Η φασματοσκοπία είναι ένα ισχυρό εργαλείο με ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών που μπορεί να προστατεύσει το περιβάλλον παρακολουθώντας και ρυθμίζοντας την ατμοσφαιρική ρύπανση.
Η πολυεθνική Danfoss IXA έχει αναπτύξει έναν αναλυτή εκπομπών στον ωκεανό με βάση τη φασματοσκοπία απορρόφησης υπεριώδους (UV) για την παρακολούθηση των οξειδίων του αζώτου (NOx), του διοξειδίου του θείου (SO2) και της αμμωνίας (NH3) που εκπέμπονται από τα φορτηγά πλοία. Ο εξοπλισμός οπτικής παρακολούθησης βρίσκεται μέσα στο σύστημα εξάτμισης του πλοίου και εκτίθεται σε σκληρά περιβάλλοντα με ακραίες θερμοκρασίες, κραδασμούς και διαβρωτικότητα, που επιβάλλουν σοβαρές περιβαλλοντικές απαιτήσεις στο σύστημα φασματοσκοπίας.
Γιατί να παρακολουθούμε τις εκπομπές από φορτηγά πλοία;
Οι θαλάσσιες εκπομπές από διεθνή ναυτιλιακά πλοία προκαλούν πρόωρους θανάτους από βλάβη στους πνεύμονες και καρδιαγγειακές παθήσεις σε ανθρώπους σε όλο τον κόσμο. Ο αριθμός των θανάτων από καρκίνο της καρδιάς, του πνεύμονα και του πνεύμονα που προκαλούνται από εκπομπές από τη ναυτιλία εκτιμάται ότι φτάνει τους 60,000,000 ετησίως παγκοσμίως. Όχι μόνο οι εκπομπές των θαλάσσιων σκαφών είναι ένα σοβαρό πρόβλημα που επηρεάζει την ανθρώπινη υγεία, αλλά βλάπτει επίσης τα θαλάσσια και χερσαία οικοσυστήματα.
Ο Διεθνής Ναυτιλιακός Οργανισμός (IMO) και η Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος των ΗΠΑ (EPA) έχουν δημιουργήσει Περιοχές Ελέγχου Εκπομπών (ECA) σε πολλούς από τους ωκεανούς της χώρας με αυστηρούς κανονισμούς εκπομπών - χωρίς τους οποίους τα πλοία δεν μπορούν να εισέλθουν σε πολλά μεγάλα λιμάνια.
Χωρίς αναλυτές όπως αυτοί που αναπτύχθηκαν από την Danfoss IXA, για παράδειγμα, οι αρχές δεν έχουν άλλο βολικό, αξιόπιστο τρόπο για την παρακολούθηση των εκπομπών των πλοίων και την επιβολή αυτών των κανονισμών. Ενώ υπάρχουν πολλές τοπικές και περιφερειακές πρωτοβουλίες που στοχεύουν στον περιορισμό των εκπομπών των πλοίων, η επιβολή αυτών των πολιτικών είναι εξαιρετικά δύσκολη. Ο αναλυτής θαλάσσιων εκπομπών που βασίζεται σε φάσμα είναι ένα ισχυρό εργαλείο ικανό να παρακολουθεί με ακρίβεια τις εκπομπές των πλοίων σε πραγματικό χρόνο.
Σύστημα Φασματοσκοπίας UV
Η βασική αρχή της φασματοσκοπίας είναι ότι οι ουσίες έχουν ένα μοναδικό φάσμα απορρόφησης και είναι σε θέση να απορροφούν διαφορετικά μήκη κύματος φωτός ανάλογα με την ατομική και μοριακή τους σύνθεση. , και οπτικά εξαρτήματα ενισχυμένα με υπεριώδη ακτινοβολία, όπως οπτικές ίνες, φακοί και επίπεδοι καθρέφτες. Προκειμένου να κατανοηθεί πώς απορροφώνται διαφορετικά μήκη κύματος και να προσδιοριστεί με αυτόν τον τρόπο η σύνθεση των καυσαερίων, το φασματόμετρο διαχωρίζει χωρικά την εκπομπή ευρείας ζώνης της πηγής φωτός σε μια διάταξη ανιχνευτή 1D, η οποία μετρά ταυτόχρονα ολόκληρο το φάσμα UV.
