Spektroskopi er et kraftfuldt værktøj med en bred vifte af applikationer, der kan beskytte miljøet ved at overvåge og regulere luftforurening.
Det danske multinationale Danfoss IXA har udviklet en emissionsanalysator i havet baseret på ultraviolet (UV) absorptionsspektroskopi til overvågning af nitrogenoxider (NOx), svovldioxid (SO2) og ammoniak (NH3) udsendt fra fragtskibe. Det optiske overvågningsudstyr er placeret inde i skibets udstødningssystem og er udsat for barske miljøer med ekstreme temperaturer, vibrationer og korrosivitet, som stiller store miljømæssige krav til spektroskopisystemet.
Hvorfor overvåge emissioner fra fragtskibe?
Marineemissioner fra internationale skibsfartøjer forårsager for tidlige dødsfald som følge af lungeskader og hjerte-kar-sygdomme hos mennesker over hele verden. Antallet af hjerte-, lunge- og lungekræftdødsfald forårsaget af emissioner fra skibsfart anslås at være så højt som 60,000,000 om året globalt. Ikke alene er emissioner fra havskibe et alvorligt problem, der påvirker menneskers sundhed, men det skader også marine og terrestriske økosystemer.
Den Internationale Søfartsorganisation (IMO) og US Environmental Protection Agency (EPA) har etableret Emission Control Areas (ECA) i mange af landets oceaner med strenge emissionsbestemmelser – uden hvilke skibe ikke kan komme ind i mange større havne.
Uden analysatorer som dem, der er udviklet af Danfoss IXA, har myndighederne f.eks. ingen anden bekvem og pålidelig måde at overvåge skibsemissioner på og håndhæve disse regler. Selvom der er mange lokale og regionale initiativer, der har til formål at begrænse emissioner fra skibe, er det ekstremt vanskeligt at håndhæve disse politikker. Den Spectrum-baserede Marine Emission Analyzer er et kraftfuldt værktøj, der er i stand til nøjagtigt at overvåge skibsemissioner i realtid.
UV-spektroskopisystem
Det grundlæggende princip for spektroskopi er, at stoffer har et unikt absorptionsspektrum og er i stand til at absorbere forskellige bølgelængder af lys afhængigt af deres atomare og molekylære sammensætning. UV-spektroskopisystemet fra Danfoss IXA består af en højintensitets UV-lyskilde, et UV-spektrometer , og UV-forstærkede optiske komponenter såsom optiske fibre, linser og plane spejle. For at forstå, hvordan forskellige bølgelængder absorberes og på den måde bestemme sammensætningen af udstødningsgassen, adskiller spektrometeret rumligt lyskildens bredbåndsemission på et 1D-detektorarray, som måler hele UV-spektret samtidigt.
Mens Danfoss IXA's system ikke bruger monokromatorer til bølgelængdeisolering, bruger mange spektroskopisystemer monokromatorer til bølgelængdeisolering. I disse tilfælde kommer lys fra en UV-kilde ind i monokromatorens indgangsspalte, hvor et dispersivt element (såsom et diffraktionsgitter eller prisme) bryder lyset ned i de komponentbølgelængder, det indeholder (se figur 1).
Billede Figur 1: Testbølgelængden af et spektrometer, som kan finjusteres ved at adskille bredbåndsemissionen på et 1D-sensorarray eller ved at ændre vinklen på diffraktionsgitteret eller prismet inde i monokromatoren. (Billedkredit: Edmund Optics)
Monokromatorens udgående spalte blokerer alle bølgelængder, og kun et smalt bånd af lys, der passerer gennem udstødningsprøven, passerer gennem spalten. Ændring af vinklen på diffraktionsgitteret eller prismet ændrer bølgelængderne, der passerer gennem den udgående spalte, hvilket tillader finjustering af testbåndet. Lyset, der passerer gennem udstødningsprøven, ledes derefter til en detektor for at bestemme den absorption, der opstår; den molekylære sammensætning af udstødningsgassen beregnes derefter ud fra absorptionsresultaterne.
