科学观察, 2016, 11(2): 24-32
Cite this article:
Li Lei , Zhu Lin* . International Development Trend Analysis for Patented Technology of the Soil Heavy Metal Pollution and Remediation . 科学观察 [J], 2016, 11(2): 24-32 doi:10.15978/J.CNKI.1673-5668.201602003
摘要:
土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、隐蔽、不可逆转等特点,并可通过农作物进入人类食物链,严重影响食品安全并危及人类健康。美国、欧盟、日本和中国等多个国家在土壤重金属污染修复技术研发方面进行了积极部署与研究。该文利用Orbit、Excel等工具,以德温特创新索引Derwent Innovation Index数据库为数据源,对全球土壤重金属污染与修复技术相关专利申请情况进行了统计分析,揭示该领域专利技术的整体发展态势。具体分析专利的年代分布、专利权人、法律状态以及技术领域与技术发展态势等,明确国际上该技术领域的重要专利申请国家和申请机构以及技术分布特征。
关键词:
土壤
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重金属污染
;
修复技术
;
专利
;
态势分析
Key words:
soil
;
heavy metal pollution
;
remediation technology
;
technical analysis
;
trend analysis
1 引言
重金属通常是指密度大于5.0g/cm3的金属或类金属物质。自然条件下,母质风化成土的过程中,重金属处于微量状态。然而,由于人类的扰动加速了原本缓慢的地化循环,使得重金属在土壤中的累积量明显高于土壤环境背景值或土壤环境质量标准,并对人类健康、植物、动物以及生态系统造成危害[1]。重金属元素在土壤中组成的变化、毒性和暴露水平是土壤污染的良好指示剂,其浓度、空间分布及来源鉴别的研究对确定污染区域、评估潜在的污染源非常重要[2]。导致土壤污染的重金属主要包括：铅(Pb)、铬(Cr)、砷(As)、锌(Zn)、镉(Cd)、铜(Cu)、汞(Hg)和镍(Ni),有单一重金属形成的污染,也有几种重金属形成的复合污染。
目前国内外关于土壤重金属的污染治理技术主要涉及生物修复、物理修复、化学修复以及各种技术的联合修复等方法。美国在污染场地修复技术应用领域居于世界领先地位。美国“超级基金”项目采用的土壤修复技术应用较多的为原位土壤气体抽提(SVE)技术、异位固化/稳定化技术、异位焚烧处理技术[3,4]。欧盟最常见土壤修复技术是污染土壤的挖掘和填埋。随着填埋操作的监管以及相关费用的增加,异位修复技术的改进以及与原位修复技术的结合运用改变了原来的污染修复[5]。日本资助的与土壤污染修复相关的研究项目主要分布在土壤重金属污染的测定方法、土壤修复技术(化学修复、生物修复)、土壤修复机理和土壤污染的环境评估方面。韩国为了应对日益严重的重金属污染,加大了土壤淋洗和电动修复技术的研发[6]。中国台湾地区近年来多采用原位组合、复合修复技术[7]。我国对于土壤重金属污染问题的研究起步较晚,比国际上晚了将近20年,但进展较快。国内外学者对土壤重金属污染的研究集中在污染来源、存在状态、治理方法等方面,尤其是治理方法、土壤重金属污染修复等技术[8]。
综合全球主要国家和地区的修复技术可以发现,通过物理和化学手段治理非常困难,也容易造成二次污染。生物修复被认为是未来治理土壤重金属污染的一个重要手段。本研究旨在从宏观层面对国内外相关研究专利进行解读和分析,总结国外该领域的技术研究现状和未来发展趋势,以期为相关人员开展下一步研究工作提供参考借鉴。
2 数据获取与研究方法
本次分析以德温特创新索引DII (Derwent Innovation Index)数据库为数据源,结合技术分解,利用“关键词”、“关键词+IPC分类码”、“关键词+专利权人”等方式构建了以“土壤重金属污染”为主题的检索策略,将检索结果进一步进行研究领域筛选,并结合专家人工判读确定了分析数据的范围。数据检索日期为2014年8月11日,共计检出相关专利1 613条,分析工具借助Orbit以及Excel等。鉴于专利优先权在专利族中的重要作用,本文3.4.2和3.4.3中专利权人平均专利年龄分析和专利合作关系分析,按照优先权年和优先权国家进行统计分析。
