基于黏土技术的采出水处理：全球趋势与可持续发展目标贡献的文献计量分析(1996–2025)

《ACS Omega》：Clay-Based Technologies for Produced Water Treatment: A Bibliometric Analysis of Global Trends and SDG Contributions (1996–2025)

　　

石油和天然气行业在过去几十年经历了显著增长，导致含有大量危险污染物的采出水（PW）大幅增加，这些污染物经常超出环境标准和法规的要求。该研究强调了开发可持续且经济高效的处理方法的重要性，特别是以其可获得性、可负担性和环境可持续性而闻名的黏土基方法。研究人员开展了一项文献计量分析，以考察1996年至2025年全球黏土基废水处理的趋势，使用来自Web of Science和Scopus的数据，识别出1022篇相关出版物。研究人员运用VOSviewer和SciVal等可视化工具绘制研究网络图谱，并识别出领先作者、研究机构、国家和关键主题。结果表明，关于使用黏土基材料处理采出水的学术文章显著增加，中国成为最主要的贡献者。关键词分析揭示了主要主题包括吸附（adsorption）、黏土基复合材料（clay-based composites）和废水再利用（wastewater reuse），表明研究正向更可持续的水管理实践转型。该研究进一步强调黏土基技术在实现可持续发展目标6（SDG 6）中的重要作用，通过促进水再利用和减少污染。研究还强调了对采出水进行持续研究以降低污染水平和运营成本的必要性，为研究人员、政策制定者和行业利益相关者提供了关于材料创新、混合处理系统和技术经济评估方面的宝贵见解，以提高可扩展性和效率。

黏土基材料因其高吸附容量、经济性和环境友好性而在采出水处理研究中备受关注。该研究背景源于全球能源需求增长导致石油和天然气产量上升，进而产生大量含有高浓度碳氢化合物、盐度和重金属的采出水，对环境构成重大挑战。传统处理方法包括生物处理、化学与高级氧化、吸附及混凝等技术，但这些方法在处理复杂采出水流时存在明显局限：高盐度抑制生物途径，氧化过程可能产生有害副产物，且许多传统操作在去除重金属、乳化油和某些溶解性有机物方面效率低下、成本高昂或能耗密集。黏土基材料因其丰富性、低毒性和高去除效率而被视为有前景的低成本、环境友好型吸附剂。近年来，将采出水管理与联合国可持续发展目标（SDGs）尤其是SDG 6（清洁饮水和卫生设施）对齐的研究日益增多。

研究人员指出，尽管黏土矿物和黏土复合材料在去除水中重金属、药物污染物和染料方面应用广泛，但其在油水分离和采出水处理中的近期应用相对有限。此外，针对采出水的具体特性，气田采出水与油田采出水存在差异：气田采出水通常总有机碳（TOC）、总悬浮固体（TSS）、总溶解固体（TDS）和化学需氧量（COD）浓度更高，有时还含有较高水平的碳氢化合物和溶解酸性气体，使处理更为困难。

该研究的目的在于通过文献计量分析方法，系统梳理黏土基采出水处理领域的研究趋势、关键特征和发展脉络，帮助研究人员和利益相关者理解当前知识现状、发现研究空白并提出未来研究方向，同时重点关注这些黏土基处理技术如何支持可持续发展目标，尤其是与可持续水管理相关的目标，以指导政策和未来发展规划。

该研究的数据来源于Web of Science（WoS）和Scopus两个国际知名学术数据库，检索时间截至2025年4月20日，限定英文文献和1996–2025年的发表时段。研究人员采用布尔检索策略，以"produced water"或"oilfield wastewater"与"clay"、"bentonite"或"natural clay"以及"treatment"、"adsorption"或"removal"等关键词组合进行检索，最终从Scopus获得1022篇、从WoS获得1003篇相关文献。数据分析工具主要包括VOSviewer和SciVal，用于生成合作网络图谱、关键词共现网络和主题聚类分析。

