Spektroskopija yra galingas įrankis, turintis platų pritaikymo spektrą, galintis apsaugoti aplinką stebint ir reguliuodamas oro taršą.
Danijos tarptautinė bendrovė Danfoss IXA sukūrė ultravioletinių (UV) sugerties spektroskopijos pagrindu sukurtą emisijų analizatorių vandenyne, skirtą krovininių laivų išmetamų azoto oksidų (NOx), sieros dioksido (SO2) ir amoniako (NH3) kiekiui stebėti. Optinė stebėjimo įranga yra laivo išmetimo sistemos viduje ir yra veikiama atšiaurioje aplinkoje, kurioje yra ekstremalios temperatūros, vibracijos ir korozijos, o tai kelia didelius aplinkosaugos reikalavimus spektroskopijos sistemai.
Kodėl reikia stebėti krovininių laivų emisijas?
Tarptautinių laivybos laivų išmetami teršalai sukelia ankstyvą žmonių mirtį nuo plaučių pažeidimo ir širdies ir kraujagyslių ligų visame pasaulyje. Apskaičiuota, kad dėl laivybos išmetamų teršalų miršta net 60,000,000 per metus visame pasaulyje. Jūrų laivų išmetami teršalai yra ne tik rimta problema, kuri turi įtakos žmonių sveikatai, bet ir kenkia jūros bei sausumos ekosistemoms.
Tarptautinė jūrų organizacija (IMO) ir JAV Aplinkos apsaugos agentūra (EPA) daugelyje šalies vandenynų įkūrė emisijų kontrolės zonas (ECA), kurioms taikomos griežtos emisijos taisyklės, be kurių laivai negali įplaukti į daugelį pagrindinių uostų.
Pavyzdžiui, be analizatorių, tokių, kuriuos sukūrė Danfoss IXA, valdžios institucijos neturi kito patogaus ir patikimo būdo stebėti laivų išmetamų teršalų kiekį ir užtikrinti šių taisyklių laikymąsi. Nors yra daug vietos ir regioninių iniciatyvų, kuriomis siekiama apriboti laivų išmetamų teršalų kiekį, šios politikos įgyvendinimas yra labai sunkus. Spektru pagrįstas jūrų emisijų analizatorius yra galingas įrankis, galintis tiksliai stebėti laivų išmetamų teršalų kiekį realiuoju laiku.
UV spektroskopijos sistema
Pagrindinis spektroskopijos principas yra tas, kad medžiagos turi unikalų sugerties spektrą ir gali sugerti įvairaus ilgio šviesos bangas, priklausomai nuo jų atominės ir molekulinės sudėties. Danfoss IXA UV spektroskopijos sistema susideda iš didelio intensyvumo UV šviesos šaltinio, UV spektrometro. ir UV spinduliais sustiprintus optinius komponentus, tokius kaip optiniai pluoštai, lęšiai ir plokštieji veidrodžiai. Siekiant suprasti, kaip sugeriami skirtingi bangos ilgiai, ir tokiu būdu nustatyti išmetamųjų dujų sudėtį, spektrometras erdviškai atskiria šviesos šaltinio plačiajuostį spinduliavimą į 1D detektoriaus matricą, kuri vienu metu matuoja visą UV spektrą.
Nors Danfoss IXA sistemoje nenaudojami monochromatoriai bangos ilgiui izoliuoti, daugelis spektroskopijos sistemų naudoja monochromatorius bangos ilgiui izoliuoti. Tokiais atvejais šviesa iš UV šaltinio patenka į monochromatoriaus įėjimo plyšį, kur dispersinis elementas (pvz., difrakcijos gardelė arba prizmė) skaido šviesą į joje esančių komponentų bangos ilgius (žr. 1 pav.).
Vaizdas 1 pav. Bandomasis spektrometro bangos ilgis, kurį galima tiksliai sureguliuoti atskiriant plačiajuosčio ryšio spinduliavimą 1D jutiklio matricoje arba pakeitus difrakcijos gardelės arba prizmės kampą monochromatoriaus viduje. (Vaizdo kreditas: Edmund Optics)
Išeinantis monochromatoriaus plyšys blokuoja visus bangos ilgius, o pro plyšį praeina tik siaura šviesos juosta, kuri praeina pro išmetamųjų dujų mėginį. Pakeitus difrakcijos gardelės arba prizmės kampą, pakeičiami bangos ilgiai, praeinantys per išeinantį plyšį, todėl galima tiksliai sureguliuoti bandymo juostą. Šviesa, praeinanti per išmetamųjų dujų mėginį, nukreipiama į detektorių, kad būtų nustatyta sugertis; tada pagal absorbcijos rezultatus apskaičiuojama išmetamųjų dujų molekulinė sudėtis.
