Прощай ртуть!

Основой для поста послужил вопрос - а если завтра совсем запретят ртуть, как это ударит по технике? (Спойлер: в быту вообще почти не заметите). 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!

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.

Советский, американский и китайский ртутный датчик положения, Причем первые два силовые - рассчитаны на токи в несколько ампер. А последний из китайского детского (!) набора датчиков для ардуино.

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 пару 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! Такие элементы можно встретить как отдельно, для использования с измерительными мостами постоянного тока, так и в разных самописцах и другом лабораторном оборудовании, как встроенный источник опорного напряжения.

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.

Для вас работал инженер Павел Серков. Пост также доступен в моем бложике: https://serkov.su/blog/ где также можно подписаться по e-mail и получать все мои новые посты полностью в письме и без рекламы. А еще у меня есть инстаграм https://www.instagram.com/pavel.serkov/