Технология демеркуризации компактных люминесцентных ламп

Л.М. Левченко, А.А. Галицкий, В.В. Косенко, С.А. Громилов, А.К. Сагидуллин
Учреждение Российской академии наук Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения РАН,
г. Новосибирск

Хорошо известно, что используемые в России люминесцентные лампы содержат от 20 до 300 мг ртути, а поскольку единовременно в эксплуатации находится 450-500 млн. ламп и их количество ежегодно возрастает, то на их долю приходится порядка 50 т ртути. Примерно около 100 млн. ламп в год выходит из строя и большая часть выбрасывается в окружающую среду, что составляет 10 т ртути. Хорошо известно, что ртуть является супер-экотоксикантом и согласно действующим в нашей стране экологическим и гигиеническим нормативам предельно допустимые концентрации (ПДК) ртути в воздухе составляют 0,0003 мг/м3, в почве – 2,1 мг/кг. Повышенное содержание ртути в атмосфере, питьевой воде может создать серьезную угрозу здоровью и жизни человека. Подтверждением этого является целый ряд экологических катастроф в различных концах планеты (Япония, Швеция, Америка), причиной которых явилось ртутное загрязнение среды обитания человека [1-4].

В настоящее время в России и за рубежом разрабатываются технологии переработки и утилизации отработанных компактных люминесцентных и других ртутных ламп, применяются различные подходы к разработке параметров технологии и установок по демеркуризации, используются термические, гидрометаллургические, химические методы демеркуризации. Технологии основаны либо на получении чистой ртути, либо на переводе ртути или ее соединений в малолетучие и малорастворимые [5-7].

В работе были разработаны основы технологии демеркуризации люминофора компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) с применением нанопористого углеродного сорбента и демеркуризационного раствора полисульфида кальция.

Объектами исследования были стекло с люминофором от компактных ламп фирм Phoenix Light, Compact Electronic, Svetlon, Happy Light, Космос.

Анализ на содержание ртути в КЛЛ проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе «Юлия». Для анализа на содержание ртути были отобраны использованные лампы, не имеющие механических повреждений. Лампы разбирали следующим образом: отделяли цоколь, электронную плату (ЭПРУ), пластиковый корпус. Стеклянную трубку со ртутьсодержащим люминофором разбивали и перетирали до состояния стеклянной крошки в эксикаторе под слоем 400 мл раствора разбавления. Раствор разбавления представлял собой раствор, следующего состава (1 л воды+ 50 мл HNO3 конц. + 0,2 г К2Сr2O7). Раствор переливали в мерную колбу на 500 мл. Стеклобой (стекло с люминофором) еще 3 раза промывали малыми порциями раствора и переносили в мерную колбу, которую доводили до метки, а затем разбавляли в 1250 раз (последовательно 1 мл в 50 мл, затем снова 2 мл в 50 мл). В разбавленном растворе определяли содержание ртути. Полученные экспериментальные данные приведены в таблице.

Содержание ртути в различных марках КЛЛ

Показано, что для компактных люминесцентных ламп содержание ртути в лампе варьируется от 0,5 до 3,3 мг.

Для определения состава люминофора в компактных люминесцентных лампах использовали метод рентгенофазового анализа. Для измерений были отобраны лампы марок Compact Electronic, Svetlon, Phoenix Light, Feron. Лампы были разобраны, отделены цоколи и ЭПРУ, а стеклянные колбы перетерты в ступке до мелкодисперсного однородного состояния, просеяны через сито 0,4 мм (брали поврежденные лампы, где ртуть не обнаруживалась). Кроме того, был приготовлен для сравнения образец стекла, который получен трехкратной обработкой стеклянной колбы лампы Compact Electronic царской водкой. Причем стекло после обработки царсководочным раствором стало прозрачным, а люминофор полностью растворился. Затем стекло перетерто в ступке до мелкодисперсного состояния. Рентгенофазовое исследование проводили на дифрактометре Shimadzu XRD-7000. На дифрактограммах образцов всех ламп обнаружена одна кристаллическая фаза с параметрами кубической элементарной ячейки примерно 10.6 А. Под такое значение попадает ряд изоструктурных оксидов типа A2O3 (A = иттрий, гольмий, диспрозий, эрбий и пр.). В образце люминофора лампы Phoenix Light есть еще неидентифицированная примесь, возможно сера (производства Китай). Дифрактограмма стекла (образец сравнения) представлена широким пиком в области 20-30о 2?. Анализ полученных результатов, которые коррелируют с литературными данными [8], показал, что лампы фирм Compact Electronic, Svetlon, Feron имеют одинаковый состав люминофора, представленный оксидом иттрия (Y2O3) активированным Eu (европием).

