LED灯环境潜在影响：降低整体资源消耗成关键
为了履行《美国能源独立和安全法案》(U.S. Energy Independence and Security Act)和《欧盟生态化设计指令》(EU Ecodesign Directive)，人工照明系统从白炽灯过渡到节能灯(CFL)和LED，这是为了节省能源和减少温室气体排放。同传统的白炽灯泡相比，节能灯(CFL，Compact fluorescent lamp)与LED等新型灯泡可节省70~85%的能源消耗，使用寿命也大大增加，因而被认为是一种具有巨大节能潜力的技术，然而，这些新型灯泡比传统灯泡的设计要复杂得多，具有潜在的环境不利影响，甚至与消费类电子设备相当。
CFL和LED组件中含更多的金属。这些组件有不确定性的潜在环境影响，当到达其工作寿命需要废弃时，是否需要作出特别的规定呢？Seong-Rin Lim等在本月出版的“环境科学与技术”(Environ. Sci. Technol.)上发表了一篇文章“LED的潜在环境影响：是金属资源，还是有毒的危险废弃物”(Potential Environmental Impacts of Light-Emitting Diodes (LEDs): Metallic Resources, Toxicity, and Hazardous Waste Classification)。他们综合三种类型灯泡(普通白炽灯、LED和节能灯)在许多方面的情况进行了环境与资源方面的评价。
节能灯要消耗更多的锑、铜(主要是用于线圈和印刷线路板)、铁、铅(印刷线路板和焊料)、汞(螺旋式节能灯)、磷、钇(荧光)和锌(防护性涂层钢)。LED灯泡需要更多的铝(散热片)、锑(LED芯片)、钡、铬(不锈钢)、铜(线圈)、镓(LED芯片)、金(LED线)、铁、铅(印刷线路板)、磷、银(反光涂层)和锌(保护层)。白炽灯泡只有钨(灯丝)和镍。回收利用节能灯和LED灯中的金属是非常有必要的，如铜估计有26%的岩石圈储量已经用于永久使用状态或者废弃掉。对节能灯和LED灯泡的废弃物管理政策应包括制造商对废弃灯泡的回收系统或“抵押返还”(deposit-refund)制度。此外，在产品上标示其潜在的危险性，让其放入正确的垃圾分类和回收系统中，避免将其丢到常规的生活垃圾中。环境设计项目(Design for the Environment Program，DfE)是美国环保署1992年开发的一个项目，致力于防止污染以及给人类和环境带来的污染风险。DfE要求在设计过程中考虑产品生命周期内的环境质量问题，从材料管理一直贯穿到回收和再利用减少对环境的影响。DfE项目提供有关更安全的电子设备、更安全的阻燃剂、更安全的化学配方以及最佳环境实践。DfE采用多种设计方法，试图减少产品的生产、过程和服务环节(整个生命周期)中对人类健康和环境影响。补贴灯泡产品的回收，倒是可以激励制造商执行DfE程序，这样也节省资源消耗，通过减少产品中的金属含量消除了不良影响。
废弃物毒性特性溶出程序(TCLP) 是美国环保局的一种测试方法，包括总阈值限制浓度(TTLC)和可溶性阈值限制浓度(STLC)，旨在模拟垃圾填埋场中通过水溶出而进入地下水的过程。TTLC分析可首先确定样品中各目标分析物的总浓度。当任何目标分析物超过TTLC的限制时，这个废弃物就可被归为危险废弃物，不需进一步的测试。如果TTLC没有超出限制，其结果就用于确定STLC或废料提取试验(WET)是否必要。Calscience环境实验室还需要用鱼进行生物测定(96小时半致死浓度)。
