2016年美國總統綠色化學挑戰獎簡介

陳秋銘，葉君，熊犍

（1華南理工大學輕工科學與工程學院，廣東 廣州 510640；2華南理工大學食品科學與工程學院，廣東廣州 510640）

行業動態

2016年美國總統綠色化學挑戰獎簡介

陳秋銘1，葉君1，熊犍2

（1華南理工大學輕工科學與工程學院，廣東 廣州 510640；2華南理工大學食品科學與工程學院，廣東廣州 510640）

2016年6月13日（美國東部時間），美國環境保護署（EPA）在其官方網站公布了2016年美國總統綠色化學挑戰獎獲獎項目名單，2016年EPA將更綠色化學品設計獎和特定環境效益：氣候變化獎，合并為一個獎項。本文介紹今年5個獎項的得主及其成果。

1　學術獎（Academic Award）

2016年的學術獎授予普林斯頓大學的 Paul J.CHIRIK教授，CHIRIK教授發現在空氣中穩定性高、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硅生產。

從先進材料到新藥物合成，都離不開金屬催化反應。數十年以來都是采用貴金屬催化劑，例如鈀、鉑、銠及銥，除了價格昂貴、毒性大之外，提取這些貴金屬也會為環境帶來負擔。獲得一盎司的貴金屬，需要采掘十噸的礦石，產生的CO2相當于得到同樣質量鐵的6000倍。

有機硅可用于有機硅橡膠、輪胎、洗發水、日用纖維、紙張涂料以及其他消費品。目前，在有機硅的工業生產中，使用的是鉑催化劑。但鉑催化劑不能回收，且會帶來安全及環境壓力。CHIRIK教授與Momentive高性能材料公司合作，發現了一種新型的、比鉑催化劑性能更好的、基于“金屬配體協同”的硅氫加成鐵鈷催化劑，無副產物，無產物蒸餾步驟，可廣泛用于硅氫化來制造商用有機硅材料生產，并將引起商用有機硅產品的工業生產發生轉變。

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、8500萬噸的廢棄物以及2.17萬噸的碳生成。

2　更綠色化學品設計和特定環境效益：氣候變化獎（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更綠色化學制品設計和特定環境效益：氣候變化獎。

甲烷可在自然界中，如濕地中產生，在美國，它也是由人類活動產生的第二大溫室氣體，可由如天然氣系統的泄露以及家畜產生。甲烷在大氣中的存在時間比CO2要短得多，但是在一百多年來，甲烷對氣候變化的影響比CO2要強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公司開發的一種已商業化的方法，即在生物催化聚合物合成過程中控制該酶的負反應，使生物催化劑可以一直不會因“自我關閉”而失活，聚合規模大大超過了之前技術的最大限制（1∶1），達到每1千克生物催化劑就生成9千克的聚合物（1∶9），優于石化技術（1∶3）。除性能上優于石油基塑料外，Newlight公司的AirCarbon?材料生產技術還可以減少1/3的操作單元和 1/5的經濟消耗。相對于石油基塑料，AirCarbon?材料在價格和性能上都具有商業競爭優勢。

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

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

Dow Agrosciences LLC因高效利用氮肥的Instinct?技術榮獲2016年更綠色反應條件獎。

營養物污染是美國最廣泛以及昂貴的危害環境的問題之一。據估計，所有排放75%的N2O來自農業的氮肥。土壤細菌迅速將尿素以及氨中的氮（銨態氮）轉化為硝酸鹽（硝態氮）；硝態氮更容易從植物根部浸出流失或者以N2O溢出，對于環境的破壞也更加明顯。

N-Serve?是Dow公司在1974年商業化的氮肥穩定劑，它抑制土壤細菌將銨態氮轉化為硝態氮。在生長季節內使用，植物根部的銨態氮存留更長時間，提高了氮的使用效率，并且減少硝態氮因為浸出或者以N2O溢出而帶來的流失。但是由于它的物理化學性質，只能用于無水氨肥的使用。

在2010年，Dow Agrosciences公司推出微膠囊懸水浮劑Instinct?，這項專利技術可便捷地應用于常見的氮肥和多種農作物當中，還降低了所處理過土壤中石油基溶劑的含量，從而帶來額外的環境效益。

在美國，僅 2014年，估計這項技術已經減少約為66.4千萬噸CO2排放，額外增收5千萬蒲式耳的玉米，超過2.05億美元的收入。

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

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

烷基化物具有較低蒸汽壓、高辛烷值，是不含有芳烴、烯烴及硫的異構化烷烴，且為更好的清潔汽油成分。每年的全球產量有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中合成的。氫氟酸和硫酸有很強腐蝕性，氫氟酸還具有很強的毒性。在超過四十年的時間里，科學家們都在嘗試將液體酸技術替換成更加環保的固體酸催化劑技術。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品中含有腐蝕性成分，如鹵素、三氟甲酸、三氟化硼問題等。

AlkyClean?技術使用CB&I公司的新型反應器和Albemarle公司的AlkyStarTM沸石催化劑，商業化生產更安全的、高質量的烷基化物，還不產生酸溶性油和廢酸，不需要后處理。AlkyStarTM催化劑是優化酸的量、強度、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，全球第一座產能為 2700桶的工廠開始商業化生產符合現有質量指標的烷基化產物，達到并超過了預期效果。

5　小企業獎（Small Business Award）

2016年的小企業獎授予Verdezyne公司。

Verdezyne公司發明的發酵技術平臺，提供一種利用可再生物質代替現在石化產品的二羧酸，如己二酸、癸二酸以及十二烷二酸（DDDA）。已經商業化的是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，例如抗高化學品、抗濕度、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、潤滑劑、香水等。

目前，全球每年1億磅的DDDA都是石化產品，主要是三聚丁二烯，再經氫化及硝酸氧化。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Verdezyne公司的專利產品——經基因工程處理念珠菌酵母，快速、高效地經一個三步 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品的純度。

利用BIOLON? DDDA技術，Verdezyne公司迄今的產量超過70000磅，并且獲得了美國農業部認證的生物基產品標簽。該公司的第一個商業化生產設施將計劃在2017年投產。

2016-07-01。

陳秋銘，男。聯系人：熊犍，博士，教授，主要從事天然高分子及綠色化學研究。E-mail lcjxiong@scut.edu.cn。