白炽灯节能灯和LED灯毒性对比
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2020-10-19
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白炽灯节能灯和白炽灯节能灯和LED灯毒性对比灯毒性对比
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.
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。
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