2013年美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)簡介

熊犍，梁彩蕓，李一旸，葉君

（華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640）

行業(yè)動(dòng)態(tài)

2013年美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)簡介

熊犍，梁彩蕓，李一旸，葉君

（華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640）

2013年12月11日（美國東部時(shí)間）美國環(huán)保局（EPA）在其官方博客上公布了2013年美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)名單。從1996年始的17年間， EPA收到了1490項(xiàng)提名，其中有88項(xiàng)獲獎(jiǎng)。針對(duì)世界面臨的環(huán)境問題，總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)致力于降低對(duì)環(huán)境的損害。到2012年，僅僅88項(xiàng)獲獎(jiǎng)技術(shù)就取得了巨大的成效，包括：①每年消除8.25億磅的有毒化學(xué)品和溶劑，足以填滿3800節(jié)鐵路罐車，排列長度可達(dá)47英里；②每年節(jié)省79億加侖的水，足夠用于82萬人一年的用水；③每年消除相當(dāng)于排入空氣中的79億磅CO2，相當(dāng)于減少了81萬輛行駛的機(jī)動(dòng)車。如果加之來自于提名技術(shù)產(chǎn)生的效益，美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)項(xiàng)目取得的成效更大。

本文將介紹今年5個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)的得主及其成果。

1 學(xué)術(shù)獎(jiǎng)（Academic Award）

特拉華州大學(xué)（University of Delaware）的Richard P. Wool教授因從事可持續(xù)大分子聚合物與復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)而榮獲該獎(jiǎng)項(xiàng)。

在典型的復(fù)合材料，如玻璃纖維增強(qiáng)苯乙烯-聚酯共聚體、聚氨酯或者環(huán)氧樹脂制備先進(jìn)的復(fù)合材料時(shí)，經(jīng)過加工成型的樹脂是不活潑的，但加工、生產(chǎn)過程中可能具有相當(dāng)?shù)亩拘院惋L(fēng)險(xiǎn)；并且其制造的基本化學(xué)品的來源是不可再生的石油、天然氣和煤炭。

Wool教授使用生物基材料，如甘油三酯、脂肪酸、纖維素、木質(zhì)素、亞麻及膠原蛋白，作為生產(chǎn)高性能材料的原料。在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)較石油化工材料具有更少的廢物、消耗更少的水和能量。

Wool教授發(fā)展了TFT理論（Twinkling Fractal Theory, TFT），用該軟件評(píng)估材料的機(jī)械性能和熱性，設(shè)計(jì)材料的功能特性。然后通過U.S. EPA’s EPI 的SuiteTm軟件，評(píng)估材料的潛在毒性，使用這種方法，Wool教授成功選擇了3種毒性小的木質(zhì)素基材料代替苯乙烯。他還與本校的Epps教授合作使用豆油作為原料制造敏感黏合劑和彈性體、復(fù)合材料樹脂、熱塑性聚氨酯（TPU）材料替代品和無異氰酸鹽的泡沫塑料，除了降低毒性，還具有高的生物相容性。Wool教授另與本校的Cao教授合作發(fā)明可呼吸的生物基“電路皮革”。

自從1992年，Wool教授已經(jīng)獲得5項(xiàng)專利，其中有3項(xiàng)專利實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。在2012年，美國南方化學(xué)（Dixie Chemical）使用Wool教授的豆類復(fù)合材料生產(chǎn)船只、拖拉機(jī)儀表板和風(fēng)力渦輪機(jī)零件；克雷生物樹脂股份有限公司（Crev Bioresins Inc. ）采用Wool教授的生物基礎(chǔ)泡沫替代品來替代聚氨酯，現(xiàn)在已經(jīng)是包裝業(yè)和汽車供應(yīng)商的部分替代品；Wool教授也與Nike公司和Puma公司合作，用他的“電路皮革”產(chǎn)品部分替代公司的原來產(chǎn)品。

2 小企業(yè)獎(jiǎng)（Small Business Award）

法拉第公司（Faraday Technology，Inc.）開發(fā)低毒性的三價(jià)鉻生產(chǎn)高性能鉻涂層加工技術(shù)，在不降低使用性能的同時(shí)，減少百萬磅六價(jià)鉻，而獲得本年度小企業(yè)獎(jiǎng)。

