2013年美國總統綠色化學挑戰獎簡介

熊犍，梁彩蕓，李一旸，葉君

（華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640）

行業動態

2013年美國總統綠色化學挑戰獎簡介

熊犍，梁彩蕓，李一旸，葉君

（華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640）

2013年12月11日（美國東部時間）美國環保局（EPA）在其官方博客上公布了2013年美國總統綠色化學挑戰獎的獲獎名單。從1996年始的17年間， EPA收到了1490項提名，其中有88項獲獎。針對世界面臨的環境問題，總統綠色化學挑戰獎致力于降低對環境的損害。到2012年，僅僅88項獲獎技術就取得了巨大的成效，包括：①每年消除8.25億磅的有毒化學品和溶劑，足以填滿3800節鐵路罐車，排列長度可達47英里；②每年節省79億加侖的水，足夠用于82萬人一年的用水；③每年消除相當于排入空氣中的79億磅CO2，相當于減少了81萬輛行駛的機動車。如果加之來自于提名技術產生的效益，美國總統綠色化學挑戰獎項目取得的成效更大。

本文將介紹今年5個獎項的得主及其成果。

1 學術獎（Academic Award）

特拉華州大學（University of Delaware）的Richard P. Wool教授因從事可持續大分子聚合物與復合材料的優化設計而榮獲該獎項。

在典型的復合材料，如玻璃纖維增強苯乙烯-聚酯共聚體、聚氨酯或者環氧樹脂制備先進的復合材料時，經過加工成型的樹脂是不活潑的，但加工、生產過程中可能具有相當的毒性和風險；并且其制造的基本化學品的來源是不可再生的石油、天然氣和煤炭。

Wool教授使用生物基材料，如甘油三酯、脂肪酸、纖維素、木質素、亞麻及膠原蛋白，作為生產高性能材料的原料。在大規模生產時較石油化工材料具有更少的廢物、消耗更少的水和能量。

Wool教授發展了TFT理論（Twinkling Fractal Theory, TFT），用該軟件評估材料的機械性能和熱性，設計材料的功能特性。然后通過U.S. EPA’s EPI 的SuiteTm軟件，評估材料的潛在毒性，使用這種方法，Wool教授成功選擇了3種毒性小的木質素基材料代替苯乙烯。他還與本校的Epps教授合作使用豆油作為原料制造敏感黏合劑和彈性體、復合材料樹脂、熱塑性聚氨酯（TPU）材料替代品和無異氰酸鹽的泡沫塑料，除了降低毒性，還具有高的生物相容性。Wool教授另與本校的Cao教授合作發明可呼吸的生物基“電路皮革”。

自從1992年，Wool教授已經獲得5項專利，其中有3項專利實現應用。在2012年，美國南方化學（Dixie Chemical）使用Wool教授的豆類復合材料生產船只、拖拉機儀表板和風力渦輪機零件；克雷生物樹脂股份有限公司（Crev Bioresins Inc. ）采用Wool教授的生物基礎泡沫替代品來替代聚氨酯，現在已經是包裝業和汽車供應商的部分替代品；Wool教授也與Nike公司和Puma公司合作，用他的“電路皮革”產品部分替代公司的原來產品。

2 小企業獎（Small Business Award）

法拉第公司（Faraday Technology，Inc.）開發低毒性的三價鉻生產高性能鉻涂層加工技術，在不降低使用性能的同時，減少百萬磅六價鉻，而獲得本年度小企業獎。

高性能鉻合金電鍍層有許多方面應用，許多替代品都有局限性而無法獲得廣泛使用。如航天飛機組件等領域，仍然需要使用致癌物質的六價鉻達到所需性能。

高性能、多功能性六價鉻[Cr(Ⅵ)]電鍍液被廣泛用于軍用和民用市場的工業制造中。這些涂層具有抗粗糙性和光滑涂層，尤其是輸氣管道系統。然而，Cr(Ⅵ)是鉻系列中最具毒性的。減少或者不采用Cr(Ⅵ)已經是多年來政府和工廠需要迫切解決的問題。目前，無鉻電鍍技術尚不能滿足整個工業用和軍用所需。

FARADAYIC?三價鉻電鍍技術采用具有毒性低、非致癌的三價鉻（Cr(Ⅲ)），來替代Cr(Ⅵ)的電鍍液。這個方法保持了Cr(Ⅵ)工藝設備及產品性能，但極大降低電鍍工段的毒性。過去，Cr(Ⅲ)僅形成薄層，用于裝飾涂層，如使用在車保險杠上。這類涂層強度、硬度和耐磨性都不好。

傳統的Cr(Ⅵ)電沉積過程使用一個恒定的直流電。法拉第公司設計了一個新的電沉積過程：使用交替陰極-陽極脈沖，并且一個周期之后有松弛過程。這樣過程不僅得到Cr(Ⅲ)) 的厚涂層，同時還可以調整電鍍層的結構和性質。比起Cr(Ⅵ)電鍍液涂層，這個新的過程使產品可以提高耐磨損和抗疲勞性；新制備Cr(Ⅲ)涂層過程更高效；且不會產生Cr(Ⅵ)副產品；還可以用于涂層管的內外表面。這是其他非鉻替代品無法做到的。

