《Cleaner Engineering and Technology》：Bibliometric analysis and review of nanobubbles applications to wastewater treatments: Challenges after 25 years of research
编辑推荐：
确保安全和高质量用水仍是关键全球性挑战，因为常规处理难以去除持久性微污染物。纳米气泡（NB）技术因其独特的性质（如 exceptional 稳定性（exceptional stability）和高气体传质效率（gas transfer efficiency））
确保安全和高质量用水仍是关键全球性挑战，因为常规处理难以去除持久性微污染物。纳米气泡（NB）技术因其独特的性质（如 exceptional 稳定性（exceptional stability）和高气体传质效率（gas transfer efficiency））已成为污水处理厂（WWTPs）的可持续升级方案。本系统性文献计量综述通过整合1999至2025年间的1669篇出版物，解决了知识碎片化问题，为该领域提供了全面的25年视角。分析揭示了清晰的研究轨迹转变：从基础研究阶段的界面表征（1999–2010）到多样化的废水应用（2016–2025）。主成分分析（PCA）证实了这一演变，其中77%的数据方差由纳米气泡动力学（NB dynamics）和高级氧化（advanced oxidation）、浮选（flotation）及厌氧消化（anaerobic digestion）等专业化应用所捕获。至关重要的是，本研究强调纳米气泡的实施可有效降低全规模工业废水处理应用中的曝气能耗，主要体现在溶解空气浮选（dissolved air flotation, DAF）系统中，具体取决于系统设计和基线技术，这直接支持了清洁生产目标。然而，在生成方法标准化以及复杂工业/城市废水基质中的工艺放大方面，挑战依然存在。通过识别新兴热点和未充分探索的领域，本研究为研究人员和政策制定者提供了数据驱动的路线图，以促进从实验室概念验证到全规模可持续实施的转变。
研究背景方面，淡水资源的稀缺与污染因快速城市化和工业扩张而日益加剧，尽管常规废水处理技术能有效去除大量污染物，但对微污染物（micro-pollutants, MPs）的去除效果有限。这些化合物包括药品、农药、氯化烃和持久性有机物等，对常规物理、化学和生物处理机制具有高抗性，因而需要先进的处理策略以实现可靠去除。现行修订的城市废水处理指令（Directive EU 2024/3019）要求四级处理阶段对目标微污染物的全球去除率超过80%，在此背景下，纳米气泡技术作为现有设施的变革性升级方案，提供了一条可持续、无化学药剂的合规路径，同时可能较常规系统降低能耗。
研究人员开展了为期25年（1999–2025）的系统性文献计量评估，旨在填补该领域专门聚焦纳米气泡废水工程转化研究的空白。研究采用Web of Science Core Collection数据库，遵循PRISMA 2020指南，通过主题检索获取1669篇出版物，运用VOSviewer构建文献计量网络，并采用Python进行PCA分析，基于52个高频关键词的年份共现矩阵进行降维，以统计验证研究主题从基础物理向应用技术演变的轨迹。
研究结果表明，出版趋势呈现三阶段演变特征。基础研究阶段（1999–2010）年发文量不足40篇，集中于纳米气泡的生成表征与界面稳定性研究，证实了纳米气泡因表面电荷（zeta potential）和局部气体过饱和而可在水中稳定存在数天至数周。巩固与概念验证阶段（2011–2015）标志着从表面物理研究向系统实验的转折，证实了纳米气泡在细颗粒浮选中的增效作用以及臭氧传质和接触效率的提升。扩展与应用导向阶段（2016–2025）年发文量近200篇，呈现向多功能和现场规模应用的明确转变。Web of Science类别分析显示，物理化学（726篇）、材料科学 multidisciplinary（501篇）和化学 multidisciplinary（457篇）为前三大领域，而环境科学、环境工程和水资源类别自2016年以来显著增长，表明技术成熟度提升。
