Le rôle des nanomatériaux et des nanotechnologies dans le traitement des eaux usées :une analyse bibliométrique

Contexte

Depuis que les « nanomatériaux » et les « nanotechnologies » ont été mis en avant, ils ont été au centre du champ scientifique, à la fois au sein des disciplines et entre elles. Sans doute en raison du financement continu de la recherche et des percées scientifiques dans le domaine du nanomètre, les nouveaux NN favorisent le développement de domaines tels que la chimie [1] et la science des matériaux, la médecine et la pharmacologie [2], l'électronique et la photonique, l'environnement et l'énergie [3]. De plus, les NN jouent également un rôle essentiel en contribuant au traitement des eaux usées en raison de leur grande surface spécifique et de leur grande réactivité [4, 5].

Avec l'amélioration sans cesse croissante du niveau de vie de la population dans le monde, les effluents massifs poseront de sérieux défis et charges à notre société [6]. Le système de traitement des eaux usées est le point de jonction entre les eaux usées et les sources naturelles d'eau telles que les rivières, les lacs, les réservoirs et les eaux souterraines. Par conséquent, l'efficacité du système de traitement des eaux usées aura un impact important sur le recyclage de l'eau. Dans de nombreux cas, un traitement approprié des eaux usées garantit la sécurité de l'eau potable [7] et la récupération des ressources [8]. Par conséquent, il n'est pas exagéré de faire de l'innovation technologique un objectif de premier plan dans le traitement des eaux usées. Heureusement, les NN nous offrent plus d'options. Le système de traitement des eaux usées et d'approvisionnement en eau de nouvelle génération reposant sur les NN peut être hautement efficace [9], respectueux de l'environnement, sans coproduit [10] et économiquement réalisable [11]. Les NN offrent des performances élevées dans le traitement des eaux usées avec l'application principale de l'adsorption [12], des membranes et des processus membranaires [13], du photocatalyseur, de la désinfection et du contrôle microbien, de la détection et de la surveillance [14]. Compte tenu du fait que l'augmentation des nanoparticules d'ingénierie commerciale trouvera une voie finale dans les usines de traitement des eaux usées, certains chercheurs se sont montrés préoccupés par l'influence possible sur le processus d'élimination [15]. Pour une meilleure compréhension du rôle que jouent les NN dans le traitement des eaux usées, une évaluation quantitative et qualitative est requise pour les directives scientifiques.

Ces dernières années, la méthode bibliométrique a été identifiée comme une nouvelle stratégie pour découvrir des points utiles rapidement et exactement à partir d'informations massives. Il permet d'évaluer mathématiquement l'évolution d'un domaine au cours d'une période donnée. Zyoud et al. [16] ont offert des orientations pour les recherches futures sur la toxicité du lithium en étudiant les publications relatives pendant près d'un siècle avec une méthode bibliométrique. Zhang et al. [17] ont effectué une analyse bibliométrique de l'empreinte hydrique et ont constaté que des facteurs tels que le lien eau-alimentation-énergie et le mécanisme moteur de la variation de l'empreinte hydrique favorisaient le développement de ce domaine. Yataganbaba et al. [18] ont introduit des mesures bibliométriques dans les matériaux à changement de phase et les sujets d'encapsulation et ont fourni des informations pour la recherche future. CiteSpace est conçu comme un logiciel de visualisation de domaine de connaissances [19]. Et les concepts centraux de cet outil sont la détection de rafales, la centralité d'intermédiarité et les réseaux hétérogènes [20]. De plus, il peut présenter les résultats dans un format visuel facile à comprendre à travers les diagrammes [21]. En raison des raisons ci-dessus, CiteSpace gagne de plus en plus de prévalence parmi les chercheurs scientifiques [22, 23].

Compte tenu de la croissance exponentielle de l'importance et du nombre de publications, une analyse critique de son étude passée, actuelle et future est urgente. Cet article tente d'étudier le développement des NN dans les études scientifiques liées au traitement des eaux usées de 1997 à 2016 avec la technique combinée de la méthode bibliométrique et CiteSpace.