高性能鉻合金電鍍層有許多方面應(yīng)用，許多替代品都有局限性而無法獲得廣泛使用。如航天飛機(jī)組件等領(lǐng)域，仍然需要使用致癌物質(zhì)的六價(jià)鉻達(dá)到所需性能。

高性能、多功能性六價(jià)鉻[Cr(Ⅵ)]電鍍液被廣泛用于軍用和民用市場(chǎng)的工業(yè)制造中。這些涂層具有抗粗糙性和光滑涂層，尤其是輸氣管道系統(tǒng)。然而，Cr(Ⅵ)是鉻系列中最具毒性的。減少或者不采用Cr(Ⅵ)已經(jīng)是多年來政府和工廠需要迫切解決的問題。目前，無鉻電鍍技術(shù)尚不能滿足整個(gè)工業(yè)用和軍用所需。

FARADAYIC?三價(jià)鉻電鍍技術(shù)采用具有毒性低、非致癌的三價(jià)鉻（Cr(Ⅲ)），來替代Cr(Ⅵ)的電鍍液。這個(gè)方法保持了Cr(Ⅵ)工藝設(shè)備及產(chǎn)品性能，但極大降低電鍍工段的毒性。過去，Cr(Ⅲ)僅形成薄層，用于裝飾涂層，如使用在車保險(xiǎn)杠上。這類涂層強(qiáng)度、硬度和耐磨性都不好。

傳統(tǒng)的Cr(Ⅵ)電沉積過程使用一個(gè)恒定的直流電。法拉第公司設(shè)計(jì)了一個(gè)新的電沉積過程：使用交替陰極-陽極脈沖，并且一個(gè)周期之后有松弛過程。這樣過程不僅得到Cr(Ⅲ)) 的厚涂層，同時(shí)還可以調(diào)整電鍍層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。比起Cr(Ⅵ)電鍍液涂層，這個(gè)新的過程使產(chǎn)品可以提高耐磨損和抗疲勞性；新制備Cr(Ⅲ)涂層過程更高效；且不會(huì)產(chǎn)生Cr(Ⅵ)副產(chǎn)品；還可以用于涂層管的內(nèi)外表面。這是其他非鉻替代品無法做到的。

EPA曾以小企業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目資助FARADAYIC?三價(jià)鉻技術(shù)；國家制造科學(xué)中心（National Center for Manufacturing Sciences）、波音公司（Boeing Co.）、梅西爾-布加迪-道蒂（Messier- Bugatti-Dowty）、聯(lián)合技術(shù)研究中心（United Technologies Research Center）和其他商業(yè)客戶也合作開發(fā)該技術(shù)。

使用法拉第公司商業(yè)用FARADAYIC?三價(jià)鉻技術(shù)，美國可以每年消除1300萬磅的致癌鉻廢物，預(yù)計(jì)全球可以每年消除的致癌鉻廢物達(dá)3億磅。

3 更綠色的合成路線獎(jiǎng)（Greener Synthetic Pathways Award）

美國生命技術(shù)公司（Life Technologies Corporation）因更安全、可持續(xù)地生產(chǎn)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）試劑所需的化學(xué)品4,4'-二吡啶基二硫醚（Aldrithiol），獲得更綠色的合成路線獎(jiǎng)。

PCR是基因材料的放大過程，用于基礎(chǔ)研究、基因工程、法醫(yī)學(xué)、傳染病確診、食品安全和最新的藥品研究中。生產(chǎn)PCR測(cè)試所需的關(guān)鍵化學(xué)品是相當(dāng)浪費(fèi)的，經(jīng)常產(chǎn)生上萬倍產(chǎn)品的廢物。三磷酸脫氧核苷酸（dNTPs）是通過PCR產(chǎn)生的DNA的一些個(gè)體建造單元。傳統(tǒng)合成dNTPs效率低，中間體需要多次分離、純化，使用大量有毒有害的危險(xiǎn)品，如氯化鋅、三苯基磷、阿爾德林、二甲基甲酸胺和二氯甲烷。

美國生命技術(shù)公司設(shè)計(jì)的dNTPs合成路線，僅有三步，并實(shí)現(xiàn)在一個(gè)反應(yīng)器中高效合成。該法將有毒有害物質(zhì)降到最低，每年減少約150萬磅的有毒有害廢棄物。

2011年，該公司在德克薩斯的奧斯汀制造建廠合成dNTPs及衍生物。與傳統(tǒng)方法相比，該方法的有機(jī)溶液消耗量減少約95%，其他有毒有害廢棄物減少約65%；提高了產(chǎn)率和反應(yīng)專一性；過程E因子（廢物量與產(chǎn)品量比率）從約3200減少到400，幾乎達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)。

