海水淡化研究領域共檢測出74個突現關鍵詞, 其中強度大于10的突現詞共25個。如圖3所示, 在海水淡化研究領域的起步階段(1971—1990年), 研究成果較少、內容不明確、也難以追蹤到研究主題的變化動向; 在積累階段(1991—2006年), 共出現8個突現詞, 包括反滲透、多級閃蒸(multi-stage flash, 簡稱msf)、超濾(ultrafiltration)、微濾(microfiltration)等關鍵詞, 反映出這一階段海水淡化技術的發展動向; 進入快速增長階段(2007年)之后, 部分突現詞是上一階段延續的關鍵詞, 同時又涌現出較多的突現詞, 如減壓滲透、與正滲透相關的氨-二氧化碳、與納濾相關的納米顆粒、與膜材料相關的石墨烯等關鍵詞。總體來看, 國際上海水淡化主流技術如蒸餾法和反滲透技術等日趨成熟, 而基于新材料如碳納米管、石墨烯等在海水淡化方面的應用研究, 以及利用各類物理過程而開展的離子濃差極化、減壓滲透、正滲透等新型海水淡化技術, 發展較為迅速。
2.4 知識基礎
知識基礎是研究領域知識演進的前提與支撐, 由共被引文獻集合組成, 是被引用的參考文獻所形成的演化網絡和共引軌跡。通過文獻共被引分析, 可以發現海水淡化研究領域的基礎性文獻和重要知識基礎。從表3可知, 共有15篇參考文獻的共被引頻次不少于100次, 構成了海水淡化研究領域的知識基礎。其中, 共被引頻次最高的為梅納赫姆·伊利米勒等對淡化技術作為持續解決全球水資源短缺問題的綜述。其次是勞倫·格林利(Lauren F.Greenlee)等對反滲透淡化技術應用于海水和苦咸水中的比較研究, 共被引頻次為277次。再次是阿爾克希瑞·阿布杜拉(Alkhudhiri Abdullah)對膜蒸餾技術的綜述, 共被引頻次為219次。來自我國南京大學現代工學院朱嘉教授課題組的周林博士等在高效太陽能海水淡化方面的研究, 以101次的共被引頻次排名第14位。
結合表2和圖3可知, 反滲透是最重要的海水淡化技術之一。與基于蒸發相變原理的蒸餾法相比, 反滲透海水淡化技術不涉及相變、能耗相對較低, 得以迅速發展, 目前其裝機容量在全球海水淡化總裝機容量中占主導地位。從我國海水淡化的技術應用情況來看, 截至2018年底, 我國已建成海水淡化工程142個, 工程規模約為120萬噸/日; 其中121個工程應用反滲透技術, 工程規模約為82萬噸/日, 是應用最廣泛的海水淡化技術。從全球范圍來看, 近年來海水淡化每年新增已簽約產能中, 膜技術的應用持續超過蒸餾法海水淡化技術, 而且會變得更加關鍵。
以蒸餾法和反滲透等傳統海水淡化技術為基礎, 為了進一步優化海水淡化性能、降低海水淡化能耗, 科研人員不斷開展創新研究, 包括對不同海水淡化技術進行組合, 如膜蒸餾通過將膜技術和蒸餾法結合起來, 在減少腐蝕的同時降低建設成本、提高產水水質; 利用可再生能源的海水淡化技術, 如在技術和經濟上具有競爭力的太陽能海水淡化方法; 開發新材料、新裝置提升海水淡化技術, 如納米顆粒、石墨烯基分離膜以及流體切換能量回收裝置等。此外, 科研人員對不同于傳統海水淡化的新型海水淡化技術也進行了深入研究, 如正滲透技術, 因其具有低能耗、膜污染小等優勢, 在海水淡化中的應用潛力巨大。結合表3可以看出, 反滲透、膜蒸餾、正滲透以及太陽能海水淡化等相關內容構成了海水淡化研究領域的主要知識基礎, 在海水淡化技術發展中具有重要的基礎性作用。
2.5 期刊分布
學術期刊是學術共同體從事科學技術活動的重要工具, 通過統計海水淡化相關文獻在不同期刊中的分布可以快速確定該領域的主要期刊。從表4可知, 《脫鹽》(Desalination)、《膜科學期刊》(J Membrane Sci)、《水研究》(Water Res)、《脫鹽和水處理》(Desalin Water Treat)、《環境科學技術》(Environ Sci Technol)、《分離與純化技術》(Sep Purif Technol)、《科學》(Science)等是海水淡化研究領域的主要期刊, 共被引頻次均超過1000次。其中, 《脫鹽》以4540次的被引用量位居第一, 且其中心性(0.33)也是最高, 初次被引年份可追溯至1975年, 可以推斷《脫鹽》是海水淡化研究領域最重要的傳統期刊。自2014年起, 《美國化學學會應用材料和界面》(ACS Appl Mater Inter, 455次)、《材料化學A》(J Mater Chem A, 349次)、《自然通訊》(Nat Commun, 227次)、《納米尺度》(Nanoscale, 122次)等以較高的共被引頻次成為海水淡化研究領域期刊的新生力量。
2.6 基金分析