Méthodes

Sources de données

La Web of Science Core Collection couvre la plupart des revues importantes et est largement appliquée dans une variété de domaines scientifiques [24, 25]. Pour obtenir des informations qualifiées sur le sujet des NN dans le traitement des eaux usées, notre source de données a été extraite de la base de données Science Citation Index Expanded (SCI). Visant à des enregistrements fiables et précis, « nano* » et « traitement des eaux usées » ou « traitement des eaux usées » ou « l'élimination des eaux usées » ou « l'élimination des eaux usées » ont été utilisés comme stratégie de recherche. La recherche a été menée le 30 juin 2017 et les publications ont été sélectionnées dans la période allant de 1997 à 2016. Ensuite, 2604 enregistrements ont été collectés.

Analyse bibliométrique

La bibliométrie est une technique complète liée aux méthodes mathématiques et statistiques pour déterminer la distribution, la variation et les relations des publications de manière quantitative sur la base de bases de données publiques [26]. Une fois les informations valides divisées, une analyse plus approfondie des caractéristiques de la littérature et des connaissances sous-jacentes sera possible.

L'analyse des réseaux sociaux est un outil utile pour la représentation et l'analyse de données relationnelles [27]. Il fournit une méthode de mesure quantitative sur les relations multiples entre différents rôles sociaux. Geph est un logiciel de prévalence pour l'analyse des réseaux sociaux [28]. Et dans cette étude, il sera appliqué pour afficher les réseaux de coopération parmi les pays/territoires et instituts les plus productifs.

Analyse de visualisation

L'analyse de visualisation fait référence à la présentation d'une grande quantité de données sur une carte par divers outils de modélisation de réseau [23]. Dans l'étude suivante, CiteSpace sera utilisé pour l'étude des mots-clés co-occurrents. Et ArcGIS sera utilisé pour illustrer la répartition des institutions dans le monde.

Résultats et discussion

Les caractéristiques des publications de recherche

Sur 2 604 enregistrements sur les NN dans le traitement des eaux usées, « Article » représentait 91,90 % (2393 enregistrements), tandis que Review et Proceedings Paper contribuaient respectivement à environ 7,45 % (194 enregistrements) et 5,45 % (142 enregistrements). Les enregistrements d'autres types représentaient moins de 1%, y compris le résumé de réunion, le chapitre de livre, l'actualité, le matériel éditorial et la correction. Dans cet article, seul l'article est étudié plus en détail.

Les articles imprimés en anglais représentaient 98,96 % du total des enregistrements, puis 0,71 % en chinois. La proportion des cinq autres langues, dont le français, l'allemand, le malais, le polonais et l'espagnol, était inférieure à 0,4 %. Étant donné que de nombreux auteurs chinois ont participé à la recherche des NN dans le traitement des eaux usées, les articles anglais et chinois sont pris en compte.

Comme observé sur la Fig. 1, l'histogramme montre les variations d'articles liés aux NN dans le traitement des eaux usées entre 1997 et 2016. La première période de 5 ans a connu un faible nombre de publications, avec une moyenne de 5 par an. Entre 2002 et 2006, le nombre moyen de publications était d'environ 25, soit seulement cinq fois celui de la période précédente. Après une augmentation régulière de 48 en 2007 à 74 en 2009, le record annuel de publications a franchi la barre des 100 et atteint 138 en 2011. Au cours des 5 années suivantes, le rythme de publication a augmenté rapidement et de manière substantielle. Par conséquent, il révèle que ce sujet a suscité un intérêt croissant dans le domaine scientifique. Les courbes d'ajustement de la figure 1 ont donné une idée de la croissance exponentielle dans ce domaine. Et la relation exacte entre l'année (x) et le nombre de publications (y) a été répertoriée sous une forme mathématique. Cela garantit que la recherche sur les NN dans le traitement des eaux usées restera un sujet brûlant dans les années à venir.