经过上述测试发现，由于LED灯泡需要金、银、锑、铜，所以在资源消耗上比白炽灯高2个数量级，比节能灯高2-5倍高。对节能灯来说，在资源消耗上有重要影响的物质是铜。银和金是稀贵金属，在欧盟锑也列为存在资源危机的材料。虽然在美国铜还没有达到危机的程度，但在节能灯和LED中，铜的用量非常高，是其他金属材料的1-6个数量级，发展下去也令人担忧。LED灯泡中金属含量最多的是铝、钡、铬、镓，它们并会不明显导致总资源的消耗。这里需要注意的是，在考虑供应风险上，虽然镓在全球的储量估计相当大，但仍被认为是一种可能面临危机的材料，因为镓只是作为处理铝土矿和锌矿石的副产品而获取。相反，钇、钆和铈虽然也属于稀土元素，但不太会成为危机材，因为钇、铈在全球还算储量丰富，钆的用量非常少。
如果LED和节能灯以目前的速度持续地取代白炽灯泡，就会产生相当大的资源消耗，因为金、银、锑、铜的资源供应是不足的。由于金具有低电热阻抗，主要用于连接LED芯片中电极的导线。银作为LED中优良的反光涂层材料。锑是LED芯片的核心材料。铜是用于LED和节能灯中的线圈为和印刷电路板。因此，在DfE中，这些辅助的组件(非发光技术本身)是有希望进行改造和革新的，以减少其金属含量，正如在信息和通信产业，光纤电缆取代铜电缆一样。附加的例子在实际产品的成功的DfE可以发现在美国EPA DfE网站。除了改造组件技术，回收技术和管理策略也应该跟进，确保在LED和节能灯中回收的贵重金属能进入再循环。
在现有的美国联邦与加州州政府的法规中，通过应用基于生命周期影响和基于危害的评价方法，评估这些灯泡产品是否可归为危险废弃物。基于生命周期影响的方法，与常规的生命周期评估(LCA)是不同的，它是要量化LCA中元素的毒性潜力。节能灯和LED灯都可归为危险废弃物，因为可流失的铅已经极度过量了(分别为132 mg/L与44mg/L，而安全标准规定为5)和高含量的铜(111 000mg/kg和31600mg/kg，而安全标准规定为2500)、铅(CFL灯泡为3860mg/kg，安全标准规定为1000)和锌(CFL灯泡为34500mg/kg，安全标准规定为5000)，而白炽灯泡是不危险的。注意，CFL灯泡的结果中，没有考虑灯泡汞蒸气，实验样品制备过程中没有进行捕获)。与白炽灯相比，节能灯和LED灯具有较高的导致资源枯竭和毒性的潜力，主要是由于它们具有较高的铝、铜、金、铅、银和锌。
LED具有最高的毒性潜力，主要是由于含铜和铝，节能灯次之，因为主要金属是铜。这些结果与潜在毒性指标(Toxic Potential Indicator，TPI)的结果有所不同。TPI的结果表明，节能灯具有最高的毒性可能主要是由于其中含锌和铜，其次才是含铜的LED。白炽灯泡含铝、铜、镍，但量很低，毒性潜力小。节能灯的具有最高的人类毒性和生态毒性潜力，LED次之。节能灯的人类毒性和生态毒性分别比LED高2.5倍和1.3倍，是白炽灯的2个数量级。考察灯泡中各金属元素对人类毒性和生态毒性的相对贡献，锌和铜是最高的，分别占89-98%和74-89%。
综合来说，节能灯和LED灯的环境潜在影响分别高于白炽灯3-26倍和2-3倍。目前的节能灯和LED灯泡技术需要进一步发展，降低整体资源消耗和毒性潜力。权衡收益与成本的综合评估认为，从DfE生命周期角度证明寻找替代材料是很有必要，尽量减少铝、铜、金、铅、银、锌的使用。另一种方法是开发寿命更长的节能灯和LED灯泡，可减少新的资源的使用和废弃物数量。因此，在照明产品开发中，要遵循保护和可持续发展政策，除了提高能源利用效率，还应该重点开发一些在不影响他们的性能和寿命的前提下，减少危险和稀有金属含量的技术。而从资源回收角度来讲，灯泡中的一些金属其实又是非常有限的。因此，迫切需要适当的废弃物管理措施，或者通过革新技术减少毒性物质、金属的含量，或者延长灯泡寿命。
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