4 更綠色反應(yīng)條件獎(jiǎng)（Greener

Reaction Conditions Award）

本年度的更綠色反應(yīng)條件獎(jiǎng)授予陶氏化學(xué)公司（Dow Chemical Company），表彰其技術(shù)用于改善TiO2分散度及減少TiO2的添加量。

TiO2因具有高折射率與光散射能力而作為白色涂料基本添加劑，通常它是涂料里最最貴和最耗能的成分；同時(shí)，也是已有染料配方里對(duì)生態(tài)影響最大的成分。因其聚集而添加量增加，涂料的成本以及排放也隨之增加。陶氏研發(fā)的一種聚合物能有效提高TiO2分散均勻度，從而減少所需TiO2的添加量。

陶氏研發(fā)的EVOQUE?的預(yù)聚物，包覆在TiO2顆粒表面以提高其在涂料中的分散能力。通過提高顏料與涂料中其他成分的相互作用，該預(yù)聚物負(fù)載更少顏料卻達(dá)到更好的掩色效果，待涂料干后能得到更均勻、更耐用、更光滑涂料層 。

EVOQUE?與配方大多數(shù)染料成分兼容；如與零揮發(fā)性有機(jī)化合物（zero-VOC）的水溶性涂料，并可減少20%的TiO2用量，降低涂料的流變性。

作為第三方評(píng)估機(jī)構(gòu)（Life Cycle Assessment，LCA）的評(píng)估結(jié)果顯示使用EVOQUE?作為外墻涂料中使用，TiO2用量減少導(dǎo)致涂料碳排放量降低超過22%；水消耗量降低30%；NOx和SOx排放量降低24%；對(duì)水體富營養(yǎng)化（藻花）的潛在影響降低27%；降低了30%潛在的COD量以及35%非甲醇揮發(fā)物質(zhì)。更重要的是涂料的性能得以改善，同時(shí)能有效提高水體和空氣的質(zhì)量。

5 設(shè)計(jì)更綠色化學(xué)品獎(jiǎng)（Designing Greener Chemical Award）

美國嘉吉公司（Cargill Inc.）研制的植物油基絕緣絕熱變壓器用油，不易燃、性能優(yōu)質(zhì)、毒性低、且碳排量更低，而獲得本年度設(shè)計(jì)更綠色化學(xué)品獎(jiǎng)。

高伏特電變壓器需要絕緣油防止短路和冷卻。20世紀(jì)70年代多氯聯(lián)苯（PCBs）被禁止，礦物油成為替代品。雖然礦物油比PCBs的危險(xiǎn)性低，但它易燃并對(duì)水生物種有毒，且礦物質(zhì)油是疏水性的，因此，系統(tǒng)中的任何水分都由變壓器內(nèi)部的固體絕緣材料纖維素吸收。在變壓器的工作溫度下，吸水后的纖維素降解，從而縮短變壓器使用壽命。

嘉吉公司基于可再生植物油的FB3Tm絕緣油用于回流變壓器?？梢允棺儔浩鞯某叽绺?。這是因?yàn)镕B3Tm不易燃，更大程度上降低火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，到目前使用FB3Tm還沒有出現(xiàn)爆炸或者火災(zāi)的現(xiàn)象；并且纖維素絕緣材料的使用壽命增加了5～8倍，這就意味著增加了變壓器的使用壽命。

按照BEES?4.0使用周期評(píng)估，F(xiàn)B3Tm與礦物質(zhì)油相比，使用FB3Tm變壓器的總體碳排放量是其1/55；FB3Tm毒性低，具有生物降解能力。

FB3Tm已經(jīng)獲得EPA的環(huán)境技術(shù)認(rèn)證；在BEES生命周期評(píng)估中環(huán)境影響表現(xiàn)分?jǐn)?shù)最低；USDA生物基產(chǎn)品認(rèn)證；并且經(jīng)過保險(xiǎn)公司實(shí)驗(yàn)室（UL）和工廠共同調(diào)查局證明它是一個(gè)更不易燃液體。

熊犍，博士，教授。聯(lián)系人：葉君，博士，教授，主要從事天然高分子及綠色化學(xué)研究。E-mail lcjxiong@scut.edu.cn。