Spektroskopija je moćan alat sa širokim rasponom primjena koji može zaštititi okoliš praćenjem i regulacijom onečišćenja zraka.
Danska multinacionalna tvrtka Danfoss IXA razvila je analizator emisija u ocean temeljen na ultraljubičastoj (UV) apsorpcijskoj spektroskopiji za praćenje dušikovih oksida (NOx), sumporovog dioksida (SO2) i amonijaka (NH3) koje emitiraju teretni brodovi. Optička oprema za nadzor nalazi se unutar brodskog ispušnog sustava i izložena je teškim okruženjima s ekstremnim temperaturama, vibracijama i korozivnošću, što pred spektroskopski sustav postavlja ozbiljne ekološke zahtjeve.
Zašto pratiti emisije s teretnih brodova?
Morske emisije s međunarodnih brodova uzrokuju preuranjene smrti od oštećenja pluća i kardiovaskularnih bolesti kod ljudi diljem svijeta. Procjenjuje se da je broj smrtnih slučajeva od raka srca, pluća i pluća uzrokovanih brodskim emisijama čak 60,000,000 godišnje na globalnoj razini. Ne samo da su emisije s brodova ozbiljan problem koji utječe na ljudsko zdravlje, već također oštećuju morske i kopnene ekosustave.
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 emisijama - bez kojih brodovi ne mogu uploviti u mnoge velike luke.
Bez analizatora poput onih koje je razvio Danfoss IXA, na primjer, vlasti nemaju drugi prikladan, pouzdan način za praćenje brodskih emisija i provedbu ovih propisa. Iako postoje mnoge lokalne i regionalne inicijative usmjerene na ograničavanje brodskih emisija, provedba tih politika iznimno je teška. Analizator pomorskih emisija baziran na spektru moćan je alat koji može precizno pratiti brodske emisije u stvarnom vremenu.
UV spektroskopski sustav
Osnovno načelo spektroskopije je da tvari imaju jedinstven apsorpcijski spektar i mogu apsorbirati različite valne duljine svjetlosti ovisno o svom atomskom i molekularnom sastavu. Sustav UV spektroskopije tvrtke Danfoss IXA sastoji se od izvora UV svjetlosti visokog intenziteta, UV spektrometra i optičke komponente poboljšane UV zračenjem kao što su optička vlakna, leće i ravna zrcala. Kako bi razumjeli kako se različite valne duljine apsorbiraju i na taj način odredili sastav ispušnog plina, spektrometar prostorno razdvaja širokopojasnu emisiju izvora svjetlosti na 1D detektorski niz, koji istovremeno mjeri cijeli UV spektar.
Dok Danfoss IXA sustav ne koristi monokromatore za izolaciju valne duljine, mnogi spektroskopski sustavi koriste monokromatore za izolaciju valne duljine. U tim slučajevima, svjetlost iz UV izvora ulazi u ulazni prorez monokromatora, gdje disperzivni element (kao što je difrakcijska rešetka ili prizma) razlaže svjetlost na komponente valnih duljina koje sadrži (vidi sliku 1).
Slika Slika 1: Ispitna valna duljina spektrometra, koja se može fino podesiti odvajanjem širokopojasne emisije na niz 1D senzora ili promjenom kuta difrakcijske rešetke ili prizme unutar monokromatora. (Slika: Edmund Optics)
Izlazni prorez monokromatora blokira sve valne duljine, a kroz prorez prolazi samo uzak pojas svjetlosti koji prolazi kroz uzorak ispušnih plinova. Promjena kuta difrakcijske rešetke ili prizme mijenja valne duljine koje prolaze kroz izlazni prorez, omogućujući fino ugađanje ispitnog pojasa. Svjetlost koja prolazi kroz uzorak ispušnih plinova usmjerava se na detektor kako bi se odredila apsorpcija koja se javlja; molekularni sastav ispušnog plina zatim se izračunava iz rezultata apsorpcije.
