Spektroskopija ir spēcīgs instruments ar plašu pielietojumu klāstu, kas var aizsargāt vidi, uzraugot un regulējot gaisa piesārņojumu.
Dānijas daudznacionālais uzņēmums Danfoss IXA ir izstrādājis emisiju analizatoru okeānā, pamatojoties uz ultravioleto (UV) absorbcijas spektroskopiju, lai uzraudzītu slāpekļa oksīdus (NOx), sēra dioksīdu (SO2) un amonjaku (NH3), ko izdala kravas kuģi. Optiskā novērošanas iekārta atrodas kuģa izplūdes sistēmā un ir pakļauta skarbai videi ar ekstremālām temperatūrām, vibrācijām un koroziju, kas spektroskopijas sistēmai rada nopietnas vides prasības.
Kāpēc jāuzrauga kravas kuģu radītās emisijas?
Starptautisko kuģu radītās emisijas jūrā izraisa priekšlaicīgu cilvēku nāvi no plaušu bojājumiem un sirds un asinsvadu slimībām visā pasaulē. Tiek lēsts, ka kuģniecības emisiju izraisīto sirds, plaušu un plaušu vēža izraisīto nāves gadījumu skaits pasaulē sasniedz 60,000,000 gadā. Jūras kuģu emisijas ir ne tikai nopietna problēma, kas ietekmē cilvēku veselību, bet arī kaitē jūras un sauszemes ekosistēmām.
Starptautiskā Jūrniecības organizācija (IMO) un ASV Vides aizsardzības aģentūra (EPA) ir izveidojušas emisiju kontroles zonas (ECA) daudzos valsts okeānos ar stingriem emisiju noteikumiem, bez kuriem kuģi nevar ienākt daudzās lielākajās ostās.
Piemēram, bez analizatoriem, piemēram, Danfoss IXA izstrādātajiem, iestādēm nav cita ērta un uzticama veida, kā uzraudzīt kuģu emisijas un nodrošināt šo noteikumu izpildi. Lai gan ir daudzas vietējas un reģionālas iniciatīvas, kuru mērķis ir ierobežot kuģu emisijas, šīs politikas īstenošana ir ārkārtīgi sarežģīta. Spektra bāzes jūras emisiju analizators ir spēcīgs rīks, kas spēj precīzi uzraudzīt kuģu emisijas reāllaikā.
UV spektroskopijas sistēma
Spektroskopijas pamatprincips ir tāds, ka vielām ir unikāls absorbcijas spektrs un tās spēj absorbēt dažādus gaismas viļņu garumus atkarībā no to atomu un molekulārā sastāva. Danfoss IXA UV spektroskopijas sistēma sastāv no augstas intensitātes UV gaismas avota, UV spektrometra. , un ar UV pastiprinātiem optiskajiem komponentiem, piemēram, optiskām šķiedrām, lēcām un plakanajiem spoguļiem. Lai saprastu, kā tiek absorbēti dažādi viļņu garumi, un tādā veidā noteiktu izplūdes gāzu sastāvu, spektrometrs telpiski atdala gaismas avota platjoslas emisiju uz 1D detektoru masīvu, kas vienlaikus mēra visu UV spektru.
Lai gan Danfoss IXA sistēma neizmanto monohromatorus viļņu garuma izolācijai, daudzas spektroskopijas sistēmas izmanto monohromatorus viļņu garuma izolācijai. Šādos gadījumos gaisma no UV avota nonāk monohromatora ieejas spraugā, kur izkliedējošais elements (piemēram, difrakcijas režģis vai prizma) sadala gaismu tā saturošos komponentu viļņu garumos (sk. 1. attēlu).
Attēls 1. attēls: Spektrometra testa viļņa garums, ko var precīzi noregulēt, atdalot platjoslas emisiju 1D sensoru blokā vai mainot difrakcijas režģa vai prizmas leņķi monohromatora iekšpusē. (Attēla kredīts: Edmund Optics)
Monohromatora izejošā sprauga bloķē visus viļņu garumus, un caur spraugu iziet tikai šaura gaismas josla, kas iet cauri izplūdes gāzu paraugam. Mainot difrakcijas režģa vai prizmas leņķi, tiek mainīti viļņu garumi, kas iet caur izejošo spraugu, ļaujot precīzi noregulēt testa joslu. Gaismu, kas iet cauri izplūdes gāzu paraugam, pēc tam novirza uz detektoru, lai noteiktu notiekošo absorbciju; pēc tam no absorbcijas rezultātiem aprēķina izplūdes gāzu molekulāro sastāvu.
Monohromatoriem, kuros izmanto difrakcijas režģus, režģa iecirtuma frekvenci parasti mēra robos uz milimetru. Augstāka iecirtuma frekvence uzlabo optisko izšķirtspēju, bet rada šaurāku pieejamo viļņu garumu diapazonu; otrādi, zemāka iecirtuma frekvence rada plašāku pieejamo viļņu garumu diapazonu, bet uz optiskās izšķirtspējas rēķina.
