В ближайшие годы населению РФ, большинства стран СНГ и Евросоюза предстоит столкнуться с вполне объяснимым увеличением в целом пока бесконтрольного предложения ртутных люминесцентных ламп, так что тематика обеспечения безопасности их применения становится актуальной для многих. Поэтому, после публикации в пятом номере 2010 года журнала “Современная светотехника” статьи о контроле количества ртути в люминесцентных лампах, считаем целесообразным напомнить читателю: (1) законодательные аспекты и (2) реальные возможности стандартных методов контроля ртутного наполнения эффективных люминесцентных ламп (ЛЛ).
Нормативная база контроля содержания ртути в ЛЛ характеризуется, прежде всего, тем, что действующими в настоящее время на территории России санитарными правилами и нормами СанПиН [1] регламентируются предельные допустимые концентрации (ПДКHg) только свободной ртути. В том числе, в виде её паров в атмосферном воздухе населённых мест и жилых помещений (индекс — «ж») — ПДКHgж=0,0003 мГ/м3,
указаны ПДКHgр = 0,005 мГ/м3 — среднесуточная норма в рабочих помещениях (индекс — «р»), в которых допускается кратковременная (индекс — «к») работа при концентрации ртутных паров не более ПДКHgк= 0,01мГ/м3. При этом в перечнях СанПиН [1] ртуть содержащие соединения не представлены — отсутствуют ПДК по широко применяемым в электроламповом производстве современных энергоэкономичных конструкций ЛЛ составам ртутных амальгам и интерметаллических соединений. То есть, строго говоря, ограничений применения связанной ртути в ЛЛ нет, но из общих положений следует, что ртуть содержащие элементы и соединения, вводимые внутрь лампы, должны соответствовать нормам [1] по концентрации паров ртути над ними в окружающих условиях жизнедеятельности человека.
Нет и единых, признанных всеми странами международных норм по содержанию массы ртути МHg, введённой в ЛЛ. Такие данные по МHg большинство фирм указывало только в технологической и в рекламной документации. Вместе с тем, федеральный закон «Технический регламент о безопасности низковольтного оборудования» [2] установил обязательность указания массы содержащейся в лампе ртути в маркировке, этикетке или в сопроводительной документации. В 2009 году разработан и утвержден [3] ГОСТ Р (МЭК 60968-2010), в разделе которого «Эксплуатационные требования» установлено техническое требование того, что количество ртути в каждой лампе любой конструкции должно быть «не более 5 мг». Но срок введения в действие [2, 3] пока не установлен.
Поскольку официальные обязательные (на уровне МЭК) требования к качеству ЛЛ и, в частности — к компактным люминесцентным лампам (КЛЛ) отсутствуют, то, подобно европейской практике, на добровольной основе может выдаваться «экоярлык» или «экологический паспорт», в котором должна содержаться информация о количестве ртути в лампе. Организационные механизмы и общие методические рекомендации выполнения работ предприятиями-изготовителями ЛЛ по обеспечению их ртутной безопасности, как необходимой составляющей качества продукции, в полной мере определяются и регламентируются действующими у нас международными системами обеспечения качества — ИСО [5] и добровольной сертификации [6] продукции.
На многое повлиял запрет [4] применения ламп накаливания, в т.ч. и на незаслуженное отрицательное отношение к современным эффективным конструкциям ЛЛ. В сравнении эффективности средств освещения, думается, не следует исходить только из названия. Общеизвестно, что в ЛЛ используется высокоэффективная генерация ультрафиолетового излучения в плазме ртутного разряда низкого давления. Для этого в ЛЛ требуется оптимальная концентрация ртути всего около (6—7)10-5 мг/см3. Для получения максимальной световой отдачи в стандартных ЛЛ, например — мощностью 20 Вт, выполненных к колбе диаметром 38 мм, необходима, в частности, концентрация паров ртути, примерно равная 6,2·10-5 мг/см3, т.е. эффективно работает в такой полулитровой лампе только 3,1·10-2 мг ртутных паров. Конечно, риск разгерметизации — разбить лампу — существует. Он повышен при перемещении лампы, при установке и замене ламп в светильниках, но особенно опасен в освещаемых местах постоянного нахождения людей. Поэтому к атмосфере воздуха населённых мест предъявляются самые жёсткие предельно допустимые нормы — 0,0003 мг/м3.
