Spektroskopia je výkonný nástroj so širokou škálou aplikácií, ktorý dokáže chrániť životné prostredie monitorovaním a reguláciou znečistenia ovzdušia.
Dánska nadnárodná spoločnosť Danfoss IXA vyvinula analyzátor emisií v oceáne založený na ultrafialovej (UV) absorpčnej spektroskopii na monitorovanie oxidov dusíka (NOx), oxidu siričitého (SO2) a amoniaku (NH3) emitovaných z nákladných lodí. Optické monitorovacie zariadenie sa nachádza vo výfukovom systéme lode a je vystavené drsnému prostrediu s extrémnymi teplotami, vibráciami a korozívnosťou, ktoré kladú vysoké environmentálne požiadavky na spektroskopický systém.
Prečo monitorovať emisie z nákladných lodí?
Morské emisie z medzinárodných námorných lodí spôsobujú u ľudí na celom svete predčasné úmrtia na poškodenie pľúc a kardiovaskulárne ochorenia. Počet úmrtí na rakovinu srdca, pľúc a pľúc spôsobených emisiami z lodnej dopravy sa odhaduje na celosvetovo až 60,{1}},000 ročne. Nielenže emisie z námorných plavidiel sú vážnym problémom, ktorý ovplyvňuje ľudské zdravie, ale poškodzuje aj morské a suchozemské ekosystémy.
Medzinárodná námorná organizácia (IMO) a Americká agentúra na ochranu životného prostredia (EPA) zriadili oblasti kontroly emisií (ECA) v mnohých národných oceánoch s prísnymi emisnými predpismi – bez ktorých lode nemôžu vstúpiť do mnohých veľkých prístavov.
Bez analyzátorov, ako sú napríklad tie, ktoré vyvinula spoločnosť Danfoss IXA, úrady nemajú žiadny iný pohodlný a spoľahlivý spôsob monitorovania emisií z lodí a presadzovania týchto predpisov. Hoci existuje mnoho miestnych a regionálnych iniciatív zameraných na obmedzenie emisií z lodí, presadzovanie týchto politík je mimoriadne zložité. Analyzátor morských emisií založený na spektre je výkonný nástroj schopný presne monitorovať emisie lodí v reálnom čase.
UV spektroskopický systém
Základným princípom spektroskopie je, že látky majú jedinečné absorpčné spektrum a sú schopné absorbovať rôzne vlnové dĺžky svetla v závislosti od ich atómového a molekulárneho zloženia. Systém UV spektroskopie od Danfoss IXA pozostáva zo zdroja UV svetla s vysokou intenzitou, UV spektrometra a optické komponenty vylepšené UV, ako sú optické vlákna, šošovky a rovinné zrkadlá. Aby bolo možné pochopiť, ako sa absorbujú rôzne vlnové dĺžky a týmto spôsobom určiť zloženie výfukových plynov, spektrometer priestorovo oddeľuje širokopásmové vyžarovanie svetelného zdroja na pole 1D detektorov, ktoré súčasne meria celé UV spektrum.
Zatiaľ čo systém Danfoss IXA nepoužíva monochromátory na izoláciu vlnových dĺžok, mnohé spektroskopické systémy používajú na izoláciu vlnových dĺžok monochromátory. V týchto prípadoch svetlo z UV zdroja vstupuje do vstupnej štrbiny monochromátora, kde disperzný prvok (ako je difrakčná mriežka alebo hranol) rozkladá svetlo na zložky s vlnovými dĺžkami, ktoré obsahuje (pozri obrázok 1).
Obrázok Obrázok 1: Testovacia vlnová dĺžka spektrometra, ktorú možno jemne doladiť oddelením širokopásmovej emisie na pole 1D senzorov alebo zmenou uhla difrakčnej mriežky alebo hranola vo vnútri monochromátora. (Obrazový kredit: Edmund Optics)
Výstupná štrbina monochromátora blokuje všetky vlnové dĺžky a štrbinou prechádza len úzky pás svetla, ktorý prechádza vzorkou výfukových plynov. Zmena uhla difrakčnej mriežky alebo hranola mení vlnové dĺžky, ktoré prechádzajú cez výstupnú štrbinu, čo umožňuje jemné doladenie testovacieho pásma. Svetlo prechádzajúce vzorkou výfukových plynov sa potom nasmeruje do detektora na určenie absorpcie, ktorá nastáva; z výsledkov absorpcie sa potom vypočíta molekulárne zloženie výfukových plynov.
