2023年美國(guó)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介

盧嘉瑩，熊犍

（華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

2023 年10 月23 日美國(guó)環(huán)保署（EPA）公布了2023年綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)的6個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)獲獎(jiǎng)名單。本次獲獎(jiǎng)?wù)卟粌H設(shè)計(jì)了減少或消除產(chǎn)生和使用有害物質(zhì)的化學(xué)產(chǎn)品和工藝，還開(kāi)發(fā)出了應(yīng)對(duì)氣候變化等重大環(huán)境挑戰(zhàn)的解決方案，刺激創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。正如美國(guó)環(huán)保局化學(xué)安全和污染預(yù)防辦公室副助理署長(zhǎng) Jennie Romer 所說(shuō)：“作為預(yù)防污染的一部分，所有人都受益于綠色化學(xué)的進(jìn)步，特別是在居民持續(xù)遭受?chē)?yán)重污染的地方”。現(xiàn)就今年獲獎(jiǎng)的6 個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)分別概括如下。

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

密歇根大學(xué)的Richard Laine教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出多種農(nóng)業(yè)廢棄物（如稻殼）生產(chǎn)硅基中間體，并應(yīng)用于鋰離子蓄電池和超級(jí)鋰電容器等材料的方法而獲該獎(jiǎng)。

每年全球都有數(shù)百萬(wàn)噸的農(nóng)業(yè)廢棄物（如稻殼）作為燃料燒掉。由此而產(chǎn)生的稻殼灰（RHA）通常被填埋，但其含有大量相對(duì)純凈的碳和SiO2的納米復(fù)合物。目前，金屬硅通常用加熱石英與碳源（如煤）來(lái)生產(chǎn)。與目前的方法相比，Laine教授開(kāi)發(fā)的工藝在更低的溫度下運(yùn)行，需要更少的能源及更少的碳排放。

Laine教授的研究小組研發(fā)了多種精制RHA的方法，首先用稀鹽酸洗滌，然后將RHA 與己二醇?jí)A反應(yīng)生成螺硅氧烷。螺硅氧烷可以直接被蒸餾出，留下的是貧化Si 的RHA。其中螺硅氧烷可以用來(lái)生產(chǎn)鋰離子導(dǎo)電聚合物，這種聚合物有望應(yīng)用于固態(tài)電池。而貧硅RHA 是正在處于熱點(diǎn)研究的一種很有前途的鋰離子電容器，而且可以很容易地轉(zhuǎn)化為SiC 和Si2N2O 作為鋰離子電池的陽(yáng)極，其容量大約是目前使用的石墨/鋰陽(yáng)極的3 倍。這些工藝將可取代傳統(tǒng)的無(wú)煙煤還原石英生產(chǎn)金屬硅所用的能源、設(shè)備以及CO2密集型工藝。

2 更加綠色化學(xué)品設(shè)計(jì)獎(jiǎng)(Designing Greener Chemicals Award)

高樂(lè)氏（Clorox）公司因設(shè)計(jì)了一款獲得EPA環(huán)境設(shè)計(jì)（DfE）認(rèn)證的消毒清潔劑EcoCleanTM獲得設(shè)計(jì)更加綠色化學(xué)品獎(jiǎng)。DfE認(rèn)證旨在幫助消費(fèi)者識(shí)別有效、環(huán)保的產(chǎn)品。EcoCleanTM是一種基于乳酸的即用型消毒清潔劑，不含酒精、漂白劑，按照說(shuō)明使用，在兩分鐘或更短的時(shí)間內(nèi)就能對(duì)99.999%的致病細(xì)菌進(jìn)行消毒。無(wú)需個(gè)人防護(hù)設(shè)備即可使用，不會(huì)漂白表面。

