全生命周期视角下光伏组件中全氟和多氟烷基物质（PFASs）浸出定量及其生命周期评价决策支持适用性研究

《RSC Sustainability》：Providing environmental and climate-related decision support on PFASs use in photovoltaic panels from a life-cycle perspectiveOpen Access

　　

全氟和多氟烷基物质（PFASs）日益成为环境关注焦点。本研究考察光伏（PV）组件中PFASs的浸出，并将量化释放量整合到从摇篮到坟墓的生命周期评价（LCA）中，纳入使用阶段与PFASs相关的生态毒性。气候变化影响采用ReCiPe Hierarchy 2016评估，生态毒性和人体毒性采用USEtox?评估。研究人员进一步通过敏感性分析考察不同PFAS表征因子（CFs）计算方法对结果的影响。第二项敏感性分析将当前PFAS浸出率与最坏情景进行比较。PFHxA和PFOA在两类组件中均表现出最高浸出量。在所有影响类别中，组件生产是主要贡献者，而PFAS相关生态毒性对总生态毒性影响贡献不显著。估算的PFAS释放量远低于修订版欧盟饮用水指令（EU Drinking Water Directive）规定的限值。敏感性分析表明，表征因子计算方法的选择明显影响结果。两类组件全生命周期内PFAS总浸出量分别为42.5 ng和91.8 ng，在最坏情景假设下分别增加2.3倍和2.0倍。总体而言，结果表明LCA尚不够成熟，无法稳健处理PFAS相关影响，且大量数据缺口限制了LCA中PFAS评估的可靠性。需要更多实证数据和方法学发展，以增强PFAS相关影响建模的稳健性和可解释性。

