2016年美國(guó)總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介

陳秋銘，葉君，熊犍

（1華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510640）

行業(yè)動(dòng)態(tài)

2016年美國(guó)總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介

陳秋銘1，葉君1，熊犍2

（1華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510640）

2016年6月13日（美國(guó)東部時(shí)間），美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）在其官方網(wǎng)站公布了2016年美國(guó)總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目名單，2016年EPA將更綠色化學(xué)品設(shè)計(jì)獎(jiǎng)和特定環(huán)境效益：氣候變化獎(jiǎng)，合并為一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。本文介紹今年5個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)的得主及其成果。

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

2016年的學(xué)術(shù)獎(jiǎng)授予普林斯頓大學(xué)的 Paul J.CHIRIK教授，CHIRIK教授發(fā)現(xiàn)在空氣中穩(wěn)定性高、易合成、活性高以及選擇性高的鐵鈷催化劑，以代替昂貴的鉑催化劑用于有機(jī)硅生產(chǎn)。

從先進(jìn)材料到新藥物合成，都離不開金屬催化反應(yīng)。數(shù)十年以來(lái)都是采用貴金屬催化劑，例如鈀、鉑、銠及銥，除了價(jià)格昂貴、毒性大之外，提取這些貴金屬也會(huì)為環(huán)境帶來(lái)負(fù)擔(dān)。獲得一盎司的貴金屬，需要采掘十噸的礦石，產(chǎn)生的CO2相當(dāng)于得到同樣質(zhì)量鐵的6000倍。

有機(jī)硅可用于有機(jī)硅橡膠、輪胎、洗發(fā)水、日用纖維、紙張涂料以及其他消費(fèi)品。目前，在有機(jī)硅的工業(yè)生產(chǎn)中，使用的是鉑催化劑。但鉑催化劑不能回收，且會(huì)帶來(lái)安全及環(huán)境壓力。CHIRIK教授與Momentive高性能材料公司合作，發(fā)現(xiàn)了一種新型的、比鉑催化劑性能更好的、基于“金屬配體協(xié)同”的硅氫加成鐵鈷催化劑，無(wú)副產(chǎn)物，無(wú)產(chǎn)物蒸餾步驟，可廣泛用于硅氫化來(lái)制造商用有機(jī)硅材料生產(chǎn)，并將引起商用有機(jī)硅產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)變。

這種新型催化劑可以減少貴金屬礦石的開采，由此，除了可以減少成本之外，每年還可以減少850億英熱（BTU）的能量消耗、8500萬(wàn)噸的廢棄物以及2.17萬(wàn)噸的碳生成。

2　更綠色化學(xué)品設(shè)計(jì)和特定環(huán)境效益：氣候變化獎(jiǎng)（Designing Greener Chemicals and Specific Environmental Benefit：Climate Change Award）

Newlight Technologies公司因用生物催化劑將空氣中的甲烷，在室溫、環(huán)保的條件下制成高性能熱塑性AirCarbonTM材料，而獲得2016更綠色化學(xué)制品設(shè)計(jì)和特定環(huán)境效益：氣候變化獎(jiǎng)。

甲烷可在自然界中，如濕地中產(chǎn)生，在美國(guó)，它也是由人類活動(dòng)產(chǎn)生的第二大溫室氣體，可由如天然氣系統(tǒng)的泄露以及家畜產(chǎn)生。甲烷在大氣中的存在時(shí)間比CO2要短得多，但是在一百多年來(lái)，甲烷對(duì)氣候變化的影響比CO2要強(qiáng)25倍。

聚羥基脂肪酸酯聚合酶是在生物催化劑中用于合成主要聚合物的酶，Newlight公司開發(fā)的一種已商業(yè)化的方法，即在生物催化聚合物合成過(guò)程中控制該酶的負(fù)反應(yīng)，使生物催化劑可以一直不會(huì)因“自我關(guān)閉”而失活，聚合規(guī)模大大超過(guò)了之前技術(shù)的最大限制（1∶1），達(dá)到每1千克生物催化劑就生成9千克的聚合物（1∶9），優(yōu)于石化技術(shù)（1∶3）。除性能上優(yōu)于石油基塑料外，Newlight公司的AirCarbon?材料生產(chǎn)技術(shù)還可以減少1/3的操作單元和 1/5的經(jīng)濟(jì)消耗。相對(duì)于石油基塑料，AirCarbon?材料在價(jià)格和性能上都具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

自2013年始的兩年內(nèi)，AirCarbonTM材料已應(yīng)用于Dell、Hewlett-Packard、Ikea、KI、Sprint、The Body Shop以及Virgin等公司。作為石油塑料替代品，其凈排碳量為負(fù)值且性價(jià)比高。

3　更綠色反應(yīng)條件獎(jiǎng)（Greener Reaction Conditions Award）

Dow Agrosciences LLC因高效利用氮肥的Instinct?技術(shù)榮獲2016年更綠色反應(yīng)條件獎(jiǎng)。

營(yíng)養(yǎng)物污染是美國(guó)最廣泛以及昂貴的危害環(huán)境的問(wèn)題之一。據(jù)估計(jì)，所有排放75%的N2O來(lái)自農(nóng)業(yè)的氮肥。土壤細(xì)菌迅速將尿素以及氨中的氮（銨態(tài)氮）轉(zhuǎn)化為硝酸鹽（硝態(tài)氮）；硝態(tài)氮更容易從植物根部浸出流失或者以N2O溢出，對(duì)于環(huán)境的破壞也更加明顯。