3 全球专利态势分析
3.1 专利数量年度变化趋势
从土壤重金属污染与治理技术发展的年代变化趋势(图1)中可以发现,1985–2001年该领域检索到的相关专利数量较少,低于10项;2002–2006年专利数量出现一个增长小高峰,专利数量增加到20项左右;2007–2014年专利数量呈现高速增长态势,从2007年的59项增长到2013年的189项,2014年的专利数量截至2014年9月初已经达到153项。
3.2 专利技术构成及趋势
3.2.1 主要技术特点及发展趋势
如图2所示,土壤重金属污染与防治领域专利技术研究热点变化比较显著。2006年之前该领域的研究较为分散,研究热点不明显。2007–2008年研究热点开始出现,主要集中在B01D-003/14 (分馏方法),B01D-003/22 (蒸馏方法),C07C-068/06 (有机碳酸酯),C07C-068/08 (纯化、分离、稳定化),C07C-069/96 (碳酸酯或卤甲酸酯)等技术。
此外,还有几项技术从2002年起就成为研究的重点领域,2010–2014年呈现出逐年变热的趋势,分别是：(1)B09C-001/08(化学方法);(2)B09C-001/00(污染的土壤复原);(3)B09B-003/00(固体废物的破坏或将固体废物转变为有用或无害的东西);(4)B09C-001/02(利用液态萃取,如：洗涤、浸出等)。
3.2.2 主要技术分布情况
对检索到的专利进行学科分布统计分析,结果如表1所示。接近80%的专利分布在化学领域;分布在装置与器械领域的专利数量排第2位,占所有专利数量的68.8%;分布在工程领域的专利数量居第3位,占所有专利数量的约45%;接下来依次是水资源(28.5%)、农业(25.6%)、高分子材料(20.4%)、生物技术及应用微生物学(16.7%)、冶金及冶金工程(8.3%)、药物和制药学(8%)、能源和石油领域(7.38%)。
表1
专利技术学科分布
3.3 主要专利申请国家/地区分布
从专利研发地区分布数据(表2)可以看出,土壤重金属污染与防治技术相关专利的分布较为集中,中国在该领域申请的数量最多(1 025篇),遥遥领先于其他国家。日本(55篇)和美国(39篇)处于第2梯队。德国(7篇)、法国、澳大利亚(5篇)、新西兰(3篇)处于第3梯队。
表2
专利研发国家/地区分布
3.4 主要专利申请国家/地区的专利权人分析
3.4.1 专利权人研发趋势分析
如表3所示,日本旭化成化学以及日本旭化学工业株式会社在该领域的专利申请主要集中在2004–2006年,特别是2004年数量最多,而从2007年至今则没有相关专利的申请。国内的研究机构在该领域的研究工作则保持着持续性,特别是南京大学、浙江大学、清华大学、南京农业大学、四川大学、中科院南京土壤研究所等研究机构对土壤重金属污染与防治领域一直有专利申请,其中浙江大学在2000年就有相关专利申请,2006–2013年期间是中国研究机构申请专利最多的时间段。中石化、四川农业大学、浙江大学、华南理工大学等研究机构2011年至今对该领域的关注度高于其他研究机构。
表3
主要专利权人专利申请数量变化趋势
3.4.2 主要专利权人的平均专利年龄分析
同族专利数量反映了该专利权人专利申请地域的广度,也反映了此发明的潜在价值。主要专利权人平均专利年龄指某一专利权人所拥有的各专利年龄(自授权日算起)的总和除以专利件数。平均专利年龄越小,说明该专利权人的授权专利主要是在近期获得的,平均专利年龄大则表示该专利权人获得授权专利的时间比较长。本文利用Orbit数据库自带分析工具对土壤重金属污染与防治领域专利的专利家族数量及专利平均年龄进行了分析,结果如图3所示。