Le nombre de publications annuelles des six pays les plus productifs entre 1997 et 2016. TP :le nombre total de publications. Le nombre après le pays est le nombre total de publications de ce pays dans ce domaine au cours de la période

Le graphique linéaire de la figure 1 montre la performance annuelle de la production de publications des six pays les plus productifs. Bien qu'à un faible niveau d'édition, les États-Unis ont joué un rôle de pionnier dans ce domaine au cours de la première décennie en général. Après cela, le nombre de publications en Chine a connu et maintenu une forte augmentation au cours de la décennie suivante et a pris la première place avec 962 articles. Cela est dû au Plan national de développement scientifique et technologique à moyen et long terme (2006-2020) qui a placé les nanomatériaux et la nanotechnologie environnementales à un endroit stratégique. La tendance à la croissance a également été observée aux États-Unis, mais avec une forme beaucoup plus douce. À la fin de 2016, les États-Unis avaient une publication totale de 324. Cependant, le nombre d'articles sur les NN dans le traitement des eaux usées par l'Iran (140), l'Inde (105), la Corée du Sud (104) et l'Espagne (101) n'a pas afficher une nette augmentation jusqu'à ces 5 dernières années. Et un écart net a pu être observé entre eux avec les deux premiers pays. En conséquence, il pourrait être illustré que les pays hautement productifs ont contribué au développement global de ce domaine.

La contribution des pays/territoires

L'adresse et les affiliations jointes à chaque enregistrement peuvent être considérées comme des informations efficaces pour l'évaluation des pays/territoires et des instituts. Les adresses des auteurs étant manquantes, seuls 2391 articles ont été appliqués à l'analyse dans cette section. Au cours des deux décennies, 83 pays/territoires ont enregistré des publications sur les NNS dans le traitement des eaux usées. Et les 20 premiers pays/territoires représentaient 83,95 % du total des publications.

Dans le tableau 1, les 20 pays/territoires les plus productifs ont été classés en fonction de leurs publications, du nombre et du pourcentage de publications sans et dans le cadre d'une collaboration internationale, du nombre de publications publiées par le premier auteur et l'auteur correspondant, et des informations sur l'indice h. Dans tous les aspects, la Chine a montré un avantage sur les États-Unis, le deuxième pays productif de la liste. Il est à noter que les États-Unis ont obtenu une collaboration et des performances d'indice h considérables, avec seulement un tiers du nombre de publications de la Chine. Considérant que l'indice h pouvait être utilisé comme indicateur pour mesurer à la fois l'impact et la quantité de publications enregistrées, cela indiquait que les États-Unis avaient peut-être une plus grande proportion de publications de haute qualité que la Chine. Par rapport aux États-Unis, l'Iran a pris un net retard dans tous les aspects. Et en ce qui concerne le classement de la collaboration et de l'indice h, l'Iran vient de prendre respectivement la vingtième et la onzième place. Hormis la Chine et les États-Unis, l'Australie, avec une septième place dans le nombre total de publications, a présenté la plupart des activités que tout autre pays. Bien qu'ils n'aient montré aucune supériorité dans le nombre total de publications, l'Australie, Singapour, l'Allemagne et le Canada ont obtenu des classements relativement plus élevés dans l'indice h.

L'analyse des réseaux sociaux a ensuite été appliquée pour analyser les relations de co-création entre les 30 pays/territoires les plus productifs. Et les résultats sont affichés dans la figure 2. Les États-Unis et la Chine ont notamment travaillé en étroite collaboration parmi tous les pays/territoires. Ils ont produit 66 publications co-écrites. En outre, la coopération entre la Chine et Hong Kong, l'Arabie saoudite et le Royaume-Uni a également été remarquable. Contrairement à la Chine qui a établi une coopération relativement intense avec certains pays/territoires, les États-Unis ont maintenu des liens avec un plus grand nombre de pays/territoires, mais avec une densité moindre.

