浅谈MetaPro特异型重金属修复材料系列产品的设计研发

导语：国内严重污染场地集中在化工、冶炼等企业场地，其土壤污染特征在于高浓度、单一或复合污染，且不同场地甚至是同一场地面临空间异质性大等问题。北京润鸣研发MetaPro^®特异型重金属修复材料系列产品，该产品主要针对污染浓度高的单一重金属污染土壤而设计研发，针对性解决单一、高浓度重金属污染土壤问题。

固化稳定化修复技术是目前国内外重金属污染土壤修复最为成熟、使用频率最高的技术，而固化稳定化重金属修复材料是固化稳定化技术推广和应用的核心和基础。国外以美国为例，其早在1980年就已颁布了《综合环境污染响应、赔偿和责任认定法案》，建立了超级基金（Superfund）用于无法追偿的污染土壤修复治理工作。针对其在1982-2005年间进行的977项土壤修复项目进行分析，已有约250个超级基金场地的修复应用该技术进行场地修复，但适用于国外污染场地的修复材料却很难适用于国内复杂污染场地修复需求。因此，开发针对国内本土化特色的复杂高风险重金属污染且绿色、成本可控的高效稳定化本土重金属污染修复材料有着急迫的市场需求。

国内严重污染场地集中在化工、冶炼等企业场地，其土壤污染特征在于高浓度、单一或复合污染，且不同场地甚至是同一场地面临空间异质性大等问题。MetaPro^®特异型重金属修复材料主要针对污染浓度高的单一重金属污染土壤而设计研发，针对性解决单一、高浓度重金属污染土壤问题。

一、MetaPro^®产品系列

MetaPro^®特异型重金属修复材料系列产品主要针对污染浓度大的单一重金属污染而设计研发，旗下包含MetaPro^®-cat阳离子和MetaPro^®-ani络阴离子重金属修复材料二级产品系列分支。其中，MetaPro^®-cat阳离子型重金属修复材料是针对以铅、镉、镍、汞、铜、锌、锰等阳离子形式存在的重金属污染土壤，其主要成分为改性矿物材料和生物质材料，主要通过溶解-沉淀、物理化学吸附、离子交换吸附、络合作用等实现对铅、镉、镍、汞、铜、锌、锰等阳离子型重金属污染物的高效稳定化。MetaPro^®-ani络阴离子型重金属修复材料是针对以砷酸根、锑酸根、铬酸根、钼酸根等含氧酸根阴离子形式存在的重金属特异型修复材料，其由具有特殊孔道结构、表面携带能与重金属发生配体交换的基团和高密度活性吸附点位、同时具有调节金属价态的氧化/还原物质组成，可实现对含氧酸根阴离子型重金属/类重金属的高效稳定化。

需要注意的是无论是MetaPro^®-cat阳离子还是MetaPro^®-ani络阴离子特异型重金属修复材料均不是某一特定配方修复材料，在MetaPro^®-cat阳离子和MetaPro^®-ani络阴离子特异型重金属修复材料二级产品系列分支下，旗下产品区分了三级产品系列分支，分别包括MetaPro^®-Pb、MetaPro^®-Cd、MetaPro®-Ni、MetaPro^®-Hg、MetaPro^®-Cu、MetaPro^®-Zn、MetaPro^®-Mn以及MetaPro^®-As、MetaPro^®-Cr、MetaPro^®-Sb、MetaPro^®-Mo等特异型重金属修复材料，分别针对不同的单一重金属污染。具体可见产品系列导图（图1）。

图1 MetaPro^®特异型重金属修复材料系列产品导图

二、MetaPro^®产品设计路线

MetaPro^®产品设计路线参照MetaPro^®特异型重金属修复材料研发设计思路导图（图2）。由于MetaPro^®特异型重金属修复材料产品不是某一特定配方修复材料，因此针对不同项目污染土壤，其设计思路及考量因素主要包括以下：

