有机化合物将有毒废物转化为无害副产品

2004年，美国新墨西哥高地大学（NMHU）研究团队（以下简称“NMHU团队”）正在试图研发一种物质，该物质可通过发光表明是否存在联氨。联氨是一种有毒、易燃、不稳定的化合物，常用作火箭燃料。出乎意料的是，他们第一次尝试的结果比预期结果好得多，其研发的物质不仅能与联氨起反应，甚至还能中和联氨。

总部位于美国乔治亚州玛丽埃塔的联氨中和解决公司（HNSI），其向市场销售的名为“ZeenKleen”的最终产品，能够为从航天局、军方，到电力、塑料的一系列产业公司提供价格低廉和操作便捷的联氨清理和处理服务。其实，在此之前，美国国家航空航天局（NASA）及其相关机构已经花费了十几年时间，开展了大量的联氨研究工作。

▲联氨是一种有毒、易燃的化合物，用于小型空间飞行器的推进器和一些工业应用中。有机化学家Rudy Martinez与美国新墨西哥高地大学的研究团队基于与约翰逊航天中心签订的合作协议开展有关联氨的合作。他认为α-酮戊二酸（AKGA）的分子构型可以很好地识别是否存在联氨，且AKGA能相对快速、安全地中和联氨（图片由Adam Redzikowski CC BY-SA 3.0提供）

自1997年与约翰逊航天中心签订合作协议以来，由Merritt Helvenston教授领导的NMHU团队一直致力于联氨吸收垫的优化研究，该吸收垫最初是由约翰逊中心白沙试验研究所研制推出的。目前，NMHU团队又得到了化学家Rudy Martinez的支持；Rudy Martinez是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的有机化学家，他新近在新墨西哥高地大学任教，也正是他提出了商业化产品的最终配方。

最终产品的主要原料为α-酮戊二酸（AKGA），它是新陈代谢必需的一种有机化合物，常用作膳食补充剂和伤口愈合剂。但Martinez对其分子构型更感兴趣，AKGA似乎能理想地与联氨发生反应。Martinez说：“我们想从AKGA分子的基本结构入手，加以修改，使其能发光”。首先，NMHU团队需要了解AKGA是如何与联氨发生反应的。“我们发现这一反应需要吸收纯联氨，并在15min之内中和99%的联氨。”Martinez说：“既然已经有最好的联氨中和器了，我们何必再这么费劲地研发联氨检测器呢？”Davis说：“联氨化合物确实是完美的推进剂，但也有很多操作限制”；他指出，联氨化合物为有毒物质，其处理过程复杂、成本高昂。

自20世纪60年代双子座计划实施以来，NASA一直在使用联氨及其衍生物，主要将其用在调整空间飞行器路线或方向的小型推进器中。联氨是一种单元燃料，与催化剂接触时会燃烧，不需要点火系统，也不需通过氧化反应来驱动推进器。肯尼迪航天中心是NASA为发射前的空间飞行器注入燃料的场所，那儿的联氨用量比航天局任何其他中心提供的联氨量都要多；在那儿，每年产生的联氨废料约为15000gal。“一项任务结束之后，往往会剩余一些废物燃料，这些燃料可以被稀释处理掉”，Davis说。“但是我们无法再将其用于飞行任务中了，我们不得不把这些废物燃料扔弃。”但是，对于浓度低于百万分之一仍然能对人类产生毒害的物质来说，处理这种废物燃料是一个复杂的过程。

Davis对AKGA很感兴趣，从安全性和经济角度来看，他认为AKGA在联氨清理方面具有广阔的前景。因此，他请求肯尼迪航天中心联系白沙研究所，于2008年在白沙研究所开展了系列试验。其研究结论是：AKGA能有效中和联氨及其衍生物——甲基联氨（MMH），后者也常用作推进剂。研究人员通过试验确认：当AKGA与联氨或甲基联氨结合时，能分别生成水和一种被称为哒嗪羧酸（PCA或mPCA）的物质。这些副产品相对无害且性能稳定，同时，产生这些副产品的化学反应过程是不可逆的。