Le réseau de coopération des 30 pays/territoires les plus productifs

La contribution et la répartition des instituts

Selon les informations des adresses des auteurs, 1871 institutions ont manifesté leur intérêt pour les NN dans le traitement des eaux usées. Et fichier supplémentaire 1 :la figure S1 illustrait toutes les institutions récupérées dans le monde. Les zones à forte densité de distribution provenaient principalement de trois principales régions économiques, à savoir l'Europe, l'Asie de l'Est et l'Amérique du Nord. L'Europe comptait le plus grand nombre d'établissements, suivie respectivement de l'Asie de l'Est et de l'Amérique du Nord.

Comme indiqué dans le tableau 2, environ les deux tiers des 30 meilleurs instituts étaient de Chine, et deux de Singapour, un d'Iran, de Malaisie et des États-Unis. L'Académie chinoise des sciences a contribué au plus grand nombre de publications dans ce domaine (149), suivie de l'Université de Tongji (49) et de l'Institut de technologie de Harbin (40). Plus de la moitié du total des articles (54,75 %) impliquaient des collaborations multi-institutionnelles. Le rang du numéro de publication en ce qui concerne l'institut du premier auteur, le correspondant et l'institut de l'auteur correspondait généralement au nombre total de publications. Bien qu'il soit à noter que l'Université du Zhejiang et l'Université d'État de l'Arizona, n'ayant pas obtenu de résultats remarquables en termes de nombre total de publications, se classaient respectivement à la huitième et à la neuvième place du pays du premier auteur et du pays de l'auteur correspondant. En termes de classement h-index, l'Académie chinoise des sciences a conservé la première place. Néanmoins, l'Université nationale de Singapour, l'Université de Tonji, l'Université Jiao Tong de Shanghai et l'Université technologique de Nanyang avec différents rangs avaient un indice h similaire (16 ou 17).

Comme le montre le fichier supplémentaire 1 :Figure S2, l'Académie chinoise des sciences, la Chine et l'Université des sciences et technologies de Chine entretenaient une relation de coopération étroite. Il convient de noter qu'une grande partie de la collaboration se fait entre les institutions chinoises. En tant que centre du réseau, l'Académie chinoise des sciences avait des partenariats avec presque toutes les institutions nationales mais une communication limitée avec l'étranger. En plus de cela, l'Institut de technologie de Harbin, en Chine, a également bien coopéré avec six autres instituts. En outre, l'ETH, la Suisse et l'Université d'État de l'Arizona, l'Université islamique d'Azad et l'Université Teknol Malaysia n'ont collaboré qu'entre elles, mais ont perdu le lien avec l'ensemble du réseau de coopération. Il était nécessaire de souligner que l'Université Duke des États-Unis n'a pas été trouvée dans la figure 3. Cela signifie qu'elle n'a pas coopéré avec le reste des 30 meilleures institutions.

Le réseau de coopération des 30 premières institutions productives

La publication annuelle des cinq principaux instituts productifs au cours des deux décennies illustrée dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S2. Avant 2005, presque aucun record d'édition n'a été trouvé parmi ces cinq premiers instituts. Depuis lors, le nombre de publications a augmenté rapidement malgré des fluctuations évidentes au cours de certaines années. C'est en 2011 que l'Académie chinoise des sciences a fait un pas de géant et a dépassé les quatre autres instituts. Après cela, il a conservé un taux de croissance plus élevé et s'est classé en tête au cours des 5 dernières années. La tendance parmi ces cinq instituts les plus productifs suggère que ce domaine est de plus en plus au centre de l'attention des chercheurs du monde entier.

