Спектроскопија је моћан алат са широким спектром примена који може заштитити животну средину праћењем и регулацијом загађења ваздуха.
Данска мултинационална компанија Данфосс ИКСА развила је анализатор емисије у океану заснован на ултраљубичастој (УВ) апсорпционој спектроскопији за праћење азотних оксида (НОк), сумпор-диоксида (СО2) и амонијака (НХ3) који се емитују са теретних бродова. Опрема за оптички надзор се налази унутар издувног система брода и изложена је тешким окружењима са екстремним температурама, вибрацијама и корозивношћу, што поставља озбиљне еколошке захтеве за спектроскопски систем.
Зашто пратити емисије са теретних бродова?
Морске емисије са међународних бродова узрокују прерану смрт од оштећења плућа и кардиоваскуларних болести код људи широм света. Број смртних случајева од рака срца, плућа и плућа узрокованих емисијама из транспорта процењује се на чак 60,000,000 годишње на глобалном нивоу. Не само да је емисија из морских пловила озбиљан проблем који утиче на здравље људи, већ и оштећује морске и копнене екосистеме.
Међународна поморска организација (ИМО) и Америчка агенција за заштиту животне средине (ЕПА) успоставиле су области контроле емисије (ЕЦА) у многим националним океанима са строгим прописима о емисији - без којих бродови не могу да уђу у многе велике луке.
Без анализатора попут оних које је развио Данфосс ИКСА, на пример, власти немају другог погодног, поузданог начина да надгледају емисије бродова и спроводе ове прописе. Иако постоје многе локалне и регионалне иницијативе које имају за циљ ограничавање емисија из бродова, спровођење ових политика је изузетно тешко. Анализатор морских емисија заснован на спектру је моћан алат који може прецизно пратити емисије бродова у реалном времену.
Систем УВ спектроскопије
Основни принцип спектроскопије је да супстанце имају јединствен апсорпциони спектар и да су у стању да апсорбују различите таласне дужине светлости у зависности од свог атомског и молекуларног састава. Систем УВ спектроскопије компаније Данфосс ИКСА састоји се од извора УВ светлости високог интензитета, УВ спектрометра , и УВ побољшане оптичке компоненте као што су оптичка влакна, сочива и планарна огледала. Да би се разумело како се апсорбују различите таласне дужине и на тај начин одредио састав издувног гаса, спектрометар просторно одваја широкопојасну емисију извора светлости на 1Д детекторски низ, који истовремено мери цео УВ спектар.
Док Данфосс ИКСА систем не користи монохроматоре за изолацију таласних дужина, многи системи спектроскопије користе монохроматоре за изолацију таласних дужина. У овим случајевима, светлост из УВ извора улази у улазни прорез монохроматора, где дисперзивни елемент (као што је дифракциона решетка или призма) разлаже светлост на компонентне таласне дужине које садржи (види слику 1).
Слика Слика 1: Тестна таласна дужина спектрометра, која се може фино подесити одвајањем широкопојасне емисије на 1Д сензорски низ, или променом угла дифракционе решетке или призме унутар монохроматора. (Кредит слике: Едмунд Оптицс)
Излазни прорез монохроматора блокира све таласне дужине, а кроз прорез пролази само уска трака светлости која пролази кроз издувни узорак. Промена угла дифракционе решетке или призме мења таласне дужине које пролазе кроз излазни прорез, омогућавајући фино подешавање тестног опсега. Светлост која пролази кроз узорак издувних гасова се затим усмерава на детектор да би се одредила апсорпција која се јавља; затим се из резултата апсорпције израчунава молекуларни састав издувних гасова.
За монохроматоре који користе дифракционе решетке, фреквенција зареза решетке се обично мери у зарезима по милиметру. Већа фреквенција зареза побољшава оптичку резолуцију, али резултира ужим опсегом доступних таласних дужина; обрнуто, нижа фреквенција резова резултира ширим опсегом доступних таласних дужина, али на рачун оптичке резолуције.
Енвиронментал Рекуирементс
Развој оваквих система је веома изазован због изузетно високих захтева за температуром и притиском. Високе температуре могу узроковати квар оптике због топљења и термичког напрезања, што озбиљно ограничава врсте оптичких материјала који се могу користити. Високе температуре такође могу проузроковати да лепкови у оптичким компонентама испаре и контаминирају систем. Систем је изложен температурама до 500 степени, тако да његови захтеви за високим притиском чине заптивање оптичког система критичним. Потреба за оптиком да преноси УВ светлост са мало или без апсорпције такође ограничава доступне оптичке материјале.
УВ деградација оптике
Још један изазов са којим се суочава пројекат је да УВ оптика обично има ограничен век трајања, углавном због контаминације од УВ фотона велике снаге који ступају у интеракцију са околином и УВ светлости која оштећује премазе и подлоге оптике. Оба ова ефекта временом смањују перформансе оптичких компоненти.
Штетни материјали се могу таложити на површини оптике када УВ светлост велике снаге ступи у интеракцију са честицама, воденом паром, органским материјама и другим загађивачима у систему. Издувни гасови и други загађивачи у ваздуху обично изазивају наслаге угљеника на оптичким површинама. Слика 2 приказује пример УВ-индукованог дендритског раста контаминације.
Слика Слика 2: Пример контаминације изазване излагањем необложеног стакленог силицијумског прозора УВ светлу. Ова слика је снимљена након 6 недеља излагања УВ ласеру на приближно 3В, што се разликује од употребе гасног анализатора у Данфосс ИКСА, али даје индикацију врсте УВ контаминације до које може доћи.
Интеракција са гасовима који окружују оптику такође може довести до таложења загађивача, тако да су сви издувни гасови који улазе у систем извор контаминације. Енергије фотона на УВ таласним дужинама мањим од 400 нм су близу исте као и енергије везе околних молекула, што омогућава УВ светлости да прекине неке од ових веза. Ово производи друге јоне и молекуле који могу контаминирати оптичке површине.
Због процеса оптичког замора, премази и материјали подлоге самих УВ оптичких уређаја такође су подложни деградацији током времена када су изложени УВ светлу велике снаге. Тешка употреба током времена може довести до њиховог деградације и до промене боје или других промена у материјалу. Њихов индекс преламања може се модификовати да би се произвео ефекат сочива који може повећати локализовани интензитет. Могу се формирати и самозаробљени екситони, што доводи до акумулације апсорпционих центара.
Као резултат ових ефеката, УВ оптику ће можда требати заменити током времена, али правилно заптивање, прање и чишћење могу ублажити ове ефекте.
Оштра окружења која Данфосс ИКСА анализатор емисије гаса мора да прилагоди да би поставила многе изазове оптичком и опто-механичком дизајну система; међутим, уређај се показао успешним и тренутно помаже у праћењу емисија са хиљада бродова широм света.
Ово је велика победа за животну средину – корак ка минимизирању емисија НОк, СО2 и НХ3 из међународног транспорта. Свако смањење овог загађења помаже да се смањи број смртних случајева од срчаних и плућних болести узрокованих емисијама из транспорта сваке године.
Када дизајнирате оптички систем за рад у тешким окружењима, разговарајте о специфичним захтевима животне средине са произвођачем оптичких компоненти. Произвођач оптичких компоненти би требало да буде у могућности да вас води кроз кључна разматрања, јасно објасни све компромисе који ће можда бити потребни и обезбедити да ваш систем ради по потреби.
