Прощай, ртуть!
А много приборов с ртутью вы видите вокруг себя? Этот пост о ртути и ртутных приборах, которые были заменены такими же, или даже лучше, но без использования ртути в конструкции.
Что не так с ртутью?
Человечество знакомо с ртутью так давно, что уже никто не помнит первооткрывателя. Применений для нее было много, о ее токсичности знали… но не придавали большого значения. Ртуть широко использовали в технике — раньше это считалось допустимым, также, как в автомобиле ford T не было ни подушек безопасности, ни ремней безопасности. Но прогресс диктует все более строгие требования к комфорту и безопасности, и допустимое становится неприемлемым.
Почему ртуть была популярна в технике:
- Она жидкая в широком диапазоне температур — от -38 до +356 С
- Она, как и все металлы, проводит ток
- У нее высокая плотность. Литр ртути тянет на 13.5 килограмм. Сталь плавает в ртути как полено в озере.
- У ртути большое поверхностное натяжение и плохая смачиваемость. Она на большинстве поверхностей собирается в шарики.
- Пары ртути легко ионизируются и излучают с разными длинами волн.
- Так как она жидкая при комнатной температуре, она способна растворять в себе другие металлы, образуется амальгама — сплав ртути с чем-либо
Почему от ртути отказываются?
Ртуть ядовита, при этом способна путешествовать по пищевым цепочкам, причем с биоаккумуляцией. Это в том числе и вызвало болезнь минамата — когда оказалось, что живность в море умудряется неорганические соединения ртути превращать в органические, да и накапливать их в концентрациях много превышающих концентрацию в окружающей воде. И человечество слив ртуть в окружающую среду получает ее обратно, концентрированную, у себя в тарелке.
А мы в детстве гоняли шарики ртути и ничего не было!
Тут будет уместно вспомнить этого легендарного директора завода Толубая Салиева:
Металлическая ртуть химически слабо активна, поэтому у металлической ртути (и ее паров) малая биодоступность — она не оставляет ожогов, следов на коже, не не заставляет падать замертво любого, вдохнувшего полной грудью. Но если по какой то причине ртуть из металлической формы станет солью, прореагировав с чем-то — то она становится способной усвоиться в организме и отравить его. Особенно удивителен контраст в токсичности металлической ртути, и ртути органической, когда ртуть становится частью органической молекулы. Например диметилртуть.
Диметилртуть настолько токсична, что капли хватит убить несколько человек (LD50=50 мкг/кг). В 1997 году профессор Карен Элизабет Веттерхан пролила всего пару капель диметилртути на перчатки (!). Как потом оказалось, эта дрянь хорошо проникает сквозь обычные латексные перчатки и всасывается через кожу. Профессор умерла через несколько месяцев, не смотря на терапию. Именно из-за токсичности химики стараются не связываться с этим соединением без особой необходимости — слишком ядовитое.
Так опасно или нет?
Ртуть при регулярном поступлении способна травить организм, поэтому шарик ртути из термометра закатившийся в щель пола будет отравлять вас. Наверняка вы даже не умрете, но качество жизни снизится — здоровье можно потерять раньше времени. Если в окружающей среде вокруг вас содержится много ртути — это сократит вашу жизнь, поэтому отказ от ртути в технике и при производстве — правильный шаг, это уменьшит ее поступление в природу, и в итоге в ваш организм.
Иногда ртуть добавляют специально (например тиомерсал — консервант в вакцинах), но это происходит строго контролируемо и заметного вреда не наносит, так как концентрация ниже ПДК. Скандал о том, что якобы ртуть в вакцинах вызывает аутизм закончился расследованием и подтверждений не нашли, ученого поймали на подлоге и обмане. Но как в анекдоте — ложечки то нашлись, а осадочек остался.
А мы проживем без ртути?
Это очень интересный вопрос, ради чего пост и писался, надеюсь на мудрые мысли в комментариях. Обсуждение с друзьями и коллегами привело меня к следующим умозаключениям:
- Ртуть в быту не нужна, и без нее можно прожить. Для всех бытовых задач есть решения без ртути, при этом цена изделий растет не значительно
- Ртуть на множестве производств можно заменить чем-то другим, начиная добычи золота, заканчивая химическим синтезом.
- Ртуть в метрологи стоит оставить. Метрологов не так много, дисциплина у них выше, чем у обывателя, а ртутные приборы обладают неплохой точностью.
- Ртутные лампы можно заменить, но если для бытового освещения уже практически проблема решена, то для жесткого ультрафиолета недорогих решений пока нет.
