DE69721171T2

DE69721171T2 - Mitteln zur Steuerung der Sauerstoffmenge in Fluoreszenzlampen

Info

Publication number: DE69721171T2
Application number: DE1997621171
Authority: DE
Inventors: Donald Franklin Scotia Foust; David Key Schenectady Dietrich; Deborah Ann Schenectady Haitko
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2017-09-20
Also published as: CN1182954A; EP0833371A2; EP0833371A3; DE69721171D1; EP0833371B1; US5846109A; JPH10162775A

Description

Diese Erfindung ist auf Quecksilberdampf-Entladungslampen gerichtet, bei denen die Bogenentladung in Quecksilberdampf stattfindet, einschließlich konventioneller Leuchtstoff-Fluoreszenzlampen, und mehr im Besonderen auf die Vermeidung von Quecksilber-Verunreinigung von Landauffüllungen und Grundwasser bei der Entsorgung solcher Lampen. Die hier bereitgestellten Lampen sind durch eine verringerte Löslichkeit und ein verringertes Auslaugen des Quecksilbers charakterisiert, wenn die Lampe zum Testen oder zur Entsorgung pulverisiert wird.
Niederdruck-Quecksilber-Entladungslampen sind standardgemäße Beleuchtungsmittel, die in einem Glaskolben abgedichtete Elektroden einschließen, wobei das Innere des Glaskolbens mit einem Leuchtstoff überzogen sein kann. Die Lampe enthält auch eine geringe Menge Quecksilber und ein Inertgas bei geringem Druck von etwa 133 bis 666 Pa (1–5 Torr). Der Begriff "Lampe", wie er hier benutzt wird, bedeutet die vollständige Einheit einschließlich des Glaskolbens und der Endstücke und Stecker zum Montieren in einer Lampen-Halterung und der Drähte, die die inneren Komponenten des Kolbens mit den Endstücken verbinden.
Während der Herstellung von Fluoreszenz- oder Niederdruck-Quecksilber-Bogenlampen wird eine Menge elementaren Quecksilbers (Hg⁰) in dem Lampenkolben abgedichtet. Der größte Teil des Quecksilbers haftet an dem Leuchtstoff Überzug, eine geringe Menge befindet sich in der Dampfphase.
Während des Betriebes zersetzen sich Alkalimetallcarbonate von den Elektroden und bilden freien Sauerstoff in der Lampe. Der Sauerstoff kann mit einem Teil des Quecksilbers unter Bildung löslichen Quecksilberoxids (Hg⁰) reagieren. Lösliches Quecksilberoxid ist von Landauffüllungen und anderen Entsorgungs-Einrichtungen auslaugbar. Lösliche Quecksilberoxide und andere oxidierte Formen von Quecksilber, die im Verlaufe des Tests gebildet wurden, sind nachteilig für die Zuverlässigkeit des Standardtests zur Bestimmung der Auslaugbarkeit toxischer Materialien aus Lampenabfall.
Eisen(III)- und Kupfer(I)-Ionen bilden lösliche Verbindungen, die in der Lage sind, elementares Quecksilber zur einwertigen Hg(I)-Form zu oxidieren, die in einer sauren wässerigen Umgebung löslich und daher auslaugbar ist. Die Bildung von Eisen(III)- und Kupfer(I)-Verbindungen hängt von dem Aussetzen gegenüber und der Reaktion mit Sauerstoff ab.
Es gibt Bedenken hinsichtlich der Umwelt-Auswirkungen dieser löslichen Form von Quecksilberoxid, wenn es in Grundwasserquellen, Flüsse, Ströme und Ähnliche gelangt.
JP-A-07105911 offenbart eine Quecksilberdampf-Entladungslampe mit einem Kolben aus lichtdurchlässigem Glas, der Quecksilber enthält und auf dessen innerer Oberfläche ein Sauerstoff absorbierendes Material aufgebracht ist.
JP-A-53144182 offenbart eine Fluoreszenzlampe mit einer Glaskapsel, die mit Schwefelwasserstoff gefüllt ist, das nach der Gebrauchsdauer der Lampe diffundiert, um HgO in HgS umzuwandeln, das unlöslich inm Wasser ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Quecksilberdampf-Entladungslampe geschaffen, umfassend einen Kolben aus lichtdurchlässigem Glas, der ein Inertgas und eine Menge elementaren Quecksilbers, ein Paar von Elektroden zum Einrichten einer Bogenentladung, mindestens eine Sockelkappe, die einen Hohlraum definiert und eine wirksame Menge eines Sauerstoff Abfängers enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff Abfänger mittels eines wasserlöslichen Binders an der inneren Oberfläche des Hohlraums haftet, wobei der Sauerstoff Abfänger Eisenpulver, Natriumsulfit oder Natriumdithionit in einer Menge von 0,1 bis 15 g pro Lampe ist.
