為了履行《美國能源獨立和安全法案》和《歐盟生態化設計指令》,人工照明系統從白熾燈過渡到節能燈(CFL)和LED,這是為了節省能源和減少溫室氣體排放。同傳統的白熾燈泡相比,節能燈(CFL)與發光二極體(LED)等新型燈泡可節省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能潛力的技術,然而,這些新型燈泡比傳統燈泡的設計要複雜得多,具有潛在的環境不利影響,甚至與消費類電子裝置相當。CFL和LED元件中含更多的金屬。這些元件有不確定性的潛在環境影響,當到達其工作壽命需要廢棄時,是否需要作出特別的規定呢?Seong-RinLim等在本月出版的“環境科學與技術”(Environ.Sci.Technol.)上發表了一篇文章“LED的潛在環境影響:是金屬資源,還是有毒的危險廢棄物”。
他們綜合三種類型燈泡(普通白熾燈、LED和節能燈)在許多方面的情況進行了環境與資源方面的評價。節能燈要消耗更多的銻、銅(主要是用於線圈和印刷線路板)、鐵、鉛(印刷線路板和焊料)、汞(螺旋式節能燈)、磷、釔(熒光)和鋅(防護性塗層鋼)。LED燈泡需要更多的鋁(散熱片)、銻(LED晶片)、鋇、鉻(不鏽鋼)、銅(線圈)、鎵(LED晶片)、金(LED線)、鐵、鉛(印刷線路板)、磷、銀(反光塗層)和鋅(保護層)。白熾燈泡只有鎢(燈絲)和鎳。因此,回收利用節能燈和LED燈中的金屬是非常有必要的。對節能燈和LED燈泡的廢棄物管理政策應包括製造商對廢棄燈泡的回收系統或“抵押返還”(deposit-refund)制度。此外,在產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中,避免將其丟到常規的生活垃圾中。環境設計專案(DesignfortheEnvironmentProgram,DfE)是美國環保署1992年開發的一個專案,致力於防止汙染以以及給人類和環境帶來的汙染風險。DfE要求在設計過程中考慮產品生命週期內的環境質量問題,從材料管理一直貫穿到回收和再利用減少對環境的影響。廢棄物毒性特性溶出程式(TCLP)是美國環保局的一種測試方法,旨在模擬垃圾填埋場中通過水溶出而進入地下水的過程。經過上述測試發現,由於LED燈泡需要金、銀、銻、銅,所以在資源消耗上比白熾燈高2個數量級,比節能燈高2-5倍高。
對節能燈來說,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,但在節能燈和LED中,銅的用量非常高,是其他金屬材料的1-6個數量級,發展下去也令人擔憂。LED燈泡中金屬含量最多的是鋁、鋇、鉻、鎵,它們並會不明顯導致總資源的消耗。這裡需要注意的是,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品而獲取。相反,釔、釓和鈰雖然也屬於稀土元素,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和節能燈以目前的速度持續地取代白熾燈泡,就會產生相當大的資源消耗,因為金、銀、銻、銅的資源供應是不足的。由於金具有低電熱阻抗,主要用於連線LED晶片中電極的導線。銀作為LED中優良的反光塗層材料。銻是LED晶片的核心材料。銅是用於LED和節能燈中的線圈為和印刷電路板。因此,在DfE中,這些輔助的元件(非發光技術本身)是有希望進行改造和革新的,以減少其金屬含量,正如在資訊和通訊產業,光纖電纜取代銅電纜一樣。
附加的例子在實際產品的成功的DfE可以發現在美國EPADfE網站。除了改造元件技術,回收技術和管理策略也應該跟進,確保在LED和節能燈中回收的貴重金屬能進入再迴圈。在現有的美國聯邦與加州州政府的法規中,通過應用基於生命週期影響和基於危害的評價方法,評估這些燈泡產品是否可歸為危險廢棄物。基於生命週期影響的方法,與常規的生命週期評估(LCA)是不同的,它是要量化LCA中元素的毒性潛力。節能燈和LED燈都可歸為危險廢棄物,因為可流失的鉛已經極度過量了(分別為132mg/L與44mg/L,而安全標準規定為5)和高含量的銅(111000mg/kg和31600mg/kg,而安全標準規定為2500)、鉛(CFL燈泡為3860mg/kg,安全標準規定為1000)和鋅(CFL燈泡為34500mg/kg,安全標準規定為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,實驗樣品製備過程中沒有進行捕獲)。與白熾燈相比,節能燈和LED燈具有較高的導致資源枯竭和毒性的潛力,主要是由於它們具有較高的鋁、銅、金、鉛、銀和鋅。LED具有最高的毒性潛力,主要是由於含銅和鋁,節能燈次之,因為主要金屬是銅。這些結果與潛在毒性指標(ToxicPotentialIndicator,TPI)的結果有所不同。TPI的結果表明,節能燈具有最高的毒性可能主要是由於其中含鋅和銅,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。節能燈的具有最高的人類毒性和生態毒性潛力,LED次之。
節能燈的人類毒性和生態毒性分別比LED高2.5倍和1.3倍,是白熾燈的2個數量級。考察燈泡中各金屬元素對人類毒性和生態毒性的相對貢獻,鋅和銅是最高的,分別佔89、98%和74-89%。綜合來說,節能燈和LED燈的環境潛在影響分別高於白熾燈3-26倍和2-3倍。目前的節能燈和LED燈泡技術需要進一步發展,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生命週期角度證明尋找替代材料是很有必要,儘量減少鋁、銅、金、鉛、銀、鋅的使用。另一種方法是開發壽命更長的節能燈和LED燈泡,可減少新的資源的使用和廢棄物數量。因此,在照明產品開發中,要遵循保護和可持續發展政策,除了提高能源利用效率,還應該重點開發一些在不影響他們的效能和壽命的前提下,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,迫切需要適當的廢棄物管理措施,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。