Spectroscopia este un instrument puternic cu o gamă largă de aplicații care poate proteja mediul prin monitorizarea și reglarea poluării aerului.
Multinaționala daneză Danfoss IXA a dezvoltat un analizor de emisii în ocean bazat pe spectroscopie de absorbție în ultraviolete (UV) pentru a monitoriza oxizii de azot (NOx), dioxidul de sulf (SO2) și amoniacul (NH3) emise de navele de marfă. Echipamentul de monitorizare optică este situat în interiorul sistemului de evacuare al navei și este expus la medii dure, cu temperaturi extreme, vibrații și corozivitate, care impun cerințe severe de mediu asupra sistemului de spectroscopie.
De ce să monitorizați emisiile de la navele de marfă?
Emisiile marine de la navele maritime internaționale provoacă decese premature din cauza leziunilor pulmonare și a bolilor cardiovasculare la oameni din întreaga lume. Numărul deceselor cauzate de cancerul la inimă, plămâni și plămâni cauzate de emisiile de transport maritim este estimat la 60,000,000 pe an la nivel global. Nu numai că emisiile navelor marine sunt o problemă gravă care afectează sănătatea umană, dar dăunează și ecosistemelor marine și terestre.
Organizația Maritimă Internațională (IMO) și Agenția pentru Protecția Mediului din SUA (EPA) au stabilit zone de control al emisiilor (ECA) în multe dintre oceanele națiunii cu reglementări stricte privind emisiile - fără de care navele nu pot intra în multe porturi importante.
Fără analizoare precum cele dezvoltate de Danfoss IXA, de exemplu, autoritățile nu au o altă modalitate convenabilă și fiabilă de a monitoriza emisiile navelor și de a aplica aceste reglementări. Deși există multe inițiative locale și regionale care vizează limitarea emisiilor navelor, aplicarea acestor politici este extrem de dificilă. Analizorul de emisii marine bazat pe spectru este un instrument puternic capabil să monitorizeze cu precizie emisiile navelor în timp real.
Sistem de spectroscopie UV
Principiul de bază al spectroscopiei este că substanțele au un spectru unic de absorbție și sunt capabile să absoarbă lungimi de undă diferite de lumină în funcție de compoziția lor atomică și moleculară. Sistemul de spectroscopie UV de la Danfoss IXA constă dintr-o sursă de lumină UV de mare intensitate, un spectrometru UV. , și componente optice îmbunătățite cu UV, cum ar fi fibre optice, lentile și oglinzi plane. Pentru a înțelege cum sunt absorbite diferite lungimi de undă și pentru a determina în acest fel compoziția gazului de eșapament, spectrometrul separă spațial emisia de bandă largă a sursei de lumină pe o matrice de detectoare 1D, care măsoară simultan întregul spectru UV.
În timp ce sistemul Danfoss IXA nu utilizează monocromatoare pentru izolarea lungimii de undă, multe sisteme de spectroscopie folosesc monocromatoare pentru izolarea lungimii de undă. În aceste cazuri, lumina provenită de la o sursă UV intră în fanta de intrare a monocromatorului, unde un element dispersiv (cum ar fi un rețele de difracție sau o prismă) descompune lumina în lungimile de undă componente pe care le conține (vezi Figura 1).
Imagine Figura 1: Lungimea de undă de testare a unui spectrometru, care poate fi reglată fin prin separarea emisiei de bandă largă pe o matrice de senzori 1D sau prin schimbarea unghiului rețelei de difracție sau prismei din interiorul monocromatorului. (Credit imagine: Edmund Optics)
Fanta de ieșire a monocromatorului blochează toate lungimile de undă și doar o bandă îngustă de lumină care trece prin proba de evacuare trece prin fantă. Schimbarea unghiului rețelei de difracție sau prismei modifică lungimile de undă care trec prin fanta de ieșire, permițând reglarea fină a benzii de testare. Lumina care trece prin proba de evacuare este apoi direcționată către un detector pentru a determina absorbția care are loc; se calculează apoi compoziţia moleculară a gazelor de eşapament din rezultatele absorbţiei.
Pentru monocromatoarele care utilizează rețele de difracție, frecvența de crestătură a rețelei este de obicei măsurată în crestături pe milimetru. O frecvență de notch mai mare îmbunătățește rezoluția optică, dar are ca rezultat o gamă mai restrânsă de lungimi de undă disponibile; dimpotrivă, o frecvență de notch mai mică are ca rezultat o gamă mai largă de lungimi de undă disponibile, dar în detrimentul rezoluției optice.
