Спектроскопія є потужним інструментом із широким спектром застосувань, який може захистити навколишнє середовище шляхом моніторингу та регулювання забруднення повітря.
Датська транснаціональна компанія Danfoss IXA розробила аналізатор викидів в океан на основі спектроскопії ультрафіолетового (УФ) поглинання для моніторингу оксидів азоту (NOx), діоксиду сірки (SO2) і аміаку (NH3), що викидаються з вантажних суден. Обладнання оптичного моніторингу розташоване всередині вихлопної системи корабля та піддається впливу суворих умов з екстремальними температурами, вібрацією та корозією, що висуває суворі екологічні вимоги до системи спектроскопії.
Навіщо проводити моніторинг викидів із вантажних суден?
Морські викиди з міжнародних морських суден спричиняють передчасну смерть людей у всьому світі від пошкоджень легенів і серцево-судинних захворювань. За оцінками, кількість смертей від раку серця, легенів і раку легенів, спричинених викидами від транспортування, становить 60 000, 000 на рік у всьому світі. Викиди з морських суден не тільки є серйозною проблемою, яка впливає на здоров’я людини, але й завдають шкоди морським і наземним екосистемам.
Міжнародна морська організація (IMO) і Агентство з охорони навколишнього середовища США (EPA) створили зони контролю викидів (ECA) у багатьох океанах країни із суворими правилами викидів, без яких кораблі не можуть заходити в багато великих портів.
Без аналізаторів, таких як розроблені Danfoss IXA, наприклад, органи влади не мають іншого зручного та надійного способу моніторингу викидів із суден і забезпечення дотримання цих правил. Хоча існує багато місцевих і регіональних ініціатив, спрямованих на обмеження викидів із суден, реалізувати цю політику надзвичайно складно. Аналізатор морських викидів на основі Spectrum є потужним інструментом, здатним точно контролювати викиди суден у реальному часі.
Система ультрафіолетової спектроскопії
Основний принцип спектроскопії полягає в тому, що речовини мають унікальний спектр поглинання та здатні поглинати різні довжини хвилі світла залежно від їх атомного та молекулярного складу. Система УФ-спектроскопії від Danfoss IXA складається з високоінтенсивного джерела УФ-світла, УФ-спектрометра , а також оптичні компоненти з УФ-променями, такі як оптичні волокна, лінзи та плоскі дзеркала. Щоб зрозуміти, як різні довжини хвилі поглинаються, і таким чином визначити склад вихлопних газів, спектрометр просторово розділяє широкосмугове випромінювання джерела світла на 1D детекторну матрицю, яка одночасно вимірює весь УФ-спектр.
Хоча система Danfoss IXA не використовує монохроматори для ізоляції довжини хвилі, багато систем спектроскопії використовують монохроматори для ізоляції довжини хвилі. У цих випадках світло від УФ-джерела потрапляє у вхідну щілину монохроматора, де дисперсійний елемент (наприклад, дифракційна решітка або призма) розбиває світло на складові довжини хвилі, які він містить (див. рис. 1).
Зображення Рисунок 1: Тестова довжина хвилі спектрометра, яку можна точно налаштувати, відокремлюючи широкосмугове випромінювання на матрицю одновимірних датчиків або змінюючи кут дифракційної решітки чи призми всередині монохроматора. (Кредит зображення: Edmund Optics)
Вихідна щілина монохроматора блокує всі довжини хвиль, і лише вузька смуга світла, яка проходить через зразок вихлопу, проходить через щілину. Зміна кута дифракційної решітки або призми змінює довжини хвиль, які проходять через вихідну щілину, дозволяючи точно налаштувати тестову смугу. Світло, що проходить через зразок вихлопу, потім направляється на детектор для визначення поглинання, яке відбувається; молекулярний склад вихлопного газу потім розраховується за результатами поглинання.
Для монохроматорів, що використовують дифракційні решітки, частота вирізів решітки зазвичай вимірюється в вирізах на міліметр. Вища частота вирізання покращує оптичну роздільну здатність, але призводить до вужчого діапазону доступних довжин хвиль; і навпаки, нижча частота вирізання призводить до ширшого діапазону доступних довжин хвиль, але за рахунок оптичної роздільної здатності.
