Спектроскопията е мощен инструмент с широк спектър от приложения, който може да защити околната среда чрез наблюдение и регулиране на замърсяването на въздуха.
Датската мултинационална компания Danfoss IXA разработи анализатор на емисии в океана, базиран на ултравиолетова (UV) абсорбционна спектроскопия за наблюдение на азотни оксиди (NOx), серен диоксид (SO2) и амоняк (NH3), изпускани от товарни кораби. Оборудването за оптично наблюдение е разположено вътре в изпускателната система на кораба и е изложено на тежки среди с екстремни температури, вибрации и корозивност, което поставя сериозни екологични изисквания към спектроскопската система.
Защо да наблюдаваме емисиите от товарни кораби?
Морските емисии от международни кораби причиняват преждевременна смърт от увреждане на белите дробове и сърдечно-съдови заболявания на хора по света. Броят на смъртните случаи от рак на сърцето, белите дробове и белите дробове, причинени от емисиите от корабоплаването, се оценява на 60,000,000 годишно в световен мащаб. Емисиите от морски кораби не само са сериозен проблем, който засяга човешкото здраве, но също така увреждат морските и сухоземните екосистеми.
Международната морска организация (IMO) и Агенцията за опазване на околната среда на САЩ (EPA) създадоха зони за контрол на емисиите (ECA) в много от океаните на нацията със строги разпоредби за емисиите - без които корабите не могат да влизат в много големи пристанища.
Без анализатори като тези, разработени от Danfoss IXA, например, властите нямат друг удобен и надежден начин да наблюдават емисиите от корабите и да прилагат тези разпоредби. Въпреки че има много местни и регионални инициативи, насочени към ограничаване на емисиите от корабите, прилагането на тези политики е изключително трудно. Базираният на спектъра анализатор на морски емисии е мощен инструмент, способен да следи точно емисиите от кораба в реално време.
Система за UV спектроскопия
Основният принцип на спектроскопията е, че веществата имат уникален спектър на абсорбция и са в състояние да абсорбират различни дължини на вълната на светлината в зависимост от техния атомен и молекулен състав. Системата за UV спектроскопия от Danfoss IXA се състои от източник на UV светлина с висок интензитет, UV спектрометър и UV-усилени оптични компоненти като оптични влакна, лещи и планарни огледала. За да разбере как се абсорбират различните дължини на вълните и по този начин да определи състава на отработените газове, спектрометърът разделя пространствено широколентовото излъчване на източника на светлина върху 1D детекторна матрица, която измерва едновременно целия UV спектър.
Докато системата на Danfoss IXA не използва монохроматори за изолиране на дължина на вълната, много спектроскопски системи използват монохроматори за изолиране на дължина на вълната. В тези случаи светлината от UV източник навлиза във входния процеп на монохроматора, където дисперсионен елемент (като дифракционна решетка или призма) разделя светлината на съставните дължини на вълната, които съдържа (вижте Фигура 1).
Изображение Фигура 1: Тестова дължина на вълната на спектрометър, която може да бъде фино настроена чрез разделяне на широколентовото излъчване върху 1D сензорен масив или чрез промяна на ъгъла на дифракционната решетка или призмата вътре в монохроматора. (Изображение: Edmund Optics)
Изходящият процеп на монохроматора блокира всички дължини на вълната и само тясна ивица светлина, която преминава през изпускателната проба, преминава през процепа. Промяната на ъгъла на дифракционната решетка или призмата променя дължините на вълните, които преминават през изходящия процеп, което позволява фина настройка на тестовата лента. Светлината, преминаваща през пробата от отработените газове, след това се насочва към детектор за определяне на настъпилата абсорбция; молекулярният състав на отработените газове след това се изчислява от резултатите от абсорбцията.
