废LED的环境风险和资源回收潜力探析

曹 悦，刘展鹏，贺文智，李光明，黄菊文

(同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)



废LED的环境风险和资源回收潜力探析

曹 悦，刘展鹏，贺文智，李光明，黄菊文

(同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

在LED产品大规模使用的同时，技术进步与产品更新换代导致废LED的产生量巨大。当LED结束功能使命废弃后，若处置不当，将对环境与人类健康造成危害。但废LED本身具有一定的资源化潜力，若采取科学有效的方法进行处理，则不仅能够消除污染，还将为国民生产提供原料，获得环境与经济的双重效益。通过分析我国废LED的产生趋势，基于LED的结构与组成，探析了废LED潜在的环境风险与资源回收潜力。

LED；环境风险；资源化；回收潜力

引言

相比以白炽灯、荧光灯为代表的传统光源，发光二极管(LED)具有节能、环保、安全等优点，现已广泛用于室内照明、交通运输照明、景观照明、汽车照明等[1]。

随着LED的快速普及和产品更新换代速度的加快，大量报废的LED以及生产过程的残次品与边角废料必将产生，由此引起的环境与资源问题值得关注。本文对废弃LED的未来发展趋势进行了分析，基于LED材料组成特性对废弃LED潜在的环境风险及其资源化潜力进行了探析。

1 废LED产生趋势分析

随着技术的进步，加之政府扶持，我国LED行业发展迅速，产业规模逐年快速递增。

由图1可见，从2006年至2013年，我国LED产业的各环节的产业规模大幅增长，应用规模从2006年的200亿元增长到2013年的2068亿元，总增长率维持在30%左右的水平。高工LED产业研究所数据显示，2014年上半年，我国LED行业总产值规模达1565.5亿元，全年将突破3000亿元[2]。

图1 2006—2013年我国LED产业各环节的产业规模及增长率[1]Fig.1 Scale of LED industrial links and its growth rate 2006—2013

在LED发展较为成熟的照明产业中，到2015年，60 W以上普通照明用白炽灯全部被淘汰，白炽灯市场占有率降到10%以下，节能灯等传统高效照明产品市场占有率稳定在70%左右，LED功能性照明产品市场占有率增至20%以上[3]。LED照明产品在节能减排中的重要作用使其受到政府与市场的重视，LED照明产业也必将在2016年取得进一步的发展[4]。另外在背光领域，LED由于其低能耗、高画质、长寿命及环保等诸多优点迅速占领市场。目前，中小尺寸平板电脑背光中，LED渗透率已接近100%，智能手机LED背光渗透率也已达到80%左右，在电脑显示器、LCD电视等大尺寸背光领域，LED的渗透率也已接近100%[2]。

理论上LED显示屏的使用寿命为3～10年， LED灯泡的使用寿命为5～10年。但是随着科技的进步与产业的发展，产品更新换代的速度也在加快，很多早期进入市场的LED产品已经被淘汰，面临报废的问题。对于电脑、手机这类更新换代更为快速的电子电器设备来说，由于设备报废而随之产生的废LED量将十分巨大。资料显示，到2031年，笔记本等微型计算机的理论报废量将从2014年的0.55亿台激增至近1.5亿台[5]。对于手机，即使是保守估计，2010年全国的废弃量也已接近1.5亿部，2013年已高达到6.47亿部[6-7]。可见，由电子电器设备的报废所产生的废LED将给我国带来巨大的处理压力。

2 LED的结构与材料组成

LED器件的核心是LED芯片，其结构如图2所示，主要由支架、银胶、金线、晶片和环氧树脂封装5部分组成。

图2 LED芯片的结构Fig.2 Structure of LED chip

2.1 晶片

晶片是LED的主要组成物料，是发光的半导体材料，其功能是将电能转化为光。图3是正装结构的LED晶片的基本结构。

图3 正装结构的LED晶片的基本结构Fig.3 Structure of normal LED chip

从图3中可知，LED晶片主要包括金属反射层，蓝宝石衬底，p极，n极，电流扩散层，以及p-GaN和n-GaN等。LED晶片主要由砷(As)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、磷(P)、氮(N)、锶(Sr)等元素中的若干种组成。而主要材料包括磷化镓(GaP)、镓铝砷(GaAlAs)或砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等。目前市面上主要有3种材料可以作为晶片的底衬，即蓝宝石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)，除这三种常用材料外，还有GaAs、AlN、ZnO等材料[8]。

2.2 封装树脂

封装树脂主要用于保护内部结构，其主要成分为环氧树脂、酸酐类、高光扩散性填料及热安定性染料。而封装树脂主要由A胶(主剂)、B胶(硬化剂)、DP(扩散剂)、CP(着色剂)四部分组成。而封装胶粉中除了环氧树脂，还含有固化剂、促进剂、阻燃剂、脱模剂、填料、颜料、润滑剂等[9]。目前所使用的封装材料包括环氧树脂、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃、有机硅等高透明性材料[10]。一般来说，用于封装树脂中的环氧树脂有双酚A系(BISPHENOL-A)、酚醛环氧树脂(NOVOLAC EPOXY)、环状脂肪族环氧树脂(CYCLICALIPHATIC EPOXY)、环氧化丁二烯等[9]。而常用的环氧树脂固化剂有脂肪类、脂环胺、芳香胺、聚酰胺、酸酐等，常温或低温固化一般用胺类固化剂，加温固化一般用酸酐、芳香类固化剂。阻燃剂可分成有机与无机两种，有机系为溴化的环氧树脂或四溴化双酚A，无机系则为三氧化二锑的粉末。常用的改性剂有聚硫橡胶、聚酰胺树脂、酚醛树脂、聚酯树脂等[11]。

