В каких приборах содержится 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:

1. 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
2. Ртуть на множестве производств можно заменить чем-то другим, начиная добычи золота, заканчивая химическим синтезом.
3. Ртуть в метрологи стоит оставить. Метрологов не так много, дисциплина у них выше, чем у обывателя, а ртутные приборы обладают неплохой точностью.
4. Ртутные лампы можно заменить, но если для бытового освещения уже практически проблема решена, то для жесткого ультрафиолета недорогих решений пока нет.

Термометры лабораторные

Термометры из моей коллекции. Слева направо: Электроконтактный без шкалы, электроконтактный регулируемый, электроконтактный нерегулируемый, два лабораторных термометра общего назначения, лабораторный термометр со шлифом.

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.

Слева направо Советский, Американский и Китайский ртутные датчики наклона. Причем первые два силовые – предназначены для непосредственной работы в цепи с током несколько ампер.

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).

Источник фотографии: https://www.flickr.com/photos/trained_4_life/10978575914

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.