За монохроматори, използващи дифракционни решетки, честотата на прорезите на решетката обикновено се измерва в прорези на милиметър. По-високата честота на прорязване подобрява оптичната разделителна способност, но води до по-тесен диапазон от налични дължини на вълните; обратно, по-ниската честота на прореза води до по-широк диапазон от налични дължини на вълните, но за сметка на оптичната разделителна способност.
Изисквания за околната среда
Разработването на такива системи е много предизвикателство поради изключително високите изисквания за температура и налягане. Високите температури могат да причинят повреда на оптиката поради топене и термичен стрес, което силно ограничава видовете оптични материали, които могат да се използват. Високите температури също могат да причинят отделяне на лепила в оптичните компоненти и замърсяване на системата. Системата е изложена на температури до 500 градуса, така че нейните изисквания за високо налягане правят запечатването на оптичната система критично. Необходимостта оптиката да предава UV светлина с малко или никакво поглъщане също ограничава наличните оптични материали.
UV деградация на оптиката
Друго предизвикателство пред проекта е, че UV оптиката има тенденция да има ограничен живот, до голяма степен поради замърсяване от UV фотони с висока мощност, взаимодействащи с околната среда, и UV светлина, увреждаща покритията и субстратите на оптиката. И двата ефекта влошават работата на оптичните компоненти с течение на времето.
Вредни материали могат да се отложат върху повърхността на оптиката, когато ултравиолетова светлина с висока мощност взаимодейства с частици, водна пара, органични вещества и други замърсители в системата. Отработените газове и други замърсители във въздуха обикновено причиняват въглеродни отлагания върху оптичните повърхности. Фигура 2 показва пример на UV-индуциран дендритен растеж на замърсяване.
Изображение Фигура 2: Пример за замърсяване, предизвикано от излагане на прозорец от стопен силициев диоксид без покритие на UV светлина. Това изображение е направено след 6 седмици излагане на UV лазер при приблизително 3 W, което е различно от използването на газовия анализатор в Danfoss IXA, но дава индикация за типа UV замърсяване, което може да възникне.
Взаимодействието с газовете около оптиката също може да доведе до отлагане на замърсители, така че всички изгорели газове, влизащи в системата, са източник на замърсяване. Фотонните енергии при UV дължини на вълните под 400 nm са близки до същите като енергиите на връзката на околните молекули, което позволява на UV светлината да разруши някои от тези връзки. Това произвежда други йони и молекули, които могат да замърсят оптичните повърхности.
Поради процеса на оптична умора, самите покрития и субстратни материали на UV оптичните устройства също са податливи на разграждане с течение на времето, когато са изложени на UV светлина с висока мощност. Тежката употреба с течение на времето може да доведе до тяхното разграждане и обезцветяване или други промени в материала. Техният индекс на пречупване може да бъде модифициран, за да се получи ефект на леща, който може да увеличи локализирания интензитет. Могат да се образуват и самоуловени екситони, което води до натрупване на абсорбционни центрове.
В резултат на тези ефекти UV оптиката може да се наложи да бъде заменена с течение на времето, но правилното запечатване, измиване и почистване може да смекчи тези ефекти.
Суровите среди, към които анализаторът на газови емисии Danfoss IXA трябва да се адаптира, поставиха много предизвикателства пред оптичния и опто-механичния дизайн на системата; обаче устройството се оказва успешно и в момента помага за наблюдение на емисиите от хиляди кораби по целия свят.
Това е голяма победа за околната среда - стъпка към минимизиране на емисиите на NOx, SO2 и NH3 от международния транспорт. Всяко намаляване на това замърсяване помага да се намали броят на смъртните случаи от сърдечни и белодробни заболявания, причинени от емисиите от корабоплаването всяка година.
Когато проектирате оптична система за работа в тежки среди, обсъдете специфичните екологични изисквания с производителя на оптични компоненти. Производителят на оптични компоненти трябва да може да ви преведе през основните съображения, ясно да обясни всички компромиси, които може да се наложи да направите, и да гарантира, че вашата система работи според нуждите.