La distribution des catégories de sujets et des revues

Tous les articles récupérés sont répartis en 44 catégories de sujets. Comme indiqué dans le tableau 3, l'ingénierie s'est classée au premier rang avec 1 069 enregistrements, suivie de la chimie avec 757 enregistrements et des sciences de l'environnement et de l'écologie avec 702 enregistrements respectivement. Comme illustré dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S3, le nombre des six catégories de sujets les plus productives a augmenté régulièrement après avoir à peine augmenté au cours de la première période de 5 ans. Avant 2015, l'ingénierie progressait à un rythme relativement élevé et prenait une place de leader en continu. Cependant, la chimie a connu une croissance fulgurante après 2011 et a pris l'avantage sur les sciences de l'environnement et l'écologie, et l'ingénierie en 2014 et 2016, respectivement. La raison possible était que les chercheurs ont réalisé l'importance du mécanisme chimique du comportement des NN dans le traitement des eaux usées. L'augmentation constante des sciences et de l'écologie de l'environnement et des ressources en eau impliquait l'effet important et potentiel des NN dans le domaine environnemental. La prospérité de l'ingénierie, de la science des matériaux, de la science et de la technologie, d'autres sujets peut-être dus aux NN émergents.

Les 2393 articles sont répartis dans 449 revues. Et comme indiqué dans le tableau 4, la contribution des 20 principales revues à toutes les publications était de 47,20 %. Rsc Advances, une revue complète pour les sciences chimiques, était la revue la plus productive avec 108 enregistrements, suivie par Desalination, et Desalination and Water Treatment avec 97 et 96 respectivement. Bénéficiant d'une très haute réputation dans le domaine de l'environnement dans le monde entier, Environmental Science and Technology s'est classé septième avec 76 enregistrements. Cela impliquait que les NN soient de plus en plus concernées par les problèmes environnementaux. De plus, il était évident que la plupart des revues répertoriées dans le tableau 4 avaient une valeur de facteur d'impact (FI) élevée, 65% de celle-ci allant de 4,2 à 9,5. En général, l'IF est considérée comme un indicateur efficace de la qualité d'une revue [29]. Par conséquent, il a suggéré la prévalence de ce sujet parmi les scientifiques exceptionnels.

Fichier supplémentaire 1 La figure S4 montre les performances de publication des cinq principales revues. De toute évidence, les 2 et 3 dernières années ont vu les tendances à la hausse des avancées Rsc, et du dessalement et du traitement de l'eau. Le dessalement, cependant, a subi une forte baisse en 2012 et a maintenu un niveau encore plus bas par la suite que celui de la période 2005-2010. De plus, les quatre autres journaux ont augmenté en fluctuation sur l'ensemble de la période. Il a démontré que la recherche sur les NN dans le traitement des eaux usées s'est largement développée en une étude croisée.

Les principaux domaines de recherche

Les mots-clés d'un article peuvent offrir des points efficaces liés à ses idées principales. La détection de rafales dans CiteSpace peut récupérer des mots-clés de rafales en tant que signes des tendances émergentes des NN dans le traitement des eaux usées [30]. Dans cette section, seuls 2386 enregistrements ont été analysés, car 7 autres enregistrements étaient invalides avec des informations incomplètes.

Un réseau chronologique visualisé basé sur des mots-clés a été montré dans la figure 4. La couleur du cercle et de la ligne dans le réseau correspondait à des années consécutives en haut de la figure elle-même. Chaque point représentait un nœud dans le réseau. Et les nœuds sont des mots-clés. Les lignes entre les nœuds suggèrent des liens co-occurrents. Il convient de souligner que les nœuds de surbrillance avec des champs de recherche importants sont délimités par des bordures violettes. Et des bordures violettes plus épaisses suggèrent une fréquence de cooccurrence plus élevée [31]. Notamment, l'adsorption (430), dégradation (306), nanofiltration (264), osmose inverse (132), membrane (130), TiO ₂ (183), photocatalyse (124), ultrafiltration (114), rretrait (461) et nanocomposite (157) étaient des mots-clés à haute fréquence apparaissant dans une étape antérieure.hile, nanotube de carbone (120), sorption (96), TiO₂ nanotube (72), dégradation photocatalytique (71), photocatalyseur (55), nanoparticule d'argent (103), composite (139), synthèse hydrothermale (34), oxyde de graphène (60), graphène (43), boues d'épuration (37), transformation (34) et nanoparticule magnétique (33) étaient des mots-clés fréquemment utilisés ces derniers temps. Il a démontré qu'ils étaient des axes de recherche des NN dans le traitement des eaux usées.