关键词分析与统计验证方面，VOSviewer共现网络识别出三大集群：绿色和紫色集群对应早期基础研究（如疏水表面、原子力显微镜、界面），红色集群涵盖纳米气泡动力学（如气泡形成动力学、稳定性、超声），蓝色和黄色集群代表近期技术应用（如氧化、厌氧消化、自由基）。PCA分析进一步证实，前两个主成分捕获77%的数据方差，其中PC1（65%）关联应用驱动型研究，PC2（12%）反映早期基础研究，与VOSviewer的时间叠加可视化结果一致。
关键研究热点方面，核心热点包括水、纳米气泡、气泡及气泡形成动力学；早期热点涵盖疏水表面、原子力显微镜、界面、气体和吸引力等；后期热点则包括生成、厌氧消化、氧化、去除和处理等。值得特别关注的是，研究发现纳米气泡在全规模工业应用中的能耗降低潜力：以色列Poriya水库的应用消除了恶臭并将溶解氧维持在正常条件以上；美国内华达州污水处理厂的200 XTB纳米气泡发生器使溶解氧从1.5 ppm提升至3.5 ppm，增幅达8倍；美国加利福尼亚州奇诺市塑料回收厂废水处理设施中，以2 HP纳米气泡发生器替代15 HP加压曝气系统，能耗降低60%–87%，这归因于水力简化设计消除了高压饱和罐需求。
国家分析揭示中国为该领域最大出版国，但总链接强度（TLS）分析显示美国、澳大利亚等国虽出版量较少但协作影响力显著。早期研究集中于荷兰、澳大利亚和法国的机理研究，中期转向日本、德国和美国的应用验证，近期则由中国主导并伴随印度、俄罗斯和韩国的贡献增长。
讨论部分，研究总结了纳米气泡技术在废水处理中的多重作用机制：在浮选中通过增加碰撞粘附概率提升细颗粒去除；在高级氧化工艺中通过带电界面促进活性氧物种（ROS）生成；在膜过程中通过局部流体动力学效应和热力学改变缓解膜污染；在厌氧消化中通过改善底物-微生物接触和局部氧递送提高甲烷产率12%–24%。同时研究也指出了关于"无化学药剂高级氧化"的争议，引用Chae等人2023年的多探针研究，证实纯水中纳米气泡 alone 的·OH生成可忽略不计，部分文献中的荧光探针信号实为探针酸催化水解的假阳性。
研究结论部分翻译如下：二十多年来，纳米气泡在水和废水处理领域的研究已从基础方面发展为新兴环境技术。本研究通过利用PCA统计验证该领域主题转变，填补了关键研究空白，首次提供了专门针对纳米气泡在废水领域工程转化的定量25年路线图。早期阶段（1999–2010）通过重新定义纳米尺度气液界面稳定性奠定了理论基础，疏水表面、原子力显微镜和界面等概念发挥重要作用，澳大利亚和荷兰在推进机理认识方面影响显著，而中国和美国也通过气体过饱和、纳米气泡检测和电化学生成技术的首批研究发挥了基础作用。巩固阶段（2011–2015）建立了可靠的实验室证据和机理理解，证实了纳米气泡作为增强传质和氧化过程有效剂的作用，印度、日本和德国等国家影响力日益增强。当前扩展阶段（2016–2025）已将积累知识转化为工程实践，越来越重视中试规模验证、长期稳定性和能源效率，中国、印度、俄罗斯和韩国等国家呈现快速增长。尽管取得这些进展，纳米气泡生成标准化、测量可重复性以及复杂废水基质中的可靠放大等关键挑战依然存在。未来研究必须优先整合实时诊断、生命周期评估和过程建模，以优化反应器设计和评估可持续性指标。纳米气泡科学与高级氧化工艺及生物处理策略的融合，使该技术成为下一代废水处理系统的基石，能够满足日益严格的监管要求，如欧盟2024/3019指令关于微污染物去除的规定。从工程角度，需要三项行动来解决当前在发生器标准化和放大方面的局限性：第一，开发标准化表征协议，包括在现实废水条件下测量气泡尺寸分布、浓度、zeta电位和气体传质效率的一致方法；第二，放大策略应超越实验室优化，转向基于流体动力学相似性和无量纲分析的反应器设计；第三，需要在可变废水基质（离子强度、有机负荷和表面活性剂）中进行系统的中试规模验证，以评估长期稳定性、能源效率和工艺稳健性，从而实现可靠的技术经济评价和工业实施。最终，纳米气泡为全球水行业的脱碳化和现代化提供了一条可持续、无化学药剂的路径。
