LED燈環(huán)境潛在影響：降低整體資源消耗成關鍵
為了履行《美國能源獨立和安全法案》(U.S. Energy Independence and Security Act)和《歐盟生態(tài)化設計指令》(EU Ecodesign Directive)，人工照明系統(tǒng)從白熾燈過渡到節(jié)能燈(CFL)和LED，這是為了節(jié)省能源和減少溫室氣體排放。同傳統(tǒng)的白熾燈泡相比，節(jié)能燈(CFL，Compact fluorescent lamp)與LED等新型燈泡可節(jié)省70~85%的能源消耗，使用壽命也大大增加，因而被認為是一種具有巨大節(jié)能潛力的技術，然而，這些新型燈泡比傳統(tǒng)燈泡的設計要復雜得多，具有潛在的環(huán)境不利影響，甚至與消費類電子設備相當。
CFL和LED組件中含更多的金屬。這些組件有不確定性的潛在環(huán)境影響，當?shù)竭_其工作壽命需要廢棄時，是否需要作出特別的規(guī)定呢？Seong-Rin Lim等在本月出版的“環(huán)境科學與技術”(Environ. Sci. Technol.)上發(fā)表了一篇文章“LED的潛在環(huán)境影響：是金屬資源，還是有毒的危險廢棄物”(Potential Environmental Impacts of Light-Emitting Diodes (LEDs): Metallic Resources, Toxicity, and Hazardous Waste Classification)。他們綜合三種類型燈泡(普通白熾燈、LED和節(jié)能燈)在許多方面的情況進行了環(huán)境與資源方面的評價。
節(jié)能燈要消耗更多的銻、銅(主要是用于線圈和印刷線路板)、鐵、鉛(印刷線路板和焊料)、汞(螺旋式節(jié)能燈)、磷、釔(熒光)和鋅(防護性涂層鋼)。LED燈泡需要更多的鋁(散熱片)、銻(LED芯片)、鋇、鉻(不銹鋼)、銅(線圈)、鎵(LED芯片)、金(LED線)、鐵、鉛(印刷線路板)、磷、銀(反光涂層)和鋅(保護層)。白熾燈泡只有鎢(燈絲)和鎳。回收利用節(jié)能燈和LED燈中的金屬是非常有必要的，如銅估計有26%的巖石圈儲量已經(jīng)用于永久使用狀態(tài)或者廢棄掉。對節(jié)能燈和LED燈泡的廢棄物管理政策應包括制造商對廢棄燈泡的回收系統(tǒng)或“抵押返還”(deposit-refund)制度。此外，在產(chǎn)品上標示其潛在的危險性，讓其放入正確的垃圾分類和回收系統(tǒng)中，避免將其丟到常規(guī)的生活垃圾中。環(huán)境設計項目(Design for the Environment Program，DfE)是美國環(huán)保署1992年開發(fā)的一個項目，致力于防止污染以及給人類和環(huán)境帶來的污染風險。DfE要求在設計過程中考慮產(chǎn)品生命周期內(nèi)的環(huán)境質量問題，從材料管理一直貫穿到回收和再利用減少對環(huán)境的影響。DfE項目提供有關更安全的電子設備、更安全的阻燃劑、更安全的化學配方以及最佳環(huán)境實踐。DfE采用多種設計方法，試圖減少產(chǎn)品的生產(chǎn)、過程和服務環(huán)節(jié)(整個生命周期)中對人類健康和環(huán)境影響。補貼燈泡產(chǎn)品的回收，倒是可以激勵制造商執(zhí)行DfE程序，這樣也節(jié)省資源消耗，通過減少產(chǎn)品中的金屬含量消除了不良影響。
廢棄物毒性特性溶出程序(TCLP) 是美國環(huán)保局的一種測試方法，包括總閾值限制濃度(TTLC)和可溶性閾值限制濃度(STLC)，旨在模擬垃圾填埋場中通過水溶出而進入地下水的過程。TTLC分析可首先確定樣品中各目標分析物的總濃度。當任何目標分析物超過TTLC的限制時，這個廢棄物就可被歸為危險廢棄物，不需進一步的測試。如果TTLC沒有超出限制，其結果就用于確定STLC或廢料提取試驗(WET)是否必要。Calscience環(huán)境實驗室還需要用魚進行生物測定(96小時半致死濃度)。