Vides prasības
Šādu sistēmu izstrāde ir ļoti sarežģīta ārkārtīgi augsto temperatūras un spiediena prasību dēļ. Augsta temperatūra var izraisīt optikas kļūmi kušanas un termiskās slodzes dēļ, kas ievērojami ierobežo izmantojamo optisko materiālu veidus. Augsta temperatūra var izraisīt arī optisko komponentu līmju izplūšanu un sistēmas piesārņošanu. Sistēma ir pakļauta temperatūrai līdz 500 grādiem, tāpēc tās augstā spiediena prasības padara optiskās sistēmas blīvējumu par kritisku. Nepieciešamība pēc optikas pārraidīt UV gaismu ar nelielu absorbciju vai bez tās, ierobežo arī pieejamos optiskos materiālus.
Optikas UV degradācija
Vēl viens izaicinājums, ar ko saskaras projekts, ir tas, ka UV optikai parasti ir ierobežots kalpošanas laiks, galvenokārt piesārņojuma dēļ, ko rada lieljaudas UV fotoni, kas mijiedarbojas ar vidi, un UV gaisma, kas bojā optikas pārklājumus un substrātus. Abi šie efekti laika gaitā pasliktina optisko komponentu veiktspēju.
Ja lielas jaudas UV gaisma mijiedarbojas ar daļiņām, ūdens tvaikiem, organiskām vielām un citiem sistēmas piesārņotājiem, uz optikas virsmas var nogulsnēties kaitīgi materiāli. Izplūdes gāzes un citi gaisa piesārņotāji parasti izraisa oglekļa nogulsnes uz optiskajām virsmām. 2. attēlā parādīts UV izraisītas piesārņojuma dendrīta augšanas piemērs.
Attēls 2. attēls. Piesārņojuma piemērs, ko izraisa nepārklāta kausēta silīcija dioksīda loga pakļaušana UV gaismas iedarbībai. Šis attēls tika uzņemts pēc 6 nedēļām ilgas UV lāzera iedarbības ar aptuveni 3 W, kas atšķiras no Danfoss IXA gāzes analizatora izmantošanas, taču tas sniedz norādi par iespējamo UV piesārņojuma veidu.
Mijiedarbība ar gāzēm, kas ieskauj optiku, var izraisīt arī piesārņotāju nogulsnēšanos, tāpēc jebkuras izplūdes gāzes, kas nonāk sistēmā, ir piesārņojuma avots. Fotonu enerģija pie UV viļņa garuma, kas mazāka par 400 nm, ir tuvu tādai pašai kā apkārtējo molekulu saišu enerģijai, kas ļauj UV gaismai pārraut dažas no šīm saitēm. Tas rada citus jonus un molekulas, kas var piesārņot optiskās virsmas.
Optiskā noguruma procesa dēļ arī paši UV optikas ierīču pārklājumi un substrāta materiāli laika gaitā ir pakļauti lielas jaudas UV gaismas iedarbībai. Spēcīga izmantošana laika gaitā var izraisīt to degradāciju un izraisīt krāsas maiņu vai citas materiāla izmaiņas. To refrakcijas indeksu var mainīt, lai radītu lēcas efektu, kas var palielināt lokalizēto intensitāti. Var veidoties arī pašieslodzītie eksitoni, kas noved pie absorbcijas centru uzkrāšanās.
Šo efektu rezultātā UV optika laika gaitā var būt jānomaina, taču pareiza blīvēšana, mazgāšana un tīrīšana var mazināt šīs sekas.
Skarbā vide, kas jāpielāgo Danfoss IXA gāzes emisiju analizatoram, ir radījusi daudzas problēmas sistēmas optiskajai un optomehāniskajai konstrukcijai; tomēr ierīce izrādās veiksmīga un šobrīd palīdz uzraudzīt emisijas no tūkstošiem kuģu visā pasaulē.
Tā ir liela uzvara videi – solis pretī starptautiskās kuģniecības radīto NOx, SO2 un NH3 emisiju samazināšanai. Jebkāda šī piesārņojuma samazināšana palīdz katru gadu samazināt nāves gadījumu skaitu no sirds un plaušu slimībām, ko izraisa kuģniecības emisijas.
Izstrādājot optisko sistēmu darbībai skarbos apstākļos, pārrunājiet īpašās vides prasības ar optisko komponentu ražotāju. Optisko komponentu ražotājam jāspēj sniegt jums norādījumus par galvenajiem apsvērumiem, skaidri jāpaskaidro visi kompromisi, kas var būt jāveic, un jānodrošina, lai sistēma darbotos atbilstoši nepieciešamībai.
