L'espectroscòpia és una eina potent amb una àmplia gamma d'aplicacions que poden protegir el medi ambient mitjançant el seguiment i la regulació de la contaminació de l'aire.
La multinacional danesa Danfoss IXA ha desenvolupat un analitzador d'emissions a l'oceà basat en l'espectroscòpia d'absorció ultraviolada (UV) per controlar els òxids de nitrogen (NOx), el diòxid de sofre (SO2) i l'amoníac (NH3) emesos pels vaixells de càrrega. L'equip de monitoratge òptic es troba a l'interior del sistema d'escapament del vaixell i està exposat a entorns durs amb temperatures extremes, vibracions i corrosivitat, que posen greus exigències ambientals al sistema d'espectroscòpia.
Per què controlar les emissions dels vaixells de càrrega?
Les emissions marines dels vaixells marítims internacionals causen morts prematures per danys pulmonars i malalties cardiovasculars en persones de tot el món. S'estima que el nombre de morts per càncer de cor, pulmó i pulmó causades per les emissions de transport marítim és de fins a 60,000,000 a l'any a tot el món. Les emissions dels vaixells marins no només són un problema greu que afecta la salut humana, sinó que també danya els ecosistemes marins i terrestres.
L'Organització Marítima Internacional (IMO) i l'Agència de Protecció del Medi Ambient (EPA) dels EUA han establert àrees de control d'emissions (ECA) a molts dels oceans del país amb estrictes regulacions d'emissions, sense les quals els vaixells no poden entrar en molts ports importants.
Sense analitzadors com els desenvolupats per Danfoss IXA, per exemple, les autoritats no tenen cap altra forma còmoda i fiable de controlar les emissions dels vaixells i fer complir aquestes regulacions. Tot i que hi ha moltes iniciatives locals i regionals destinades a limitar les emissions dels vaixells, fer complir aquestes polítiques és extremadament difícil. L'analitzador d'emissions marines basat en l'espectre és una potent eina capaç de controlar amb precisió les emissions dels vaixells en temps real.
Sistema d'espectroscòpia UV
El principi bàsic de l'espectroscòpia és que les substàncies tenen un espectre d'absorció únic i són capaços d'absorbir diferents longituds d'ona de la llum en funció de la seva composició atòmica i molecular. El sistema d'espectroscòpia UV de Danfoss IXA consisteix en una font de llum UV d'alta intensitat, un espectròmetre UV. , i components òptics millorats amb UV, com ara fibres òptiques, lents i miralls plans. Per tal d'entendre com s'absorbeixen les diferents longituds d'ona i d'aquesta manera determinar la composició del gas d'escapament, l'espectròmetre separa espacialment l'emissió de banda ampla de la font de llum en una matriu de detectors 1D, que mesura tot l'espectre UV simultàniament.
Tot i que el sistema de Danfoss IXA no utilitza monocromadors per a l'aïllament de la longitud d'ona, molts sistemes d'espectroscòpia utilitzen monocromadors per a l'aïllament de la longitud d'ona. En aquests casos, la llum d'una font UV entra a l'escletxa d'entrada del monocromador, on un element dispersiu (com una xarxa de difracció o un prisma) trenca la llum en les longituds d'ona components que conté (vegeu la figura 1).
Imatge Figura 1: longitud d'ona de prova d'un espectròmetre, que es pot ajustar separant l'emissió de banda ampla en una matriu de sensors 1D o canviant l'angle de la xarxa de difracció o del prisma dins del monocromador. (Crèdit d'imatge: Edmund Optics)
La ranura de sortida del monocromador bloqueja totes les longituds d'ona i només una banda estreta de llum que travessa la mostra d'escapament passa per la ranura. Canviar l'angle de la xarxa de difracció o del prisma canvia les longituds d'ona que passen per l'escletxa de sortida, permetent un ajustament fi de la banda de prova. La llum que travessa la mostra d'escapament es dirigeix llavors a un detector per determinar l'absorció que es produeix; A continuació, es calcula la composició molecular dels gasos d'escapament a partir dels resultats de l'absorció.