В свете действующей нормативной базы [1—3] безопасность ртутных люминесцентных ламп обеспечивается и означает, что в любых ситуациях их использования, давление паров над ртутью, которая может выйти в окружающую среду из лампы при её разгерметизации, не должно [1] превышать ПДКHgж=0,0003 мГ/м3.
Именно такая лампа — всегда обеспечивающая выполнение норм [1], и является безопасной, в частности — по ртути, содержащейся в ней.
На территории Российской Федерации рекомендован, согласно [3], отечественный способ [7] неразрушающего контроля массы ртути в ЛЛ, основные принципы и схема измерений которого изложены в [7—9], в том числе — сравнительно подробно, разнопланово и критически в [8—9]. Разработанный нами способ [7] контроля базируется на тестовом процессе, основной характеристикой которого является зависимость напряжения горения U контролируемой лампы в режиме тлеющего разряда. При неизменном токе в условиях повышения температуры Т
среды, окружающей лампу с внутренним объёмом V, измеряется кривая напряжения на лампе U(Т). Температура колбы, соответствующая точке перегиба (бифуркации) кривой U(Т), есть температура Тис полного испарения всей ртути массы М, находящейся в объёме лампы. При температуре Т ≥ Тис вся ртуть находится в парообразном состоянии.
Когда вся ртуть находится в парообразном состоянии, из уравнения состояния:
(1) |
где V — внутренний объем лампы, μ — молекулярный вес ртути, R — универсальная газовая постоянная, определяется искомая масса ртути М.
Полезным в оперативной практике контроля может стать обобщенный расчетный материал по справочным данным [10—13], представленный в таблице 1. Данные этой таблицы для давления насыщенных ртутных паров Р в зависимости от Т совпадают с хорошей точностью с величинами, полученными по расчетной формуле [10]:
(2) |
где P — давление ртутного пара, мм. рт. ст., T — температура пара, К.
Т, [К] |
Т, [0С] |
Р, [мм.рт.ст.] Обоб. данные |
353,2 |
80 |
0,0885 |
363,2 |
90 |
0,159 |
373,2 |
100 |
0,276 |
391,7 |
118,5 |
0,73556 |
399,4 |
126,2 |
1,0 |
401,6 |
128,4 |
1,1769 |
407,8 |
134,6 |
1,47112 |
417,3 |
144,1 |
2,20668 |
423,2 |
150 |
2,802 |
427,3 |
154,1 |
2,94224 |
434,7 |
161,5 |
3,67780 |
442,1 |
168,9 |
5,88448 |
448,2 |
175,0 |
7,3556 |
457,2 |
184,0 |
10,0 |
459,8 |
186,6 |
11,0334 |
462,1 |
195,0 |
14,7112 |
473,2 |
200 |
17,81 |
Поскольку в люминесцентных лампах содержится, как правило, от нескольких до 10—20 миллиграмм ртути, а их объем порядка 102—103 см3 , в таблице 2 приведены для примера расчетные величины массы ртути в колбе лампы с объемом 103 см3 для различных температур Тис.
Тис, °С |
80 |
90 |
100 |
110 |
120 |
130 |
140 |
150 |
160 |
170 |
180 |
190 |
200 |
М, мГ |
0,84 |
1,5 |
2,5 |
4,0 |
6,3 |
9,8 |
15 |
22 |
32 |
46 |
64 |
89 |
122 |
Например, если в стандартной (длина трубки 120 см, внутренний диаметр 3,65 см) 40-Вт испытуемой лампе с объемом ~ 1,3 литра величина Тис оказалась равной 140°С, то масса свободной ртути в ней примерно равна 18,7 мГ.
Относительная погрешность δ = (ΔМ/М) расчёта М определяется реально достижимой точностью — ошибкой ΔТ оценки температуры полного испарения ртути и определения внутреннего объёма ΔV лампы [7, 8]. По данным [8] максимальное значение относительной ошибки ΔМ составляет 13—15% при ошибке определения Т в пределах ΔТ = ±3К, когда ΔV составляет не более 3% от V. Обобщение результатов многократных оценок содержания ртути в образцах ЛЛ с заранее заданным (для градуировки) содержанием ртути показало, что относительная ошибка наших измерений не превышала 3,7%, что для практики более чем хорошо. Разработка процедур контроля содержания ртути в изготовленных лампах, анализ состояния производства, оптимизация алгоритма контроля, правил приемки и регламента коррекции технологических режимов изготовления ЛЛ проводилась, руководствуясь аппаратом [14].
