ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht HAMBURG NORD Quecksilber in Energiesparlampen Eva M. Steiner Casper Schlösser Schule: Gymnasium Eppendorf Hegestraße 35 20249 Hamburg Jugend forscht 2011
Quecksilber in der Energiesparlampe ökologisch oder gefährlich? 1. Quecksilber (in der Energiesparlampe) 1.1. Einleitung 1.2.Toxizität von Quecksilber 1.3. Wirkungen von Quecksilber auf die Umwelt 1.4. Funktionsweise der Quecksilberdampflampe 2 2 3 3 2. Nachweise von Quecksilber in der Energiesparlampe 2.1. Nachweis von Quecksilber anhand eines Metalldetektors 2.2. Nachweis von Quecksilber anhand von Röntgenaufnahmen 2.3. Nachweis von Quecksilber anhand einer Spektralanalyse 2.4. Nachweis von Quecksilber durch den Schmelzpunkt 2.4.1. Kältemischung mit 100 g Eis + 122,2 g CaCl2! 6 H2O 2.4.2. Kältemischung mit 100ml Ethanol + Trockeneis 2.5. Gewicht des Quecksilbertropfens 4 4 4 5 6 6 6 7 3. Lösungsansatze und Alternativen 3.1. Aufklärung der Öffentlichkeit 3.2. Alternative zur Energiesparlampe LED-Lampen Diffusor 4. Fazit 5. Anhang 5.1. Quellen 5.2. Fotos 8 8 10 11 12 12 12 1
1. Quecksilber (in der Energiesparlampe) 1.1. Einleitung Seit September 2010 wurden die 100-Watt Glühbirnen aus den Regalen der Supermärkte verbannt, weitere Glühbirnen sollen folgen. Als alternative, ökologisch bessere Lampe wurde die Energiesparlampe eingeführt. Die in ihrem Inneren Quecksilber enthaltene Lampe soll den Stromverbrauch um bis zu 80% senken und deswegen umweltfreundlicher sein. Wir fragten uns hingegen, ob das Quecksilber, welches als sehr giftig(t+) und umweltgefährlich(n) (!1.2., 1.3.) gekennzeichnet wurde, eine ökologische Lösung oder doch gefährlich ist. Gerade da Quecksilber sehr giftig ist, war es uns wichtig Nachweise zu liefern ohne die Energiesparlampe zu öffnen. Daher haben wir vier Methoden für den Nachweis von Quecksilber herangezogen, bei denen dies möglich ist (!2.). Aufgrund unserer Ergebnisse wurde es uns im Laufe der Bearbeitung des Projektes immer wichtiger Alternativen und Lösungsansätze zur Energiesparlampe zu finden und zu liefern (!3.). Während wir uns mit der Energiesparlampe beschäftigten, wurde es für uns immer bedeutungsvoller die Öffentlichkeit auf sie selbst und besonders auch auf die Gefahren, die sie mit sich bringt, aufmerksam zu machen. 1.2.Toxizität von Quecksilber Bei Quecksilber handelt es sich um ein giftiges Schwermetall. Wegen seines hohen Dampfdrucks ist eines der größten Risiken, dass Quecksilberdämpfe mit der eingeatmeten Luft in die Lunge gelangen. Ab eine Menge von 100 "g, die eingeatmet werden, besteht die akute Gefahr einer Quecksilbervergiftung (Merkurialismus). Bei einer akuten Quecksilbervergiftung treten Kopfschmerzen, Übelkeit und Schwindel auf. Außerdem kann es zu einer Schädigung der Hirnfunktionen kommen. Bekannte Langzeitschäden sind Leber- und Nierenschäden. Besonders toxisch sind organische Verbindungen mit Quecksilber, wie Methylquecksilber. Dieses trägt vor allem zu Nervenschäden bei, kann bei höherer Dosis jedoch auch Leber, Nieren sowie Herzmuskulatur schädigen. Des Weiteren kann es während einer 2