通过分析发现,专利家族数为8~16的专利权人比较多,专利家族数大于20的专利权人有5家,分别是：日本旭化成化学、日本旭化学工业株式会社、南京大学、四川农业大学、浙江大学。其中,专利家族数大于30的仅日本旭化成化学一家企业。专利平均年龄分布在1~6年范围内,其中日本旭化成化学、日本旭化学工业株式会社以及俄罗斯旭化成化学株式会社平均专利年龄是6年,中山大学是5年,浙江大学、四川大学和同济大学是4年。中国石化平均专利年龄最短(1年),四川农业大学和清华大学平均专利年龄为2年。综上两个指标可以发现,日本旭化成化学、日本旭化学工业株式会社在该领域研究处于领先地位,专利的潜在价值最高。国内的研究机构中南京大学、四川农业大学、浙江大学处于国内领先地位。
3.4.3 主要专利权人的合作分析
为了揭示上述研发机构之间的网络合作关系,本文利用Orbit数据库自带分析工具对专利权人进行合作关系图谱进行分析。结果如图4所示,日本旭化成化学、日本旭化学工业株式会社以及俄罗斯旭化成化学株式会社3家企业之间合作关系密切。美国Verenium公司与美国能源部以及BP北美公司有较多合作,美国NALCO(纳尔科)与花旗银行和美洲银行有合作关系。国内研究机构中中石化与中石化北京化工研究院以及合肥工业大学合作关系密切。另外,宝钢与同济大学存在合作关系,轻工业环境保护研究所与海口市土地整理储备中心存在合作关系。四川农业大学与农业部环境保护科研监测所,华南农业大学与南京师范大学在土壤重金属污染与防治领域研究的相关性较高。
3.5 专利法律状态分析
按照专利权人对检索到的全部专利的法律状态进行分析,结果如图5所示。通过比较分析发现,专利申请数量最多的前5家专利权人分别是旭化成化学(Asahi KASEI chemicals)、旭化学工业株式会社(Asahi Chemical Industry)、四川农业大学、南京大学和浙江大学。其中,旭化成化学34项专利和旭化学工业株式会社的26项专利全部为有效专利。四川农业大学24项专利中6项为无效专利,南京大学24项专利中9项为无效专利,浙江大学22项专利中6项为无效专利。拥有专利数量大于10项的国内专利权人中仅中石化的11项专利全部为有效专利,其他专利权人均有一定数量的失效专利。综上分析可以发现,虽然国内专利权人拥有的专利数量不少,但相当一部分专利处于失效状态,尤其是高校和科研院所专利失效比例较大。国外专利权人则非常注重对申请专利的保护,失效专利很少,这一现象也从侧面反映出国内专利虽然数量比较大,但专利市场价值以及实用性低于国外专利。
4 结论
随着土壤修复研究的深入,单一的修复技术已经很难解决所有的土壤污染情况。现实土壤中污染物种类繁多,复合污染普遍,污染程度与厚度差异大,同时地球表层的土壤类型多,其组成、性质、条件的区域差异明显,而且修复后土壤再利用式的空间规划要求不同。因此,开发联合修复模式就成为未来土壤污染修复的主要研究方向。研究发现,2006年之前全球范围内土壤重金属污染与治理领域的研究比较分散,研究热点集中度不显著。2007–2008年重金属分馏(蒸馏)方法,碳酸酯、卤甲酸酯、有机碳酸酯提取技术,重金属纯化、分离、稳定化等技术点是该领域研究热点。特别值得关注的是重金属化学修复方法、污染土壤复原、固体废物的无害化处理以及液态萃取技术从2010年起呈现逐年变热的态势。
国内外土壤重金属污染与修改领域专利技术的申请在2002–2006年出现一个增长小高峰,2007–2014年专利数量呈现爆发式增长。统计数据发现专利技术主要集中在化学领域、装置与器械以及工程领域。日本在该领域的专利技术研究处于领先地位,日本旭化成化学、旭化学工业株式会社两家企业无论专利家族数还是专利平均年龄都高于其他研究机构,专利的潜在价值最高。国内的研究机构中南京大学、四川农业大学、浙江大学专利家族数量领先于国内其他研究机构。中山大学平均专利年龄在国内研究机构中最高,在该领域的活动时间最长。国内专利权人呈现出高校与研发型企业进行技术合作的良好态势,例如,同济大学与宝山钢铁,合肥工业大学与中国石化进行了专利技术合作等。
虽然国内部分专利权人拥有的专利数量不少,但相当一部分专利处于失效状态,尤其是高校和科研院所专利失效比例比较大。国外专利权人则非常注重对申请专利的保护工作,失效专利很少,这一现象也从侧面反映出国内专利的市场价值以及实用性低于国外专利。未来专利申请应在增强专利技术的实用性方面下工夫,加强在专利技术的市场化应用方面的研究与推广。同时应格外重视专利技术法律状态、专利侵权以及知识产权的保护工作。
The authors have declared that no competing interests exist.
