Spektroskopija je moćan alat sa širokim spektrom primjena koji može zaštititi okoliš praćenjem i regulacijom zagađenja zraka.
Danska multinacionalna kompanija Danfoss IXA razvila je analizator emisije u okeanu zasnovan na ultraljubičastoj (UV) apsorpcionoj spektroskopiji za praćenje azotnih oksida (NOx), sumpor-dioksida (SO2) i amonijaka (NH3) koje emituju teretni brodovi. Oprema za optički nadzor nalazi se unutar izduvnog sistema broda i izložena je teškim okruženjima sa ekstremnim temperaturama, vibracijama i korozivnošću, što postavlja ozbiljne zahtjeve za okolinu na sistem spektroskopije.
Zašto pratiti emisije s teretnih brodova?
Morske emisije iz međunarodnih brodova uzrokuju preranu smrt od oštećenja pluća i kardiovaskularnih bolesti kod ljudi širom svijeta. Broj smrtnih slučajeva od raka srca, pluća i pluća uzrokovanih emisijama iz transporta procjenjuje se na čak 60,000,000 godišnje na globalnom nivou. Ne samo da su emisije iz morskih plovila ozbiljan problem koji utječu na zdravlje ljudi, već i štete morskim i kopnenim ekosistemima.
Međunarodna pomorska organizacija (IMO) i Američka agencija za zaštitu okoliša (EPA) uspostavile su područja kontrole emisija (ECA) u mnogim nacionalnim oceanima sa strogim propisima o emisiji - bez kojih brodovi ne mogu ući u mnoge velike luke.
Bez analizatora poput onih koje je razvio Danfoss IXA, na primjer, vlasti nemaju drugi prikladan, pouzdan način za praćenje emisija brodova i sprovođenje ovih propisa. Iako postoje mnoge lokalne i regionalne inicijative koje imaju za cilj ograničavanje emisija iz brodova, provođenje ovih politika je izuzetno teško. Analizator morskih emisija zasnovan na spektru moćan je alat sposoban za precizno praćenje brodskih emisija u realnom vremenu.
Sistem UV spektroskopije
Osnovni princip spektroskopije je da supstance imaju jedinstven apsorpcioni spektar i da su u stanju da apsorbuju različite talasne dužine svetlosti u zavisnosti od svog atomskog i molekularnog sastava. Sistem UV spektroskopije kompanije Danfoss IXA sastoji se od izvora UV svetlosti visokog intenziteta, UV spektrometra , i UV poboljšane optičke komponente kao što su optička vlakna, sočiva i planarna ogledala. Kako bi se razumjelo kako se apsorbiraju različite valne dužine i na taj način odredio sastav izduvnog plina, spektrometar prostorno razdvaja širokopojasnu emisiju izvora svjetlosti na 1D detektorski niz, koji istovremeno mjeri cijeli UV spektar.
Dok Danfoss IXA sistem ne koristi monohromatore za izolaciju talasnih dužina, mnogi sistemi spektroskopije koriste monohromatore za izolaciju talasnih dužina. U tim slučajevima, svjetlost iz UV izvora ulazi u ulazni prorez monohromatora, gdje disperzivni element (kao što je difrakciona rešetka ili prizma) razlaže svjetlost na valne dužine komponenti koje sadrži (vidi sliku 1).
Slika Slika 1: Testna talasna dužina spektrometra, koja se može fino podesiti odvajanjem širokopojasne emisije na 1D senzorski niz, ili promenom ugla difrakcione rešetke ili prizme unutar monohromatora. (Kredit slike: Edmund Optics)
Izlazni prorez monohromatora blokira sve talasne dužine, a samo uski pojas svetlosti koji prolazi kroz uzorak izduvnih gasova prolazi kroz prorez. Promjenom ugla difrakcione rešetke ili prizme mijenjaju se valne dužine koje prolaze kroz izlazni prorez, omogućavajući fino podešavanje testnog pojasa. Svjetlost koja prolazi kroz uzorak izduvnih gasova se zatim usmjerava na detektor kako bi se odredila apsorpcija koja se javlja; molekularni sastav izduvnog gasa se zatim izračunava iz rezultata apsorpcije.
