Spektroskopia on tehokas työkalu, jolla on laaja valikoima sovelluksia ja jolla voidaan suojella ympäristöä ilmansaasteiden tarkkailun ja säätelyn avulla.
Tanskalainen monikansallinen Danfoss IXA on kehittänyt ultravioletti (UV) absorptiospektroskopiaan perustuvan päästöanalysaattorin valtamereen rahtilaivojen typenoksidien (NOx), rikkidioksidin (SO2) ja ammoniakin (NH3) päästöjen tarkkailuun. Optinen valvontalaitteisto sijaitsee aluksen pakojärjestelmän sisällä ja on alttiina ankarille ympäristöille, joissa on äärimmäisiä lämpötiloja, tärinää ja korroosiota, mikä asettaa vakavia ympäristövaatimuksia spektroskopiajärjestelmälle.
Miksi seurata rahtilaivojen päästöjä?
Kansainvälisten alusten meripäästöt aiheuttavat ennenaikaisia kuolemia keuhkovaurioihin ja sydän- ja verisuonisairauksiin ihmisillä ympäri maailmaa. Merenkulun päästöistä johtuvien sydän-, keuhko- ja keuhkosyöpäkuolemien määrän arvioidaan olevan jopa 60,000,000 vuodessa maailmanlaajuisesti. Alusten päästöt eivät ole ainoastaan vakava ongelma, joka vaikuttaa ihmisten terveyteen, vaan ne vahingoittavat myös meri- ja maaekosysteemejä.
Kansainvälinen merenkulkujärjestö (IMO) ja Yhdysvaltain ympäristönsuojeluvirasto (EPA) ovat perustaneet monille maan valtamerille päästöjen valvonta-alueita (ECA), joilla on tiukat päästömääräykset, joita ilman alukset eivät pääse moniin suuriin satamiin.
Ilman esimerkiksi Danfoss IXA:n kehittämiä analysaattoreita viranomaisilla ei ole muuta kätevää ja luotettavaa tapaa seurata alusten päästöjä ja valvoa näiden määräysten noudattamista. Vaikka on olemassa monia paikallisia ja alueellisia aloitteita, joilla pyritään rajoittamaan alusten päästöjä, näiden politiikkojen täytäntöönpano on erittäin vaikeaa. Spektriin perustuva Marine Emissions Analyzer on tehokas työkalu, joka pystyy tarkkailemaan laivojen päästöjä tarkasti reaaliajassa.
UV-spektroskopiajärjestelmä
Spektroskopian perusperiaate on, että aineilla on ainutlaatuinen absorptiospektri ja ne pystyvät absorboimaan erilaisia valon aallonpituuksia riippuen niiden atomi- ja molekyylikoostumuksesta. Danfoss IXA:n UV-spektroskopiajärjestelmä koostuu korkean intensiteetin UV-valolähteestä, UV-spektrometristä. ja UV-tehosteiset optiset komponentit, kuten optiset kuidut, linssit ja tasopeilit. Ymmärtääkseen eri aallonpituuksien absorboitumista ja näin määritelläkseen pakokaasun koostumusta, spektrometri erottaa valonlähteen laajakaistaemission spatiaalisesti 1D-ilmaisinryhmälle, joka mittaa koko UV-spektrin samanaikaisesti.
Vaikka Danfoss IXA:n järjestelmä ei käytä monokromaattoreita aallonpituuseristykseen, monet spektroskopiajärjestelmät käyttävät monokromattoreita aallonpituuseristykseen. Näissä tapauksissa UV-lähteestä tuleva valo tulee monokromaattorin sisääntulorakoon, jossa dispersiivinen elementti (kuten diffraktiohila tai prisma) hajottaa valon sen sisältämille komponenttiaallonpituuksille (katso kuva 1).
Kuva Kuva 1: Spektrometrin testiaallonpituus, jota voidaan hienosäätää erottelemalla laajakaistaemissio 1D-anturiryhmälle tai muuttamalla diffraktiohilan tai prisman kulmaa monokromaattorin sisällä. (Kuvan luotto: Edmund Optics)
Monokromaattorin ulostulorako estää kaikki aallonpituudet, ja vain kapea valokaista, joka kulkee pakokaasunäytteen läpi, kulkee raon läpi. Diffraktiohilan tai prisman kulman muuttaminen muuttaa lähtevän raon läpi kulkevia aallonpituuksia, mikä mahdollistaa testikaistan hienosäädön. Pakokaasunäytteen läpi kulkeva valo ohjataan sitten ilmaisimeen tapahtuvan absorption määrittämiseksi; pakokaasun molekyylikoostumus lasketaan sitten absorptiotuloksista.
Diffraktiohilaa käyttävissä monokromaattoreissa hilan lovitaajuus mitataan yleensä lovina millimetriä kohti. Korkeampi lovitaajuus parantaa optista resoluutiota, mutta johtaa kapeampaan käytettävissä olevien aallonpituuksien alueeseen; päinvastoin, pienempi pykälätaajuus johtaa laajempaan valikoimaan käytettävissä olevia aallonpituuksia, mutta optisen resoluution kustannuksella.