Cerințe de mediu
Dezvoltarea unor astfel de sisteme este foarte dificilă din cauza cerințelor extrem de ridicate de temperatură și presiune. Temperaturile ridicate pot cauza defectarea opticii din cauza topirii și a stresului termic, ceea ce limitează sever tipurile de materiale optice care pot fi utilizate. Temperaturile ridicate pot cauza, de asemenea, adezivii din componentele optice să elibereze gaze și să contamineze sistemul. Sistemul este expus la temperaturi de până la 500 de grade, astfel încât cerințele sale de înaltă presiune fac etanșarea sistemului optic critică. Nevoia de optică pentru a transmite lumina UV cu o absorbție mică sau deloc, de asemenea, limitează materialele optice disponibile.
Degradarea UV a opticii
O altă provocare cu care se confruntă proiectul este că optica UV tind să aibă durate de viață limitate, în mare parte din cauza contaminării de la fotonii UV de mare putere care interacționează cu mediul și lumina UV care dăunează acoperirilor și substraturilor opticei. Ambele efecte degradează în timp performanța componentelor optice.
Materialele dăunătoare pot fi depuse pe suprafața opticii atunci când lumina UV de mare putere interacționează cu particulele, vaporii de apă, substanțele organice și alți contaminanți din sistem. Gazele de evacuare și alți contaminanți din aer provoacă în mod obișnuit depuneri de carbon pe suprafețele optice. Figura 2 prezintă un exemplu de creștere dendritică a contaminării indusă de UV.
Imagine Figura 2: Un exemplu de contaminare indusă de expunerea unei ferestre de silice topită neacoperită la lumina UV. Această imagine a fost făcută după 6 săptămâni de expunere la un laser UV la aproximativ 3W, ceea ce este diferit de utilizarea analizorului de gaz din Danfoss IXA, dar oferă o indicație asupra tipului de contaminare UV care poate apărea.
Interacțiunea cu gazele din jurul opticii poate duce, de asemenea, la depunerea de contaminanți, astfel încât orice gaze de evacuare care intră în sistem sunt o sursă de contaminare. Energiile fotonilor la lungimi de undă UV mai mici de 400 nm sunt aproape identice cu energiile de legătură ale moleculelor din jur, ceea ce permite luminii UV să rupă unele dintre aceste legături. Aceasta produce alți ioni și molecule care pot contamina suprafețele optice.
Datorită procesului de oboseală optică, acoperirile și materialele de substrat ale dispozitivelor optice UV în sine sunt de asemenea susceptibile la degradare în timp atunci când sunt expuse la lumină UV de mare putere. Utilizarea intensă în timp le poate determina să se degradeze și să ducă la decolorarea sau alte modificări ale materialului. Indicele lor de refracție poate fi modificat pentru a produce un efect de lentilă care poate crește intensitatea localizată. Se pot forma și excitoni auto-prinși, ceea ce duce la acumularea de centri de absorbție.
Ca urmare a acestor efecte, optica UV poate fi necesară înlocuirea în timp, dar etanșarea, spălarea și curățarea corespunzătoare pot atenua aceste efecte.
Mediile dure la care trebuie să se adapteze Analizorul de emisii de gaze Danfoss IXA au pus multe provocări pentru designul optic și opto-mecanic al sistemului; cu toate acestea, dispozitivul se dovedește a fi un succes și în prezent ajută la monitorizarea emisiilor de la mii de nave din întreaga lume.
Aceasta este o mare victorie pentru mediu - un pas către reducerea la minimum a emisiilor de NOx, SO2 și NH3 provenite din transportul internațional. Orice reducere a acestei poluări ajută la reducerea numărului de decese din cauza bolilor cardiace și pulmonare cauzate de emisiile de transport maritim în fiecare an.
Când proiectați un sistem optic pentru a funcționa în medii dure, discutați despre cerințele specifice de mediu cu producătorul componentelor optice. Producătorul de componente optice ar trebui să vă poată ghida prin considerentele cheie, să explice clar orice compromisuri care ar putea fi necesare și să se asigure că sistemul dumneavoastră funcționează după cum este necesar.