經(jīng)過上述測試發(fā)現(xiàn)，由于LED燈泡需要金、銀、銻、銅，所以在資源消耗上比白熾燈高2個數(shù)量級，比節(jié)能燈高2-5倍高。對節(jié)能燈來說，在資源消耗上有重要影響的物質是銅。銀和金是稀貴金屬，在歐盟銻也列為存在資源危機的材料。雖然在美國銅還沒有達到危機的程度，但在節(jié)能燈和LED中，銅的用量非常高，是其他金屬材料的1-6個數(shù)量級，發(fā)展下去也令人擔憂。LED燈泡中金屬含量最多的是鋁、鋇、鉻、鎵，它們并會不明顯導致總資源的消耗。這里需要注意的是，在考慮供應風險上，雖然鎵在全球的儲量估計相當大，但仍被認為是一種可能面臨危機的材料，因為鎵只是作為處理鋁土礦和鋅礦石的副產(chǎn)品而獲取。相反，釔、釓和鈰雖然也屬于稀土元素，但不太會成為危機材，因為釔、鈰在全球還算儲量豐富，釓的用量非常少。
如果LED和節(jié)能燈以目前的速度持續(xù)地取代白熾燈泡，就會產(chǎn)生相當大的資源消耗，因為金、銀、銻、銅的資源供應是不足的。由于金具有低電熱阻抗，主要用于連接LED芯片中電極的導線。銀作為LED中優(yōu)良的反光涂層材料。銻是LED芯片的核心材料。銅是用于LED和節(jié)能燈中的線圈為和印刷電路板。因此，在DfE中，這些輔助的組件(非發(fā)光技術本身)是有希望進行改造和革新的，以減少其金屬含量，正如在信息和通信產(chǎn)業(yè)，光纖電纜取代銅電纜一樣。附加的例子在實際產(chǎn)品的成功的DfE可以發(fā)現(xiàn)在美國EPA DfE網(wǎng)站。除了改造組件技術，回收技術和管理策略也應該跟進，確保在LED和節(jié)能燈中回收的貴重金屬能進入再循環(huán)。
在現(xiàn)有的美國聯(lián)邦與加州州政府的法規(guī)中，通過應用基于生命周期影響和基于危害的評價方法，評估這些燈泡產(chǎn)品是否可歸為危險廢棄物。基于生命周期影響的方法，與常規(guī)的生命周期評估(LCA)是不同的，它是要量化LCA中元素的毒性潛力。節(jié)能燈和LED燈都可歸為危險廢棄物，因為可流失的鉛已經(jīng)極度過量了(分別為132 mg/L與44mg/L，而安全標準規(guī)定為5)和高含量的銅(111 000mg/kg和31600mg/kg，而安全標準規(guī)定為2500)、鉛(CFL燈泡為3860mg/kg，安全標準規(guī)定為1000)和鋅(CFL燈泡為34500mg/kg，安全標準規(guī)定為5000)，而白熾燈泡是不危險的。注意，CFL燈泡的結果中，沒有考慮燈泡汞蒸氣，實驗樣品制備過程中沒有進行捕獲)。與白熾燈相比，節(jié)能燈和LED燈具有較高的導致資源枯竭和毒性的潛力，主要是由于它們具有較高的鋁、銅、金、鉛、銀和鋅。
LED具有最高的毒性潛力，主要是由于含銅和鋁，節(jié)能燈次之，因為主要金屬是銅。這些結果與潛在毒性指標(Toxic Potential Indicator，TPI)的結果有所不同。TPI的結果表明，節(jié)能燈具有最高的毒性可能主要是由于其中含鋅和銅，其次才是含銅的LED。白熾燈泡含鋁、銅、鎳，但量很低，毒性潛力小。節(jié)能燈的具有最高的人類毒性和生態(tài)毒性潛力，LED次之。節(jié)能燈的人類毒性和生態(tài)毒性分別比LED高2.5倍和1.3倍，是白熾燈的2個數(shù)量級。考察燈泡中各金屬元素對人類毒性和生態(tài)毒性的相對貢獻，鋅和銅是最高的，分別占89-98%和74-89%。
綜合來說，節(jié)能燈和LED燈的環(huán)境潛在影響分別高于白熾燈3-26倍和2-3倍。目前的節(jié)能燈和LED燈泡技術需要進一步發(fā)展，降低整體資源消耗和毒性潛力。權衡收益與成本的綜合評估認為，從DfE生命周期角度證明尋找替代材料是很有必要，盡量減少鋁、銅、金、鉛、銀、鋅的使用。另一種方法是開發(fā)壽命更長的節(jié)能燈和LED燈泡，可減少新的資源的使用和廢棄物數(shù)量。因此，在照明產(chǎn)品開發(fā)中，要遵循保護和可持續(xù)發(fā)展政策，除了提高能源利用效率，還應該重點開發(fā)一些在不影響他們的性能和壽命的前提下，減少危險和稀有金屬含量的技術。而從資源回收角度來講，燈泡中的一些金屬其實又是非常有限的。因此，迫切需要適當?shù)膹U棄物管理措施，或者通過革新技術減少毒性物質、金屬的含量，或者延長燈泡壽命。
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