Schwangerschaft dazu kommen, dass der Fötus gravierende Schädigungen des Nervensystems und des Gehirns erleidet, wenn die Mutter Methylquecksilber eingenommen hat. 1.3. Wirkungen von Quecksilber auf die Umwelt Durch falsche Entsorgung von Energiesparlampen gelangen laut Bund jährlich circa 400 Kilogramm Quecksilber in die Umwelt. Größtenteils durch die Müllverbrennung gelangt viel Quecksilber vor allem in Oberflächengewässer. Außerdem nehmen Pilze vermehrt Quecksilber aus dem Boden auf. Durch Mikroorganismen im Wasser und im Boden wird das Quecksilber zu Methylquecksilber umgebaut, welches von den meisten Organismen leicht aufgenommen werden kann, da es fettlöslich ist. Methylquecksilber besitzt die höchste Wassergefährdungsklasse (Wassergefährdungsklasse 3) und gilt somit als stark wassergefährdend. Bei den meisten Organismen verursacht es starke Nervenschäden, vor allem Fische sind betroffen. Weitere Wirkungen des Methylquecksilbers auf Tiere sind Nierenschäden, Störungen am Magendarmtrakt, Störungen bei der Fortpflanzung und Veränderung der DNS. 1.4. Funktionsweise der Quecksilberdampflampe Bei der Quecksilberdampflampe handelt es sich um eine Gasentladungslampe bzw. um ein mit Quecksilberdampf gefülltes Entladungsrohr, an dessen beiden Enden sich zwei eingeschmolzene Elektroden befinden. Zwischen diesen Elektroden herrscht eine Spannung, sodass ein Strom aus schnellen Elektronen und Ionen durch das Gas fließen kann. Dabei entstehen Zusammenstöße zwischen den Elektronen und den gasförmigen Quecksilberatomen, sodass diese Angeregt werden und Strahlung emittieren. Das heißt, dass Elektronen aus den Quecksilberatomen für eine kurzen Moment in einen höheren Energiezustand übergehen. Von diesem Energiezustand fallen die Elektronen kurze Zeit später wieder in einen ihrer ursprünglichen Energiezustände und emittieren dabei die für Quecksilber charakteristischen Spektrallinien, je nachdem in welchen Energiezustand die Elektronen fallen. 3
2. Nachweis von Quecksilber in einer Energiesparlampe Unsere Versuche bzw. Nachweise führten wir immer mit der gleichen Energiesparlampe (Philips 314536xx) durch. 2.1. Nachweis von Quecksilber anhand eines Metalldetektors Innerhalb eines Metalldetektors befindet sich eine Spule, durch welche Wechselstrom fließt. Dadurch wird ein magnetisches Feld erzeugt, welches sich durch den Wechselstrom in der Spule ständig ändert. Befinden sich nun Metallobjekte in Reichweite des Detektors, werden durch das sich ständig ändernde Magnetfeld Ströme induziert. Bei diesen Strömen handelt es sich wiederum um Wechselströme, die durch die ständige Änderung der Ausrichtung des Magnetfeldes entstehen. Durch diese induzierten Wechselströme entsteht ein weiteres Magnetfeld, dessen Ausrichtung entgegengesetzt dem ursprünglichem ist und sich auch ständig ändert. Durch diese vom Metallobjekt ausgehenden Magnetfelder steigt der elektrische Widerstand in der Spule des Metalldetektors. Dadurch wird der Stromfluss in der Spule behindert, was relativ einfach detektiert werden kann. Somit ist ein Metalldetektor in der Lage Quecksilber zu detektieren. Als wir einen Metalldetektor nun an die Energiesparlampe hielten, wurde angezeigt, dass ein Metall in der Lampe wäre. 2.2. Nachweis von Quecksilber anhand von Röntgenaufnahmen Als zusätzlichen Quecksilbernachweis haben wir Röntgenaufnahmen der Energiesparlampe gemacht. Da Quecksilber eine hohe Dichte von 13,5459 g/cm bei 293,15 K hat, ist es auch für energiereichere Strahlung nur schwer zu durchdringen. Wie man auf dem Bild erkennen kann, ist im unteren Teil der Lampe ein sehr dunkler Tropfen zu sehen. Zweifelsfrei handelt es sich bei dieser Größe des Tropfens um Abb.1: Röntgenaufnahme einer Energiesparlampe ein Schwermetall, da er deutlich mehr Strahlung absorbiert als 4