图2 MetaPro^®特异型重金属修复材料研发设计思路导图

（1）污染土壤特性分析

针对土壤重金属污染源及其土壤基本理化性质参数进行分析，污染源通常考虑场地历史变迁原生产工艺全流程可能涉及的污染及其成因，对污染进行一定的溯源分析，分析污染物存在形态、迁移特性等，以针对性解决问题。土壤理化性质主要考虑土壤类型、土壤基本矿物组成、粒径分布、pH、阳离子交换容量、土壤酸碱缓冲容量、氧化还原电位、污染物赋存形态等，目的是为了获得对应土壤污染特征、土壤修复材料施加后影响实施修复效果可能存在的干扰组分以及可供参考的评价指标参数。因此，针对每一类型的污染土壤，建立上述信息对于实施精准的修复材料设计研发具有重要参考意义。

（2）基础修复材料的筛选确定

针对获取的污染土壤特征参数及污染信息，初步设计基于不同基础修复材料的组合，其主要环节在于基础修复材料的选择。通常，基础原材料的选择需要兼顾目标污染物特性首先从材料库大类上进行区分，如针对Cr污染土壤选择还原性基础材料组分，针对As污染土壤选择氧化性基础材料组分等；此外，基础材料的选择同时需要兼顾其他反应机理材料，如吸附类基础材料、离子交换类基础材料、生物刺激性基础材料、固化基础材料等均需逐一考虑，通过主体修复思路选择材料大类。在大类材料，如钙基、铁基、镁基等材料，优先确定的基础上，进一步从材料的溶解性、靶向性、有效性、环境友好性、可获得性、缓释性等角度深入思考，选择基于大类材料上的确定性材料组分。而实际设计经验告诉我们，针对某一确定性组分还需充分考虑材料来源、可获得性、不同产品的杂质成分以及品位差异等重要因素，以确定基础材料来源及其生产厂家等重要筛选信息。

（3）特殊材料的改性、分析及表征

当面临的污染土壤较为复杂，修复难度较高，所选择的基础材料组合无法满足修复目标要求时，需要选择对应的特殊组分材料加入，以满足材料高效修复效果。特殊组分材料通常为基础材料改性或是高效高纯原材料的加入或是合成的高效功能基修复材料，具体依据实际情况而进行选择。特殊组分材料通常会以少量加入为主，其主要考虑经济性。

（4）材料组合配方优化设计

MetaPro^®特异型重金属修复材料经过基础材料的组合或特殊材料组分的加入，需要考虑各个材料组分间相互作用关系，凭借材料的基础理化性质、应用经验及数据积累，搭配不同的酸碱缓冲材料、辅助功能材料、营养组分材料等，实现1+1≥2的组分协同修复效果，验证材料在场地中扩大化应用效果。

（5）材料产品安全适用性及长效性评估

从原材料本身化学成分的安全适用性进行实验设计，场地修复材料需要考虑所加修复材料后续对建筑物的腐蚀作用、生物毒性及二次污染的产生，可通过简易模拟实验、发芽率实验等实验开展，同时借助模型模拟等对产品进行适用性评估；进一步需从材料修复效果的长期性角度来评价长效性，可通过实验室柱实验模拟极端条件下的重金属浸出、淋溶，或冻融、碳化、干湿交替等加速老化的实验、从以往项目经验累积的实验室数据来评价一个产品的长效性，出具长效性评估报告。

三、MetaPro^®产品技术关键

MetaPro^®特异型重金属修复材料产品的技术关键在于其从整个设计思路及考量因素方面，进行充分的验证考量，并结合以往数据经验提供解决方案。该系列产品技术关键在于原材料选择和材料组合设计方面。

原材料选择：MetaPro^®特异型重金属修复材料分为MetaPro^®-cat阳离子型和MetaPro^®-ani络阴离子型两大类，分别以黏土矿物、生物质材料、铁基材料、锰基材料为主要成分，充分考虑材料来源、可获得性、不同产品的杂质成分以及品位差异等重要因素，所用原材料环境友好、可获得性强、杂质含量及品位满足要求、对应重金属污染处理能力强。

材料组合设计：MetaPro^®特异型重金属修复材料经过不同功能材料组合设计，使各组分间相互协同，实现1+1≥2的组分协同修复效果。其主要依托材料本身独特的形貌结构特征和化学组成，通过物理化学反应过程，改变重金属在土壤中的赋存状态，使得土壤中重金属从可迁移态向稳定态转化，从而达到风险控制的目的。针对特殊场地重金属高浓度污染情况和土壤特征形成特定配方，可在3~7天内实现对重金属的高效稳定。