Таким образом, компактные люминесцентные лампы нового поколения содержат меньшее количество ртути от 0,5 до 3,3 мг на лампу, а состав люминофра представлен оксидом иттрия (Y2O3) активированным Eu (европием), в отличие от люминофора люминесцентных ламп. Такое низкое содержание ртути предполагает разработку новой схемы демеркуризации.

Нами предложена схема демеркуризации КЛЛ, представленная на рисунке, в которой в качестве наиболее эффективного поглотителя паров ртути применяется новый нанопористый модифицированный йодом углеродный сорбент НУМС-J, хорошо зарекомендовавший себя в производственных испытаниях ОАО НЗХК, ООО «СибРтуть».

Рис.1. Схема процесса утилизации и демеркуризации КЛЛ

Кроме того, обезвреживание ртутьсодержащего стеклобоя путем обработки демеркуризационным раствором полисульфида кальция CaS5.3, для которого нами разработаны ТУ 153-002-5481766-0001 (утвержд.05.05.2009 г.) позволяет провести иммобилизацию ртути и перевести ее в нерастворимое соединение - сульфид ртути, обеспечив при этом остаточное загрязнение соединениями ртути цоколей и ЭПРУ до величин менее ПДК ртути в почве 2,1 мг/кг, а очистку воздуха от паров ртути в адсорбере, заполненным сорбентом НУМС-J, до содержания ртути в атмосферном воздухе менее ПДК (0,0003 мг/м3), при этом максимальное содержание паров ртути в воздухе рабочей зоны не превышает 0.01 мг/м3 в соответствии с ГН 2.2.5.686-98, а обезвреживание твердых отходов компактных люминесцентных ламп до IV класса опасности осуществляется согласно СанПиН 2.1.7.1322-03.

Получаемый при разделении лампы стеклянный бой может повторно использоваться для производства абразивных материалов, керамики и т., а цоколи и ЭПРУ собираются отдельно в транспортные технологические сборники для последующей перевозки, переработки и утилизации.

Таким образом, по предложенной схеме можно проводить утилизацию и демеркуризацию КЛЛ.

Список литературы

1. Давыдова С.Л., Тарасов В.И. Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI века. / М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 2002. - С. 141.

2. Исидоров В.А. Введение в химическую экотоксикологию / М.: Изд-во СПб. Химиздат,1999. - С.143.

3. Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 52105-2003 «Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Классификация и методы переработки ртутьсодержащих отходов».

4. Беспамятов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде / Л., "Химия", 1985.

5. Левченко Л.М., Косенко В.В., Митькин В.Н., Галицкий А.А. Способ демеркуризации ртутьсодержащих отходов для их утилизации. Патент RU 240054. Опубл. 2010.09.27.

6. Ковалев В.Н., Горбенко А.Н.,Тимофеев В.Н., Тен В.В. Способ термической демеркуризации ртутьсодержащих материалов и устройство для его реализации. Патент RU2000012.

7. Климов О.М., Голубин А.К., Мельниченко А.С. Способ очистки твердых отходов от ртути. Патент RU2148662. Опубл. 2000.05.10.

8 Химическая энциклопедия в 5 томах: т.2. Даффа-Меди / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др.- М.: Сов. энцикл., 1990. - 671с. - С.1126-1127.

Назад к списку