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白炽灯节能灯和LED灯毒性对比
来源:深圳市色彩光电有限公司   发布时间:2014-03-16

 为了履行《美国能源独立和安全法案》和《欧盟生态化设计指令》,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)与发光二极管(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-RinLim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”。

  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。因此,回收利用节能灯和LED灯中的金属是非常有必要的。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(DesignfortheEnvironmentProgram,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。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,旨在模拟垃圾填埋场中通过水溶出而进入地下水的过程。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EPADfE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132mg/L与44mg/L,而安全标准规定为5)和高含量的铜(111000mg/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(ToxicPotentialIndicator,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。