References
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DOI:10.1016/j.atmosenv.2011.11.041
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An investigation on spatial distribution, possible pollution sources, and affecting factors of heavy metals in the urban soils of Weinan (China) was conducted using geographic information system (GIS) technique and multivariate statistics. The results indicated that the levels of 10 heavy metals (Pb, Cr, Ba, Zn, V, Mn, Co, Cu, Ni and As) distribution measured by wavelength dispersive X-ray fluorescence spectrometry (WDXRF) in urban soil of Weinan were As varied from 2.60 to 11.50 mg kg , Co was 8.00-14.50 mg kg , Cr from 74.90 to 157.00 mg kg , Cu from 14.60 to 34.70 mg kg , Ba from 413.00 to 1137.60 mg kg , Mn from 431.30 to 653.70 mg kg , Ni from 20.80 to 35.8 mg kg , Pb from 19.00 to 89.50 mg kg , V from 63.80 to 89.50 mg kg , Zn from 44.50 to 196.80 mg kg , respectively. The mean enrichment factors (EFs) decreased in the order of Pb > Cr > Ba > Cu > Zn > Ni > V > Mn > Co > As, indicating Ba, Cu, Pb, Cr and Zn were significant enriched in the study areas. Spatial distribution maps of heavy metal contents, based on geostatistical analysis and GIS mapping, indicated that Pb and Cr had similar patterns of spatial distribution, likewise, between Ba, Cu and Zn, and among As, Co, Mn, V as well. Multivariate statistical analysis (correlation analysis, principal component analysis, and clustering analysis) showed distinctly different associations among the studied metals, suggesting that the heavy metals, Ba, Cu, Pb, Cr and Zn were associated with anthropic activities (industrial sources, combined with coal combustion as well as traffic factor), whereas Mn, V, Co, As and Ni in study area mainly controlled by parent materials and therefore had natural sources. A comprehensive environmental management strategy should be concerned by the local government to address soil pollution in urban areas.
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DOI:10.3969/j.issn.1673-1212.2011.11.005
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目前中国土壤污染问题日趋严重。尽管中国现行的法律体系存在一些有关土壤污染防治的规定，但 仍存在一定的局限性，中国目前还没有专门的《土污染防治法》，从而不能为中国土壤污染的防治工作提供有力地法律支撑和法律保障。本文在分析美国、日本有关 土壤污染防治立法的基础上，就中国土壤污染防治立法提出了几点建议。
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DOI:10.3969/j.issn.1673-4831.2008.01.019
Magsci
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在东亚地区,日本、韩国的土壤污染防治立法最为活跃,先后制定了专门的土壤污染防治法及其配套法规。本文从立法背景、立法模式、主要内容及制度设置、土壤污染防治的管理体制等方面,对日本、韩国的土壤污染防治立法进行了比较分析。这些立法实践及其施行经验,对我国正在进行的土壤污染防治立法有实际借鉴意义。
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DOI:10.3969/j.issn.1003-6504.2010.07.022
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文章基于三大学科--环境科学、土壤科学、环境工程,采用内容分析法对Web of Science引文数据库和中国知网(CNKI)期刊数据库检索出的土壤重金属污染相关文献进行了研究,从土壤重金属污染来源、危害、治理方法及生物修复技术等方面,重点分析了目前国内外学者在土壤重金属污染治理和修复技术问题的研究前沿和重点:生物修复技术是土壤污染治理的环境友好技术,微生物修复和植物修复技术结合使用,并加以化学与工程、农艺等其他措施来强化能较好地提高重金属污染修复的效率.并从重金属富集植物、组合修复技术及基因工程技术三方面对未来的研究热点进行了展望.
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