在白沙研究所的系列工作之后，肯尼迪航天中心又资助其相关合作公司及中佛罗里达大学（UCF）开展了一系列实验，以确定通过AKGA中和联氨及甲基联氨（MMH）的有效性及其理想处理工艺。这些试验也旨在确认：最后生成的PCA和mPCA是否会对健康或环境造成任何可能的影响；如果采用适当的方式将这些物质倒入排水沟，是否会对污水处理产生负面影响。这项工作引起了空军军方的注意，军方在F-16战斗机的应急动力装置中使用了联氨。卡纳维拉尔角空军基地的污水处理厂与肯尼迪航天中心和UCF的研究人员一起，联合评估了通过污水管道系统处理PCA和mPCA可能产生的影响。

▲火星大气与挥发物演化（MAVEN）推进系统的动力由450 gal的联氨罐提供。联氨及其衍生物虽然具有危害性，但它们是不需要进行点火或氧化的高效燃料，因此，其常用于大型空间飞行器的二次推进器和探测器及卫星的一次推进器中（图片由洛克希德·马丁公司提供）

肯尼迪航天中心进行这些试验并在污水管道系统建立处理联氨的过程后，空军基地咨询了国家及地方环境机构，并在2015年获得批准，允许在航天中心使用AKGA处理联氨，并可将最终产物排入下水道。Davis期望NASA修订其相关规章制度及程序要求，以使AKGA成为联氨处理的标准产品。“我们不需要费劲将联氨稀释一百倍，然后将其运输到有害废物焚化炉，而只需直接将其倒进当地下水道的水槽里就可以了”，他说：“我们通过这种方式减少了有害废物来源，也无需付费运输有毒废物。”不但最终产物是安全无害的，而且PCA也可作为一种植物生长调节剂，大有市场；Martinez及其同事正打算探索这一产品的商业发展之路。NASA的试验也为其他联邦机构改变其程序开辟了道路，空军也正在申请使用AKGA来处理相关废物。

肯尼迪航天中心和白沙研究所得出的良好试验结果证明了该产品商业化的可行性。2013年，新墨西哥高地大学授权Millennium Enterprises开发这一产品，公司以ZeenKleen的名义创立了HNSI公司，并以各种形式销售该产品。Martinez担任该公司的化学业务总监。HNSI公司发现该产品拥有远远超过其在NASA和军事上应用的巨大市场。

当Martinez开始开展与联氨相关的处理工作时，他说：“据我所知，NASA是唯一一个使用联氨的机构。”事实上，“即使在NASA仍发射航天飞机的时候，他们对联氨的使用量也仅占联氨年生产量的5%。”这一产品广泛用于制造塑料制品、杀虫剂和药物，而且也是电力产业必不可少的原料，因为联氨可用于防止电厂锅炉腐蚀。Martinez指出，目前为止，HNSI公司已签约10家核电站客户了，这些客户通常在溶液中添加1%~3%的联氨。若发生高浓度联氨泄露，标准的工业处理方法是通过加水将联氨溶液稀释到3%左右，然后使用漂白剂中和经稀释的联氨溶液。这种处理方法会产生一种反应，使泄漏处的温度显著升高，并产生一种有害物质。“我们的处理方式比使用漂白剂中和联氨的方法安全得多”，Martinez说道。“使用我公司系统产品对一片区域进行处理，经过一段时间后，联氨就会消失，转而会生成可排放到下水道中的安全物质。”

HNSI公司销售的ZeenKleen产品呈液体和粉末状，也做成薄板和薄垫的形式。Martinez表示，公司正着眼进军塑料制品及药物行业，尽管他知道改变危险化学品的处理方式要付出怎样的努力。他说，“尽管这些都是棘手的问题，但我相信口碑营销的力量。”他指出，公司产品良好的公众印象，以及HNSI公司的成立和军方对其产品的支持，其实，这些很大程度上是NASA大量试验的结果。“NASA是很完美的合作伙伴”，Martinez说：“他们开展大量试验，给予了人们信心。”