荧光灯中可浸出汞的抗氧剂控制 本发明涉及汞蒸气弧光放电灯，其中所述弧光放电在汞蒸气中发生，它包括普通的磷荧光灯，更准确地说涉及在清理报废的这种灯的过程中和在检验由该灯浸出的毒性物质的过程中，避免掩埋的汞污染和对地下水的汞污染，本发明也涉及用于防止在废灯处理和试验过程中可浸出汞形成的物质的组成。本发明所提供的灯的特征在于当将所述灯粉碎以便测试时或在报废灯清除过程中，能降低汞的溶解和浸出。
低压汞弧光放电灯是标准的照明灯具，它包括密封在玻壳中的电极，其内部用磷涂层。上述灯在低压约1-5托下，含有少量的汞和惰性气体。在此所用术语灯指的是包括玻壳、端片和固定在灯的装置器中的插塞，以及连接所述玻壳的内部元件与所述端片的导线的完整单元。
在制造荧光或低压汞弧光灯的过程中，将适量地元素汞(HgO)封入所述灯的玻壳中。大量的汞粘附于所述磷涂层上，少量在其气相中。
在工作状态下，来自灯中电极上的碱金属碳酸盐分解并形成游离氧。该氧可与部分汞反应生成可溶性汞氧化物(HgO)。可溶性汞氧化物可从掩埋坑(land fills)和其它处理设施中浸出。在所述试验过程中形成的可溶性汞氧化物和其它汞的氧化形式对于测定来自废灯中毒性物质可浸出性的标准试验的准确性和可靠性来说是不利的。此试验一般称作毒性浸出特性方法(Toxicity Leaching Characteristic Procedure)或TLCP试验。
人们所关心的是如果可溶性的汞化合物渗入地下水、河流、小溪等，将对环境产生的危害。
三价铁和亚铜离子形成可溶性化合物，该化合物能氧化元素汞成为一价亚汞形式，它溶于酸性水溶液环境中，从而可浸出。三价铁和亚铜化合物的形成取决于暴露于氧中和与氧的反应。掺入灯中的抗氧剂(有机的或无机的)防止在水或潮湿环境下，通过氧化灯元件中的铁和铜形成三价铁和亚铜化合物，从而极大地降低或防止由元素汞的氧化所形成的可浸出的亚汞和二价汞化合物。
本发明提供汞蒸气放电灯，该灯包括含有惰性气体和适量元素汞的透光玻壳，用于产生弧光放电的一对电极以及有效量的抗氧剂。
另外，该灯还至少包括一个基座或端帽，其定义为具有内表面的一个空腔，由粘合剂(baseing cement)固定在灯玻壳上，将所述抗氧剂加入该空腔内。一般来说，该灯具有一对端帽。
将所述抗氧剂与粘合剂混合，以使所述端帽固定在所述玻壳上。
本发明还提供可以包括在所述灯结构中以便控制铁和铜的氧化的组合物，以便尽可能地降低或防止可溶性汞化合物的形成，从而降低或防止在掩埋坑或TLCP试样中水溶性可浸出汞化合物的形成。
在本发明的优选实施例中，提供的汞蒸气放电灯含有抗氧剂，利用惰性水溶性粘合剂使其附着于所述空腔的内表面上。
将抗氧剂加入灯装置中或TLCP试验溶液中能防止氧化铁和铜金属元件成为既是可溶性的又能氧化元素汞成为可溶性汞氧化物的形式。因此减少或防止来自灯元件的可溶性三价铁和亚铜化合物的形成和溶解，从而导致降低或防止可浸出汞化合物。
当荧光灯被打碎或暴露于掩埋条件下时，通过防止灯中的某些元件的氧化作用，可防止或降低浸出汞的形成。当荧光灯的某些金属元件特别是铁铅线、镀铜铅以及任何黄铜元件暴露于潮湿、有氧及酸性条件下能产生三价铁(Fe3+)和亚铜(Cu+)离子。