EPA曾以小企業創新項目資助FARADAYIC?三價鉻技術；國家制造科學中心（National Center for Manufacturing Sciences）、波音公司（Boeing Co.）、梅西爾-布加迪-道蒂（Messier- Bugatti-Dowty）、聯合技術研究中心（United Technologies Research Center）和其他商業客戶也合作開發該技術。

使用法拉第公司商業用FARADAYIC?三價鉻技術，美國可以每年消除1300萬磅的致癌鉻廢物，預計全球可以每年消除的致癌鉻廢物達3億磅。

3 更綠色的合成路線獎（Greener Synthetic Pathways Award）

美國生命技術公司（Life Technologies Corporation）因更安全、可持續地生產聚合酶鏈式反應（PCR）試劑所需的化學品4,4'-二吡啶基二硫醚（Aldrithiol），獲得更綠色的合成路線獎。

PCR是基因材料的放大過程，用于基礎研究、基因工程、法醫學、傳染病確診、食品安全和最新的藥品研究中。生產PCR測試所需的關鍵化學品是相當浪費的，經常產生上萬倍產品的廢物。三磷酸脫氧核苷酸（dNTPs）是通過PCR產生的DNA的一些個體建造單元。傳統合成dNTPs效率低，中間體需要多次分離、純化，使用大量有毒有害的危險品，如氯化鋅、三苯基磷、阿爾德林、二甲基甲酸胺和二氯甲烷。

美國生命技術公司設計的dNTPs合成路線，僅有三步，并實現在一個反應器中高效合成。該法將有毒有害物質降到最低，每年減少約150萬磅的有毒有害廢棄物。

2011年，該公司在德克薩斯的奧斯汀制造建廠合成dNTPs及衍生物。與傳統方法相比，該方法的有機溶液消耗量減少約95%，其他有毒有害廢棄物減少約65%；提高了產率和反應專一性；過程E因子（廢物量與產品量比率）從約3200減少到400，幾乎達到一個數量級。

4 更綠色反應條件獎（Greener

Reaction Conditions Award）

本年度的更綠色反應條件獎授予陶氏化學公司（Dow Chemical Company），表彰其技術用于改善TiO2分散度及減少TiO2的添加量。

TiO2因具有高折射率與光散射能力而作為白色涂料基本添加劑，通常它是涂料里最最貴和最耗能的成分；同時，也是已有染料配方里對生態影響最大的成分。因其聚集而添加量增加，涂料的成本以及排放也隨之增加。陶氏研發的一種聚合物能有效提高TiO2分散均勻度，從而減少所需TiO2的添加量。

陶氏研發的EVOQUE?的預聚物，包覆在TiO2顆粒表面以提高其在涂料中的分散能力。通過提高顏料與涂料中其他成分的相互作用，該預聚物負載更少顏料卻達到更好的掩色效果，待涂料干后能得到更均勻、更耐用、更光滑涂料層 。

EVOQUE?與配方大多數染料成分兼容；如與零揮發性有機化合物（zero-VOC）的水溶性涂料，并可減少20%的TiO2用量，降低涂料的流變性。

作為第三方評估機構（Life Cycle Assessment，LCA）的評估結果顯示使用EVOQUE?作為外墻涂料中使用，TiO2用量減少導致涂料碳排放量降低超過22%；水消耗量降低30%；NOx和SOx排放量降低24%；對水體富營養化（藻花）的潛在影響降低27%；降低了30%潛在的COD量以及35%非甲醇揮發物質。更重要的是涂料的性能得以改善，同時能有效提高水體和空氣的質量。

5 設計更綠色化學品獎（Designing Greener Chemical Award）

美國嘉吉公司（Cargill Inc.）研制的植物油基絕緣絕熱變壓器用油，不易燃、性能優質、毒性低、且碳排量更低，而獲得本年度設計更綠色化學品獎。

高伏特電變壓器需要絕緣油防止短路和冷卻。20世紀70年代多氯聯苯（PCBs）被禁止，礦物油成為替代品。雖然礦物油比PCBs的危險性低，但它易燃并對水生物種有毒，且礦物質油是疏水性的，因此，系統中的任何水分都由變壓器內部的固體絕緣材料纖維素吸收。在變壓器的工作溫度下，吸水后的纖維素降解，從而縮短變壓器使用壽命。

嘉吉公司基于可再生植物油的FB3Tm絕緣油用于回流變壓器。可以使變壓器的尺寸更小。這是因為FB3Tm不易燃，更大程度上降低火災或爆炸的風險，到目前使用FB3Tm還沒有出現爆炸或者火災的現象；并且纖維素絕緣材料的使用壽命增加了5～8倍，這就意味著增加了變壓器的使用壽命。

按照BEES?4.0使用周期評估，FB3Tm與礦物質油相比，使用FB3Tm變壓器的總體碳排放量是其1/55；FB3Tm毒性低，具有生物降解能力。

FB3Tm已經獲得EPA的環境技術認證；在BEES生命周期評估中環境影響表現分數最低；USDA生物基產品認證；并且經過保險公司實驗室（UL）和工廠共同調查局證明它是一個更不易燃液體。

熊犍，博士，教授。聯系人：葉君，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。