4.21 Зменшення забруднення навколишнього середовища при виробництві та експлуатації джерел світла
У виробництві джерел світла застосовують різні токсичні матеріали, серед яких дуже токсична ртуть. Розрядними лампами, які містять ртуть, створюється в наш час біля 80 % всієї світлової енергії, яка виробляється у світі, що пояснюється кращими світловими та електричними властивостями РЛ зі ртуттю.
У зв'язку з цим доречно згадати, що пара ртуті при кімнатній температурі має дуже низький тиск (≈0,17 Па), завдяки чому РЛВТ запалюються як РЛНТ, тобто для їхнього запалювання потрібна значно нижча напруга.
З підвищенням температури до значень, які забезпечують потрібну концентрацію атомів домішок в парі ртуті, її тиск збільшується до рівня, який необхідний для створення РЛ високої інтенсивності ( до 10 і більше мегапаскалів).
Пара ртуті, а також її галогенних сполучень практично не руйнує кварцові пальники РЛ і матеріали електродів при температурі, яка є для них робочою.
Завдяки порівняно малій теплопровідності пари ртуті при її застосуванні можна значно зменшити питомі втрати потужності у стовпі розряду РЛ.
Потенціал іонізації атомів ртуті значно вищий, ніж у таких елементів як натрій, літій, скандій або у інших випромінюючих домішок і тому атоми ртуті, коли в розряді є такі домішки, майже не іонізуються, завдяки чому в РЛ не виникають істотні втрати електроенергії на іонізацію.
З підвищенням тиску пари ртуті суттєво розширюється спектр випромінювання атомів натрію, які в ній знаходяться, і тому кольоропередача НЛВТ при використанні в них пари ртуті як буферного газового наповнення стає набагато кращою.
Завдяки здатності утворювати сполуки з йодом ртуть пов'язує вільний йод в МГЛ, наявність якого у цих лампах значно утруднює їхнє запалювання.
Проте висока токсичність пари ртуті створює дуже серйозну екологічну проблему, пов'язану з виробництвом, транспортуванням, зберіганням, експлуатацією та утилізацією РЛ зі ртуттю.
Через особливості технологічних процесів, що застосовуються для виготовлення РЛ, ртуть в РЛ, як правило, вводять з надмірним (в 5 - 10 разів) надлишком. В процесі виготовлення РЛ певна частка ртуті відсмоктується насосами в атмосферу і отруює виробничі приміщення та навколишній простір. Інша її частка після використання і руйнування РЛ також розсіюється в повітрі, ґрунті та воді. Тому зрозуміло, що дуже важливим є удосконалення технологічного процесу виробництва РЛ з метою зменшення витрат ртуті, розробка РЛ з довшим строком служби і розробка безртутних РЛ. Але в той же час такі РЛ повинні мати не гіршу сукупність світлових і електричних властивостей ніж ті, що містять ртуть.
Для поховання відходів виробництва, які вміщують ртуть, створені спеціальні полігони, розроблені та застосовуються досить ефективні способи утилізації РЛ із ртуттю, які відпрацювали. Поряд цим дуже важливо суворо слідкувати за виконанням правил утилізації РЛ зі ртуттю.
Для запобігання забрудненням виробничих приміщень при виготовленні РЛ ртуть або її інтерметалеві сполучення вводять в об'єм РЛ в герметичних ампулах (капсулах), розгерметизація яких відбувається лише після виготовлення РЛ в результаті нагрівання їх розрядним струмом або іншими способами.
Незважаючи на велику увагу, яку приділяють розробці безртутних РЛ, створені поки що зразки цих ламп мають гірші техніко-економічні параметри, ніж їхні ртутні аналоги.
Відмова від застосування пари ртуті як буферного газу дуже ускладнює системи запалювання РЛВТ і робить їх значно дорожчими. В безртутних РЛВТ як буферний газ замість ртуті найчастіше застосовують ксенон, тиск якого у цьому випадку в холодних лампах має бути досить високим (30...50 кПа).