Ympäristövaatimukset
Tällaisten järjestelmien kehittäminen on erittäin haastavaa äärimmäisen korkeiden lämpötila- ja painevaatimusten vuoksi. Korkeat lämpötilat voivat aiheuttaa optiikan epäonnistumisen sulamisen ja lämpörasituksen vuoksi, mikä rajoittaa voimakkaasti käytettävien optisten materiaalien tyyppejä. Korkeat lämpötilat voivat myös saada optisten komponenttien liimat ulos kaasusta ja saastuttaa järjestelmän. Järjestelmä altistuu jopa 500 asteen lämpötiloille, joten sen korkeapainevaatimukset tekevät optisen järjestelmän tiivistämisestä kriittistä. Optiikan tarve läpäistä UV-valoa vähän tai ei lainkaan absorptiota rajoittaa myös saatavilla olevia optisia materiaaleja.
Optiikan UV-hajoaminen
Toinen hankkeen haaste on, että UV-optiikalla on yleensä rajoitettu käyttöikä, mikä johtuu suurelta osin ympäristön kanssa vuorovaikutuksessa olevien voimakkaiden UV-fotonien aiheuttamasta kontaminaatiosta ja optiikan pinnoitteita ja substraatteja vahingoittavasta UV-valosta. Molemmat näistä vaikutuksista heikentävät optisten komponenttien suorituskykyä ajan myötä.
Optiikan pinnalle voi kertyä haitallisia aineita, kun suuritehoinen UV-valo on vuorovaikutuksessa järjestelmän hiukkasten, vesihöyryn, orgaanisten aineiden ja muiden epäpuhtauksien kanssa. Pakokaasut ja muut ilman epäpuhtaudet aiheuttavat yleensä hiilikertymiä optisille pinnoille. Kuvio 2 esittää esimerkin UV-indusoidusta kontaminaatioiden dendriittikasvusta.
Kuva Kuva 2: Esimerkki kontaminaatiosta, joka aiheutuu pinnoittamattoman sulatetun piidioksidi-ikkunan altistamisesta UV-valolle. Tämä kuva on otettu kuuden viikon altistuksen jälkeen noin 3 W:n UV-laserille, mikä eroaa Danfoss IXA:n kaasuanalysaattorin käytöstä, mutta se antaa viitteitä mahdollisesta UV-kontaminaation tyypistä.
Vuorovaikutus optiikkaa ympäröivien kaasujen kanssa voi myös johtaa epäpuhtauksien kerääntymiseen, joten kaikki järjestelmään pääsevät pakokaasut ovat saastumisen lähde. Fotonien energiat alle 400 nm:n UV-aallonpituuksilla ovat lähes samoja kuin ympäröivien molekyylien sidosenergiat, minkä ansiosta UV-valo voi katkaista osan näistä sidoksista. Tämä tuottaa muita ioneja ja molekyylejä, jotka voivat saastuttaa optisia pintoja.
Optisen väsymisprosessin vuoksi myös itse UV-optisten laitteiden pinnoitteet ja substraattimateriaalit ovat alttiita hajoamiselle ajan myötä, kun ne altistetaan voimakkaalle UV-valolle. Raskas käyttö ajan myötä voi aiheuttaa niiden hajoamisen ja johtaa värin muuttumiseen tai muihin materiaalin muutoksiin. Niiden taitekerrointa voidaan muokata tuottamaan linssivaikutelma, joka voi lisätä paikallista intensiteettiä. Voidaan myös muodostaa itsejääntyneitä eksitoneja, mikä johtaa absorptiokeskusten kerääntymiseen.
Näiden vaikutusten seurauksena UV-optiikka on ehkä vaihdettava ajan myötä, mutta asianmukainen tiivistys, pesu ja puhdistus voivat lieventää näitä vaikutuksia.
Ankarat ympäristöt, joihin Danfoss IXA Gas Emissions Analyzerin on mukauduttava, ovat asettaneet monia haasteita järjestelmän optiselle ja optomekaaniselle suunnittelulle. laite on kuitenkin osoittautumassa menestykseksi ja auttaa tällä hetkellä seuraamaan tuhansien alusten päästöjä maailmanlaajuisesti.
Tämä on suuri voitto ympäristölle – askel kohti kansainvälisen merenkulun NOx-, SO2- ja NH3-päästöjen minimoimista. Tämän saastumisen vähentäminen auttaa vähentämään meriliikenteen päästöjen aiheuttamien sydän- ja keuhkosairauksien aiheuttamia kuolemia vuosittain.
Kun suunnittelet optista järjestelmää toimimaan ankarissa ympäristöissä, keskustele erityisistä ympäristövaatimuksista optisten komponenttien valmistajan kanssa. Optisten komponenttien valmistajan tulee pystyä opastamaan sinua tärkeimpien näkökohtien läpi, selittämään selkeästi mahdolliset kompromissit ja varmistamaan, että järjestelmäsi toimii tarpeen mukaan.