全氟和多氟烷基物质（PFASs，一类自1940年代以来生产且环境持久性极强的合成有机化学品）日益受到关注，迄今在商业或前体清单中已识别约16 120种PFASs，并与其免疫毒性、肥胖等代谢紊乱及肾癌等不良健康结局相关联。欧盟委员会已在多个产品类别实施PFAS使用限制，欧洲还提出了通用PFAS限制提案并由ECHA科学委员会评估。工业界因此面临寻找PFASs替代物并遵循“化学品可持续战略”和“安全与可持续设计”（Safe and Sustainable by Design，SSbD）框架的挑战。SSbD框架包括化学品/材料危害评估、生产加工中人体健康与安全评估、最终应用中人体健康与环境安全评估以及环境可持续性评估，第四步主要关联LCA，用于比较技术或材料的环境影响。LCA中表征因子（CFs）将生命周期清单（LCI）结果转化为环境影响指标；2025年研究报告了367个PFASs的CFs，可通过USEtox表征模型和方法计算生态毒性影响CFs。然而，PFASs等两亲性化合物因特殊物理化学性质难以纳入LCA；USEtox?文档指出其暴露模型最适合非解离、非两亲性有机物，Holmquist et al. (2020)为此开发了兼容方法。LCA需要资源消耗、生产技术、排放量、排放隔室等大量信息，这些信息常缺失或难以获得，尤其对于产品质量占比较小但环境或健康关注较高的物质；欧盟和EEA物品供应商提供物质信息的阈值为0.1%（w/w），使低质量贡献但高关注物质的识别和影响贡献评估具有内在挑战。光伏（PV）组件在绿色转型中作用关键，预计到2030年占全球能源消费20%以上；研究已识别PFASs用于自清洁和抗反射涂层、封装层（即PV组件前板和背板）、电缆绝缘材料以及粘合或粘附组件，主要利用其高蒸气阻隔、优良光学透明性、增强耐候性、防污性和强粘附性能。典型平板PV组件在前板和背板层压件中引入PFAS基聚合物，引发PFAS浸出至环境的担忧；虽已推动采用玻璃前后封装的无PFAS双面PV等替代方案，但其2022年市场份额仅约20%。两类技术的PFAS含量尤其排放（如表面浸出）定量在很大程度上缺失，阻碍对人体和环境影响的恰当评估；评估无PFAS替代方案时还需理解替代是否导致相似风险（遗憾替代）或引入其他风险（权衡）。该问题也引发监管者和利益相关者关于无PFAS替代品可得性、PV模块耐久性、化学足迹评估和报废管理的讨论，包括公共机构对无PFAS太阳能板替代品和PFAS生命周期影响的关注、政府对含PFAS背板太阳能板回收和可回收设计情景的分析、太阳能行业对基于证据且比例适当的PFAS限制的呼吁，以及NGO对太阳能板PFAS废物和PV产品政策需涵盖生命周期阶段的关切。因此，理解和建立PV组件PFAS“基线”影响对于转向更优替代方案时作出知情决策至关重要。文献范围综述显示，同时涉及PFAS、LCA和PV组件的研究缺失，且缺乏任何生命周期阶段的PFAS排放定量数据。研究人员旨在：（1）通过雨水模拟试验量化双面PV组件使用阶段PFASs释放率；（2）开展从摇篮到坟墓的归因性LCA，纳入ReCiPe中点指标评估气候变化，并纳入USEtox的总人体毒性和生态毒性指标；（3）评估量化PFAS释放的相对贡献，并确定PFAS相关排放达到总环境影响1%或以上所需的CF量级；最终在SSbD框架背景下，以双面太阳能板PFAS occurrence和浸出为案例，评估当前LCA方法用于不同技术成熟度可再生能源技术化学足迹的适用性和充分性。研究结论表明，在所评估影响类别中组件生产是主要影响驱动因素，PFAS相关生态毒性贡献不显著，估算释放远低于修订版欧盟饮用水指令限值；同时LCA尚不够成熟，数据缺口限制PFAS评估可靠性，需更多实证数据和方法学发展。其意义在于为PV组件PFAS基线影响提供实验定量与LCA评估，讨论其与现行PFAS限值和拟议限制的关系，并指出当前LCA作为PFAS替代决策支持工具的局限，研究对齐SDGs 3、7、12、13、14和15。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员先开展Scopus文献范围综述；以两种商业双面PV组件（PV A、PV B，原文称由两家大型太阳能组件制造商生产）和普通玻璃对照进行模拟雨水浸出实验，面板45°倾斜、500 L水循环、约8 L min^?1连续48 h（原文称相当于北欧约50年净降水），经固相萃取浓缩后用LC-MS/MS测定22种PFASs；LCA以丹麦1 kWh光伏电力为功能单位（FU），遵循ISO 14040/14044，采用brightway2 2.4.7、EcoInvent cut-off 3.9.1，ReCiPe v1.03评估气候变化，USEtox? 2.12评估生态毒性和人体毒性，并使用Aggarwal (2025)的PFAS适配HC20EC10eq CFs；敏感性分析比较四种CF计算方法和最坏浸出情景；LCI数据主要来自Müller et al. (2021)。

