Спектроскопия — мощный инструмент с широким спектром применений, который может защитить окружающую среду путем мониторинга и регулирования загрязнения воздуха.
Датская транснациональная компания Danfoss IXA разработала анализатор выбросов в океане на основе спектроскопии поглощения ультрафиолетового (УФ) излучения для мониторинга оксидов азота (NOx), диоксида серы (SO2) и аммиака (NH3), выбрасываемых грузовыми судами. Оборудование оптического мониторинга расположено внутри выхлопной системы корабля и подвергается воздействию суровых условий с экстремальными температурами, вибрациями и коррозией, что предъявляет к системе спектроскопии серьезные экологические требования.
Зачем контролировать выбросы грузовых судов?
Морские выбросы международных морских судов вызывают преждевременную смертность от повреждений легких и сердечно-сосудистых заболеваний среди людей во всем мире. По оценкам, число смертей от рака сердца, легких и легких, вызванных выбросами судоходства, достигает 60,000,000 в год во всем мире. Выбросы морских судов не только представляют собой серьезную проблему, которая влияет на здоровье человека, но также наносят ущерб морским и наземным экосистемам.
Международная морская организация (ИМО) и Агентство по охране окружающей среды США (EPA) установили зоны контроля выбросов (ECA) во многих океанах страны со строгими правилами выбросов, без которых суда не могут заходить во многие крупные порты.
Например, без анализаторов, подобных тем, которые разработаны Danfoss IXA, у властей нет другого удобного и надежного способа контролировать выбросы с судов и обеспечивать соблюдение этих правил. Несмотря на то, что существует множество местных и региональных инициатив, направленных на ограничение выбросов с судов, обеспечить соблюдение этой политики чрезвычайно сложно. Анализатор морских выбросов на базе Spectrum — это мощный инструмент, способный точно отслеживать выбросы с судов в режиме реального времени.
Система УФ-спектроскопии
Основной принцип спектроскопии заключается в том, что вещества обладают уникальным спектром поглощения и способны поглощать свет различной длины в зависимости от их атомного и молекулярного состава. Система УФ-спектроскопии Danfoss IXA состоит из источника УФ-излучения высокой интенсивности и УФ-спектрометра. и оптические компоненты с усилением УФ-излучения, такие как оптические волокна, линзы и плоские зеркала. Чтобы понять, как поглощаются волны различной длины, и таким образом определить состав выхлопного газа, спектрометр пространственно разделяет широкополосное излучение источника света на матрицу одномерных детекторов, которая одновременно измеряет весь УФ-спектр.
Хотя в системе Danfoss IXA не используются монохроматоры для изоляции длин волн, многие системы спектроскопии используют монохроматоры для изоляции длин волн. В этих случаях свет от источника УФ-излучения попадает во входную щель монохроматора, где дисперсионный элемент (например, дифракционная решетка или призма) разбивает свет на составляющие его длины волн (см. рисунок 1).
Рисунок 1: Испытательная длина волны спектрометра, которую можно точно настроить, разделив широкополосное излучение на матрицу одномерных датчиков или изменив угол дифракционной решетки или призмы внутри монохроматора. (Изображение предоставлено: Edmund Optics)
Выходная щель монохроматора блокирует все длины волн, и через щель проходит только узкая полоса света, проходящая через образец выхлопа. Изменение угла дифракционной решетки или призмы изменяет длины волн, проходящие через выходную щель, позволяя точно настроить тестовый диапазон. Свет, проходящий через образец выхлопных газов, затем направляется на детектор для определения возникающего поглощения; затем на основании результатов абсорбции рассчитывается молекулярный состав выхлопных газов.
Для монохроматоров, использующих дифракционные решетки, частота режекции решетки обычно измеряется в делениях на миллиметр. Более высокая частота режекции улучшает оптическое разрешение, но приводит к сужению диапазона доступных длин волн; и наоборот, более низкая режекторная частота приводит к более широкому диапазону доступных длин волн, но за счет оптического разрешения.
требования к окружающей среде
Разработка таких систем является очень сложной задачей из-за чрезвычайно высоких требований к температуре и давлению. Высокие температуры могут привести к выходу оптики из строя из-за плавления и термического напряжения, что серьезно ограничивает типы используемых оптических материалов. Высокие температуры также могут привести к выделению газов из клея в оптических компонентах и загрязнению системы. Система подвергается воздействию температур до 500 градусов, поэтому требования к высокому давлению делают герметизацию оптической системы критически важной. Необходимость в оптике передавать УФ-свет с небольшим поглощением или вообще без него также ограничивает доступные оптические материалы.
УФ-деградация оптики
Еще одна проблема, стоящая перед проектом, заключается в том, что УФ-оптика, как правило, имеет ограниченный срок службы, в основном из-за загрязнения мощными УФ-фотонами, взаимодействующими с окружающей средой, и УФ-светом, повреждающим покрытия и подложки оптики. Оба этих эффекта со временем ухудшают характеристики оптических компонентов.
Вредные материалы могут откладываться на поверхности оптики при взаимодействии мощного УФ-излучения с частицами, водяным паром, органическими веществами и другими загрязнениями в системе. Выхлопные газы и другие загрязняющие вещества в воздухе обычно вызывают отложения углерода на оптических поверхностях. На рисунке 2 показан пример дендритного роста загрязнения, вызванного УФ-излучением.
Изображение Рисунок 2: Пример загрязнения, вызванного воздействием ультрафиолетового света на окно из плавленого кварца без покрытия. Это изображение было получено после 6 недель воздействия УФ-лазера мощностью примерно 3 Вт, что отличается от использования газоанализатора в Danfoss IXA, но дает представление о типе возможного УФ-загрязнения.
Взаимодействие с газами, окружающими оптику, также может привести к осаждению загрязнений, поэтому любые выхлопные газы, попадающие в систему, являются источником загрязнения. Энергии фотонов на длинах волн УФ менее 400 нм почти такие же, как энергии связей окружающих молекул, что позволяет УФ-свету разрушать некоторые из этих связей. При этом образуются другие ионы и молекулы, которые могут загрязнять оптические поверхности.
Из-за процесса оптической усталости покрытия и материалы подложек самих устройств УФ-оптики также подвержены со временем деградации под воздействием мощного УФ-излучения. Интенсивное использование с течением времени может привести к их разрушению и изменению цвета или другим изменениям в материале. Их показатель преломления можно изменить для создания эффекта линзирования, который может увеличить локализованную интенсивность. Могут образовываться и автолокализованные экситоны, что приводит к накоплению центров поглощения.
В результате этих эффектов со временем может потребоваться замена УФ-оптики, но правильная герметизация, промывка и очистка могут смягчить эти эффекты.
Суровые условия окружающей среды, к которым приходится адаптироваться анализатору газовых выбросов Danfoss IXA, создали множество проблем для оптической и оптико-механической конструкции системы; однако устройство оказалось успешным и в настоящее время помогает контролировать выбросы тысяч судов по всему миру.
Это великая победа для окружающей среды — шаг к минимизации выбросов NOx, SO2 и NH3 при международных перевозках. Любое сокращение загрязнения помогает ежегодно снижать количество смертей от болезней сердца и легких, вызванных выбросами судоходства.
При проектировании оптической системы для работы в суровых условиях обсудите конкретные экологические требования с производителем оптических компонентов. Производитель оптических компонентов должен быть в состоянии объяснить вам ключевые моменты, четко объяснить любые компромиссы, на которые может потребоваться пойти, и гарантировать, что ваша система работает так, как необходимо.