Ενώ το σύστημα της Danfoss IXA δεν χρησιμοποιεί μονοχρωμάτες για απομόνωση μήκους κύματος, πολλά συστήματα φασματοσκοπίας χρησιμοποιούν μονοχρωμάτες για απομόνωση μήκους κύματος. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το φως από μια πηγή υπεριώδους ακτινοβολίας εισέρχεται στη σχισμή εισόδου του μονοχρωμάτορα, όπου ένα στοιχείο διασποράς (όπως ένα πλέγμα περίθλασης ή ένα πρίσμα) διασπά το φως στα μήκη κύματος συνιστωσών που περιέχει (βλ. Εικόνα 1).
Εικόνα 1: Το μήκος κύματος δοκιμής ενός φασματόμετρου, το οποίο μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια διαχωρίζοντας την εκπομπή ευρείας ζώνης σε μια διάταξη αισθητήρων 1D ή αλλάζοντας τη γωνία του πλέγματος περίθλασης ή του πρίσματος μέσα στο μονοχρωμάτορα. (Εικόνα: Edmund Optics)
Η εξερχόμενη σχισμή του μονοχρωμάτορα μπλοκάρει όλα τα μήκη κύματος και μόνο μια στενή ζώνη φωτός που διέρχεται από το δείγμα της εξάτμισης διέρχεται από τη σχισμή. Η αλλαγή της γωνίας του πλέγματος περίθλασης ή του πρίσματος αλλάζει τα μήκη κύματος που διέρχονται από την εξερχόμενη σχισμή, επιτρέποντας τη λεπτή ρύθμιση της ζώνης δοκιμής. Το φως που διέρχεται από το δείγμα καυσαερίων κατευθύνεται στη συνέχεια σε έναν ανιχνευτή για να προσδιοριστεί η απορρόφηση που συμβαίνει. Η μοριακή σύνθεση των καυσαερίων στη συνέχεια υπολογίζεται από τα αποτελέσματα απορρόφησης.
Για μονοχρωμάτες που χρησιμοποιούν πλέγματα περίθλασης, η συχνότητα εγκοπής του πλέγματος συνήθως μετράται σε εγκοπές ανά χιλιοστό. Μια υψηλότερη συχνότητα εγκοπής βελτιώνει την οπτική ανάλυση αλλά οδηγεί σε μικρότερο εύρος διαθέσιμων μηκών κύματος. Αντίθετα, μια χαμηλότερη συχνότητα εγκοπής οδηγεί σε ένα ευρύτερο φάσμα διαθέσιμων μηκών κύματος, αλλά σε βάρος της οπτικής ανάλυσης.
Περιβαλλοντικές Απαιτήσεις
Η ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων είναι πολύ δύσκολη λόγω των εξαιρετικά υψηλών απαιτήσεων θερμοκρασίας και πίεσης. Οι υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να προκαλέσουν αστοχία των οπτικών λόγω τήξης και θερμικής καταπόνησης, γεγονός που περιορίζει σοβαρά τους τύπους οπτικών υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Οι υψηλές θερμοκρασίες μπορούν επίσης να προκαλέσουν την εξάτμιση και τη μόλυνση του συστήματος από κόλλες σε οπτικά εξαρτήματα. Το σύστημα εκτίθεται σε θερμοκρασίες έως και 500 μοίρες, επομένως οι απαιτήσεις υψηλής πίεσης καθιστούν κρίσιμη τη στεγανοποίηση του οπτικού συστήματος. Η ανάγκη των οπτικών για τη μετάδοση του υπεριώδους φωτός με μικρή ή καθόλου απορρόφηση περιορίζει επίσης τα διαθέσιμα οπτικά υλικά.
Υποβάθμιση της οπτικής με υπεριώδη ακτινοβολία
Μια άλλη πρόκληση που αντιμετωπίζει το έργο είναι ότι τα οπτικά UV τείνουν να έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής, σε μεγάλο βαθμό λόγω της μόλυνσης από φωτόνια UV υψηλής ισχύος που αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον και το υπεριώδες φως που καταστρέφει τις επικαλύψεις και τα υποστρώματα των οπτικών. Και τα δύο αυτά εφέ υποβαθμίζουν την απόδοση των οπτικών εξαρτημάτων με την πάροδο του χρόνου.
Επιβλαβή υλικά μπορεί να εναποτεθούν στην επιφάνεια των οπτικών όταν το υπεριώδες φως υψηλής ισχύος αλληλεπιδρά με σωματίδια, υδρατμούς, οργανικές ουσίες και άλλους ρύπους στο σύστημα. Τα καυσαέρια και άλλοι ρύποι που μεταφέρονται στον αέρα προκαλούν συνήθως εναποθέσεις άνθρακα σε οπτικές επιφάνειες. Το Σχήμα 2 δείχνει ένα παράδειγμα επαγόμενης από την υπεριώδη ακτινοβολία δενδριτικής ανάπτυξης μόλυνσης.