For monokromatorer, der anvender diffraktionsgitre, måles gitterets hakfrekvens normalt i hak pr. millimeter. En højere notch-frekvens forbedrer den optiske opløsning, men resulterer i et snævrere område af tilgængelige bølgelængder; omvendt resulterer en lavere notch-frekvens i et bredere udvalg af tilgængelige bølgelængder, men på bekostning af optisk opløsning.
Miljøkrav
Udviklingen af sådanne systemer er meget udfordrende på grund af ekstremt høje temperatur- og trykkrav. Høje temperaturer kan få optikken til at svigte på grund af smeltning og termisk stress, hvilket i høj grad begrænser de typer optiske materialer, der kan bruges. Høje temperaturer kan også få klæbemidler i optiske komponenter til at udgasse og forurene systemet. Systemet er udsat for temperaturer op til 500 grader, så dets højtrykskrav gør tætning af det optiske system kritisk. Behovet for optik til at transmittere UV-lys med ringe eller ingen absorption begrænser også de tilgængelige optiske materialer.
UV-nedbrydning af optikken
En anden udfordring, som projektet står over for, er, at UV-optik har en tendens til at have begrænset levetid, hovedsageligt på grund af forurening fra højeffekt UV-fotoner, der interagerer med miljøet, og UV-lys, der beskadiger optikkens belægninger og substrater. Begge disse effekter forringer ydeevnen af optiske komponenter over tid.
Skadelige materialer kan aflejres på overfladen af optikken, når højeffekt UV-lys interagerer med partikler, vanddamp, organiske stoffer og andre forurenende stoffer i systemet. Udstødning og andre luftbårne forurenende stoffer forårsager almindeligvis kulstofaflejringer på optiske overflader. Figur 2 viser et eksempel på UV-induceret dendritisk vækst af kontaminering.
Billede Figur 2: Et eksempel på forurening induceret ved eksponering af et ubelagt vindue med smeltet silica for UV-lys. Dette billede er taget efter 6 ugers eksponering for en UV-laser ved ca. 3W, hvilket er forskelligt fra brugen af gasanalysatoren i Danfoss IXA, men det giver en indikation af, hvilken type UV-kontamination, der kan forekomme.
Interaktion med gasserne omkring optikken kan også føre til aflejring af forurenende stoffer, så enhver udstødningsgas, der kommer ind i systemet, er en kilde til forurening. Fotonenergier ved UV-bølgelængder mindre end 400 nm er tæt på det samme som bindingsenergierne for de omgivende molekyler, hvilket tillader UV-lyset at bryde nogle af disse bindinger. Dette producerer andre ioner og molekyler, der kan forurene optiske overflader.
På grund af processen med optisk træthed er belægninger og substratmaterialer af UV-optiske enheder også modtagelige for nedbrydning over tid, når de udsættes for højeffekt UV-lys. Kraftig brug over tid kan få dem til at nedbrydes og føre til misfarvning eller andre ændringer i materialet. Deres brydningsindeks kan modificeres for at producere en linseeffekt, der kan øge lokaliseret intensitet. Selvfangede excitoner kan også dannes, hvilket fører til akkumulering af absorptionscentre.
Som et resultat af disse effekter skal UV-optik muligvis udskiftes over tid, men korrekt forsegling, vask og rengøring kan afbøde disse effekter.
De barske miljøer, som Danfoss IXA Gas Emissions Analyzer skal tilpasse sig til, har stillet mange udfordringer til det optiske og opto-mekaniske design af systemet; enheden viser sig dog at være en succes og hjælper i øjeblikket med at overvåge emissioner fra tusindvis af skibe verden over.
Dette er en stor sejr for miljøet - et skridt i retning af at minimere NOx-, SO2- og NH3-emissioner fra international skibsfart. Enhver reduktion af denne forurening er med til at reducere antallet af dødsfald som følge af hjerte- og lungesygdomme forårsaget af emissioner fra skibsfart hvert år.
Når du designer et optisk system til at fungere i barske miljøer, skal du diskutere de specifikke miljøkrav med producenten af optiske komponenter. Producenten af optiske komponenter bør være i stand til at guide dig gennem de vigtigste overvejelser, tydeligt forklare eventuelle afvejninger, der måtte være nødvendige, og sikre, at dit system fungerer efter behov.