科學技術作為一種社會性的存在, 其運行需要一定的制度基礎和環境條件。國家資助機構在科研經費上的支持力度, 在一定程度上可以體現國家的政策導向或需求。從圖4可知, 我國在海水淡化研究領域的資助頻次遠遠高于其他國家和地區, 特別是中國國家自然科學基金委員會(National Natural Science Foundation of China)以461次的資助頻次, 位居第一。在排名前十位的基金中, 我國占據了一半, 共有5個基金。分析認為, 近年來我國高度重視海水淡化發展, 國務院辦公廳、國家發展改革委、科技部、原國家海洋局相繼出臺了發展海水淡化產業的意見和專項規劃, 促進了對海水淡化的支持力度。結合表1可知, 雖然我國在海水淡化領域發表的文獻量最多, 但是與基金資助頻次相比, 美國、韓國等國家基金資助的產出可能更具優勢。而從國際上來看, 隨著全球海水淡化技術的成熟以及市場的發展, 許多大型跨國集團進入海水淡化市場, 政府對海水淡化的支持多以政策引導為主, 如對海水淡化水給予水價補貼、多元化的融資渠道、加強示范工程建設、推動產學研融合發展等。以美國、日本等海水淡化技術優勢國家為例, 美國以立法的形式推動科技創新, 日本采用委托與聯合研發的方式支持海水淡化應用性研究。作為一項應用技術, 通過開展技術成果轉化與應用也是促進海水淡化科技進步的重要方式。如美國政府充分重視示范工程的推廣輻射作用, 建立公有裝置用于海水淡化先進技術的共享開發、技術示范及轉化。日本政府把海水淡化作為公益供水工程, 投資建設海水淡化廠。
3 小結與建議
本研究通過文獻計量分析, 從發文量、國家和研究機構、關鍵詞、參考文獻、期刊與基金等方面, 探究了近50年來國際海水淡化技術研究的發展狀況。總體來看, 國際上海水淡化主流技術日趨成熟, 新材料新技術的研發較為活躍。首先, 在技術演進方面, 海水淡化經歷了起步階段、積累階段和快速發展階段。反滲透技術、以多級閃蒸為代表的蒸餾法和超濾、微濾等預處理技術, 經過較長時間的發展已逐漸成熟, 并得到了廣泛的應用。正滲透、納米顆粒、石墨烯等海水淡化領域的新材料新技術研發不斷涌現, 但在實際應用中多處于探索階段。其次, 在研究分布方面, 海水淡化的研究遍布世界多個國家和機構、合作研究較為普遍。近年來在我國政府對海水淡化研究的大力支持下, 我國科研機構在海水淡化研究領域文獻產出量上已位居第一, 但在文獻的重要性上還有較大的提升空間。最后, 在學術發展方面, 海水淡化領域具有較多的學術期刊, 既包括傳統的專業性學術期刊, 也有一些綜合性學術期刊, 涉及化工、材料、能源等多個學科領域。雖然我國在海水淡化研究領域的基金資助、文獻產出上具有一定的優勢, 但是還沒有形成在國際上有影響力的學術期刊, 學術建設還有很大的發展空間。
本研究基于Web of Science核心合集數據庫, 以海水淡化為主題詞, 雖然不能否認會缺失某些國家、某些領域海水淡化研究相關的重要文獻, 但是相對來說仍可以較全面地檢索到國際海水淡化研究領域中較權威的文獻資料。通過梳理國際海水淡化研究的演進脈絡, 在一定程度上可以對推動我國海水淡化研究提出以下建議。
一是在技術進步方面, 我國海水淡化技術研究經過多年發展, 已經掌握低溫多效蒸餾和反滲透海水淡化技術, 但是在技術創新與研發方面還有待提升。一方面建議加強海水淡化技術、工藝、材料等的集成創新和推廣應用, 強化多級閃蒸技術研究, 在傳統海水淡化技術基礎上, 以反滲透膜、能量回收、膜蒸餾、可再生能源海水淡化等內容為重點, 深化傳統海水淡化技術節能降耗等方面的研究; 另一方面建議加強海水淡化新技術、新工藝、新材料等的自主創新和應用探索, 結合國際海水淡化研究趨勢, 以正滲透、納米材料、石墨烯等內容為重點, 發展新型低能耗海水淡化技術。
二是在政策支持方面, 近年來我國海水淡化相繼納入到循環經濟、節能減排、建設節約型社會、戰略性新興產業、“水十條”、生態文明建設以及國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要等多個國家法規、政策、規劃及文件中, 但是在海水淡化應用推廣方面還有待完善, 一方面建議借鑒國外對海水淡化的多元化支持方式, 從工程示范、財稅優惠、產學研用等多渠道促進海水淡化技術的研發和應用; 另一方面建議加強學科建設, 推動海水淡化領域學術期刊的發展, 加強自主海水淡化核心技術、材料和關鍵裝備的基礎研究, 鼓勵新型海水淡化技術研發。技術從實驗研發到實際應用需要一定的周期, 與反滲透以及蒸餾法等傳統海水淡化技術相比, 新開發的海水淡化技術由于可靠性、穩定性以及技術經濟性尚不成熟, 多處于實驗研發階段。盡管國際海水淡化市場仍以蒸餾法和反滲透技術為主, 但是新型海水淡化技術普遍具有較低的能耗, 隨著技術的進步將會對未來海水淡化的發展產生深遠的影響。
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