为了表明对来自荧光灯废弃物产生的过量的汞渗到地表和渗入地下水问题的不断增加的关注，环境保护署已规定了汞的最大浓度水平为每升中0.2毫克浸出汞。一般通过标准分析方法，即公知的试验方法一毒性特性浸出方法(TCLP)来检测浸出汞。
在进行TCLP试验过程中，将灯粉碎以便形成与在掩埋坑或其它废物处理设施中处理废灯所产生的类似的灯废物。这种处理场地的环境条件能促进浸出汞的形成，正象TCLP试验条件一样允许形成高于每升0.2毫克的规定限量的浸出汞。
已发现在所述试验过程中，加到为TCLP试验所制备的无汞的粉碎的灯材料中的元素汞转变为浸出汞。如果在元素汞单独存在或与各种玻璃、磷或非金属灯元件混合情况下进行试验时，发现很少或完全没有浸出汞。当将元素汞与金属灯元件如铜或铁、铅丝、插头或其它金属元件一起进行试验时，所述汞转变成浸出汞。
由控制实验测出当TCLP试验在氧存在的条件下进行时，可产生高铁离子(三价)和亚铜(一价)离子，这些离子物质能氧化元素汞成为用来测量浸出汞的可溶性汞化合物。
由所述金属态的金属腐蚀或溶解需要在氧和一种溶剂如：在TCLP试验和掩埋环境的水存在条件下进行。另外，已发现通过控制或隔绝氧与含有铁和铜的金属灯元件接触，可以控制和防止上述情况发生。通过使用无氧或隔绝氧的试验和废弃物清理条件来完成上述工作。
在制造过程中加入荧光灯中的有机或无机抗氧剂在制备用于TCLP试验的灯的过程中或在废弃物处理中使该灯损坏的情况下生效。这种抗氧剂的存在使得TCLP试验更准确和可靠，并在将该灯作为废弃物处理时，能降低可溶性汞化合物的形成。
合适的抗氧剂包括任何能在含汞的环境中，防止或降低三价铁离子和亚铜离子形成的物质、化合物或体系。例证性的有机或无机抗氧剂(还原剂)包括抗坏血酸、抗坏血酸钠、抗坏血酸钙、硫酸亚铁、氧化亚铁、酒石酸亚铁、柠檬酸亚铁、葡糖酸亚铁、氯化亚铁等。抗坏血酸为优选用于本发明中的抗氧剂。
参阅下面实例后，能更充分理解本发明的原理和应用。
根据1990年6月29日发行的Federal Register 55卷，126期，第26987-26998页所述的试验方法，测得所有的TCLP试验数据。
简言之，将试验的灯粉碎成能通过3/8英寸筛的具有规定粒度的颗粒形式。然后用PH约为4.93的醋酸钠-醋酸缓冲液提取实验材料。
为防止在处置废弃的汞蒸气放电灯时形成假象，并提高TCLP试验的可靠性，将有效量的抗氧剂加入灯装置中(例如：在所述玻壳内部等离子体放电区的外部或在端帽内或灯的基座内)。抗氧剂的有效量指的是基本上防止能氧化元素汞成为可溶形式的三价铁和亚铜化合物的形成的用量。一般来说，有效量的抗氧剂满足TCLP试验结果的要求，其结果显示浸出汞的存在量小于约百万分之0.2。
下面表1数据说明了可溶性汞化合物的形成。在空气中进行TCLP试验能产生大约百万分之1的铜和百万分之0.3的可溶性铁。在上述条件下形成的可溶性汞的量超过规定的限量(百万分之0.2)。增加与氧接触也就提高了形成的可溶性铜和可溶性汞的量。减少与氧接触也就降低可溶性铜、可溶性铁和可溶性汞的形成。
表1
气体种类 可溶性Cuppm 可溶性Hgppm
空气 1.07 0.777
氩气 0.06 ＜0.050
氧气 3.04 1.030
当氧的量随着TCLP试验容器液面上空间的增加而变化时，可溶性铁和铜对形成可溶性汞的影响在下面表2的数据中是明显的。随着所述容器液面上空间的增加，可溶性汞的量随可溶性铜和铁增加的量而增加。
