Spektroskopi är ett kraftfullt verktyg med ett brett utbud av applikationer som kan skydda miljön genom att övervaka och reglera luftföroreningar.
Danska multinationella Danfoss IXA har utvecklat en utsläppsanalysator i havet baserad på ultraviolett (UV) absorptionsspektroskopi för att övervaka kväveoxider (NOx), svaveldioxid (SO2) och ammoniak (NH3) som släpps ut från lastfartyg. Den optiska övervakningsutrustningen är placerad inuti fartygets avgassystem och utsätts för tuffa miljöer med extrema temperaturer, vibrationer och korrosivitet, vilket ställer höga miljökrav på spektroskopisystemet.
Varför övervaka utsläpp från lastfartyg?
Marina utsläpp från internationella sjöfartsfartyg orsakar förtida dödsfall på grund av lungskador och hjärt-kärlsjukdomar hos människor runt om i världen. Antalet dödsfall i hjärt-, lung- och lungcancer orsakade av utsläpp från sjöfarten uppskattas vara så högt som 60,000,000 per år globalt. Utsläppen från marina fartyg är inte bara ett allvarligt problem som påverkar människors hälsa, utan det skadar också marina och terrestra ekosystem.
Internationella sjöfartsorganisationen (IMO) och US Environmental Protection Agency (EPA) har etablerat Emission Control Areas (ECA) i många av landets hav med strikta utsläppsregler – utan vilka fartyg inte kan komma in i många större hamnar.
Utan analysatorer som de som utvecklats av Danfoss IXA, till exempel, har myndigheterna inget annat bekvämt och pålitligt sätt att övervaka fartygsutsläpp och tillämpa dessa regler. Även om det finns många lokala och regionala initiativ som syftar till att begränsa utsläppen från fartyg, är det extremt svårt att genomföra denna politik. Den spektrumbaserade marina utsläppsanalysatorn är ett kraftfullt verktyg som kan noggrant övervaka fartygsutsläpp i realtid.
UV-spektroskopisystem
Grundprincipen för spektroskopi är att ämnen har ett unikt absorptionsspektrum och kan absorbera olika våglängder av ljus beroende på deras atomära och molekylära sammansättning. UV Spectroscopy System från Danfoss IXA består av en högintensiv UV-ljuskälla, en UV-spektrometer , och UV-förbättrade optiska komponenter såsom optiska fibrer, linser och plana speglar. För att förstå hur olika våglängder absorberas och på så sätt bestämma avgasernas sammansättning separerar spektrometern rumsligt bredbandsemissionen från ljuskällan på en 1D-detektormatris, som mäter hela UV-spektrumet samtidigt.
Medan Danfoss IXA:s system inte använder monokromatorer för våglängdsisolering, använder många spektroskopisystem monokromatorer för våglängdsisolering. I dessa fall kommer ljus från en UV-källa in i monokromatorns ingångsslits, där ett dispersivt element (som ett diffraktionsgitter eller prisma) bryter ner ljuset till de komponentvåglängder som det innehåller (se figur 1).
Bild Figur 1: Testvåglängden för en spektrometer, som kan finjusteras genom att separera bredbandsemissionen på en 1D-sensormatris, eller genom att ändra vinkeln på diffraktionsgittret eller prismat inuti monokromatorn. (Bildkredit: Edmund Optics)
Monokromatorns utgående slits blockerar alla våglängder, och endast ett smalt band av ljus som passerar genom avgasprovet passerar genom slitsen. Att ändra vinkeln på diffraktionsgittret eller prismat ändrar våglängderna som passerar genom den utgående slitsen, vilket möjliggör finjustering av testbandet. Ljuset som passerar genom avgasprovet riktas sedan till en detektor för att bestämma den absorption som uppstår; avgasernas molekylära sammansättning beräknas sedan utifrån absorptionsresultaten.