Розроблені й виготовлені перспективні МГЛ, буферним наповненням у яких є металевогалогенні сполуки, тобто у цих лампах одні металогалогеніди створюють випромінювання, а інші є буферними.
Але зовсім іншого вигляду набуває проблема забруднення навколишнього середовища ртуттю при виготовленні, доставці, експлуатації та утилізації РЛ, якщо врахувати забруднення навколишнього середовища ртуттю при виробництві електричної енергії, а особливо за рахунок спалення твердого палива (кам'яного вугілля), оскільки для генерації оптичного випромінювання, як і для виготовлення самих джерел світла, потрібна певна електрична енергія. Більше того, споживання ртуті безпосередньо в ламповому виробництві є в декілька разів меншим, ніж загальна її кількість, що супроводжує генерацію оптичного випромінювання. Отже, основною часткою ртуті, яка попадає у навколишнє середовище при виготовленні і експлуатації джерел світла, є не та ртуть, що міститься в лампах і забезпечує їхню ефективну роботу, а та, що знаходиться в паливі, яке спалюється для виробки необхідної кількості світлової енергії. При спалюванні палива у навколишній простір викидаються також двоокиси вуглецю і сірки, окиси азоту та інші шкідливі речовини.
Таким чином, економія електроенергії в освітлювальних установках і екологічна безпека виявляються дуже тісно пов'язаними і в глобальному масштабі основним для зменшення забруднення навколишнього середовища ртуттю є створення енергоекономічніших джерел світла (з якомога більшою світловою віддачею). Тому ще актуальнішою стає задача заміни теплових джерел світла (ЛР), які мають низьку світлову віддачу, на значно економічніші РЛ. Але для забезпечення високої екологічної чистоти підприємств, що виробляють джерела світла, більш важливим є зменшення кількості ртуті, необхідної для виготовлення РЛ, та зниження її втрат в процесі виробництва, а також перехід на виготовлення безртутних РЛ. У застосуванні безртутних РЛ дуже зацікавлені й споживачі світлової енергії, оскільки тоді не буде небезпеки в разі виходу з ладу та руйнування РЛ.
Комплексною оцінкою екологічності різних джерел світла відносно ртуті є значення величини ξ, яка визначається співвідношенням:
роботи, до кількості ртуті, що потрапляє в навколишнє середовище при виробництві та експлуатації цього джерела світла. Як встановлено, значення коефіцієнта екологічності ξ для РЛ типу ДРЛ перевищують його значення для теплових джерел світла (ЛР) більше, ніж втричі, для ЛЛ - більше, ніж у п’ять разів, для МГЛ - в шість разів, а для найбільш енергоекономічних НЛВТ - майже в десять разів.
Подібний комплексний підхід доцільно застосовувати і для оцінки екологічності джерел світла та інших приладів відносно будь-яких шкідливих викидів.
Методичні вказівки
Різні типи РЛ розглянуті в цьому розділі головним чином із загальних позицій. Детальний розгляд численних конструкційних виконань РЛ та їхніх особливостей виходить за межі обсягу цього навчального посібника.
Поліпшення техніко-економічних показників сучасних РЛ було досягнуто перш за все завдяки створенню і освоєнню виробництва ефективних і дешевших рідкоземельних люмінофорів для ЛЛ та широкому застосуванню набагато компактніших електронних ПРА, які розміщуються безпосередньо в лампах і забезпечують їхню роботу на частотах, які перевищують 20 кГц. Подальша мініатюризація компактних ЛЛ досягнута за рахунок збільшення кількості розрядних каналів та виготовлення їх спіральними.
З метою економії електроенергії майже втричі збільшено виробництво найекономічніших в енергетичному відношенні НЛВТ. Для подовження строку служби та поліпшення характеристик деякі з цих ламп почали виготовляти з двома пальниками, які працюють за чергою. Завдяки покращенню світлотехнічних характеристик НЛВТ останні все частіше застосовуються для освітлення промислових і громадських будинків. Дуже перспективними є дзеркальні короткодугові НЛВТ.