die übrigen Teile der Lampe. Somit konnten wir einen weiteren Nachweis erbringen, dass es sich bei dem Tropfen um ein Schwermetall handelt. Da Quecksilber das einzige, bei Normalbedingungen flüssige Schwermetall ist, kann es sich bei dem Tropfen nur um Quecksilber handeln. 2.3. Nachweis von Quecksilber anhand einer Spektralanalyse Um einen weiteren Nachweis des Quecksilbers in Energiesparlampen zu liefern, betrachten wir nun die Emissionswerte und graphen der Energiesparlampe, einer altertümliche Quecksilberdampflampe und einer UV-Lampe (mit 254nm und 366nm). Abb.2. Emissionsgraph von altertümlicher Quecksilberdampflampe (rot nach einer Minute, blau eine Sofortaufnahme) Wie in den Graphen der altertümliche Quecksilberdampflampe (rot nach einer Minute, blau eine Sofortaufnahme) zu erkennen, hat Quecksilber sowohl im infraroten Bereich als auch im normalsichtbaren Bereich Maxima (312,6nm; 334,1nm; 365nm; 404,7nm; 407,7nm; 435,8nm; 545nm; 577nm; 579nm). Diese stimmen mit den recherchierten Werten von Quecksilber überein. Vergleicht man nun diese Emissionswerte mit denen der Energiesparlampe(pink), so erkennt man das gleiche Muster. 5 Abb.3. Emissionsgraph von altertümlicher Quecksilberdampflampe (rot nach einer Minute, blau eine Sofortaufnahme,) und einer Energiesparlampe (pink)
Es existieren Maxima an den Stellen 364nm; 404nm; 407nm; 435nm; 486nm; 541nm; 545nm; 587nm; 610nm; 613nm; 630nm) Sieht man also von dem Bereich nach 600nm ab, der wahrscheinlich von Fluoreszenzstoffen herrührt, haben die beiden Graphen also dieselben Maxima. Es ist zu vermuten, dass die Energiesparlampe Quecksilber enthält. Um diesen Sachverhalt zu konkretisieren, vergleichen wir die Emissionswerte der Energiesparlampe(pink) nun außerdem noch mit den Spektren einer UV-Lampe- 254nm(rot) und einer UV-Lampen-366nm(blau). Im infraroten Bereich der sichtbare Bereich ist durch absorbierende Scheiben (Quarz und Glas) ausgeblendet worden sehen wir eine Linie, die sich wiederholt: Einen Maximum bei 366nm. Da UV-Licht aus Quecksilber gewonnen wird, konkretisiert sich die Vermutung, dass Quecksilber in der Energiesparlampe enthalten ist. Abb.4.. Emissionsgraph von einer Energiesparlampe(pink), UV-Lampe-254nm(rot) und einer UV-Lampen-366nm(blau) 2.4. Nachweis von Quecksilber durch den Schmelzpunkt Quecksilber hat nachgewiesen den Schmelzpunkt bei -38,83 C (234,32 K). Es ist somit das einzige Metall, was bei 20 C bzw. Zimmertemperatur und 1bar Druck flüssig ist. Auf dieser Grundlage können wir nun Quecksilber in der Energiesparlampe nachweisen. 2.4.1. Kältemischung mit 100 g Eis + 122,2 g CaCl2! 6 H2O Um eine Kältemischung herzustellen, deren Temperatur annähernd dem Schmelzpunkt gleicht, versuchten wir zunächst mit 100g Eis und 122,22g CaCl2! 6 H2O in einem Dewargefäß auf die Temperatur von ungefähr -40 C zu bringen. Dies gelang uns allerdings nicht. Grund dafür könnte das Salz an sich sein, welches bei 6
dem Versuch möglicherweise in seiner Reinform also CaCl2 vorhanden war, das eine exotherme Reaktion erzeugt und nicht die von uns gewollte endotherme. 2.4.2. Kältemischung mit 100ml Ethanol + Trockeneis (sublimiertes CO 2 ) Da unser vorheriger Versuch eine Kältemischung mit einem Salz herzustellen gescheitert ist, mischten wir nun in einem Dewargefäß ungefähr 100ml Ethanol und sublimiertes CO 2. Schon nach wenigen Minuten maßen wir eine Temperatur -50 C. An einem Band hängend tauchten wir nun die Energiesparlampe und warteten ungefähr 2 Minuten. Nach dem Herausziehen der Energiesparlampe aus der Lösung war der Tropfen Quecksilber nun in einem festen Aggregatzustand - beim Hin- und Herschwenken der Energiesparlampe hörte man ein leises Scheppern. Da der Tropfen ungefähr bei einer Temperatur von -40 C gefroren ist, ist zu vermuten, dass es sich um Quecksilber handelt. 