Spektroskoopia on võimas paljude rakendustega tööriist, mis võib õhusaastet jälgides ja reguleerides keskkonda kaitsta.
Taani rahvusvaheline ettevõte Danfoss IXA on välja töötanud ultraviolettkiirguse (UV) neeldumisspektroskoopial põhineva emissioonianalüsaatori ookeanis, et jälgida kaubalaevadelt eralduvaid lämmastikoksiide (NOx), vääveldioksiidi (SO2) ja ammoniaaki (NH3). Optiline seireseade asub laeva heitgaasisüsteemi sees ja puutub kokku karmides keskkondades, kus on äärmuslikud temperatuurid, vibratsioon ja korrosioon, mis seab spektroskoopiasüsteemile tõsiseid keskkonnanõudeid.
Miks jälgida kaubalaevade heitkoguseid?
Rahvusvaheliste laevanduslaevade heitgaasid põhjustavad inimeste enneaegset surma kopsukahjustuste ja südame-veresoonkonna haiguste tõttu. Laevade heitkogustest põhjustatud südame-, kopsu- ja kopsuvähi surmajuhtumite arv on hinnanguliselt 60,000,000 aastas kogu maailmas. Merelaevade heitkogused ei ole mitte ainult tõsine probleem, mis mõjutab inimeste tervist, vaid kahjustab ka mere- ja maismaaökosüsteeme.
Rahvusvaheline Mereorganisatsioon (IMO) ja USA Keskkonnakaitseagentuur (EPA) on paljudes riigi ookeanides loonud heitkoguste kontrolli piirkonnad (ECA), millel on ranged heiteeeskirjad – ilma milleta ei saa laevad siseneda paljudesse suurematesse sadamatesse.
Ilma näiteks Danfoss IXA väljatöötatud analüsaatoriteta pole ametiasutustel muud mugavat ja usaldusväärset viisi laevade heitkoguste jälgimiseks ja nende eeskirjade jõustamiseks. Kuigi on palju kohalikke ja piirkondlikke algatusi, mille eesmärk on piirata laevade heitkoguseid, on nende poliitikate jõustamine äärmiselt keeruline. Spektripõhine mereheitmete analüsaator on võimas tööriist, mis suudab täpselt jälgida laevade heitkoguseid reaalajas.
UV-spektroskoopia süsteem
Spektroskoopia põhiprintsiip on see, et ainetel on ainulaadne neeldumisspekter ja nad on võimelised neelama erineva lainepikkusega valgust olenevalt nende aatom- ja molekulaarkoostisest. Danfoss IXA UV-spektroskoopiasüsteem koosneb suure intensiivsusega UV-valgusallikast, UV-spektromeetrist. ja UV-valgustusega optilised komponendid, nagu optilised kiud, läätsed ja tasapinnalised peeglid. Erinevate lainepikkuste neeldumise mõistmiseks ja sel viisil heitgaasi koostise määramiseks eraldab spektromeeter valgusallika lairibakiirguse ruumiliselt 1D-detektori massiivile, mis mõõdab üheaegselt kogu UV-spektrit.
Kuigi Danfoss IXA süsteem ei kasuta lainepikkuse isoleerimiseks monokromaatoreid, kasutavad paljud spektroskoopiasüsteemid lainepikkuse isoleerimiseks monokromaatoreid. Sellistel juhtudel siseneb UV-kiirguse allikast tulev valgus monokromaatori sissepääsupilusse, kus hajutav element (nt difraktsioonivõre või prisma) jagab valguse lainepikkusteks, mida see sisaldab (vt joonis 1).
Pilt Joonis 1: Spektromeetri testlainepikkus, mida saab peenhäälestada, eraldades lairiba emissiooni 1D-anduri massiivile või muutes monokromaatori sees oleva difraktsioonivõre või prisma nurka. (Pildi krediit: Edmund Optics)
Monokromaatori väljaminev pilu blokeerib kõik lainepikkused ja pilu läbib ainult kitsas valgusriba, mis läbib heitgaasiproovi. Difraktsioonvõre või prisma nurga muutmine muudab lainepikkusi, mis läbivad väljuvat pilu, võimaldades testimisriba peenhäälestada. Heitgaasiproovi läbiv valgus suunatakse seejärel detektorisse, et teha kindlaks tekkiv neeldumine; seejärel arvutatakse neeldumistulemuste põhjal heitgaasi molekulaarne koostis.