In die Lampe eingebrachte Sauerstoff-Abfänger verhindern das Auflösen von Eisen und Kupfer von Lampen-Komponenten, wodurch die Bildung auslaugbarer Quecksilber(I)- und Quecksilber(II)-Verbindungen durch Oxidation elementaren Quecksilbers stark verringert oder verhindert wird.
Das Einbringen von Sauerstoff Kontrollmitteln in eine Lampenstruktur oder die Testlösung vermindert den für die Oxidation von Metallkomponenten zu einer Form verfügbaren Sauerstoff, die sowohl löslich als auch in der Lage ist, elementares Quecksilber zu einer löslichen Form von Quecksilberoxid zu oxidieren. Die Bildung und Auflösung löslicher Eisen(III)- und Kupfer(I)-Verbindungen aus Lampen-Komponenten wird demgemäß vermindert oder verhindert, was zu einer Verringerung oder Verhinderung auslaugbarer Quecksilber-Verbindungen führt.
Die Bildung auslaugbaren Quecksilbers aus zerbrochenen Fluoreszenzlampen, die Landauffüllungs-Bedingungen ausgesetzt sind, kann durch Verhindern der Oxidation gewisser Komponenten der Lampe verhindert oder minimiert werden. Gewisse Metallkomponenten von Fluoreszenzlampen, insbesondere Eisendrähte, Kupfer-überzogene Leitungen und irgendwelche Messing-Komponenten, erzeugen Eisen(III)(Fe⁺³)- und Kupfer(I)(Cu⁺¹)-Ionen, wenn sie Feuchtigkeit, Sauerstoff und Azidität ausgesetzt werden.
Um die wachsenden Bedenken, dass zu große Mengen von Quecksilber aus entsorgten Fluoreszenzlampen in Oberflächen- und Grundwasser ausgelaugt werden könnten, zu berücksichtigen, hat die Evironmental Protection Agency ein maximales Konzentrationsniveau für Quecksilber bei 0,2 mg auslaugbaren Quecksilbers/l festgelegt. Dies wird allgemein durch eine Standardanalyse bestimmt, die als Toxicity Characteristing Leaching Procedure (TCLP), ein bekanntes Testverfahren, bekannt ist.
Bei der Ausführung des TCLP-Tests werden die Lampen pulverisiert, um Lampen-Abfallmaterial ähnlich dem zu bilden, das aus der Lampen-Entsorgung in Landauffüllungen oder anderen Entsorgungsstellen resultiert. Die Umgebungs-Bedingungen an solchen Stellen können derart sein, dass sie die Bildung auslaugbaren Quecksilbers, genau wie die TCLP-Testbedingungen, fördern, die die Bildung auslaugbaren Quecksilbers in Mengen von mehr als der festgelegten von 0,2 mg/ml gestatten.
Es wurde festgestellt, dass elementares Quecksilber, das zu Quecksilber-freien, pulverisierten Lampenmaterialien, die für den TCLP-Test hergestellt wurden, hinzugegeben wird, im Verlaufe des Tests in auslaugbares Quecksilber umgewandelt wird. Wird elementares Quecksilber allein oder in Kombination mit verschiedenen Glas-, Leuchtstoff- oder nicht metallischen Lampenkomponenten getestet, dann findet sich wenig oder im Wesentlichen kein auslaugbares Quecksilber. Wird elementares Quecksilber in Kombination mit metallischen Lampenkomponenten, wie Kupfer oder Eisen, Zuleitungsdrähten oder Stiften oder anderen Metallteilen getestet, dann wird das Quecksilber in eine auslaugbare Form umgewandelt.
Es wurde durch kontrolliertes Experimentieren bestimmt, dass sowohl Eisen(III) (dreiwertig) und einwertiges Kupfer(I) unter den TCLP-Testbedingungen erzeugt werden, wenn diese in Gegenwart von Sauerstoff ausgeführt werden, und dass diese ionischen Materialien zur Oxidation von elementarem Quecksilber zu löslichen Quecksilber-Verbindungen in der Lage sind, die als auslaugbares Quecksilber bestimmt werden.