N-Serve?是Dow公司在1974年商業(yè)化的氮肥穩(wěn)定劑，它抑制土壤細(xì)菌將銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。在生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)使用，植物根部的銨態(tài)氮存留更長(zhǎng)時(shí)間，提高了氮的使用效率，并且減少硝態(tài)氮因?yàn)榻龌蛘咭訬2O溢出而帶來(lái)的流失。但是由于它的物理化學(xué)性質(zhì)，只能用于無(wú)水氨肥的使用。

在2010年，Dow Agrosciences公司推出微膠囊懸水浮劑Instinct?，這項(xiàng)專利技術(shù)可便捷地應(yīng)用于常見的氮肥和多種農(nóng)作物當(dāng)中，還降低了所處理過(guò)土壤中石油基溶劑的含量，從而帶來(lái)額外的環(huán)境效益。

在美國(guó)，僅 2014年，估計(jì)這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)減少約為66.4千萬(wàn)噸CO2排放，額外增收5千萬(wàn)蒲式耳的玉米，超過(guò)2.05億美元的收入。

4　更綠色合成路線獎(jiǎng)（Greener Synthetic Pathways Award）

CB&I以及Albemarle兩家公司的AlkyClean?技術(shù)獲得2016年更綠色合成路線獎(jiǎng)。

烷基化物具有較低蒸汽壓、高辛烷值，是不含有芳烴、烯烴及硫的異構(gòu)化烷烴，且為更好的清潔汽油成分。每年的全球產(chǎn)量有3百億加侖，其中有60%是在北美。烷基化物是由異丁烷和輕烯烴（C3～C5），在氫氟酸和硫酸液體催化反應(yīng)中合成的。氫氟酸和硫酸有很強(qiáng)腐蝕性，氫氟酸還具有很強(qiáng)的毒性。在超過(guò)四十年的時(shí)間里，科學(xué)家們都在嘗試將液體酸技術(shù)替換成更加環(huán)保的固體酸催化劑技術(shù)。先前的方法存在催化劑選擇性差或壽命短，再生困難或催化劑使產(chǎn)品中含有腐蝕性成分，如鹵素、三氟甲酸、三氟化硼問(wèn)題等。

AlkyClean?技術(shù)使用CB&I公司的新型反應(yīng)器和Albemarle公司的AlkyStarTM沸石催化劑，商業(yè)化生產(chǎn)更安全的、高質(zhì)量的烷基化物，還不產(chǎn)生酸溶性油和廢酸，不需要后處理。AlkyStarTM催化劑是優(yōu)化酸的量、強(qiáng)度、催化劑的粒子大小以及孔隙率沸石催化劑。

2015年8月，利用AlkyClean?技術(shù)，全球第一座產(chǎn)能為 2700桶的工廠開始商業(yè)化生產(chǎn)符合現(xiàn)有質(zhì)量指標(biāo)的烷基化產(chǎn)物，達(dá)到并超過(guò)了預(yù)期效果。

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

2016年的小企業(yè)獎(jiǎng)授予Verdezyne公司。

Verdezyne公司發(fā)明的發(fā)酵技術(shù)平臺(tái)，提供一種利用可再生物質(zhì)代替現(xiàn)在石化產(chǎn)品的二羧酸，如己二酸、癸二酸以及十二烷二酸（DDDA）。已經(jīng)商業(yè)化的是BIOLON? DDDA，首先用于尼龍6,12的制造，尼龍6,12用于制造需要特殊性能的工程塑料，例如抗高化學(xué)品、抗?jié)穸?、抗磨損的工程材料；DDDA還可用于制造膠黏劑、涂料、腐蝕抑制劑、潤(rùn)滑劑、香水等。

目前，全球每年1億磅的DDDA都是石化產(chǎn)品，主要是三聚丁二烯，再經(jīng)氫化及硝酸氧化。BIOLON?的DDDA是利用植物油作為原始原料提煉的脂肪酸作為原料，通過(guò)Verdezyne公司的專利產(chǎn)品——經(jīng)基因工程處理念珠菌酵母，快速、高效地經(jīng)一個(gè)三步 ω-氧化生化途徑將烷烴（或者脂肪酸）的末端氧化成DDDA。同時(shí)最小化中間體積累途徑以避免該微生物中毒而影響最終產(chǎn)品的純度。

利用BIOLON? DDDA技術(shù)，Verdezyne公司迄今的產(chǎn)量超過(guò)70000磅，并且獲得了美國(guó)農(nóng)業(yè)部認(rèn)證的生物基產(chǎn)品標(biāo)簽。該公司的第一個(gè)商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)施將計(jì)劃在2017年投產(chǎn)。

2016-07-01。

陳秋銘，男。聯(lián)系人：熊犍，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。