**研究结果部分**

**出版趋势**

从Scopus检索的1996–2025年数据显示，黏土基采出水处理研究呈现稳定增长态势，年均约34篇出版物，2023年达到峰值298篇。这一增长反映了科学界向可持续、经济高效水处理解决方案的 deliberate and accelerating shift（刻意且加速的转型）。2016年后的加速增长与SDGs的采纳、《巴黎协定》的签订以及日益严格的采出水排放法规密切相关。

**有影响力的作者和机构**

机构合作网络分析显示，中国在出版物数量上领先（约占总产出12.7%），中国科学院以19篇论文位居首位；西班牙国家研究委员会（CSIC）以13篇成为连接欧洲集群与全球网络的关键节点；美国农业部农业研究服务处（12篇）和阿尔伯塔大学（8篇）分别代表农业采出水再利用和油砂水管理的北美特色研究方向。在作者层面，Abbas Mohajerani以4篇论文处于网络最中心位置，其研究连接环境修复与建筑材料科学；Aruna Ukwatta、Pilar Aranda、Sofia Payel、Margarita Darder、Nicky Eshtiaghi和Sujeeva Setunge等构成主要合作集群。值得注意的是，该领域尚未围绕少数主导研究者形成集中化格局，呈现出健康但碎片化的知识分布状态。

**黏土与水处理顶级期刊**

期刊分布分析表明，《Applied Clay Science》以21%的占比领先，确认该领域归属于材料科学而非环境工程的身份定位；《Agricultural Water Management》和《Soil and Tillage Research》各占11%，说明采出水灌溉再利用是同等重要的研究驱动力；《Journal of Hazardous Materials》（10%）和《Chemosphere》（8%）反映污染物风险框架；《Waste Management》（8%）强化循环经济维度。整体而言，该领域生产率高但学科孤立，研究发现尚未充分触达最有利于工程实施和政策制定的受众。

**关键主题和主题**

关键词共现网络揭示三个明显主题聚类：红色聚类以吸附机制为核心，代表最成熟的文献脉络；绿色聚类将黏土材料与建筑应用和废物资源化（黏土砖、混凝土、再利用）联系，标志循环经济学原则的 emerging research paradigm（新兴研究范式）；蓝色聚类涵盖土壤科学和农业系统，反映采出水处理与再利用必须在更广泛土地和水管理框架内评估的认识。SciVal词云进一步证实，研究领域正从原始天然黏土向杂化和复合吸附剂系统转变，"重 金属"和"有机污染物"作为污染物描述词的出现频率高于"采出水"本身，表明采出水处理仍是更广泛的黏土基废水处理文献中的一个子领域。

**吸附机制：文献计量锚定的技术分析**

该部分系统梳理了文献中最常用的等温线和动力学模型。等温线模型方面：Langmuir等温线假设单分子层吸附于均一表面，是该领域应用最广泛的模型，反映学科方法论标准化而非黏土特异性表面行为；Freundlich等温线作为第二常用模型，适用于描述天然黏土、膨润土、高岭石和蒙脱石的非均质表面，其使用频率在2016年后随SDG驱动研究 surge（激增）而上升；Sips等温线结合低浓度Freundlich型非均质性和高浓度Langmuir型饱和特征，适用于复杂多组分采出水化学，其使用在2018年后增加；Dubinin–Radushkevich（DR）等温线通过区分物理吸附和化学吸附提供机制性见解， increasingly reported（越来越多地报道）于表面工程化黏土复合材料研究；Temkin等温线虽应用最少，但在2019年后高盐度采出水及多金属系统中的出现频率增加，反映对现实 field conditions（现场条件）下吸附质相互作用效应的 growing recognition（日益增长的认知）。

动力学模型方面：准一级（PFO）模型假设吸附速率与空余吸附位点数量成正比，适用于以弱范德华力为主的物理吸附过程，但在该文献库中作为最佳拟合模型的频率低于准二级（PSO）模型；PSO模型假设涉及价键力或电子共享的化学吸附机制，是1996–2025年间最常报道的最佳拟合动力学模型，但近年 critique（批评）指出其统计优势可能部分源于线性化方法的数学拟合便利；Elovich模型适用于高度非均质表面，其采用随工程化黏土复合材料和表面改性膨润土研究的增加而上升，跟踪 field's material complexity（该领域的材料复杂性）；颗粒内扩散（Weber–Morris）模型在2016年后应用频率显著上升，与该时期 hierarchically porous clay composites（层级多孔黏土复合材料）的 proliferation（激增）相吻合。