Korrosion oder Auflösung von Metallen aus dem metallischen Zustand erfordert die Anwesenheit sowohl von Sauerstoff als auch eines Lösungsmittels, wie Wasser, Bedingungen, die im TCLP-Test und in Landauffüllungs-Situationen existieren. Es wurde daher festgestellt, dass die Bildung durch Kontrollieren oder Ausschließen des Aussetzers der Eisen- und Kupfer-haltigen metallischen Lampenkomponenten gegenüber Sauerstoff kontroliert oder verhindert werden kann. Dies kann durch den Gebrauch Sauerstoff freier oder anaerober Test- und Entsorgungs-Bedingungen erfolgen.
In die Fluoreszenzlampen während der Herstellung eingebrachte Sauerstoff Abfänger werden im Verlauf des Präparierens von Lampen für den TCLP-Test oder nach Zerstörung der Lampe während der Entsorgung wirksam. Die Anwesenheit solcher Sauerstoff Abfängst macht den TCLP-Test zuverlässiger und verringert die Bildung löslicher Quecksilber-Verbindungen, wenn die Lampen entsorgt werden.
Geeignete Sauerstoff-Abfänger schließen irgendwelche Materialien, Verbindungen oder Systeme ein, die Sauerstoff für die Quecksilber-haltige Umgebung unerreichbar machen. Veranschaulichende Abfänger schließen Eisenpulver, Natriumdithionit, ammoniakalisches Kupfer(I)chlorid und Chromsulfat ein. Natriumsulfat ist ein bevorzugter Sauerstoff Abfänger zur Verwendung in dieser Erfindung. Der Sauerstoff Abfänger ist in einer Menge von 0,1 bis 15 g/Lampe vorhanden.
Die Prinzipien und Ausführung dieser Endung werden in Anbetracht der folgenden Beispiele vollständiger verstanden werden.
Alle TCLP-Testdaten wurden erhalten aus der Testprozedur, die auf den Seiten 26.987–26.998, Band 55, Nr. 126 der Ausgabe des Federal Register vom 29. Juni 1990 vorgeschrieben ist.
Kurz gesagt wurden die getesteten Lampen zu Teilchenform mit der vorgeschriebenen Teilchengröße, die zum Durchgang durch ein 9,6 mm(3/8 inch)-Sieb in der Lage ist, pulveri siert. Das Testmaterial wurde dann mit einem Natriumacetat-Essigsäure-Puffer bei einem pH von etwa 4,93 extrahiert.
Um die starke Bildung auslaugbaren Quecksilbers bei der Entsorgung von Quecksilberdampf-Entladungslampen zu verhindern und die Zuverlässigkeit des TCLP-Tests zu verbessern, wurde eine wirksame Menge eines Sauerstoff-Abfängermaterials außerhalb der Plasmaentladung in einer Endkappe oder im Sockel der Lampe angeordnet. Eine wirksame Menge des Sauerstoff Abfängers ist die Menge, die genügend Sauerstoff verbraucht, um im Wesentlichen die Bildung von Eisen(III) und Kupfer(I)-Verbindungen zu verhindern, die elementares Quecksilber zu einer löslichen Form oxidieren können. Im Allgemeinen ist eine wirksame Menge des Abfängers genug, damit die TCLP-Testresultate die Anwesenheit von weniger als 0,2 ppm auslaugbaren Quecksilbers zeigen.
Die Bildung löslicher Quecksilber-Verbindungen wird durch die Daten der folgenden Tabelle 1 veranschaulicht. Das Ausführen des TCLP-Tests in Gegenwart von Luft erzeugt etwa 1 ppm Kupfer und etwa 0,3 ppm lösliches Eisen. Die unter diesen Bedingungen gebildete Menge löslichen Quecksilbers übersteigt die vorgeschriebene Grenze von 0,2 ppm. Erhöht man das Aussetzen gegenüber Sauerstoff, dann erhöht sich die Menge gebildeten löslichen Kupfers und löslichen Quecksilbers. Die Verminderung des Aussetzens gegenüber Sauerstoff vermindert die Bildung löslichen Kupfers und löslichen Quecksilbers.
TABELLE 1
Wird die Sauerstoffmenge durch Erhöhen des Volumens des Kopfraumes im TCLP-Testgefäß erhöht, dann wird die Wirkung sowohl löslichen Eisens als auch Kupfers auf die Bildung lölichen Quecksilbers aus den Daten der folgenden Tabelle 2 deutlich. Nimmt das Kopfraum-Volumen zu, dann nimmt die Menge löslichen Quecksilbers in Abhängigkeit von der Bildung zunehmender Mengen löslichen Kupfers und Eisens zu.
TABELLE 2