Difraktsioonvõret kasutavate monokromaatorite puhul mõõdetakse võre sälkude sagedust tavaliselt sälkudes millimeetri kohta. Kõrgem sälksagedus parandab optilist eraldusvõimet, kuid tulemuseks on kitsam saadaolevate lainepikkuste vahemik; vastupidi, madalam pügalasagedus annab suurema hulga saadaolevaid lainepikkusi, kuid optilise eraldusvõime arvelt.
Keskkonnanõuded
Selliste süsteemide väljatöötamine on äärmiselt kõrgete temperatuuri- ja rõhunõuete tõttu väga keeruline. Kõrge temperatuur võib põhjustada optika rikkeid sulamise ja termilise pinge tõttu, mis piirab oluliselt kasutatavate optiliste materjalide tüüpe. Kõrge temperatuur võib põhjustada ka optiliste komponentide liimide eraldumist ja süsteemi saastumist. Süsteem puutub kokku temperatuuridega kuni 500 kraadi, nii et selle kõrge rõhu nõuded muudavad optilise süsteemi tihendamise kriitiliseks. Vajadus optika järele, mis edastaks UV-valgust vähese neeldumisega või üldse mitte, piirab ka saadaolevaid optilisi materjale.
Optika UV-kiirguse lagunemine
Teine projekti ees seisev väljakutse on see, et UV-optika eluiga on tavaliselt piiratud, mis on suuresti tingitud keskkonnaga interakteeruvate suure võimsusega UV-fotonite saastumisest ja optika katteid ja substraate kahjustavast UV-valgusest. Mõlemad efektid halvendavad aja jooksul optiliste komponentide jõudlust.
Kui suure võimsusega UV-valgus interakteerub süsteemis olevate osakeste, veeauru, orgaaniliste ainete ja muude saasteainetega, võib optika pinnale ladestuda kahjulikke materjale. Heitgaasid ja muud õhus levivad saasteained põhjustavad tavaliselt süsiniku ladestumist optilistel pindadel. Joonisel 2 on näide UV-indutseeritud saastumise dendriitkasvust.
Pilt Joonis 2: Näide saastumisest, mis on põhjustatud katmata sulatatud ränidioksiidi akna kokkupuutel UV-valgusega. See pilt tehti pärast 6-nädalast kokkupuudet ligikaudu 3 W võimsusega UV-laseriga, mis erineb Danfoss IXA gaasianalüsaatori kasutamisest, kuid annab ülevaate võimaliku UV-saaste tüübist.
Koostoime optikat ümbritsevate gaasidega võib samuti põhjustada saasteainete ladestumist, nii et kõik süsteemi sisenevad heitgaasid on saasteallikaks. Fotonienergia UV-lainepikkustel alla 400 nm on lähedased ümbritsevate molekulide sidemeenergiaga, mis võimaldab UV-valgusel osa neist sidemetest katkestada. See tekitab muid ioone ja molekule, mis võivad optilisi pindu saastada.
Optilise väsimise protsessi tõttu on UV-optikaseadmete katted ja alusmaterjalid samuti vastuvõtlikud aja jooksul lagunemisele, kui nad puutuvad kokku suure võimsusega UV-valgusega. Tugev kasutamine aja jooksul võib põhjustada nende lagunemist ja põhjustada värvimuutusi või muid materjali muutusi. Nende murdumisnäitajat saab muuta, et tekitada läätseefekt, mis võib suurendada lokaliseeritud intensiivsust. Samuti võivad moodustuda endasse kinni jäänud eksitonid, mis viib absorptsioonikeskuste kuhjumiseni.
Nende mõjude tõttu võib UV-optika vajada aja jooksul väljavahetamist, kuid õige tihendamine, pesemine ja puhastamine võivad neid mõjusid leevendada.
Karmid keskkonnad, millega Danfoss IXA gaasiheitmete analüsaator peab kohanema, on esitanud palju väljakutseid süsteemi optilisele ja optomehaanilisele disainile; seade osutub siiski edukaks ja aitab praegu jälgida tuhandete laevade heitkoguseid kogu maailmas.
See on suur võit keskkonnale – samm rahvusvahelise laevanduse NOx, SO2 ja NH3 heitkoguste minimeerimise suunas. Selle reostuse igasugune vähendamine aitab igal aastal vähendada laevanduse heitkogustest põhjustatud südame- ja kopsuhaigustest põhjustatud surmajuhtumite arvu.
Karmides keskkondades töötamiseks mõeldud optilise süsteemi kavandamisel arutage konkreetseid keskkonnanõudeid optilise komponendi tootjaga. Optiliste komponentide tootja peaks suutma teid juhendada peamiste kaalutluste juures, selgelt selgitama kõiki kompromisse, mida võib olla vaja teha, ja tagama, et teie süsteem töötab vastavalt vajadusele.
