有機化合物將有毒廢物轉化為無害副產品

2004年，美國新墨西哥高地大學（NMHU）研究團隊（以下簡稱“NMHU團隊”）正在試圖研發一種物質，該物質可通過發光表明是否存在聯氨。聯氨是一種有毒、易燃、不穩定的化合物，常用作火箭燃料。出乎意料的是，他們第一次嘗試的結果比預期結果好得多，其研發的物質不僅能與聯氨起反應，甚至還能中和聯氨。

總部位于美國喬治亞州瑪麗埃塔的聯氨中和解決公司（HNSI），其向市場銷售的名為“ZeenKleen”的最終產品，能夠為從航天局、軍方，到電力、塑料的一系列產業公司提供價格低廉和操作便捷的聯氨清理和處理服務。其實，在此之前，美國國家航空航天局（NASA）及其相關機構已經花費了十幾年時間，開展了大量的聯氨研究工作。

▲聯氨是一種有毒、易燃的化合物，用于小型空間飛行器的推進器和一些工業應用中。有機化學家Rudy Martinez與美國新墨西哥高地大學的研究團隊基于與約翰遜航天中心簽訂的合作協議開展有關聯氨的合作。他認為α-酮戊二酸（AKGA）的分子構型可以很好地識別是否存在聯氨，且AKGA能相對快速、安全地中和聯氨（圖片由Adam Redzikowski CC BY-SA 3.0提供）

自1997年與約翰遜航天中心簽訂合作協議以來，由Merritt Helvenston教授領導的NMHU團隊一直致力于聯氨吸收墊的優化研究，該吸收墊最初是由約翰遜中心白沙試驗研究所研制推出的。目前，NMHU團隊又得到了化學家Rudy Martinez的支持；Rudy Martinez是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的有機化學家，他新近在新墨西哥高地大學任教，也正是他提出了商業化產品的最終配方。

最終產品的主要原料為α-酮戊二酸（AKGA），它是新陳代謝必需的一種有機化合物，常用作膳食補充劑和傷口愈合劑。但Martinez對其分子構型更感興趣，AKGA似乎能理想地與聯氨發生反應。Martinez說：“我們想從AKGA分子的基本結構入手，加以修改，使其能發光”。首先，NMHU團隊需要了解AKGA是如何與聯氨發生反應的。“我們發現這一反應需要吸收純聯氨，并在15min之內中和99%的聯氨。”Martinez說：“既然已經有最好的聯氨中和器了，我們何必再這么費勁地研發聯氨檢測器呢？”Davis說：“聯氨化合物確實是完美的推進劑，但也有很多操作限制”；他指出，聯氨化合物為有毒物質，其處理過程復雜、成本高昂。

自20世紀60年代雙子座計劃實施以來，NASA一直在使用聯氨及其衍生物，主要將其用在調整空間飛行器路線或方向的小型推進器中。聯氨是一種單元燃料，與催化劑接觸時會燃燒，不需要點火系統，也不需通過氧化反應來驅動推進器。肯尼迪航天中心是NASA為發射前的空間飛行器注入燃料的場所，那兒的聯氨用量比航天局任何其他中心提供的聯氨量都要多；在那兒，每年產生的聯氨廢料約為15000gal。“一項任務結束之后，往往會剩余一些廢物燃料，這些燃料可以被稀釋處理掉”，Davis說。“但是我們無法再將其用于飛行任務中了，我們不得不把這些廢物燃料扔棄。”但是，對于濃度低于百萬分之一仍然能對人類產生毒害的物質來說，處理這種廢物燃料是一個復雜的過程。

Davis對AKGA很感興趣，從安全性和經濟角度來看，他認為AKGA在聯氨清理方面具有廣闊的前景。因此，他請求肯尼迪航天中心聯系白沙研究所，于2008年在白沙研究所開展了系列試驗。其研究結論是：AKGA能有效中和聯氨及其衍生物——甲基聯氨（MMH），后者也常用作推進劑。研究人員通過試驗確認：當AKGA與聯氨或甲基聯氨結合時，能分別生成水和一種被稱為噠嗪羧酸（PCA或mPCA）的物質。這些副產品相對無害且性能穩定，同時，產生這些副產品的化學反應過程是不可逆的。