Vue chronologique d'un réseau lié à des mots clés co-occurrents

Les mots clés burst sont un indicateur efficace du hotspot de recherche dans le domaine discuté [22]. La rafale de mots-clés suggère qu'un mot-clé particulier est en contact avec un nombre croissant d'autres mots-clés et a obtenu une grande attention de la part du domaine scientifique. Le tableau 5 répertorie les 20 mots clés avec les rafales les plus fortes entre 1997 et 2016. L'année dans la dernière colonne représente la certaine période d'une rafale de mots-clés. Un grand nombre de mots-clés ont commencé à apparaître depuis 1998. Et les trois plus forts étaient nanofiltration , rosmose inverse , et ultrafiltration avec une longue période d'éclatement de 14, 10 et 13 ans respectivement. Prendre la nanofiltration , par exemple, l'explosion a commencé en 1998 et s'est terminée en 2011. Cela signifiait nanofiltration avait reçu une attention particulière et était un point névralgique de la recherche au cours de 1998 à 2011. En règle générale, la période de rafales de mots-clés était conforme aux résultats de la figure 4. De même avec les mots-clés à haute fréquence, la plupart des rafales de mots-clés concernaient le nanotechnologie de base de la purification de l'eau et de l'application des NN. En outre, les rafales de mots clés les plus récentes étaient composite , graphène , et boues d'épuration . Cela pourrait suggérer que les nanomatériaux composites et le graphène sont une tendance émergente. Pendant ce temps, la portée des études NN s'étend à la recherche sur les boues d'épuration.

Les articles les plus cités

Les publications les plus citées sont également des index utiles pour démontrer l'intérêt de recherche et le hotpot d'un domaine scientifique [32]. Les 10 publications les plus citées au cours de la période, ainsi que les 3 meilleures tous les 3 ans presque toutes étaient répertoriées dans le tableau 6. Les sciences et technologies environnementales et la recherche sur l'eau étaient les revues les plus courantes pour les 10 articles les plus cités, avec 5 et 3 sur chacun respectivement. Les États-Unis ont contribué le plus à toutes les citations répertoriées, et la Chine est arrivée au deuxième rang.

En analysant les citations, il a été constaté que l'utilisation de divers NN pour l'élimination des contaminants des eaux usées est toujours restée un champ chaud. Le développement et l'application de nouveaux nanomatériaux étaient des sujets populaires parmi tous les articles mentionnés. En général, les hotpots trouvés selon les publications les plus citées ont montré une tendance similaire à celle de la partie 3.5. Et cela était particulièrement évident en termes d'articles très cités au cours des 3 dernières années. Sur les neuf articles, quatre études étaient basées sur le graphène utilisation dans le traitement des eaux usées. De plus, la nanoparticule magnétique , nanotubes de carbone , et snanoparticules d'argent ont également été répertoriés dans les cinq articles de gauche. Par ailleurs, il convient de noter que les effets négatifs des nanomatériaux sur l'homme et l'environnement ont également suscité l'inquiétude des chercheurs. Cela suggère que les chercheurs ont envisagé les nanomatériaux de manière rationnelle, malgré l'évolution qu'ils ont apportée à notre société.

Application actuelle et potentielle des NN dans le traitement des eaux usées

L'adsorption, la filtration membranaire, et la détection et la détection étaient quatre axes dans 3.4-3.6 sur la base d'une analyse bibliométrique. Il était basé sur les principales fonctions des NN dans le traitement des eaux usées. Malgré une contamination croissante et émergente de l'eau provenant de sources innombrables, le mécanisme auquel nous nous sommes tournés pour éliminer les problèmes variait peu. Ainsi, nous avons passé en revue de manière critique le présent et l'avenir des NN dans les quatre catégories mentionnées ci-dessus. Le risque potentiel des NN n'a pas été développé ici pour transcender le domaine de l'application.