EcoCleanTM的活性成分是乳酸，其酸性是醋酸的10 倍。作為一種消毒劑活性成分，乳酸的作用與其他有機(jī)酸類(lèi)似，即通過(guò)使蛋白質(zhì)變性以殺死病毒，或降低pH 并擾亂細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的新陳代謝。然而，EcoCleanTM克服了以往乳酸通常只能殺死包膜病毒和某些細(xì)菌的缺陷。其他成分包括：最少量地使用了乳酸、非乙氧基化陰離子表面活性劑、N-?；被岜砻婊钚詣┖蜕倭科渌人?，獲得優(yōu)異的清潔能力和抗微生物效果，甚至可以殺死諾如病毒及柯薩奇病毒。與該專(zhuān)利配方相比，其他使用乳酸作為活性成分的DfE認(rèn)證消毒劑的活性成分用量增加了5～18倍。

3 更加綠色合成路線獎(jiǎng)(Greener Synthetic Pathways Award)

Solugen 公司開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的BioforgeTM平臺(tái)而獲得本年度更綠色合成途徑獎(jiǎng)。該平臺(tái)使用化學(xué)工藝將植物源物質(zhì)（生物質(zhì)）轉(zhuǎn)化為類(lèi)似化石燃料制成的基本材料，而完全不會(huì)產(chǎn)生排放或浪費(fèi)，包括水處理和洗滌劑材料。相較傳統(tǒng)化學(xué)制造工藝，BioforgeTM是具有更高產(chǎn)率和易本地化。該平臺(tái)可以制造出一系列高性能、具有成本競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)的解決方案。與傳統(tǒng)設(shè)施相比，這種平臺(tái)消除了每年超過(guò)2000萬(wàn)磅的有害化學(xué)品的使用，減少了3.5萬(wàn)噸的二氧化碳當(dāng)量（CO2e）。

目前生產(chǎn)生物基化學(xué)品的方法多采用發(fā)酵或多相金屬催化，這兩種方法都會(huì)因碳損失而浪費(fèi)原料，并且需要復(fù)雜的能源密集型下游加工。為了解決上述問(wèn)題，Solugen 首創(chuàng)了BioforgeTM平臺(tái)，這是一種無(wú)細(xì)胞化學(xué)酶促生產(chǎn)工藝，其包括3個(gè)主要步驟，即無(wú)細(xì)胞酶促反應(yīng)器、金屬反應(yīng)器和蒸發(fā)器。這將發(fā)酵工藝的安全性和復(fù)雜合成能力與金催化劑的高生產(chǎn)率、高選擇性和高pH 耐受性首創(chuàng)地結(jié)合在一起。Solugen 將酶的生產(chǎn)與酶反應(yīng)分離，允許酶在一定溫度范圍內(nèi)、中性pH 下運(yùn)作，這比發(fā)酵具有更高的生產(chǎn)效率，且解決了發(fā)酵受到活微生物需求的限制。Solugen 開(kāi)發(fā)的金納米粒子催化可提供超過(guò)90%的碳產(chǎn)率和選擇性。在蒸發(fā)步驟中，Solugen 完全由風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的機(jī)械蒸汽再壓縮技術(shù)取代了傳統(tǒng)的天然氣動(dòng)力蒸汽蒸發(fā)器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，以葡萄糖為原料的這種方法產(chǎn)量更高，釋放更少的CO2，零排放廢水。

4 更加綠色反應(yīng)條件獎(jiǎng)(Greener Reaction Conditions Award)