För monokromatorer som använder diffraktionsgitter mäts snittfrekvensen för gittret vanligtvis i skåror per millimeter. En högre notch-frekvens förbättrar den optiska upplösningen men resulterar i ett smalare intervall av tillgängliga våglängder; omvänt resulterar en lägre notch-frekvens i ett bredare utbud av tillgängliga våglängder, men på bekostnad av optisk upplösning.
Miljökrav
Utvecklingen av sådana system är mycket utmanande på grund av extremt höga temperatur- och tryckkrav. Höga temperaturer kan göra att optiken misslyckas på grund av smältning och termisk stress, vilket kraftigt begränsar vilka typer av optiska material som kan användas. Höga temperaturer kan också göra att lim i optiska komponenter gasar ut och förorenar systemet. Systemet utsätts för temperaturer upp till 500 grader, så dess höga tryckkrav gör tätningen av det optiska systemet kritisk. Behovet av optik för att överföra UV-ljus med liten eller ingen absorption begränsar också de tillgängliga optiska materialen.
UV-nedbrytning av optiken
En annan utmaning som projektet står inför är att UV-optik tenderar att ha begränsade livslängder, till stor del på grund av förorening från högeffekts UV-fotoner som interagerar med miljön och UV-ljus som skadar optikens beläggningar och substrat. Båda dessa effekter försämrar prestanda hos optiska komponenter över tiden.
Skadliga material kan avsättas på optikens yta när UV-ljus med hög effekt interagerar med partiklar, vattenånga, organiska ämnen och andra föroreningar i systemet. Avgaser och andra luftburna föroreningar orsakar vanligtvis kolavlagringar på optiska ytor. Figur 2 visar ett exempel på UV-inducerad dendritisk tillväxt av kontaminering.
Bild Figur 2: Ett exempel på kontaminering inducerad av exponering av ett obelagt fönster med smält kiseldioxid för UV-ljus. Denna bild togs efter 6 veckors exponering för en UV-laser vid ungefär 3W, vilket skiljer sig från användningen av gasanalysatorn i Danfoss IXA, men den ger en indikation på vilken typ av UV-kontamination som kan uppstå.
Interaktion med gaserna som omger optiken kan också leda till avsättning av föroreningar, så eventuella avgaser som kommer in i systemet är en källa till förorening. Fotonenergier vid UV-våglängder mindre än 400 nm är nära samma som bindningsenergierna för de omgivande molekylerna, vilket gör att UV-ljuset kan bryta några av dessa bindningar. Detta producerar andra joner och molekyler som kan förorena optiska ytor.
På grund av processen med optisk utmattning är beläggningarna och substratmaterialen i själva UV-optiska enheter också känsliga för nedbrytning över tid när de utsätts för UV-ljus med hög effekt. Tung användning över tid kan göra att de försämras och leda till missfärgning eller andra förändringar i materialet. Deras brytningsindex kan modifieras för att producera en linseffekt som kan öka lokaliserad intensitet. Självfångade excitoner kan också bildas, vilket leder till ackumulering av absorptionscentra.
Som ett resultat av dessa effekter kan UV-optik behöva bytas ut med tiden, men korrekt tätning, tvättning och rengöring kan mildra dessa effekter.
De tuffa miljöer som Danfoss IXA Gas Emissions Analyzer måste anpassa sig till har inneburit många utmaningar för systemets optiska och optomekaniska design; enheten visar sig dock vara en framgång och hjälper för närvarande till att övervaka utsläpp från tusentals fartyg över hela världen.
Detta är en stor seger för miljön – ett steg mot att minimera NOx, SO2 och NH3 utsläpp från internationell sjöfart. Varje minskning av denna förorening bidrar till att minska antalet dödsfall i hjärt- och lungsjukdomar orsakade av utsläpp från sjöfarten varje år.
När du designar ett optiskt system för att fungera i tuffa miljöer, diskutera de specifika miljökraven med tillverkaren av optiska komponenter. Tillverkaren av optiska komponenter bör kunna vägleda dig genom de viktigaste övervägandena, tydligt förklara eventuella avvägningar som kan behöva göras och se till att ditt system fungerar efter behov.