Adsorption

L'adsorption était un choix préféré par rapport aux autres stratégies de l'eau pour sa simplicité de fonctionnement et l'universalité des contaminants organiques et inorganiques courants [33]. Les nanostructures dépendantes de la taille ont garanti les avantages inhérents aux nanomatériaux dans une surface spécifique ou des sites actifs comparables, qui étaient des goulots d'étranglement de longue date pour les adsorbants conventionnels. Les nano-adsorbants à base de carbone, typiquement les aérogels de carbone [34], les nanotubes de carbone (CNT) [35], le graphène [36], et leurs états d'hybridation [37] étaient prometteurs pour le traitement des eaux usées, et leurs excellentes performances pour les métaux lourds et organiques l'élimination des contaminants ont démontré de manière générale. Pour l'hydrophobie de leur surface graphitique, les nano-adsorbants à base de carbone ont formé des agrégats lâches, ce qui a réduit la surface efficace et augmenté l'énergie d'adsorption. Bien que des groupes fonctionnels ou des nanoparticules d'oxyde métallique aient été introduits pour éliminer cet inconvénient, leur récupération complète de l'eau après le processus d'adsorption est restée un coût opérationnel [38]. La régénération et la réutilisation des nano-adsorbants à base de carbone pourraient être obtenues en réduisant le pH aqueux [39]. La capacité d'adsorption est relativement stable après régénération. Bien que des progrès impressionnants aient eu lieu au cours des dernières années, les étapes de production et de purification introduisent souvent des contaminants et des impuretés, et provoquent même une dégradation de la structure. Par ailleurs, la synthèse de nanoparticules de carbone avec un réseau poreux souhaité ou homogène reste un défi majeur pour toutes les recherches dans ce domaine.

Sous forme de poudre, les nano-adsorbants s'intègrent facilement dans les procédés de traitement existants dans tous les réacteurs à suspension liés au procédé de mélange. Alors qu'une technologie de séparation adaptée est nécessaire pour séparer et récupérer les nano-adsorbants. Certaines améliorations ont été apportées pour fixer les nanoparticules en pastilles/billes pour former un système nano-chargé. Le processus de séparation supplémentaire peut être omis dans les circonstances, mais des problèmes de limitations de transfert de masse et de perte de charge se poseront.

Filtration membranaire

En tant que constituant commun du système de traitement de l'eau et des eaux usées, les procédés membranaires ont été divisés en microfiltration (MF), ultrafiltration (UF) et nanofiltration (NF) en fonction de leur taille [40]. Étant donné que l'élément clé des processus membranaires était le matériau de filtration, les NN contribuaient à des processus de filtration de l'eau plus efficaces (membranes en nanofibres, membranes nanocomposites, membranes nanocomposites à couche mince (TFN)) [40]. La consommation d'énergie élevée, la réduction de la durée de vie et les défaillances de filtration dues à l'encrassement des membranes étaient des défis majeurs des procédés membranaires. Les membranes modifiées avec des nanomatériaux fonctionnels ont été considérées comme une opportunité prometteuse pour faire face à ce dilemme. En décorant avec des nanoparticules inorganiques, telles que l'alumine [41], la silique [42], la zéolite et le TiO [43], l'hydrophilie de la membrane [44] a été augmentée pour éviter l'encrassement. La membrane TFN, un nouveau concept du groupe de recherche de Hoek, a été initié en incorporant des nanoparticules de zéolite NaA dans une couche de polyamide pour former une membrane composite [45]. Et une amélioration significative du flux membranaire a été obtenue par rapport à la membrane TFC commune [45]. Cependant, une étude significative sur la façon dont les nanomatériaux améliorent les caractéristiques de la couche de polyamide de la membrane TFN était attendue dans ce domaine. Et du nano-Ag a également été ajouté sur les membranes polymères pour empêcher la formation de biofilm [46] et tuer les virus [47] à la surface de la membrane. TiO₂ Les nanomatériaux à base et les nanoparticules catalytiques métalliques/bimétalliques telles que le fer nano-valent (nZVI) étaient des catalyseurs courants pour la dégradation des contaminants, donc les incorporer dans les membranes soulagerait efficacement la rétention des résidus.