2.5. Gewicht des Quecksilbertropfens Der Tropfen in der Energiesparlampe wirkt annähernd halbkugelartig. Nach Abschätzen bzw. Messen des Durchmessers war es uns möglich, den Tropfen auszumessen. Der gemessene Durchmesser betrug 2,4mm, der Radius des Tropfens ist somit 1,2mm. Da wir wissen, dass die Dichte von Quecksilber 13,5459g #cm -3 beträgt, konnten wir die Masse des Tropfens errechnen. 13,5459g #cm -3 #0,0036191147cm 3 = 0,0490241g = 49,0241mg Die meisten Energiesparlampen sollten ungefähr eine Quecksilbermenge von 2,5mg besitzen. Diese Menge würde also auf der Spitze eines Kugelschreibers Platz finden. Schon beim ersten Betrachten des Tropfens der von uns für die Versuche gewählte Energiesparlampe konnten wir erkennen, dass dieses Kriterium nicht erfüllt ist. Nach 7
den Bestimmungen der EU sollte der Höchstwert bei 5mg liegen. Nach unseren Berechnungen zufolge ist dieser Wert also um das zehnfache überschritten! 3. Lösungsansatze und Alternativen 3.1. Aufklärung der Öffentlichkeit In den letzten Monaten begann die Aufklärung der Öffentlichkeit über die Presse. Hier einige Auszüge: Wie werden Energiesparlampen entsorgt? [ ] Energiesparlampen enthalten [ ] Quecksilber. Auch wenn der Anteil recht gering ist, gehören sie deshalb auf den Sondermüll. [ ] Wenn eine Energiesparlampe zerbricht, sollten die Bruchstücke in einer luftdichten Plastiktüte gut verschlossen werden und das Zimmer mindestens 20 Minuten gelüftet werden. Mit einer zusätzlichen Silikon-Ummantelung können Lampen etwa im Kinderzimmer besonders geschützt werden. -Hamburger Abendblatt In Toom-Baumärkten angebotene Energiesparlampen enthalten zum Teil zu hohe Quecksilbermengen, kritisiert die Deutsche Umwelthilfe. In zwei der fünf Stichproben von Lampen der Marke Luxxx Energy fanden die Tester 5,7 bzw. 6,35 Milligramm Quecksilber. Erlaubt sind laut EU maximal fünf Milligramm.(hi) Hamburger Abendblatt http://www.abendblatt.de/wirtschaft/article1590503/was-ist-bei-energiesparlampenzu-beachten.html (Artikel Was ist bei Energiesparlampen zu beachten? vom 5.8.2010, Stand 14.1.2011) http://www.abendblatt.de/ratgeber/wissen/article1694756/zu-viel-quecksilber-in- Energiesparlampen.html (Artikel Zu viel Quecksilber in Energiesparlampen vom 5.11.2010, Stand 14.1.2011) Nur etwa zehn Prozent der ausgedienten Energiesparlampen werden umweltgerecht entsorgt, kritisiert die Deutsche Umwelthilfe (DUH). Da die Lampen geringe Mengen an Quecksilber enthalten, gehören sie in den Sondermüll. Nach 8
dem Elektroaltgerätegesetz sind die Kommunen für die Sammlung der Lampen zuständig. Hamburger Abendblatt http://www.abendblatt.de/ratgeber/wissen/article1729743/mehr-energiesparlampenan-sammelstellen-abgeben.html (Artikel Mehr Energiesparlampen an Sammelstellen abgeben vom 16.12.2010, Stand 14.1.2011) Das Quecksilber ist die Achillesferse der Energiesparlampen. Daher brauchen wir mittelfristig eine Lampentechnik, von der keine Quecksilberbelastung ausgeht. [ ] Die richtige und notwendige Energieeinsparung von bis zu 80 Prozent gegenüber Glühbirnen muss einher gehen mit sicheren Produkten, von denen keine vermeidbaren Gesundheitsrisiken ausgehen. - UBA-Präsident Jochen Flasbarth. 