2.3 其余组成部分

支架的作用是导电和支撑，主要由一些铜，镍，银等素材通过电镀而形成。银胶的作用是固定晶片和导电，主要成分为75%～80%的银粉，10%～15%的环氧树脂和5%～10%的添加剂。金线主要起连接和导通作用，一般含99.99%的金[12]。

3 废LED的环境风险与资源回收潜力

3.1 废LED的环境风险

如上所述，LED组成材料复杂，其中所含的镍、铜、铝等金属，镓、铟、砷等半导体元素，以及固化剂、阻燃剂等有机物均具有不同程度的环境健康风险(如表1所示)[13-25]，当其结束功能使命废弃后，若处理处置不当，必然会对生态环境造成严重污染，同时对人体健康造成威胁。

表1 LED的主要材料组分及其潜在环境健康风险Table 1 Main materials of LED and its potential environmental health risks

以重金属与溴代阻燃剂为例，重金属不能被生物降解，进入环境后将在土壤、水体、底泥等环境介质中富集，通过生物放大作用，最终影响人类健康；溴代阻燃剂属于持久性有机污染物，一旦进入环境中，短时间内很难被完全降解。这些污染物进入土壤后将改变土壤的组成与结构，破坏土壤功能，影响植物的生长。在一些典型电子垃圾拆解地的土壤中，部分采样点的重金属监测浓度为对照区域的100～1 000倍[26]。粗放拆解将造成地表水体的污染，天然降水和地表径流会将污染物带入地下水。如果人们将包括废LED在内的电子废弃物直接倾入水体，那么所污染的水量远远超过一个人一生所用水之和[27]。大气中的污染物将对陆生动植物造成潜在的暴露风险。监测数据显示，电子垃圾拆解场附近的灰尘中Cu含量是对照区域的300倍以上，大气中多溴联苯醚(PBDEs)的浓度最高为周边对照点的7倍，焚烧产生的一系列卤代二英也是一种潜在威胁[26, 28]，而处理处置不当的废LED无疑将进一步加重污染。

3.2 废LED的资源回收潜力

由上文分析可见，废弃的LED若处理处置不当，是潜在的污染源，但从物质的循环与转化角度来看，其中所含的一些元素与物质均具有重要的回收价值。以贵金属金和稀有金属铟为例，由于金在LED中的含量远远超过其在地球组分中的含量，对其进行回收的成本远远低于开采矿山的成本。铟是制造低熔合金，半导体，电光源的原料，同时作为一种战略金属，其在国防中也有重要的应用。但由于还未发现独立铟矿，工业方法对于金属铟的开采回收率较低，从废LED中分离回收金属铟将是一种高效可行的方法。目前已有学者通过离子交换法对废LED中的金进行分离与回收，并取得了较好的效果[29]。而半导体材料中的镓、铟等元素，可以通过热解，物理解离，真空冶金等方法进行分离[30]。环氧树脂的资源化手段主要有热解回收法，物理回收法以及化学回收法，经回收处理的环氧树脂可用作工业原料[31-33]。对于废LED的其他部分也可以做一些资源化尝试，例如晶片中蓝宝石的直接回收再利用以及银胶中银的分离回收等。因此，采用科学的方法对废LED进行资源化处置，不仅能够有效消除其环境风险，还可取得可观的经济效益，推进该产业的可持续发展。

4 结语

伴随着LED快速普及及其产品更新换代速度的加快，大量结束功能使命的LED已经或即将进入报废期。由于材料组成复杂，且含有多种有毒有害物质，废弃LED的生态环境风险和资源化潜力值得关注。面向逐渐来临的大量废弃LED回收处理压力，应基于LED结构特点，研究形成有效的资源化策略，鉴于LED寿命较长的特点，分析制定拆解分类、拣选回用规范，基于LED组成材料特性，研发科学有效的无害化与资源转化技术与装备，进而最大限度地实现废弃LED的资源化并消除其生态环境风险。

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Analysis on the Environmental Risks and Recycling Potential of Waste LED

CAO Yue, LIU Zhanpeng, HE Wenzhi, LI Guangming, HUANG Juwen

(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Along with the large-scale application of LED products, technology development and production upgrade also lead to huge amount of waste LED. It will harm the environment and human health if the waste LED is treated inappropriately. However, waste LED has real recycling potential, the pollution will be eliminated if some effective scientific methods are adopted. Meanwhile some raw materials can be reclaimed for domestic production. Under such circumstance, both environmental and economic benefits will be achieved. Through analyzing the generation trend of waste LED in China, the potential environmental risks and recycling potential was explored based on the structure of LED.

LED; environmental risks; resource utilization; recycling potential

上海市科学技术委员会科研计划项目(14DZ0511700)

贺文智，E-mail：hithwz@163.com

X705

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.027