Per als monocromadors que utilitzen xarxes de difracció, la freqüència d'osca de la xarxa es mesura normalment en osques per mil·límetre. Una freqüència d'osca més alta millora la resolució òptica però resulta en un rang més estret de longituds d'ona disponibles; per contra, una freqüència d'osca més baixa dóna com a resultat un rang més ampli de longituds d'ona disponibles, però a costa de la resolució òptica.
Requisits ambientals
El desenvolupament d'aquests sistemes és molt difícil a causa dels requisits de temperatura i pressió extremadament elevats. Les altes temperatures poden fer que l'òptica falli a causa de la fusió i l'estrès tèrmic, la qual cosa limita molt els tipus de materials òptics que es poden utilitzar. Les altes temperatures també poden provocar que els adhesius dels components òptics desgastin i contaminin el sistema. El sistema està exposat a temperatures de fins a 500 graus, de manera que els seus requisits d'alta pressió fan que el segellat del sistema òptic sigui crític. La necessitat de l'òptica per transmetre la llum UV amb poca o cap absorció també limita els materials òptics disponibles.
Degradació UV de l'òptica
Un altre repte al qual s'enfronta el projecte és que l'òptica UV tendeix a tenir una vida útil limitada, en gran part a causa de la contaminació dels fotons UV d'alta potència que interactuen amb el medi ambient i la llum UV que danya els recobriments i els substrats de l'òptica. Ambdós efectes degraden el rendiment dels components òptics amb el temps.
Els materials nocius es poden dipositar a la superfície de l'òptica quan la llum UV d'alta potència interacciona amb partícules, vapor d'aigua, orgànics i altres contaminants del sistema. L'escapament i altres contaminants de l'aire solen causar dipòsits de carboni a les superfícies òptiques. La figura 2 mostra un exemple de creixement dendrític de contaminació induït per UV.
Imatge Figura 2: Un exemple de contaminació induïda per l'exposició d'una finestra de sílice fosa sense recobrir a la llum UV. Aquesta imatge es va prendre després de 6 setmanes d'exposició a un làser UV a aproximadament 3 W, que és diferent de l'ús de l'analitzador de gasos al Danfoss IXA, però dóna una indicació del tipus de contaminació UV que es pot produir.
La interacció amb els gasos que envolten l'òptica també pot provocar la deposició de contaminants, de manera que qualsevol gas d'escapament que entri al sistema és una font de contaminació. Les energies dels fotons a longituds d'ona UV inferiors a 400 nm són gairebé les mateixes que les energies d'enllaç de les molècules circumdants, cosa que permet que la llum UV trenqui alguns d'aquests enllaços. Això produeix altres ions i molècules que poden contaminar les superfícies òptiques.
A causa del procés de fatiga òptica, els recobriments i els materials del substrat dels propis dispositius d'òptica UV també són susceptibles de degradar-se amb el temps quan s'exposen a llum UV d'alta potència. Un ús intensiu amb el pas del temps pot provocar que es degraden i provocar una decoloració o altres canvis en el material. El seu índex de refracció es pot modificar per produir un efecte de lents que pot augmentar la intensitat localitzada. També es poden formar excitons autoatrapats, cosa que condueix a l'acumulació de centres d'absorció.
Com a resultat d'aquests efectes, és possible que s'hagi de substituir l'òptica UV amb el temps, però un segellat, rentat i neteja adequats poden mitigar aquests efectes.
Els entorns durs que l'analitzador d'emissions de gasos Danfoss IXA ha d'adaptar han suposat molts reptes al disseny òptic i optomecànic del sistema; no obstant això, el dispositiu està demostrant ser un èxit i actualment està ajudant a controlar les emissions de milers de vaixells a tot el món.
Aquesta és una gran victòria per al medi ambient: un pas cap a la minimització de les emissions de NOx, SO2 i NH3 del transport marítim internacional. Qualsevol reducció d'aquesta contaminació ajuda a reduir el nombre de morts per malalties cardíaques i pulmonars causades per les emissions de transport marítim cada any.
Quan dissenyeu un sistema òptic per funcionar en entorns durs, discutiu els requisits ambientals específics amb el fabricant del component òptic. El fabricant del component òptic hauria de ser capaç d'orientar-vos a través de les consideracions clau, explicar clarament les compensacions que calgui fer i assegurar-vos que el vostre sistema funcioni segons sigui necessari.