Monochromatoriams, kuriuose naudojamos difrakcijos gardelės, gardelės įpjovos dažnis paprastai matuojamas įpjovomis viename milimetre. Didesnis įpjovos dažnis pagerina optinę skiriamąją gebą, bet lemia siauresnį galimų bangos ilgių diapazoną; ir atvirkščiai, mažesnis įpjovos dažnis lemia platesnį galimų bangų ilgių diapazoną, tačiau optinės skiriamosios gebos sąskaita.
Aplinkosaugos reikalavimai
Tokių sistemų kūrimas yra labai sudėtingas dėl itin aukštų temperatūros ir slėgio reikalavimų. Dėl aukštos temperatūros optika gali sugesti dėl lydymosi ir šiluminio įtempio, o tai labai apriboja galimų naudoti optinių medžiagų tipus. Dėl aukštos temperatūros optiniuose komponentuose esantys klijai taip pat gali išsiskirti ir užteršti sistemą. Sistema yra veikiama iki 500 laipsnių temperatūros, todėl dėl aukšto slėgio reikalavimų optinės sistemos sandarinimas yra labai svarbus. Optikos poreikis perduoti UV šviesą mažai arba visai neabsorbuojant taip pat riboja turimas optines medžiagas.
Optikos skilimas UV spinduliais
Kitas iššūkis, su kuriuo susiduria projektas, yra tai, kad UV optikos veikimo laikas paprastai yra ribotas, daugiausia dėl užteršimo didelės galios UV fotonų, sąveikaujančių su aplinka, ir UV šviesos, pažeidžiančios optikos dangas ir substratus. Abu šie efektai laikui bėgant blogina optinių komponentų veikimą.
Kenksmingos medžiagos gali nusėsti ant optikos paviršiaus, kai didelės galios UV šviesa sąveikauja su dalelėmis, vandens garais, organinėmis medžiagomis ir kitais sistemos teršalais. Išmetamosios dujos ir kiti ore esantys teršalai dažniausiai sukelia anglies nuosėdas ant optinių paviršių. 2 paveiksle parodytas UV sukelto dendritinio užteršimo augimo pavyzdys.
Vaizdas 2 pav.: užteršimo, sukelto nepadengtą lydyto silicio dioksido langelį veikiant UV spinduliams, pavyzdys. Šis vaizdas buvo nufotografuotas po 6 savaičių veikimo UV lazeriu, kurio galia yra maždaug 3 W, o tai skiriasi nuo „Danfoss IXA“ dujų analizatoriaus naudojimo, tačiau jis rodo galimo UV užterštumo tipą.
Sąveika su optiką supančiomis dujomis taip pat gali sukelti teršalų nusėdimą, todėl bet kokios išmetamosios dujos, patenkančios į sistemą, yra taršos šaltinis. Fotonų energija, kai UV bangos ilgis yra mažesnis nei 400 nm, yra artimas aplinkinių molekulių ryšių energijai, todėl UV šviesa gali nutraukti kai kurias iš šių ryšių. Taip susidaro kiti jonai ir molekulės, kurios gali užteršti optinius paviršius.
Dėl optinio nuovargio proceso pačios UV optikos prietaisų dangos ir pagrindo medžiagos taip pat yra jautrios laikui bėgant, kai yra veikiamos didelės galios UV spindulių. Dėl intensyvaus naudojimo ilgainiui jie gali suirti ir pakeisti spalvą arba pakeisti kitus medžiagos pokyčius. Jų lūžio rodiklis gali būti modifikuotas, kad būtų sukurtas lęšio efektas, galintis padidinti lokalizuotą intensyvumą. Taip pat gali susidaryti savaime įstrigę eksitonai, dėl kurių kaupiasi absorbcijos centrai.
Dėl šių padarinių ilgainiui UV optiką gali tekti pakeisti, tačiau tinkamas sandarinimas, plovimas ir valymas gali sušvelninti šį poveikį.
Atšiauri aplinka, kurią turi prisitaikyti „Danfoss IXA Gas Emissions Analyzer“, sukėlė daug iššūkių optiniam ir opto-mechaniniam sistemos dizainui; Tačiau prietaisas pasirodė esąs sėkmingas ir šiuo metu padeda stebėti tūkstančių laivų išmetimą visame pasaulyje.
Tai didžiulė pergalė aplinkai – žingsnis siekiant kuo labiau sumažinti NOx, SO2 ir NH3 emisijas iš tarptautinės laivybos. Bet koks šios taršos mažinimas padeda kiekvienais metais sumažinti mirčių nuo širdies ir plaučių ligų, kurias sukelia laivybos išmetamųjų teršalų, skaičių.
Kurdami optinę sistemą, kuri veiktų atšiaurioje aplinkoje, aptarkite konkrečius aplinkos reikalavimus su optinių komponentų gamintoju. Optinio komponento gamintojas turėtų galėti paaiškinti pagrindinius dalykus, aiškiai paaiškinti bet kokius kompromisus, kurių gali prireikti, ir užtikrinti, kad jūsų sistema veiktų taip, kaip reikia.