Za monohromatore koji koriste difrakcijske rešetke, frekvencija zareza rešetke se obično mjeri u zarezima po milimetru. Viša frekvencija zareza poboljšava optičku rezoluciju, ali rezultira užim rasponom dostupnih valnih dužina; obrnuto, niža frekvencija rezova rezultira širim rasponom dostupnih talasnih dužina, ali na račun optičke rezolucije.
Environmental Requirements
Razvoj ovakvih sistema je veoma izazovan zbog izuzetno visokih zahteva za temperaturom i pritiskom. Visoke temperature mogu uzrokovati kvar optike zbog topljenja i toplinskog naprezanja, što ozbiljno ograničava vrste optičkih materijala koji se mogu koristiti. Visoke temperature također mogu uzrokovati ispuštanje ljepila u optičkim komponentama i kontaminaciju sistema. Sistem je izložen temperaturama do 500 stepeni, tako da njegovi zahtevi za visokim pritiskom čine zaptivanje optičkog sistema kritičnim. Potreba za optikom da prenosi UV svjetlo sa malo ili bez apsorpcije također ograničava dostupne optičke materijale.
UV degradacija optike
Još jedan izazov s kojim se suočava projekt je da UV optika obično ima ograničen vijek trajanja, uglavnom zbog kontaminacije od UV fotona velike snage koji stupaju u interakciju s okolinom i UV svjetlosti koja oštećuje premaze i podloge optike. Oba ova efekta vremenom smanjuju performanse optičkih komponenti.
Štetni materijali mogu se taložiti na površini optike kada UV svjetlo velike snage stupi u interakciju s česticama, vodenom parom, organskim tvarima i drugim zagađivačima u sistemu. Izduvni i drugi zagađivači u zraku obično uzrokuju naslage ugljika na optičkim površinama. Slika 2 prikazuje primjer dendritskog rasta kontaminacije izazvanog UV zračenjem.
Slika Slika 2: Primjer kontaminacije izazvane izlaganjem neobloženog staklenog silicijumskog prozora UV svjetlu. Ova slika je snimljena nakon 6 sedmica izlaganja UV laseru pri približno 3W, što se razlikuje od upotrebe gasnog analizatora u Danfoss IXA, ali daje indikaciju vrste UV kontaminacije do koje može doći.
Interakcija sa gasovima koji okružuju optiku takođe može dovesti do taloženja kontaminanata, tako da su svi izduvni gasovi koji ulaze u sistem izvor kontaminacije. Energije fotona na UV talasnim dužinama manjim od 400 nm su blizu iste kao i energija veze okolnih molekula, što omogućava UV svetlosti da prekine neke od ovih veza. Ovo proizvodi druge ione i molekule koji mogu kontaminirati optičke površine.
Zbog procesa optičkog zamora, premazi i materijali podloge samih UV optičkih uređaja također su podložni degradaciji tokom vremena kada su izloženi UV svjetlu velike snage. Teška upotreba tijekom vremena može uzrokovati njihovu degradaciju i dovesti do promjene boje ili drugih promjena u materijalu. Njihov indeks loma može se modificirati kako bi se proizveo efekt sočiva koji može povećati lokalizirani intenzitet. Mogu se formirati i samozarobljeni eksitoni, što dovodi do nakupljanja apsorpcionih centara.
Kao rezultat ovih efekata, UV optiku će možda trebati zamijeniti s vremenom, ali pravilno zaptivanje, pranje i čišćenje mogu ublažiti ove efekte.
Oštra okruženja koja Danfoss IXA analizator emisije gasova mora da se prilagodi da bi postavila mnoge izazove optičkom i opto-mehaničkom dizajnu sistema; međutim, uređaj se pokazao uspješnim i trenutno pomaže u praćenju emisija s hiljada brodova širom svijeta.
Ovo je velika pobjeda za okoliš - korak ka minimiziranju emisija NOx, SO2 i NH3 iz međunarodnog brodarstva. Svako smanjenje ovog zagađenja pomaže da se smanji broj smrtnih slučajeva od srčanih i plućnih bolesti uzrokovanih emisijama iz broda svake godine.
Kada dizajnirate optički sistem za rad u teškim okruženjima, razgovarajte o specifičnim zahtjevima okoliša s proizvođačem optičkih komponenti. Proizvođač optičkih komponenti trebao bi biti u mogućnosti da vas vodi kroz ključna razmatranja, jasno objasni sve kompromise koji bi mogli biti potrebni i osigurati da vaš sistem radi po potrebi.