Металевогалогенні РЛ продовжують удосконалювати у напрямку зменшення розмірів пальників, більшої стабілізації колірних характеристик і подовження строку служби, розширюється номенклатура цих ламп. Великого значення набула розробка МГЛ, призначених для створення високоякісного загального освітлення, зокрема, МГЛ меншої потужності (50-150 Вт) з покращеною стабільністю світлового потоку і колірних характеристик протягом експлуатації. Такі МГЛ при однаковій потужності утворюють у п’ять разів більший світловий потік ніж ЛР.
Проте найбільш істотним вкладом в розробку РЛ з поліпшеними властивостями є створення та застосування безелектродних ЛЛ малих розмірів з індуктором замість електродів і в колбах ЛР, які покриті багатокомпонентним рідкоземельним люмінофором. Ці ще компактніші ЛЛ мають набагато триваліший строк служби, ніж звичайні компактні ЛЛ. Дуже перспективними є безелектродні високочастотні МГЛ з натрій-скандієвим йодидом та натрій-ксеноном.
У ширшому плані питання, які пов’язані з розробкою нових РЛ та їхнім удосконаленням, розглядаються у спеціальному курсі джерел світла, викладання якого в НАУ передбачене навчальним планом підготовки спеціалістів за фахом “Світлотехніка та джерела світла”.
Запитання для самоперевірки
- Які ознаки покладені в основу класифікації РЛ? Як маркуються ці лампи? Назвіть основні типи цих ламп.
- Якими світловими, електричними та експлуатаційними параметрами характеризуються РЛ?
- Чим пояснюється широке використання в РЛ дугового розряду? Які лампи називають люмінесцентними? Що вони собою являють? Назвіть їхні особливості, позитивні якості та недоліки. Яку роль відіграють інертні гази в цих лампах? Що дозволяє виготовляти ЛЛ з різною колірною температурою?
- Назвіть основні типи спеціальних ЛЛ. Чому в амальгамних ЛЛ замість чистої ртуті використовується амальгама ртуті? Яким чином і з якою метою в розрядних трубках високоінтенсивних ЛЛ створюються зони з пониженою температуру?
- Що являють собою газосвітні трубки і де вони застосовуються?
- Дайте загальну характеристику РЛВТ і РЛНВТ. Які переваги вони мають порівняно з лампами низького тиску?
- Чому пусковий струм РЛВТ і РЛНВТ з парами металів набагато перевищує номінальний і чому повторне запалювання цих ламп після потухання, як правило, стає можливим лише після деякого їхнього охолодження?
- Назвіть особливі властивості ртутних ламп високого і надвисокого тиску. Що називають червоним відношенням цих ламп?
- Які особливості мають лампи з дуговим розрядом в інертних газах при високому і надвисокому тиску і великій густині струму? Завдяки чому лампи цього типу мають високу якість кольоропередачі?
- Що являють собою ртутні лампи з виправленою колірніс- тю? Де вони застосовуються?
- Що являють собою ртутно-вольфрамові лампи? Які позитивні якості і недоліки вони мають порівняно з лампами типу ДРЛ? Де вони застосовуються?
- Які позитивні якості та недоліки мають МГЛ? З якою метою в пальники цих ламп вводяться галогеніди металевих домішок і яку роль відіграє в них пара ртуті?
- Які позитивні якості та недоліки мають натрієві лампи? Назвіть особливості цих ламп. Де вони застосовуються?
- Які способи застовуються в ІЛ для створення потужних спалахів світла? Яка величина для цих ламп називається освітлюванням?
- Що являють собою безелектродні РЛ? Завдяки чому вони порівняно з іншими РЛ мають найбільший строк служби?
- Що є основним джерелом ртутного забруднення навколишнього середовища? Що являє собою коефіцієнт екологічності? Назвіть основні проблеми створення високоефективних без ртутних ламп.
- Назвіть характері причини відмов та скорочення строку служби РЛ.