Екологічні вимоги
Розробка таких систем є дуже складною через надзвичайно високі вимоги до температури та тиску. Високі температури можуть призвести до виходу оптики з ладу внаслідок плавлення та термічної напруги, що суттєво обмежує типи оптичних матеріалів, які можна використовувати. Високі температури також можуть призвести до виділення клею в оптичних компонентах і забруднення системи. Система піддається впливу температур до 500 градусів, тому вимоги до високого тиску роблять герметизацію оптичної системи критичною. Потреба в оптиці пропускати ультрафіолетове світло з невеликим або без поглинання також обмежує доступні оптичні матеріали.
УФ-деградація оптики
Ще одна проблема, яка стоїть перед проектом, полягає в тому, що УФ-оптика, як правило, має обмежений термін служби, в основному через забруднення високопотужними УФ-фотонами, які взаємодіють з навколишнім середовищем, і УФ-світлом, що пошкоджує покриття та підкладки оптики. Обидва ці ефекти з часом погіршують продуктивність оптичних компонентів.
Шкідливі матеріали можуть осідати на поверхні оптики, коли потужне ультрафіолетове світло взаємодіє з частинками, водяною парою, органікою та іншими забрудненнями в системі. Вихлопні гази та інші забруднюючі речовини, що переносяться повітрям, зазвичай викликають утворення нагару на оптичних поверхнях. На рисунку 2 показаний приклад дендритного зростання забруднення, спричиненого УФ-випромінюванням.
Зображення Рисунок 2: Приклад забруднення, спричиненого впливом ультрафіолетового світла на вікно з плавленого кремнезему без покриття. Це зображення було зроблено після 6 тижнів впливу ультрафіолетового лазера потужністю приблизно 3 Вт, що відрізняється від використання газоаналізатора в Danfoss IXA, але дає вказівку на тип ультрафіолетового забруднення, яке може статися.
Взаємодія з газами, що оточують оптику, також може призвести до відкладення забруднень, тому будь-які вихлопні гази, що потрапляють у систему, є джерелом забруднення. Енергія фотонів при довжинах хвиль ультрафіолетового випромінювання менше 400 нм близька до енергії зв’язку навколишніх молекул, що дозволяє ультрафіолетовому світлу розривати деякі з цих зв’язків. При цьому утворюються інші іони та молекули, які можуть забруднювати оптичні поверхні.
Через процес оптичної втоми самі покриття та матеріали підкладки УФ-оптичних пристроїв також чутливі до деградації з часом під дією ультрафіолетового світла високої потужності. Інтенсивне використання з часом може спричинити їх деградацію та призвести до зміни кольору чи інших змін у матеріалі. Їх показник заломлення можна змінити, щоб створити ефект лінзи, який може збільшити локалізовану інтенсивність. Також можуть утворюватися автолокализовані екситони, що призводить до накопичення центрів поглинання.
У результаті цих ефектів УФ-оптику з часом може знадобитися замінити, але належне ущільнення, миття та чищення можуть пом’якшити ці ефекти.
Суворі умови, до яких має адаптуватися аналізатор викидів газу Danfoss IXA, створили багато проблем для оптичної та оптико-механічної конструкції системи; однак пристрій виявився успішним і наразі допомагає контролювати викиди з тисяч суден по всьому світу.
Це велика перемога для навколишнього середовища - крок до мінімізації викидів NOx, SO2 і NH3 від міжнародних перевезень. Будь-яке зменшення цього забруднення допомагає щороку зменшувати кількість смертей від хвороб серця та легенів, спричинених викидами морських транспортних засобів.
Розробляючи оптичну систему для роботи в суворих умовах, обговоріть особливі вимоги до навколишнього середовища з виробником оптичних компонентів. Виробник оптичних компонентів повинен бути в змозі провести вас через основні міркування, чітко пояснити будь-які компроміси, які можуть знадобитися, і переконатися, що ваша система працює відповідно до потреб.