Термометры лабораторные
Ртуть наверное самая лучшая жидкость для термометров — она жидкая в широком диапазоне температур, она не смачивает стекло, она непрозрачна. Лабораторные термометры бывают на различные диапазоны температур, различной точности — имеющие тонкий капилляр имеют цену деления 0,1 С. У меня есть термометр для троллинга — он имеет цену деления в 0,1С в районе кипения воды. В Екатеринбурге вода кипит при 99С — сказываются 300 метров над уровнем моря. Недостаток ртутных термометров — хрупкость, да и ртути в таком термометре чуть больше, чем в медицинском.
Оригинальным решением для автоматики было создание электроконтактного термометра — в капиляр вваривается проволочка, которая служит электродом. Когда столбик ртути достигает проволочки — цепь замыкается. Есть версии, где положение проволочки можно менять, настраивая нужную температуру срабатывания. Есть, как на этом фото, где положение жестко задано, например 70 С:
Электроконтактные термометры были популярны до 70х, поскольку позволяли создавать очень простую автоматику управления нагревателями/холодильниками.
Чем заменены: Электронные термометры (с термопарой или терморезистором). Электроконтактные термометры заменены современными приборами автоматики, к которым подключаются термопары/терморезисторы. Для любителей аналоговых приборов лабораторные термометры выпускаются с галинстаном — внешне точь-в точь как ртутные.
Термометры медицинские
Почти в каждом доме есть термометр для определения температуры тела. Его особенность — он работает в узком диапазоне температур (25-45 градусов Цельсия), но обеспечивает точность в 0,1 С. На фото два термометра, присмотритесь к ним внимательно:
Левый без ртути, правый ртутный. Внешне и не скажешь, что они различаются. На замену ртути компания Geratherm придумала сплав из 68,5% Галлия, 21,5% Индия и 10% Олова. Получился сплав, который жидкий в диапазоне температур (-19 +1300), не токсичный, отлично походящий на замену ртути, правда чуть дороже и требующий некоторых технологических приемов, так как отлично смачивает стекло. Альтернативой галинстановым термометрам могут быть электронные:
Но их часто и небезосновательно ругают за неточность. Поэтому моя рекомендация — купить галинстановый термометр. Кроме Geratherm их производство освоили в китае, что благоприятно сказалось на цене. На фото немецкий термометр купленный на ebay и китайский, купленный в Ашане:
Единственное отличие при использовании термометра дома — галинстановый нужно встряхивать гораздо сильнее, для сброса показаний.
Рутный счетчик времени
Благодаря отзывчивому читателю моей книги у меня есть в коллекции ртутный счетчик времени работы:
Подробный обзор у Бена Краснова:
Гениальный в простоте и надежности счетчик времени работы, на базе кулонометра. Разрыв столбика ртути в капилляре — это капля электролита. При подаче напряжения ртуть с одного конца капли растворяется и восстанавливается на другом конце капли. Чем дольше приложено напряжение — тем дальше путешествует капля. Такие счетчики встречались на советских приборах.
Чем заменили: кварцевые электромеханические счетчики времени работы (счетчик моточасов), по характеристикам не хуже ртутных.
Ртутные манометры
Еще один ртутный прибор в моей коллекции. Ртутный сфигмоманометр 1962 года выпуска, он же аппарат Рива-Роччи. Вы видели наверняка, что давление на тонометрах указывается в миллиметрах ртутного столба — так вот он, этот ртутный столб:
Прибор примечателен тем, что он точен по определению — нет лишних преобразований — мы сразу видим ртутный столб, который уравновешивает давление в емкости справа. Теоретически ртуть можно заменить любой другой жидкостью, и измерять например в миллиметрах водного столба — но габариты прибора получились бы слишком большими.
Чем заменили: Стрелочные манометры с пружиной Бурдона, в качестве чувствительного элемента — от давления воздуха пружина изгибается и двигает стрелку. Позже появились полностью автоматические электронные тонометры, где давление измеряется электронным датчиком, в котором давление воздуха деформирует мембрану. Единственным преимуществом ртутного прибора является его точность и наглядность, поэтому в начале поста я указал про метрологию.
Ртутные датчики положения
Ртуть широко использовалась в различных датчиках положения — при наклоне в герметичной колбе переливалась ртуть, замыкая, или наоборот размыкая контакты. Колба герметична, поэтому контакт очень надёжен и не потеряется из-за окисления или пыли. Такие датчики можно встретить например в различных обогревательных приборах — если прибор падает на бок, то отключается, иначе есть риск пожара.
