Spektroskopi er et kraftig verktøy med et bredt spekter av bruksområder som kan beskytte miljøet ved å overvåke og regulere luftforurensning.
Danske multinasjonale Danfoss IXA har utviklet en utslippsanalysator i havet basert på ultrafiolett (UV) absorpsjonsspektroskopi for å overvåke nitrogenoksider (NOx), svoveldioksid (SO2) og ammoniakk (NH3) som slippes ut fra lasteskip. Det optiske overvåkingsutstyret er plassert inne i skipets eksosanlegg og er utsatt for tøffe miljøer med ekstreme temperaturer, vibrasjoner og korrosivitet, som stiller store miljøkrav til spektroskopisystemet.
Hvorfor overvåke utslipp fra lasteskip?
Marine utslipp fra internasjonale skipsfartøy forårsaker for tidlig død fra lungeskader og hjerte- og karsykdommer hos mennesker over hele verden. Antall dødsfall av hjerte-, lunge- og lungekreft forårsaket av utslipp fra frakt er estimert til å være så høyt som 60,000,000 per år globalt. Ikke bare er utslipp av marine fartøyer et alvorlig problem som påvirker menneskers helse, men det skader også marine og terrestriske økosystemer.
Den internasjonale sjøfartsorganisasjonen (IMO) og US Environmental Protection Agency (EPA) har etablert Emission Control Areas (ECA) i mange av nasjonens hav med strenge utslippsregler – uten hvilke skip ikke kan komme inn i mange store havner.
Uten analysatorer som de som er utviklet av Danfoss IXA, for eksempel, har myndighetene ingen annen praktisk og pålitelig måte å overvåke skipsutslipp og håndheve disse forskriftene. Selv om det er mange lokale og regionale initiativer som tar sikte på å begrense skipsutslipp, er det ekstremt vanskelig å håndheve disse retningslinjene. Den Spektrum-baserte Marine Emissions Analyzer er et kraftig verktøy som kan overvåke skipsutslipp nøyaktig i sanntid.
UV-spektroskopisystem
Det grunnleggende prinsippet for spektroskopi er at stoffer har et unikt absorpsjonsspektrum og er i stand til å absorbere forskjellige bølgelengder av lys avhengig av deres atom- og molekylsammensetning. UV-spektroskopisystemet fra Danfoss IXA består av en høyintensitets UV-lyskilde, et UV-spektrometer , og UV-forbedrede optiske komponenter som optiske fibre, linser og plane speil. For å forstå hvordan ulike bølgelengder absorberes og på denne måten bestemme sammensetningen av eksosgassen, skiller spektrometeret romlig bredbåndsutslippet fra lyskilden over på en 1D-detektorarray, som måler hele UV-spekteret samtidig.
Mens Danfoss IXA sitt system ikke bruker monokromatorer for bølgelengdeisolasjon, bruker mange spektroskopisystemer monokromatorer for bølgelengdeisolasjon. I disse tilfellene kommer lys fra en UV-kilde inn i inngangsspalten til monokromatoren, der et dispersivt element (som et diffraksjonsgitter eller prisme) bryter lyset ned i komponentbølgelengdene det inneholder (se figur 1).
Bilde Figur 1: Testbølgelengden til et spektrometer, som kan finjusteres ved å separere bredbåndsutslippet på en 1D-sensorgruppe, eller ved å endre vinkelen på diffraksjonsgitteret eller prismet inne i monokromatoren. (Bildekreditt: Edmund Optics)
Den utgående spalten til monokromatoren blokkerer alle bølgelengder, og bare et smalt bånd av lys som passerer gjennom eksosprøven passerer gjennom spalten. Endring av vinkelen på diffraksjonsgitteret eller prismet endrer bølgelengdene som passerer gjennom den utgående spalten, og tillater finjustering av testbåndet. Lyset som passerer gjennom eksosprøven ledes deretter til en detektor for å bestemme absorpsjonen som oppstår; molekylsammensetningen til eksosgassen beregnes deretter fra absorpsjonsresultatene.