058_quecksilber_aus_zerbrochenen_energiesparlampen.html (Artikel Quecksilber aus zerbrochenen Energiesparlampen vom 2.12.2010, Stand 14.1.2011) Gut fürs Klima - schädlich für den Körper: Energiesparlampen bergen ein hohes Gesundheitsrisiko, warnt das Umweltbundesamt. Gehen sie zu Bruch, kann giftiges Quecksilber in die Raumluft entweichen. Bei einer Stichprobe betrug die Belastung teilweise das 20-Fache des Richtwerts. Spiegel Online http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,732406,00.html (Artikel Umweltbundesamt warnt vor Gift in Öko-Leuchten vom 2.12.2010, Stand 14.1.2011) http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-presse/2010/pd10- Das Umweltbundesamt warnt vor Energiesparlampen: Gehen diese zu Bruch, strömt giftiges Quecksilber aus. In Kinderzimmern sollten daher nur spezielle Birnen hängen. - Focus Online http://www.focus.de/immobilien/energiesparen/umweltbundesamt-energiesparlampeals-giftfalle_aid_577896.html (Artikel Energiesparlampe als Giftfalle vom 2.12.2010, Stand 14.1.2011) Und darüber hinaus: Das Umweltbundesamt (UBA) hat einen Beleg für Gesundheitsgefahren durch Quecksilber bei zerbrochenen Energiesparlampen 9
veröffentlicht. [ ] Verbraucherschützer fordern ein Aussetzen des EU-Verbots für herkömmliche Glühbirnen, solange keine sicheren Alternativen auf dem Markt sind. (dpa) Hamburger Abendblatt http://www.abendblatt.de/vermischtes/article1715885/umweltbundesamt-warnt-vor- Quecksilber-in-Energiesparlampen.html (Artikel Umweltbundesamt warnt vor Quecksilber in Energiesparlampen vom 3.12.2010, Stand 14.1.2011) Weitere hilfreiche Quellen zum Gebrauch von Energiesparlampen: www.lichtzeichen.de (Standorte der nächstgelegenen Entsorgungsstelle) http://www.umweltbundesamt.de/energie/licht/hgf.htm (UBA-Website) 3.2. Alternative zur Energiesparlampe LED-Lampen Diffusor Da uns Energiesparlampen nicht ökologisch sondern eher gefährlich erscheinen, versuchten wir Alternativen für diese zu finden. Bei dem Kauf der Lampe achtet man unter anderem meistens auf die Lebensdauer der Lampe. Führend unter den Lampen ist hier die LED-Lampe. Allerdings erzeugt diese oft ein eher fleckiges Licht, das es vielen Menschen unmöglich macht z.b. zu arbeiten, da sie es als störend empfinden. Das fleckige Licht rührt von einer ungleichmäßigen Streuung des Lichtes, daher suchten wir nach einem Material, welches Licht vergleichmäßigt. Milchglas(-folie) schien hier sehr geeignet: Durch die aufgeraute Oberfläche des Milchglases erzeugt diese einen Diffusoreffekt. Hierbei liegt zum einen eine Rückstreuung von Licht in Richtung der Lampe und zum anderen die von uns angestrebte Vergleichmäßigung der Lichtverteilung vor. Anzumerken ist allerdings, dass durch die neue Lichtverteilung und die Rückstreuung eine Abschwächung des Helligkeitsanteils vorliegt. Diese maßen wir, indem wir in einem dunklen Raum sowohl ein Foto von dem üblichen Licht einer LED-Lampe als auch ein Foto von dem durch das Milchglas gefilterten Licht einer LED-Lampe machten. Die Blende war bei beiden Fotos gleich eingestellt. Das Foto des normalen Lichtes hatte eine Belichtungszeit von 1/250 sec, das des neuen Lichtes eine von 1/200sec. Es ist daher anzunehmen, dass eine Abschwächung des Helligkeitsanteils bei ungefähr 20% liegt. 10