Таким образом, то, что уже изобретено и многие годы использовалось в отечественной практике производства и разработки источников света, вполне может служить надёжным средством контроля и отбраковки на рынках сбыта люминесцентных ламп — товара широкого народного потребления и практически повсеместного использования — не соответствующих нормам содержания ртути. Однако, для того, чтобы иметь стандартные средства государственных служб контроля, например — таможни и Роспотребнадзора, требуется под давно разработанную оптимальную методику контроля необходимое тиражирование установок.
Конечно, эффективные методы контроля содержания ртути найдут своё должное место и в технологическом контроле производства современных и стандартных ЛЛ, как минимум — для оперативной коррекции технологических режимов изготовления ЛЛ. Это реальная «ниша потребления» уже существующих разработок. Практика и результативность разработки ламп зависят от используемых исходных ламповых материалов, от технологических режимов изготовления ламп, используемые вариации сочетаний которых, как известно, широки. В этом нельзя не отметить возможности разработанного нами способа определения ЛЛ с малым (<10мг) содержанием ртути. Он позволяет оперативно проводить мониторинг скорости и количества выделяемой ртути из разного вида ртутных дозаторов ЛЛ, интенсивности поглощения ртутных паров внутри ламп — по всему сроку службы — без нарушений заданного для неё режима работы. Отметим, что им пользовались и для анализа продукции массового производства ЛЛ.
Имеются и другие новые патентоспособные технические решения. В частности, на лампах технологического назначения проверены основные принципы конструирования безопасных по ртути ЛЛ. К настоящему моменту разработаны заявочные материалы и рабочие инструкции:
– по средствам непрерывного контроля ЛЛ в процессе их изготовления,
– по алгоритму автоматизированного контроля ЛЛ на содержание ртути,
– по организации и оснащению контроля содержания ртути в ЛЛ.
Таким образом:
– контроль, отсекающий продажу потенциально опасных, по содержанию ртути, люминесцентных ламп для населения России необходим и реально возможен;
– установленные в России нормы и правила, общие принципы методологии контроля и сертификации для обеспечения безопасности продукции вполне достаточны, что, разумеется, не исключает необходимости их уточнения и совершенствования. Но, главное — надо ввести их действие.
ЛИТЕРАТУРА
Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны.
2. Федеральный закон «Технический регламент о безопа сностиз низковольтного оборудования» № 347-ФЗ от 27 декабря 2009.
3. ГОСТ Р(МЭК 60968-2010) «Лампы со встроенными пускорегулирующими аппаратами для общего освещения. Требования безопасности».
4. Федеральный закон РФ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» №261-ФЗ от 23 ноября 2009.
5. ГОСТ Р ИСО 9001-2008 Системы менеджмента качества. Требования.
6. Ширчков, В.Н. Сертификация электротехнической продукции: Монография / В.Н. Ширчков, А.И. Терешкин, Т.А. Рожкова, Н.В. Ширчков. — Саранск.: СВМО, 2006. — 124с.
7. Кирсанов, Р.Ф. Способ неразрушающего контроля массы ртути в люминесцентных лампах / Р.Ф.Кирсанов, В.С.Николаев, М.А.Мальков, Л.И. Ефремова, В.Н. Ширчков, С.Ю.Сажин, А.А.Прытков // А.С. СССР № 1661865 АJ.. — Опубл. 17.07.91, Бюлл. №25.
8. Ширчков, Н.В. Методы испытаний, контроля параметров для сертификации светотехнических изделий: Дисс. канд. техн. наук / Н.В. Ширчков. — Саранск.: Мордовский государственный университет, 2008. — 152с.
9. Федоренко, А.С. Создание метода и средства контроля количества ртути в люминесцентных лампах / А. Горбунов, А.С. Федоренко, А.А. Ашрятов // Современная светотехника. — 2010. — № 5 (6). — с.75—77.
10. Капцов Н.А. Электрические явления в газах и вакууме. М.-Л.: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1947, 808с. (стр.702).
11. Гавзе М.Н. Взаимодействие ртути с металлами и сплавами / М.Н. Гавзе. — М.: Изд-во «Наука», 1966. — 160с.
12. Кэй, Дж. Таблицы физических и химических постоянных / Дж. Кэй и Т. Лэби. — М.: Физматгиз, 1962. — 248с.
13. Дэшман, С. Научные основы вакуумной техники / С. Дэшман. — М.: ИЛ, 1950.
14. Левин, С.И. Статистические методы контроля и анализа качества источников света / С.И. Левин. — М.: Изд-во стандартов, 1968. — 167 с.