For monokromatorer som bruker diffraksjonsgitter, måles riftfrekvensen til gitteret vanligvis i hakk per millimeter. En høyere hakkfrekvens forbedrer den optiske oppløsningen, men resulterer i et smalere utvalg av tilgjengelige bølgelengder; omvendt resulterer en lavere hakkfrekvens i et bredere spekter av tilgjengelige bølgelengder, men på bekostning av optisk oppløsning.
Miljøkrav
Utviklingen av slike systemer er svært utfordrende på grunn av ekstremt høye temperatur- og trykkkrav. Høye temperaturer kan føre til at optikk svikter på grunn av smelting og termisk stress, noe som sterkt begrenser typene optiske materialer som kan brukes. Høye temperaturer kan også føre til at lim i optiske komponenter avgasser og forurenser systemet. Systemet utsettes for temperaturer opp til 500 grader, så dets høytrykkskrav gjør tetting av det optiske systemet kritisk. Behovet for optikk for å overføre UV-lys med liten eller ingen absorpsjon begrenser også de tilgjengelige optiske materialene.
UV-nedbrytning av optikken
En annen utfordring prosjektet står overfor er at UV-optikk har en tendens til å ha begrenset levetid, hovedsakelig på grunn av forurensning fra høyeffekts UV-fotoner som samhandler med miljøet og UV-lys som skader belegg og underlag til optikken. Begge disse effektene forringer ytelsen til optiske komponenter over tid.
Skadelige materialer kan avsettes på overflaten av optikken når høyeffekts UV-lys interagerer med partikler, vanndamp, organiske stoffer og andre forurensninger i systemet. Eksos og andre luftbårne forurensninger forårsaker vanligvis karbonavleiringer på optiske overflater. Figur 2 viser et eksempel på UV-indusert dendritisk vekst av forurensning.
Bilde Figur 2: Et eksempel på forurensning indusert ved eksponering av et ubelagt smeltet silikavindu for UV-lys. Dette bildet ble tatt etter 6 ukers eksponering for en UV-laser ved ca. 3W, noe som er forskjellig fra bruken av gassanalysatoren i Danfoss IXA, men det gir en indikasjon på hvilken type UV-forurensning som kan oppstå.
Interaksjon med gassene rundt optikken kan også føre til avsetning av forurensninger, så eventuelle avgasser som kommer inn i systemet er en kilde til forurensning. Fotonenergier ved UV-bølgelengder mindre enn 400 nm er nær det samme som bindingsenergiene til de omkringliggende molekylene, noe som lar UV-lyset bryte noen av disse bindingene. Dette produserer andre ioner og molekyler som kan forurense optiske overflater.
På grunn av prosessen med optisk tretthet, er beleggene og substratmaterialene til UV-optikkenheter i seg selv også utsatt for nedbrytning over tid når de utsettes for UV-lys med høy effekt. Tung bruk over tid kan føre til at de brytes ned og føre til misfarging eller andre endringer i materialet. Deres brytningsindeks kan modifiseres for å produsere en linseeffekt som kan øke lokalisert intensitet. Selvfangede eksitoner kan også dannes, noe som fører til akkumulering av absorpsjonssentre.
Som et resultat av disse effektene kan det hende at UV-optikk må skiftes ut over tid, men riktig forsegling, vask og rengjøring kan dempe disse effektene.
De tøffe miljøene som Danfoss IXA Gas Emissions Analyzer må tilpasse seg for har stilt mange utfordringer for den optiske og opto-mekaniske utformingen av systemet; enheten viser seg imidlertid å være en suksess og hjelper for tiden med å overvåke utslipp fra tusenvis av skip over hele verden.
Dette er en stor seier for miljøet – et skritt mot å minimere NOx, SO2 og NH3 utslipp fra internasjonal skipsfart. Enhver reduksjon i denne forurensningen bidrar til å redusere antall dødsfall som følge av hjerte- og lungesykdommer forårsaket av skipsutslipp hvert år.
Når du designer et optisk system for å fungere i tøffe miljøer, diskuter de spesifikke miljøkravene med produsenten av den optiske komponenten. Produsenten av optiske komponenter bør kunne veilede deg gjennom de viktigste vurderingene, tydelig forklare eventuelle avveininger som må gjøres, og sikre at systemet ditt fungerer etter behov.