Captis Aire 的一項(xiàng)待批的專(zhuān)利CAIRETM技術(shù)獲得了該項(xiàng)獎(jiǎng)。CAIRETM將木材加工過(guò)程中產(chǎn)生的萜烯廢棄物轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)品。這些萜烯濃度高于正常生物水平時(shí)，就會(huì)成為空氣污染物，并刺激眼睛、肺和皮膚，目前它們作為廢物燃燒，釋放溫室氣體。CAIRETM技術(shù)能夠回收木材加工過(guò)程中釋放的90%以上的萜烯，并將其轉(zhuǎn)化為許多有價(jià)值的化學(xué)品，包括用于生物燃料、香精和香料等產(chǎn)品的化學(xué)品。這些萜烯是在干燥新鮮松木的過(guò)程中釋放出來(lái)的，而該加工過(guò)程通常流行于農(nóng)村貧困社區(qū)。目前，通常的處理方法是在加工末端使用天然氣燃燒這些萜烯，釋放溫室氣體CO2。CAIRETM回收技術(shù)有4個(gè)步驟：①使用專(zhuān)用的、可重復(fù)使用的吸附劑吸附萜烯，以凈化空氣；②解吸，將萜烯以蒸汽形式釋放到氮?dú)庵?；③將蒸汽冷凝為液態(tài)萜烯；④通過(guò)過(guò)熱重新活化這些吸附劑介質(zhì)，使其產(chǎn)生最大的回收效率。最終這些萜烯可轉(zhuǎn)化為高附加值的化學(xué)品，廣泛用于生物燃料、香料、香料等。3 個(gè)成功的商業(yè)木制品加工案例表明：CAIRETM技術(shù)能夠減少溫室氣體排放，并將有害的松樹(shù)化學(xué)廢物轉(zhuǎn)化為純萜烯。

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

Modern Meadow 公司因開(kāi)發(fā)了一種更高效的紡織染色工藝平臺(tái)而獲本年度小企業(yè)獎(jiǎng)。工藝平臺(tái)稱(chēng)為Bio-FREED? （Fast Resource Efficient Enhanced Dyeing 的縮寫(xiě)），由植物蛋白和生物聚合物的混溶混合物組成Bio-AlloyTM來(lái)提供支持。Bio-AlloyTM技術(shù)使用泡沫敷料技術(shù)，將精確的顏色量輸送到精確的位置。Bio-FREED? 是一種一步式連續(xù)染色工藝，與傳統(tǒng)的三步染色工藝相比，可減少高達(dá)95% 的用水量、80% 的染料用量，并減少約 67%的能源消耗。Bio-FREEDTM不需要單獨(dú)的步驟來(lái)固定染料，在染色過(guò)程結(jié)束時(shí)只需要一次或甚至不需要洗滌，而傳統(tǒng)染色需要4～7次洗滌。

這項(xiàng)革命性工藝以進(jìn)行預(yù)染色或后染色（即服裝制作后染色），從而獲得額外的環(huán)境和供應(yīng)鏈效益，即將可染色蛋白質(zhì)功能精確傳遞到纖維表面的能力有望為紡織行業(yè)提供一條更環(huán)保的前進(jìn)道路。

6 具體環(huán)境效益-氣候變化獎(jiǎng)（Specific Environmental Benefit-Climate Change Air Company）

Air Company公司因開(kāi)發(fā)一種CO2去除技術(shù)獲本年度特定環(huán)境效益-氣候變化獎(jiǎng)。該技術(shù)將溫室氣體CO2作為化學(xué)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為更大的分子，然后可用于生產(chǎn)燃料和香水等其他產(chǎn)品。該技術(shù)既可從空氣中除去CO2，又可將其轉(zhuǎn)化為燃料（包括航空燃料）。

Air Company公司除去CO2的技術(shù)（CDR）是從捕獲CO2、H2O，可再生電力（來(lái)自太陽(yáng)能光伏發(fā)電和風(fēng)力渦輪機(jī)）出發(fā)，模擬光合作用，將無(wú)處不在的CO2作為原料轉(zhuǎn)化為AIRMADE?甲醇、乙醇、石蠟和其他燃料等有機(jī)化學(xué)品，O2是唯一的副產(chǎn)品。即該技術(shù)利用可再生的電力將水分解成氫氣和氧氣，利用專(zhuān)有催化劑使氫氣與CO2結(jié)合，選擇性地生成甲醇、乙醇和石蠟。該工藝的碳凈排放量為負(fù)值，每生產(chǎn)1kg乙醇可從大氣中清除約1.5kgCO2。它的用水量?jī)H為以玉米作為原料生產(chǎn)乙醇的1.1%。同樣地，AIRMADETM航空燃料CO2排放量比傳統(tǒng)航空燃料低90%以上，同時(shí)減少了對(duì)化石燃料的需求。