2023年美國綠色化學挑戰獎簡介

盧嘉瑩，熊犍

（華南理工大學食品科學與工程學院，廣東 廣州 510640）

2023 年10 月23 日美國環保署（EPA）公布了2023年綠色化學挑戰獎的6個獎項獲獎名單。本次獲獎者不僅設計了減少或消除產生和使用有害物質的化學產品和工藝，還開發出了應對氣候變化等重大環境挑戰的解決方案，刺激創新和經濟發展。正如美國環保局化學安全和污染預防辦公室副助理署長 Jennie Romer 所說：“作為預防污染的一部分，所有人都受益于綠色化學的進步，特別是在居民持續遭受嚴重污染的地方”?，F就今年獲獎的6 個獎項分別概括如下。

1 學術獎（Academic Award）

密歇根大學的Richard Laine教授團隊開發出多種農業廢棄物（如稻殼）生產硅基中間體，并應用于鋰離子蓄電池和超級鋰電容器等材料的方法而獲該獎。

每年全球都有數百萬噸的農業廢棄物（如稻殼）作為燃料燒掉。由此而產生的稻殼灰（RHA）通常被填埋，但其含有大量相對純凈的碳和SiO2的納米復合物。目前，金屬硅通常用加熱石英與碳源（如煤）來生產。與目前的方法相比，Laine教授開發的工藝在更低的溫度下運行，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 與己二醇堿反應生成螺硅氧烷。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生產鋰離子導電聚合物，這種聚合物有望應用于固態電池。而貧硅RHA 是正在處于熱點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化為SiC 和Si2N2O 作為鋰離子電池的陽極，其容量大約是目前使用的石墨/鋰陽極的3 倍。這些工藝將可取代傳統的無煙煤還原石英生產金屬硅所用的能源、設備以及CO2密集型工藝。

2 更加綠色化學品設計獎(Designing Greener Chemicals Award)

高樂氏（Clorox）公司因設計了一款獲得EPA環境設計（DfE）認證的消毒清潔劑EcoCleanTM獲得設計更加綠色化學品獎。DfE認證旨在幫助消費者識別有效、環保的產品。EcoCleanTM是一種基于乳酸的即用型消毒清潔劑，不含酒精、漂白劑，按照說明使用，在兩分鐘或更短的時間內就能對99.999%的致病細菌進行消毒。無需個人防護設備即可使用，不會漂白表面。

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酸類似，即通過使蛋白質變性以殺死病毒，或降低pH 并擾亂細菌細胞內的新陳代謝。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-酰化氨基酸表面活性劑和少量其他羧酸，獲得優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。與該專利配方相比，其他使用乳酸作為活性成分的DfE認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(Greener Synthetic Pathways Award)

Solugen 公司開發了獨特的BioforgeTM平臺而獲得本年度更綠色合成途徑獎。該平臺使用化學工藝將植物源物質（生物質）轉化為類似化石燃料制成的基本材料，而完全不會產生排放或浪費，包括水處理和洗滌劑材料。相較傳統化學制造工藝，BioforgeTM是具有更高產率和易本地化。該平臺可以制造出一系列高性能、具有成本競爭力和可持續的解決方案。與傳統設施相比，這種平臺消除了每年超過2000萬磅的有害化學品的使用，減少了3.5萬噸的二氧化碳當量（CO2e）。

目前生產生物基化學品的方法多采用發酵或多相金屬催化，這兩種方法都會因碳損失而浪費原料，并且需要復雜的能源密集型下游加工。為了解決上述問題，Solugen 首創了BioforgeTM平臺，這是一種無細胞化學酶促生產工藝，其包括3個主要步驟，即無細胞酶促反應器、金屬反應器和蒸發器。這將發酵工藝的安全性和復雜合成能力與金催化劑的高生產率、高選擇性和高pH 耐受性首創地結合在一起。Solugen 將酶的生產與酶反應分離，允許酶在一定溫度范圍內、中性pH 下運作，這比發酵具有更高的生產效率，且解決了發酵受到活微生物需求的限制。Solugen 開發的金納米粒子催化可提供超過90%的碳產率和選擇性。在蒸發步驟中，Solugen 完全由風能驅動的機械蒸汽再壓縮技術取代了傳統的天然氣動力蒸汽蒸發器。與現有技術相比，以葡萄糖為原料的這種方法產量更高，釋放更少的CO2，零排放廢水。

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

Captis Aire 的一項待批的專利CAIRETM技術獲得了該項獎。CAIRETM將木材加工過程中產生的萜烯廢棄物轉化為有價值的化學品。這些萜烯濃度高于正常生物水平時，就會成為空氣污染物，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技術能夠回收木材加工過程中釋放的90%以上的萜烯，并將其轉化為許多有價值的化學品，包括用于生物燃料、香精和香料等產品的化學品。這些萜烯是在干燥新鮮松木的過程中釋放出來的，而該加工過程通常流行于農村貧困社區。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回收技術有4個步驟：①使用專用的、可重復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氣中；③將蒸汽冷凝為液態萜烯；④通過過熱重新活化這些吸附劑介質，使其產生最大的回收效率。最終這些萜烯可轉化為高附加值的化學品，廣泛用于生物燃料、香料、香料等。3 個成功的商業木制品加工案例表明：CAIRETM技術能夠減少溫室氣體排放，并將有害的松樹化學廢物轉化為純萜烯。

5 小企業獎 (Small Business Award)

Modern Meadow 公司因開發了一種更高效的紡織染色工藝平臺而獲本年度小企業獎。工藝平臺稱為Bio-FREED? （Fast Resource Efficient Enhanced Dyeing 的縮寫），由植物蛋白和生物聚合物的混溶混合物組成Bio-AlloyTM來提供支持。Bio-AlloyTM技術使用泡沫敷料技術，將精確的顏色量輸送到精確的位置。Bio-FREED? 是一種一步式連續染色工藝，與傳統的三步染色工藝相比，可減少高達95% 的用水量、80% 的染料用量，并減少約 67%的能源消耗。Bio-FREEDTM不需要單獨的步驟來固定染料，在染色過程結束時只需要一次或甚至不需要洗滌，而傳統染色需要4～7次洗滌。

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

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

Air Company公司因開發一種CO2去除技術獲本年度特定環境效益-氣候變化獎。該技術將溫室氣體CO2作為化學反應物轉化為更大的分子，然后可用于生產燃料和香水等其他產品。該技術既可從空氣中除去CO2，又可將其轉化為燃料（包括航空燃料）。

Air Company公司除去CO2的技術（CDR）是從捕獲CO2、H2O，可再生電力（來自太陽能光伏發電和風力渦輪機）出發，模擬光合作用，將無處不在的CO2作為原料轉化為AIRMADE?甲醇、乙醇、石蠟和其他燃料等有機化學品，O2是唯一的副產品。即該技術利用可再生的電力將水分解成氫氣和氧氣，利用專有催化劑使氫氣與CO2結合，選擇性地生成甲醇、乙醇和石蠟。該工藝的碳凈排放量為負值，每生產1kg乙醇可從大氣中清除約1.5kgCO2。它的用水量僅為以玉米作為原料生產乙醇的1.1%。同樣地，AIRMADETM航空燃料CO2排放量比傳統航空燃料低90%以上，同時減少了對化石燃料的需求。