Wird ein Sauerstoff Abfänger, wie fein zerteiltes Eisenmetall oder Nastriumsulfit, zu der Testlösung hinzugegeben, dann vermindert sich die Bildung löslichen Quecksilbers, wie in der folgenden Tabelle 3 gezeigt.
TABELLE 3
Tabelle 3 zeigt Beispiele von Sauerstoff Abfängern, die zu der TCLP-Extraktion hinzugegeben wurden, um die Wirkung auf auslaugbares Quecksilber zu untersuchen. Der erste Eintrag ist ein Kontrollversuch, der die erwartete Menge auslaugbaren Quecksilbers zeigt, die erzeugt wird, wenn zu der pulverisierten Lampe 20 mg elementares Quecksilber hinzugegeben werden. Das in diesem Falle erzeugte auslaugbare Quecksilber beträgt 745 pp bei Abwesenheit irgendeines Sauerstoff-Abfängers.
Der Sauerstoff Abfänger kann in die Lampenverkapselung des Materials in eine Glaskapsel eingebracht sein, die im Sockel der Lampe zwischen der Aluminiumkappe und dem Absatz von mit Zuleitung versehenem Glas angeordnet sein kann.
Das Sauerstoff Abfängermaterial kann auch in den Sockelzement der Lampe eingebracht sein, der die Aluminiumkappe an dem mit Zuleitung versehenen Glasteil des Endes der Lampe hält. Der Sockelzement umfasst im Allgemeinen etwa 80 Gew.-% Marmormehl (Kalk-CaO) und als Rest Schellack, einen phenolischen Harzbinder, ein Lösungsmittel zum Vermengen und einen Farbstoff zum Färben des Zementes. Der Zement wird durch eine Zuführungs-Einrichitung in den Sockel abgegeben und zum Härten erhitzt, nachdem die Lampe zusammengebaut worden ist. Das Härten vertreibt das Lösungsmittel und verfestigt den Zement. Der Sauerstoff Abfäner wird mit den Zement-Komponenten vermengt und manuell oder automatisiert in die Lampe eingebracht. Das Abfängermaterial wird nur freigesetzt, wenn die Lampe in Vorbereitung zum TCLP-Test zerstört oder zerkleinert wird. Bei diesem Verfahren befindet sich das aktive Abfängermaterial immer außerhalb der positiven Säule der Lampe.
Ein anderes Verfahren zum Einbringen des aktiven Abfängermaterials in die Lama penstruktur besteht darin, es mit einem inerten wasserlöslichen Klebstoffträger oder Binder zu vermischen. Kautschuke und Gelatine wurden als solche Klebstoffe und Binder eingesetzt. Die Natur der Kautschuke und Gelatinen ist es, dass sie beim Erhitzen an Oberflächen haften. Die das Abfängermaterial enthaltende Zusammensetzung kann auf der inneren Oberfläche der Aluminium-Endkappe als ein Ring oder ein diskreter Knopf angeordnet werden. Wird die Lampe zerstoßen und einer wässerigen Umgebung ausgesetzt oder in der TCLP-Lösung angeordnet, dann gestattet der wasserlösliche Binder das rasche Freisetzen des Sauerstoff Abfängers.

Claims

Quecksilberdampf-Entladungslampe, umfassend einen Kolben aus lichtdurchlässigem Glas, der ein Inertgas und eine Menge elementaren Quecksilbers, ein Paar Elektroden zum Einrichten einer Bogenentladung, mindestens eine Sockelkappe, die einen Hohlraum bildet und eine wirksame Menge eines Sauerstoff Abfängers enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff-Abfänger auf der inneren Oberfläche des Hohlraumes mittels eines wasserlöslichen Binders getragen ist, wobei der Sauerstoff Abfänger Eisenpulver, Natriumsulfit oder Natriumdithionit in einer Menge von 0,1 bis 16 g pro Lampe ist.
Verfahren zum Verhindern der Bildung auslaugbarer Quecksilber-Verbindungen, wenn Quecksilberdampf-Entladungslampen zerbrochen werden, umfassend das Einführen einer wirksamen Menge eines Sauerstoff-Abfängers in die Lampenstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff Abfänger auf der inneren Oberfläche einer Sockelkappe der Lampe getragen ist und ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisenpulver, Natriumsulfit und Natriumdithionit, in einer Menge von 0,1 bis 15 g pro Lampe, vermischt mit einem wasserlöslichen Binder.