研究结果：（1）Quantification of PFAS leaching from PV panels（光伏组件PFASs浸出定量）：通过模拟雨水实验，普通玻璃对照中22种PFASs有16种高于方法定量限（<0.02 ng）；PV A和PV B分别有6种和9种PFASs浓度相对对照升高>100%。扣除背景后，模拟期释放率估计为PV A 0.552、PV B 1.43 ng PFAS(22) year^?1 m^?2，该汇总释放率作为LCA输入；PFHxA和PFOA在两类面板中浸出量最高。（2）Life cycle impact assessment（生命周期影响评价）：通过从摇篮到坟墓的归因性LCA，玻璃–玻璃PV变体在所有所选影响类别中低于玻璃–聚合物替代方案，生产阶段在所有类别中主导。PFAS浸出生态毒性比总生态毒性低约10⁹倍，可忽略。气候变化方面，PV A为2.14×10^?2–2.29×10^?2 kg CO₂-eq/kWh，PV B为2.44×10^?2–2.62×10^?2 kg CO₂-eq/kWh；PV A因寿命更长使生产环境负担分摊到更多发电量，每kWh影响更低。生产阶段近70%气候变化影响来自各制造步骤用电，其中PSi制造和CzP用电约占总气候变化影响的27%和23%。生态毒性中，玻璃–玻璃PV A和B主要贡献者为装配中的铜，约占60%；玻璃–聚合物PV A和B中铜约占22%，铝框约占28%；原文将玻璃–玻璃系统相对玻璃–聚合物系统的净负影响差异归因于玻璃–聚合物系统中铝框回收产生的影响大于所避免的铝。人体毒性趋势与生态毒性一致，玻璃–玻璃PV A和B中铜约占34%、总用电约占36%；玻璃–聚合物PV A和B中铜约占30%、铝约占16%、用电约占32%。（3）Sensitivity and uncertainty analysis（敏感性与不确定性分析）：通过比较四种CF计算方法，PFAS适配USEtox HC50EC50eq法产生最低生态毒性影响潜力，非适配USEtox HC20EC10eq法产生最高影响潜力，二者差异约3个数量级；非适配USEtox CFs使两面板总生态毒性影响相似，PFAS适配CFs下面板差异更明显；非适配法中PFOA为两面板生态毒性主导贡献者，PFAS适配法中PFHxA成为主要贡献者。通过比较当前线性浸出假设与最坏情景，两类面板全生命周期PFAS总浸出分别为42.5 ng和91.8 ng，最坏情景假设下分别增加2.3倍和2.0倍。