在白沙研究所的系列工作之后，肯尼迪航天中心又資助其相關合作公司及中佛羅里達大學（UCF）開展了一系列實驗，以確定通過AKGA中和聯氨及甲基聯氨（MMH）的有效性及其理想處理工藝。這些試驗也旨在確認：最后生成的PCA和mPCA是否會對健康或環境造成任何可能的影響；如果采用適當的方式將這些物質倒入排水溝，是否會對污水處理產生負面影響。這項工作引起了空軍軍方的注意，軍方在F-16戰斗機的應急動力裝置中使用了聯氨。卡納維拉爾角空軍基地的污水處理廠與肯尼迪航天中心和UCF的研究人員一起，聯合評估了通過污水管道系統處理PCA和mPCA可能產生的影響。

▲火星大氣與揮發物演化（MAVEN）推進系統的動力由450 gal的聯氨罐提供。聯氨及其衍生物雖然具有危害性，但它們是不需要進行點火或氧化的高效燃料，因此，其常用于大型空間飛行器的二次推進器和探測器及衛星的一次推進器中（圖片由洛克希德·馬丁公司提供）

肯尼迪航天中心進行這些試驗并在污水管道系統建立處理聯氨的過程后，空軍基地咨詢了國家及地方環境機構，并在2015年獲得批準，允許在航天中心使用AKGA處理聯氨，并可將最終產物排入下水道。Davis期望NASA修訂其相關規章制度及程序要求，以使AKGA成為聯氨處理的標準產品。“我們不需要費勁將聯氨稀釋一百倍，然后將其運輸到有害廢物焚化爐，而只需直接將其倒進當地下水道的水槽里就可以了”，他說：“我們通過這種方式減少了有害廢物來源，也無需付費運輸有毒廢物。”不但最終產物是安全無害的，而且PCA也可作為一種植物生長調節劑，大有市場；Martinez及其同事正打算探索這一產品的商業發展之路。NASA的試驗也為其他聯邦機構改變其程序開辟了道路，空軍也正在申請使用AKGA來處理相關廢物。

肯尼迪航天中心和白沙研究所得出的良好試驗結果證明了該產品商業化的可行性。2013年，新墨西哥高地大學授權Millennium Enterprises開發這一產品，公司以ZeenKleen的名義創立了HNSI公司，并以各種形式銷售該產品。Martinez擔任該公司的化學業務總監。HNSI公司發現該產品擁有遠遠超過其在NASA和軍事上應用的巨大市場。

當Martinez開始開展與聯氨相關的處理工作時，他說：“據我所知，NASA是唯一一個使用聯氨的機構。”事實上，“即使在NASA仍發射航天飛機的時候，他們對聯氨的使用量也僅占聯氨年生產量的5%。”這一產品廣泛用于制造塑料制品、殺蟲劑和藥物，而且也是電力產業必不可少的原料，因為聯氨可用于防止電廠鍋爐腐蝕。Martinez指出，目前為止，HNSI公司已簽約10家核電站客戶了，這些客戶通常在溶液中添加1%~3%的聯氨。若發生高濃度聯氨泄露，標準的工業處理方法是通過加水將聯氨溶液稀釋到3%左右，然后使用漂白劑中和經稀釋的聯氨溶液。這種處理方法會產生一種反應，使泄漏處的溫度顯著升高，并產生一種有害物質。“我們的處理方式比使用漂白劑中和聯氨的方法安全得多”，Martinez說道。“使用我公司系統產品對一片區域進行處理，經過一段時間后，聯氨就會消失，轉而會生成可排放到下水道中的安全物質。”

HNSI公司銷售的ZeenKleen產品呈液體和粉末狀，也做成薄板和薄墊的形式。Martinez表示，公司正著眼進軍塑料制品及藥物行業，盡管他知道改變危險化學品的處理方式要付出怎樣的努力。他說，“盡管這些都是棘手的問題，但我相信口碑營銷的力量。”他指出，公司產品良好的公眾印象，以及HNSI公司的成立和軍方對其產品的支持，其實，這些很大程度上是NASA大量試驗的結果。“NASA是很完美的合作伙伴”，Martinez說：“他們開展大量試驗，給予了人們信心。”