На фото китайский прибор «антисон», который имеет внутри ртутный переключатель и никаких знаков, что его нельзя утилизировать как бытовой мусор! Справа крупным планом ртутный датчик из модуля для ардуино — детского радиоконструктора. Причем крайне низкая стоимость датчика и легкомысленность обращения с отходами у нас в стране говорит о том, что ртуть окажется на свалке почти гарантированно:
Чем заменили: комбинации контактов и металлического шарика, груз и микровыключатель, MEMS гироскопы. Почти всегда можно найти приемлемую по надежности безртутную альтернативу.
Ртутные лампы
Если вы и встречаетесь с ртутью, то почти наверняка в источниках света. До широкого распространения недорогих и эффективных светодиодов ртутные люминесцентные лампы были основным источником света в учреждениях. Люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL) — до недавнего времени использовались в мониторах как лампа подсветки (даже сейчас, набирая этот текст я смотрю в монитор, у которого подсветка на лампе CCFL). Компактные скрученные в спираль компактные люминесцентные энергосберегающие лампы — ночной кошмар эколога, выбрасывались с бытовым мусором повсеместно. Ну и наконец кварцевые лампы — источник жесткого ультрафиолета. Посмотрите на фото, все эти лампы содержат пары ртути:
Слева — CCFL лампа подсветки сканера. Такие же длинные трубки используются для подсветки экранов телевизоров и ноутбуков. Рядом — бактерицидная лампа — лампа с прозрачной колбой из специального стекла — источник жесткого ультрафиолета для дезинфекции помещений, вы такие могли видеть в больницах, только покрупнее. Смотреть на такую нельзя — вызывает ожоги глаз и кожи. Справа линейная люминисцентная лампа — похожа на предыдущую, но имеет внутри на стенках люминофор, который перерабатывает ультрафиолет в видимый свет. Правее — энергосберегающая лампа с компактной люминесцентной лампой и электронным ПРА. Ну и крайняя справа — ртутная дуговая лампа — источник света светолучевого осциллографа, у нее небольшой срок службы, но их использовали в различной специфической оптической аппаратуре за то, что они давали компактный точечный источник света, с которым удобно работать.
На фото — УФО-Б, бытовой ультрафиолетовый облучатель с таймером и ртутной дуговой лампой, производство СССР.
Чем заменили: Для видимого света сейчас широко используются светодиоды, у них уже приемлемая цена, цветопередача и КПД. Энергосберегающие лампы с компактной люминесцентной лампой уже практически не встречаются в продаже. С лампами — источниками ультрафиолета все сложнее. Если UVA несколько лет назад научились генерировать светодиодами и появились в широкой продаже недорогие УФ светодиоды, то с жестким ультрафиолетом (который обладает бактерицидной активностью) все гораздо хуже, светодиоды есть но очень дорогие и с очень низким КПД, ртутные лампы уделывают их почти по всем параметрам. Но если внезапно завтра совсем запретят ртуть — есть эксимерные лампы, способные давать жесткий ультрафиолет, и не имеющие ртути в составе.
Игнитроны
Одни из первых выпрямителей переменного тока, широко использовались вплоть до 50х годов, в последствии были заменены полупроводниковыми выпрямителями (купроксными, селеновыми, а позднее германиевыми и наконец кремниевыми).
Игнитроны исполинских размеров использовались на тяговых подстанциях, и даже кое-где их можно увидеть, как живой музейный экспонат. Современные кремниевые диоды лучше во всем — компактнее, надежнее, эффективнее.
Нормальный элемент
И это не шутка, он именно так и называется «нормальный элемент» — это гальванический элемент (батарейка, но так называть его формально не верно — элемент один, а не последовательность из нескольких), который дает очень точное напряжение. Внутреннее сопротивление велико, поэтому много электричества с него не получить, но для измерений его достаточно. Вот нормальный элемент из моей коллекции:
А вот какой он внутри — нормальный элемент Вэстона:
Как видно, ртути в нем прилично. А еще кадмия, который тоже ядовит. К-к-к-комбо!
Чем заменили: в большинстве задач не требующих очень высокой точности достаточно полупроводниковых источников опорного напряжения.
Резюме
В быту можно отказаться от использования ртути совсем — существует безртутная альтернатива для всех основных нужд человека. В промышленности от ртути отказаться можно, в большинстве задач отказ произойдет почти безболезненно. В некоторых задачах — альтернативы есть, но сложнее и дороже. И законодательные ограничения в сфере оборот и использования ртуть-содержащих приборов можно только приветствовать, особенно при низкой дисциплине обращения с отходами.