4. Fazit Uns scheint die Energiesparlampe eine ökologische Alternative zur Glühbirne zu sein, da sie deutlich weniger elektrische Leistung braucht (bis zu 75%-80% weniger als Glühlampen), da sie weniger Wärme erzeugt. Jedoch müssen dabei auch immer die Gefahren für die Umwelt und den Menschen berücksichtigt werden, welche beispielsweise durch falsche Entsorgung oder durch das Zerbrechen einer Energiesparlampe mit einem zu hohem Quecksilbergehalt verursacht werden können. Es ist nötig, dass die Aufklärung der Öffentlichkeit sowohl von Seiten des UBA als auch von Seiten der Presse weiter fortschreitet, da diese die Gesellschaft am schnellsten erreichen. Diese Aufklärung sollte soweit reichen, dass jeder Bürger weiß, wie und wo Energiesparlampen zu entsorgen sind. Es ist außerdem notwendig, wenn man weiter Energiesparlampen auf den Markt bringt, Energiesparlampen, die mit Kunststoff ummantelt sind, weiter zu entwickeln, da bei diesen die Gefahr eines Zerbrechens geringer ist. Darüber hinaus sollten noch andere Alternativen gefördert werden wie zum Beispiel die LED-Lampen. Diese haben eine deutlich höhere Energieausbeute, als Energiesparlampen, jedoch sind sie zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht vollständig ausgereift. LED-Lampen sind immer noch relativ teuer, das abgegebene Licht wirkt für die meisten Menschen noch störend, und die Lichtintensität ist bei den meisten LED-Lampen ebenfalls noch sehr gering. Wir sehen jedoch einen aufblühenden Markt für diese Technologie und betrachten die LED-Lampe als einen immer ernster zu nehmenden Konkurrenten für die Energiesparlampe insbesondere mit dem von uns entwickelten Diffusor, der das Licht gleichmäßiger erscheinen lässt. Die Energiesparlampe scheint uns nur eine kurzfristige Übergangslösung zu sein. Man sollte sich eher an anderen Lampenarten orientieren, welche nicht gesundheitsschädlich sein können. 11
5. Anhang 5.1. Quellen Hollemann, Wiberg Lehrbuch der anorganischen Chemie, Gruyter 1995, Quecksilber (S.1042ff) Glühbirnenverbot: http://www.gluehbirnenverbot.com/ (Stand: 26.1.2011) Wikipedia, Quecksilber:http://de.wikipedia.org/wiki/Quecksilber (Stand: 26.1.2011) Umweltbundesamt:http://www.umweltbundesamt.de/uba-info-presse/2010/pd10-058_quecksilber_aus_zerbrochenen_energiesparlampen.html (Stand: 26.1.2011) Wikipedia, Calciumchlorid:http://de.wikipedia.org/wiki/Calciumchlorid (Stand: 26.1.2011) Osram, Energiesparlampen: http://www.osram.de/osram_de/consumer/beleuchtung_fuer_zuhause/energiesparla mpen/index.html (Stand: 26.1.2011) Wikipedia, Kältemischung:http://de.wikipedia.org/wiki/K%C3%A4ltemischung (Stand: 26.1.2011) 5.2. Fotos Zu: 2.1. Nachweis von Quecksilber anhand eines Metalldetektors Zu: 2.1. Nachweis von Quecksilber anhand eines Metalldetektors Abb.5. sichtbarer Tropfen in einer Energiesparlampe Abb.6. Nachweis von Metall in der Energiesparlampe durch Metalldetektor 12
Zu: 2.3. Nachweis von Quecksilber anhand einer Spektralanalyse Zu: 2.3. Nachweis von Quecksilber anhand einer Spektralanalyse Abb.8. Untersuchung der Emissionswerte von einer UV-Lampe Abb.7. Altertümliche Quecksilberdampflampe Zu: 2.4. Nachweis von Quecksilber durch den Schmelzpunkt Zu: 2.4. Nachweis von Quecksilber durch den Schmelzpunkt Abb.9. Brennspiritus und Dewargefäß Abb.10. Eispack Fertigung von Trockeneis (sublimiertes CO 2) 13
Abb.11. Fertiges Trockeneis (sublimiertes CO 2) Abb.12. Gemessene Temperatur der Kühlmischung Abb.13. Einführung der Energiesparlampe in die Kühlmischung Abb.14. Energiesparlampe in der Kältemischung 14
Abb.15. Hinausnehmen der Energiesparlampe aus der Kältemischung 15