Pri monochromátoroch používajúcich difrakčné mriežky sa vrubová frekvencia mriežky zvyčajne meria v zárezoch na milimeter. Vyššia zárezová frekvencia zlepšuje optické rozlíšenie, ale vedie k užšiemu rozsahu dostupných vlnových dĺžok; naopak, nižšia frekvencia zárezu má za následok širší rozsah dostupných vlnových dĺžok, ale na úkor optického rozlíšenia.
Environmentálne požiadavky
Vývoj takýchto systémov je veľmi náročný kvôli extrémne vysokým teplotným a tlakovým požiadavkám. Vysoké teploty môžu spôsobiť zlyhanie optiky v dôsledku tavenia a tepelného namáhania, čo výrazne obmedzuje typy optických materiálov, ktoré je možné použiť. Vysoké teploty môžu tiež spôsobiť uvoľnenie plynu z lepidiel v optických komponentoch a kontamináciu systému. Systém je vystavený teplotám až do 500 stupňov, takže jeho požiadavky na vysoký tlak robia utesnenie optického systému kritickým. Potreba optiky prenášať UV svetlo s malou alebo žiadnou absorpciou tiež obmedzuje dostupné optické materiály.
UV degradácia optiky
Ďalšou výzvou, ktorej projekt čelí, je, že UV optika má tendenciu mať obmedzenú životnosť, najmä v dôsledku kontaminácie vysokovýkonnými UV fotónmi interagujúcimi s prostredím a UV svetlom, ktoré poškodzuje povlaky a substráty optiky. Oba tieto efekty časom zhoršujú výkon optických komponentov.
Škodlivé materiály sa môžu usadzovať na povrchu optiky, keď vysoko výkonné UV svetlo interaguje s časticami, vodnou parou, organickými látkami a inými kontaminantmi v systéme. Výfukové plyny a iné nečistoty vo vzduchu bežne spôsobujú karbónové usadeniny na optických povrchoch. Obrázok 2 ukazuje príklad dendritického rastu kontaminácie indukovaného UV žiarením.
Obrázok Obrázok 2: Príklad kontaminácie vyvolanej vystavením nepotiahnutého okienka z taveného oxidu kremičitého UV svetlu. Tento obrázok bol nasnímaný po 6 týždňoch vystavenia UV laseru s výkonom približne 3 W, čo sa líši od použitia analyzátora plynu v Danfoss IXA, ale naznačuje typ UV kontaminácie, ktorá sa môže vyskytnúť.
Interakcia s plynmi obklopujúcimi optiku môže tiež viesť k usadzovaniu nečistôt, takže akékoľvek výfukové plyny vstupujúce do systému sú zdrojom kontaminácie. Energie fotónov pri UV vlnových dĺžkach menších ako 400 nm sú takmer rovnaké ako energie väzieb okolitých molekúl, čo umožňuje UV žiareniu prerušiť niektoré z týchto väzieb. To produkuje ďalšie ióny a molekuly, ktoré môžu kontaminovať optické povrchy.
V dôsledku procesu optickej únavy sú samotné povlaky a substrátové materiály zariadení UV optiky tiež náchylné na degradáciu v priebehu času, keď sú vystavené vysokovýkonnému UV žiareniu. Náročné používanie v priebehu času môže spôsobiť ich degradáciu a viesť k zmene farby alebo iným zmenám v materiáli. Ich index lomu môže byť upravený tak, aby sa vytvoril efekt šošovky, ktorý môže zvýšiť lokalizovanú intenzitu. Môžu sa vytvárať aj samozachytené excitóny, čo vedie k hromadeniu absorpčných centier.
V dôsledku týchto účinkov môže byť potrebné časom vymeniť UV optiku, ale správne utesnenie, umývanie a čistenie môže tieto účinky zmierniť.
Nepriaznivé prostredia, ktorým sa musí analyzátor emisií plynov Danfoss IXA prispôsobiť, predstavovali mnoho výziev pre optický a opto-mechanický dizajn systému; zariadenie sa však ukazuje ako úspešné a v súčasnosti pomáha monitorovať emisie z tisícok lodí po celom svete.
Je to veľké víťazstvo pre životné prostredie – krok smerom k minimalizácii emisií NOx, SO2 a NH3 z medzinárodnej lodnej dopravy. Akékoľvek zníženie tohto znečistenia pomáha každoročne znižovať počet úmrtí na srdcové a pľúcne choroby spôsobené emisiami z lodnej dopravy.
Pri navrhovaní optického systému na prevádzku v drsnom prostredí prediskutujte špecifické environmentálne požiadavky s výrobcom optických komponentov. Výrobca optických komponentov by vás mal vedieť previesť kľúčovými úvahami, jasne vysvetliť všetky možné kompromisy, ktoré je potrebné urobiť, a zabezpečiť, aby váš systém fungoval podľa potreby.