Za monokromatore koji koriste difrakcijske rešetke, frekvencija zareza na rešetki obično se mjeri u zarezima po milimetru. Viša frekvencija usjeka poboljšava optičku rezoluciju, ali rezultira užim rasponom dostupnih valnih duljina; obrnuto, niža frekvencija usjeka rezultira širim rasponom dostupnih valnih duljina, ali nauštrb optičke rezolucije.
Zahtjevi zaštite okoliša
Razvoj takvih sustava je vrlo zahtjevan zbog ekstremno visokih zahtjeva za temperaturu i tlak. Visoke temperature mogu uzrokovati kvar optike zbog topljenja i toplinskog stresa, što ozbiljno ograničava vrste optičkih materijala koji se mogu koristiti. Visoke temperature također mogu uzrokovati ispuštanje ljepila u optičkim komponentama i kontaminaciju sustava. Sustav je izložen temperaturama do 500 stupnjeva, tako da zahtjevi za visokim tlakom čine brtvljenje optičkog sustava kritičnim. Potreba za optikom da prenosi UV svjetlo s 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 životni vijek, uglavnom zbog kontaminacije od UV fotona velike snage u interakciji s okolinom i UV svjetlosti koja oštećuje premaze i podloge optike. Oba ova učinka s vremenom smanjuju performanse optičkih komponenti.
Štetni materijali mogu se taložiti na površini optike kada ultraljubičasto svjetlo velike snage stupi u interakciju s česticama, vodenom parom, organskim tvarima i drugim zagađivačima u sustavu. Ispušni plinovi i drugi zagađivači u zraku obično uzrokuju naslage ugljika na optičkim površinama. Slika 2 prikazuje primjer UV-induciranog dendritičkog rasta kontaminacije.
Slika Slika 2: Primjer onečišćenja izazvanog izlaganjem prozora od taljenog silicijevog dioksida bez premaza UV svjetlu. Ova je slika snimljena nakon 6 tjedana izlaganja UV laseru od približno 3 W, što se razlikuje od upotrebe analizatora plina u Danfoss IXA, ali daje naznaku vrste UV kontaminacije do koje može doći.
Interakcija s plinovima koji okružuju optiku također može dovesti do taloženja kontaminanata, tako da su svi ispušni plinovi koji ulaze u sustav izvor kontaminacije. Energije fotona na UV valnim duljinama manjim od 400 nm približno su jednake energijama veze okolnih molekula, što omogućuje UV svjetlu da prekine neke od tih veza. To proizvodi druge ione i molekule koji mogu kontaminirati optičke površine.
Zbog procesa optičkog zamora, sami premazi i materijali supstrata UV optičkih uređaja također su osjetljivi na degradaciju tijekom vremena kada su izloženi UV svjetlu velike snage. Intenzivna uporaba 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 učinak leće koji može povećati lokalizirani intenzitet. Mogu se formirati i samozarobljeni ekscitoni, što dovodi do nakupljanja apsorpcijskih centara.
Kao rezultat ovih učinaka, UV optika će se s vremenom možda trebati zamijeniti, ali pravilno brtvljenje, pranje i čišćenje mogu ublažiti te učinke.
Oštri uvjeti kojima se Danfoss IXA analizator emisija plinova mora prilagoditi postavili su mnoge izazove za optički i opto-mehanički dizajn sustava; međutim, uređaj se pokazao uspješnim i trenutno pomaže u praćenju emisija s tisuća brodova diljem svijeta.
Ovo je velika pobjeda za okoliš - korak prema smanjenju emisija NOx, SO2 i NH3 iz međunarodnog transporta. Svako smanjenje ovog onečišćenja pomaže u smanjenju broja smrtnih slučajeva od bolesti srca i pluća uzrokovanih emisijama brodova svake godine.
Prilikom projektiranja optičkog sustava za rad u teškim okruženjima, razgovarajte o specifičnim zahtjevima za okoliš s proizvođačem optičkih komponenti. Proizvođač optičkih komponenti trebao bi vas moći voditi kroz ključna razmatranja, jasno objasniti sve kompromise koje je potrebno napraviti i osigurati da vaš sustav radi prema potrebi.