**对可持续发展目标的贡献**

文献计量分析显示，SDG 6（清洁饮水和卫生设施）以近500篇出版物占绝对主导地位，远超其他目标。461篇论文（45%）明确对齐SDG 6，证实该目标作为领域核心焦点的地位。然而，SDG 9（工业、创新和基础设施，143篇，14%）、SDG 12（负责任消费和生产，152篇，15%）虽有相当数量，但与SDG 6差距显著。更为突出的是，SDG 13（气候行动）仅34篇（3.3%）、SDG 14（水下生物）48篇（4.7%）、SDG 15（陆地生物）50篇（4.9%），而SDG 1、2、3、4、5、7、8、10、11和16几乎未被提及。这一分布反映研究社区对 broader sustainability benefits（更广泛可持续性收益）的 narrow framing（狭窄框定），尽管黏土基采出水处理与SDG 3（去除饮用水中有毒污染物的健康收益）、SDG 8（发展中国家工业运营商低成本处理的经济收益）和SDG 11（可持续城市水基础设施）存在明确但 underarticulated（阐述不足）的联系。

在SDG 17（促进目标实现的伙伴关系）方面，机构合著网络凸显中国科学院、西班牙CSIC和美国USDA作为亚、欧、北美三大活跃枢纽，体现SDG Target 17.6鼓励的跨区域技术共享和能力建设；中国约12.7%的总产出贡献及国家自然科学基金委员会（NSFC）等国家项目的支持，展示与SDG Target 17.17对齐的政府-学术界伙伴关系。

**讨论与结论**

研究人员在讨论中指出，黏土基吸附存在需批判性考虑的技术局限：其一，黏土性能对离子强度高度敏感，当TDS超过50,000 ppm时，Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺的竞争离子效应大幅降低吸附容量，此为膜基系统所不存在的约束；其二，天然黏土通常可重用性有限，如磁性蒙脱石经三次煅烧循环后再生率保持80%以上，但之后结构退化导致容量损失，有机膨润土脱附效率从99.7%降至89.3%；其三，未改性黏土对PFAS、微塑料和药物残留等新污染物的吸附能力 poorly characterized（特征描述不足）。此外，尽管黏土基系统具有明显成本优势——有机黏土去除效率 reportedly 7 times higher than activated carbon at a lower cost（ reportedly 比活性炭高7倍且成本更低）——但标准化技术经济评估和生命周期分析的缺失使稳健的成本比较难以实现。

未来研究方向方面，研究人员提出应通过纳米改性、聚合物功能化和混合系统设计等材料工程手段解决上述局限；开发更密切对齐SDGs的评估框架；利用纳米材料或生物基添加剂增强天然黏土；将黏土基系统与高级氧化、膜和生物处理等混合技术结合，并辅以人工智能驱动的优化；开展全面的生命周期和技术经济评估；以及应对PFAS和微塑料等新污染物，评估系统对气候变化的适应能力。

研究最终结论指出，根据该文献计量研究对关键词趋势、研究类别和合作网络的分析，黏土基采出水处理研究已实现显著的全球增长和发展。通过分析超过1022篇出版物，利用Scopus、WoS和VOSviewer进行数据收集和网络可视化，识别出关键研究领域和有影响力的贡献者。分析揭示中国是 throwable（原文如此，或为"全球"之误）黏土基采出水处理研究的领导者，反映了其在该领域的重大投资和领导地位。关键词图谱进一步表明吸附仍是主要处理方法，对黏土基材料用于水净化有强烈关注。为推进该领域进展，增加研发、基础设施和技术转让的投资至关重要，同时需要开发促进全球采用的可持续商业模式，这些努力将提高处理效率，支持循环水管理和环境可持续性。