Capteur et détection

Un grand nombre de composés organiques synthétiques, tels que les HAP, les PCB et les PBDE, ont causé la pollution de l'eau à une concentration extrêmement faible. Un défi majeur pour le traitement des eaux usées était de les détecter et de les détecter rapidement et avec précision. Pour beaucoup, les nanomatériaux étaient d'excellents adsorbants; ils ont concentré la pollution pour atteindre le seuil de détection. Les NTC ont été utilisés dans des échantillons d'eau réels pour la détection de composés organiques [48]. Au-TiO₂ Le nanocomposite a montré de bons insecticides linéaires avec des traces d'organophosphates (OP) à un niveau de 1,0 ng/ml [49]. Réseau de nanotubes multifonctionnel à base de TiO₂ a été utilisé pour détecter l'herbicide 4-chlorophénol (4-CP), l'acide dichlorophénoxyacétique (2,4-D) et le méthyl-parathion (MP) [50]. Les agents pathogènes et les virus ont également été considérés comme une menace à long terme dans les eaux usées. En raison des grands rapports surface/volume dans les dispositifs de taille nanométrique, les NN dépendaient des nano-biocapteurs qui étaient rapides et opportuns pour le diagnostic de certains agents pathogènes et virus. Les points quantiques [51], les nanotubes de carbone [52], l'oxyde de graphène [53], la silice [54] et les nanoparticules métalliques [55, 56] ont constitué une base solide pour les technologies de capteurs et de détection. Les défis actuels visent à éliminer les fausses détections d'agents pathogènes et de virus dans des échantillons d'eaux usées complexes. En outre, la recherche et le développement sur les détecteurs portables et réutilisables seront également un effort créatif.

Conclusions

Une technique bibliométrique a été appliquée pour étudier le développement des NN dans le traitement des eaux usées. Le nombre de publications a connu une augmentation exponentielle au cours des deux décennies examinées. La Chine était le pays le plus productif et représentait 40,22% (962) du total des articles avec l'indice h le plus élevé (62). Cependant, les États-Unis, avec seulement un tiers du nombre de publications de la Chine, ont atteint un indice h approximatif (55). En outre, la Chine et les États-Unis ont également pris des avantages considérables par rapport aux autres pays/territoires dans la collaboration internationale. Et les relations de coopération les plus fortes ont été observées entre eux. Chinese Academy of Science had strongest collaborative ability, but it showed limited communication with overseas institutions.

Graphene, nanotube, magnetic nanoparticle, and silver nanoparticle are hotpots in recent years. And NNs is developing toward a more detailed and sophisticated classification in spatial structure. Different from traditional NNs, nanocomposites with multicomponent or multi-element emerged with optimization and precise control of processing. Researchers are trying to design nanomaterials rather than to prepare them. However, when it comes to practical application, wider commercialization of NNs is urgently needed. Nanoparticles with hazardous and toxic bring risk to environmental safety and public health. Synchronous recovery technology is urgently needed to eliminate its negative effects and realize resources recycle. Though some NNs have been widely applied in water and wastewater treatment, we are far from making the most of them commercially.

Abréviations

CP:

The number of internationally collaborative publications

FP:

The number of publications as first author’s country

NNs:

Nanomaterials and nanotechnologies

R (%):

The rank (the ratio of the number) of a certain item

R(h-index):

The rank (the value of h-index) of a certain item’s

RP :

The number of publications as corresponding author’s country

SP:

The number of single country publications

TP :

The number of total publications