Εικόνα Σχήμα 2: Ένα παράδειγμα μόλυνσης που προκαλείται από την έκθεση ενός μη επικαλυμμένου παραθύρου τηγμένου πυριτίου σε υπεριώδη ακτινοβολία. Αυτή η εικόνα τραβήχτηκε μετά από 6 εβδομάδες έκθεσης σε λέιζερ υπεριώδους ακτινοβολίας στα 3W περίπου, η οποία είναι διαφορετική από τη χρήση του αναλυτή αερίων στο Danfoss IXA, αλλά δίνει μια ένδειξη του τύπου μόλυνσης από την υπεριώδη ακτινοβολία που μπορεί να συμβεί.
Η αλληλεπίδραση με τα αέρια που περιβάλλουν τα οπτικά μπορεί επίσης να οδηγήσει σε εναπόθεση ρύπων, επομένως τυχόν καυσαέρια που εισέρχονται στο σύστημα αποτελούν πηγή μόλυνσης. Οι ενέργειες φωτονίων σε μήκη κύματος υπεριώδους ακτινοβολίας μικρότερα από 400 nm είναι σχεδόν ίδιες με τις ενέργειες των δεσμών των γύρω μορίων, γεγονός που επιτρέπει στο υπεριώδες φως να σπάσει ορισμένους από αυτούς τους δεσμούς. Αυτό παράγει άλλα ιόντα και μόρια που μπορούν να μολύνουν τις οπτικές επιφάνειες.
Λόγω της διαδικασίας οπτικής κόπωσης, οι επικαλύψεις και τα υλικά υποστρώματος των ίδιων των συσκευών οπτικών UV είναι επίσης ευαίσθητα σε υποβάθμιση με την πάροδο του χρόνου όταν εκτίθενται σε υπεριώδη ακτινοβολία υψηλής ισχύος. Η βαριά χρήση με την πάροδο του χρόνου μπορεί να προκαλέσει την υποβάθμισή τους και να οδηγήσει σε αποχρωματισμό ή άλλες αλλαγές στο υλικό. Ο δείκτης διάθλασής τους μπορεί να τροποποιηθεί για να δημιουργήσει ένα φαινόμενο φακού που μπορεί να αυξήσει την τοπική ένταση. Μπορούν επίσης να σχηματιστούν αυτοπαγιδευμένα εξιτόνια, γεγονός που οδηγεί στη συσσώρευση κέντρων απορρόφησης.
Ως αποτέλεσμα αυτών των επιπτώσεων, τα οπτικά UV μπορεί να χρειαστεί να αντικατασταθούν με την πάροδο του χρόνου, αλλά η σωστή σφράγιση, το πλύσιμο και ο καθαρισμός μπορούν να μετριάσουν αυτές τις επιπτώσεις.
Τα σκληρά περιβάλλοντα που πρέπει να προσαρμοστεί ο αναλυτής εκπομπών αερίων Danfoss IXA έχουν θέσει πολλές προκλήσεις στον οπτικό και οπτομηχανικό σχεδιασμό του συστήματος. Ωστόσο, η συσκευή αποδεικνύεται επιτυχημένη και αυτή τη στιγμή βοηθά στην παρακολούθηση των εκπομπών από χιλιάδες πλοία σε όλο τον κόσμο.
Αυτή είναι μια μεγάλη νίκη για το περιβάλλον - ένα βήμα προς την ελαχιστοποίηση των εκπομπών NOx, SO2 και NH3 από τη διεθνή ναυτιλία. Οποιαδήποτε μείωση αυτής της ρύπανσης συμβάλλει στη μείωση του αριθμού των θανάτων από καρδιακές και πνευμονικές ασθένειες που προκαλούνται από τις εκπομπές από τη ναυτιλία κάθε χρόνο.
Όταν σχεδιάζετε ένα οπτικό σύστημα για λειτουργία σε σκληρά περιβάλλοντα, συζητήστε τις συγκεκριμένες περιβαλλοντικές απαιτήσεις με τον κατασκευαστή των οπτικών εξαρτημάτων. Ο κατασκευαστής του οπτικού εξαρτήματος θα πρέπει να μπορεί να σας καθοδηγήσει στα βασικά ζητήματα, να εξηγήσει με σαφήνεια τυχόν συμβιβασμούς που μπορεί να χρειαστεί να γίνουν και να διασφαλίσει ότι το σύστημά σας λειτουργεί όπως απαιτείται.