讨论部分总结：新技术开发不可避免引入新化学品和材料，而在低技术成熟度（TRL）下，安全与可持续性定量决策支持工具常难以应用；排放因子相关知识和数据缺口即便对较高TRL材料也存在，表面活性物质如PFASs的归趋和效应测度是生命周期视角的主要障碍。研究人员以模拟雨水装置估算PFAS浸出，并作为上游识别贡献的LCA输入及下游按欧盟饮用水指令等标准评估释放。下游最坏情景假设全部PV组件相关PFASs在部署第一年释放，按北欧500 mm净降水，PV A和B释放浓度分别为0.14 ng L^?1和0.38 ng L^?1；修订版欧盟饮用水指令中20种PFASs总和限值为100 ng L^?1，若第一年释放，则分别低于限值714倍和263倍，线性浸出时浓度相应降低；雨水背景PFASs在北德为1.6–48.6 ng L^?1、丹麦约3.3 ng L^?1，故PV组件下游PFAS贡献有限。通用PFAS限制讨论中，实施和接受的occurrence阈值尚不明确，限制所识别PV组件PFAS替代方案是否适用于所有类型PV组件也不明确；限制结论认为前板和背板应用存在PFAS替代物，但替代物可能负面影响片材寿命，且含替代物PV电池是否足量供应不确定。SSbD方法学挑战包括USEtox?等LCA工具使用、转化产物纳入、跨不同链长PFAS组外推CFs，且PFAS CFs无直接验证，削弱LCA作为SSbD适用工具的透明性和可信度。使用当前LCIA工具和CFs，PV A和B PFAS浸出生态毒性影响相对PV组件全生命周期生态毒性很低；所有评估影响类别中生产阶段仍主导，PFAS释放率需增加约8个数量级才能对总生态毒性影响贡献约1%，表明在本研究假设和CFs下使用阶段PFAS浸出不太可能成为相较上游制造的主要生态毒性热点。该结果与围绕PFASs持久性、潜在人体健康效应和饮用水污染相关性的广泛风险认知形成对比；所评估面板 modelled annual PFAS releases对应浓度约低于饮用水标准200–700倍，但该比较需谨慎，因为USEtox?等影响评价模型缺乏若干PFASs的人体毒性CFs，使本LCA估计的人体毒性影响可能被显著低估，需进一步开发PFAS相关人体毒性CFs。PFAS在PV组件中的使用、数量和功能信息有限，超过80%报告条目保密，具体PFAS类型、功能角色和在组件中的分布信息稀缺，文献综述未识别PV组件PFAS应用详细描述，限制对PFAS含量和释放行为假设的验证；一项可得估计为每kg PV组件2.4×10^?4 kg PFAS，据此本研究两面板累计PFAS释放分别对应1.3×10^?9 kg PFAS/kg PV A和3.2×10^?9 kg PFAS/kg PV B，表明仅可忽略比例的潜在PFAS在使用寿命中释放；即使以该研究估计的总PFAS含量作为上限参考，使浸出对总生态毒性影响贡献1%所需PFAS量仍比面板估计PFAS含量高约3个数量级，故在当前LCIA框架和可用CFs下使用阶段PFAS排放不太可能显著贡献总生态毒性影响。报废阶段含PFAS材料通常高温热处理，先前估计850 °C以上可破坏约99.99% PFASs，但不完全燃烧可能形成含氟有机副产物，包括四氟甲烷（CF₄），其全球变暖潜势约为CO₂的7380倍；因此热处理可大幅降低PFAS污染，但需有效过程控制以减少有害燃烧副产物形成和释放，报废处理条件在评估含PFAS PV材料更广泛环境意义时仍相关。LCA具有全生命周期视角和广泛环境问题覆盖，可通过功能单位比较不同运行系统，但其综合性也构成局限，因为建模PV产品系统及量化环境影响潜力需简化、泛化和大量可获取数据；LCA不量化实际影响而量化潜在影响，遵循“最佳估计”原则，通常支持无偏比较但不考虑罕见高影响环境事故；常规LCA不能像绝对环境可持续性评估那样判定产品是否可持续，只能指示哪个产品系统相对另一系统环境表现更好。因此评估PFASs环境影响时，LCA只能提供PFAS相关毒理学影响与可比PV组件其他影响比较的洞见，不能单独判定PFASs存在或使用是否可持续，只能判定PFASs对产品系统总体影响谱贡献是否显著。USEtox?等当代表征模型声称并非为PFASs开发，当前方法学发展水平包括缺乏适用于LCA的人体毒理学数据，使其不适合从生命周期视角为PFAS使用决策支持和含PFAS技术SSbD评估提供依据；若开发并部署合适表征模型和所需数据，LCA可变得有用。

研究结论（译）：本研究评估了两种不同PV组件中PFASs的浸出及影响。研究发现，以功能单位（FU）计，两种组件释放量最大的两种PFASs分别为PFHxA 0.27 ng和1.08 ng，PFOA 0.09 ng和0.07 ng，分别对应PV A和PV B。PV A和PV B全生命周期内PFAS总释放量分别为42.5 ng和91.8 ng。LCA分析表明，在所定义FU下，组件生产是各影响类别中与组件相关影响的主要驱动因素。使用USEtox?中当前可用CFs时，PFASs相对于整个系统未对生态毒性产生显著影响。若要使PFAS释放对总影响贡献达到1%，其释放量需比当前释放量增加1亿倍。此外，采用PFAS适配CFs导致更低的生态毒性影响。从LCA角度看，当前对PFASs环境影响的理解仍不成熟，无法提供稳健或有意义的洞见；该局限主要因为PFASs的CFs仅可用于生态毒性，而不适用于其他毒理学影响类别或USEtox?以外的表征方法。因此，LCA结果仅提供PFASs在PVs中环境和人体健康影响的狭窄视角。基于现有生态毒性CFs，结果表明两种PV组件PFAS浸出未显著影响其总体影响谱，该浸出也显著低于修订版欧盟饮用水指令的PFAS总量限值。为改进LCA作为考察PFASs对环境和人体健康影响的方法，必须提高PFASs CFs的完整性。因此，结果表明LCA在当前水平不能作为功能性决策支持工具来评估替代PFASs的价值。