表2
液面上空间 可溶性汞 可溶性铁 可溶性铜
(mL) (ppb) (ppm) (ppm)
0 0.0000 210 3.62 0.35
1 140 214 4.63 0.40
2 205 203 5.04 0.63
3 360 250 5.22 0.43
4 494 311 5.22 0.51
5 763 525 6.13 1.04
6 1013 458 5.80 1.02
7 1508 583 8.12 1.13
当将抗氧剂例如抗坏血酸加到上述试验溶液中时，可溶性汞的形成降低，其结果显示在下面表3中。
表3
汞剂量 添加剂量 最终 浸出汞 添加剂 (毫克/单位灯) (克/单位灯) ORP* pH (ppb)
无 21.2 - - - 745抗坏血酸 20.0 2 130 5.2 ＜50抗坏血酸 20.0 0.1 134抗坏血酸 20.0 0.2 72抗坏血酸 20.0 0.5 52抗坏血酸 20.0 1 84抗坏血酸钠 20.0 1 32抗坏血酸钠 20.0 0.2 51抗坏血酸钠 20.0 0.5 46抗坏血酸钠 20.0 2 43抗坏血酸钙 20.0 0.2 56抗坏血酸钙 20.0 0.5 95抗坏血酸钙 20.0 1 76抗坏血酸钙 20.0 2 59
无 20.0 0 586 硫酸亚铁 20.0 1 149 硫酸亚铁 20.0 2 112 硫酸亚铁 20.0 0.5 318 硫酸亚铁 20.0 0.2 443葡糖酸亚铁 20.0 1 97葡糖酸亚铁 20.0 2 75葡糖酸亚铁 20.0 0.4 281*ORP＝氧化还原电位
表3举例说明了将抗氧剂加到TCLP提取物中以便研究对浸出汞的影响。表中第一项显示将20毫克剂量元素汞加入粉碎的灯中时，产生的浸出汞量的对照物数据。其中，在无任何抗氧剂条件下，产生浸出汞为745ppb。
通过将所述抗氧剂密封在一个玻璃囊中，将该玻璃囊放在铝帽与铅玻璃锥形物(flare)之间的灯基座上，或放在灯的阳极柱状物内的方式，将抗氧剂加入该灯中。由于所述抗氧剂剂被封入玻璃囊中，该囊可在灯内部或灯的阳极柱状物内，因而不影响灯的功能。
也可以将所述抗氧剂加入所述灯的粘合剂中，这种粘合剂可将铝帽与灯末端的铅玻璃部分粘合在一起。该粘合剂一般包含约80％(重量)大理石粉末(石灰石-CaO)、平衡紫胶酚醛树脂粘合剂、粘合溶剂以及用于使粘合剂着色的染料。该粘合剂通过加料器加入所述底座，经加热固化一次性与灯组装。固化过程将溶剂除掉，并使该粘合剂凝固。将所述抗氧剂与粘合剂成分共混，并手工加入灯中或通过自动制造设备进行。只有在用于TCLP试验的制备过程中，破坏或粉碎所述灯时，该抗氧剂物质才释放出来。在该方法中，所述活性抗氧剂物质总是在所述灯的阳极柱状物的外部。
将所述活性抗氧剂物质加入所述灯装置中的另一种方法是将它与惰性水溶性粘合剂载体或粘合剂混合。树胶和明胶已用作此类的粘合剂。所述树胶和明胶的性质为当加热时它们粘附于表面。可以将包含抗氧剂物质的组合物以环状或分散的珠粒(a ring or discrite button)置于所述铝端帽的内表面上。当将所述灯粉碎并暴露于含水的环境下或放入TCLP试验溶液中时，所述水溶性粘合剂使得该抗氧剂很快释放出来。