Spektroskopi ialah alat berkuasa dengan pelbagai aplikasi yang boleh melindungi alam sekitar dengan memantau dan mengawal pencemaran udara.
Danfoss IXA multinasional Denmark telah membangunkan penganalisis pelepasan di lautan berdasarkan spektroskopi penyerapan ultraungu (UV) untuk memantau oksida nitrogen (NOx), sulfur dioksida (SO2) dan ammonia (NH3) yang dipancarkan daripada kapal kargo. Peralatan pemantauan optik terletak di dalam sistem ekzos kapal dan terdedah kepada persekitaran yang keras dengan suhu yang melampau, getaran dan kekakisan, yang meletakkan permintaan alam sekitar yang teruk pada sistem spektroskopi.
Mengapa memantau pelepasan dari kapal kargo?
Pelepasan marin dari kapal perkapalan antarabangsa menyebabkan kematian pramatang akibat kerosakan paru-paru dan penyakit kardiovaskular pada orang di seluruh dunia. Bilangan kematian kanser jantung, paru-paru dan paru-paru yang disebabkan oleh pelepasan penghantaran dianggarkan setinggi 60,000,000 setahun di seluruh dunia. Bukan sahaja pelepasan kapal marin menjadi masalah serius yang menjejaskan kesihatan manusia, tetapi ia juga merosakkan ekosistem marin dan daratan.
Pertubuhan Maritim Antarabangsa (IMO) dan Agensi Perlindungan Alam Sekitar (EPA) AS telah menubuhkan Kawasan Kawalan Pelepasan (ECA) di kebanyakan lautan negara dengan peraturan pelepasan yang ketat - tanpanya kapal tidak boleh memasuki banyak pelabuhan utama.
Tanpa penganalisis seperti yang dibangunkan oleh Danfoss IXA, sebagai contoh, pihak berkuasa tidak mempunyai cara lain yang mudah dan boleh dipercayai untuk memantau pelepasan kapal dan menguatkuasakan peraturan ini. Walaupun terdapat banyak inisiatif tempatan dan serantau yang bertujuan untuk mengehadkan pelepasan kapal, menguatkuasakan dasar ini amat sukar. Penganalisis Pelepasan Marin berasaskan Spektrum ialah alat berkuasa yang mampu memantau pelepasan kapal dengan tepat dalam masa nyata.
Sistem Spektroskopi UV
Prinsip asas spektroskopi ialah bahan mempunyai spektrum penyerapan yang unik dan mampu menyerap panjang gelombang cahaya yang berbeza bergantung pada komposisi atom dan molekulnya. Sistem Spektroskopi UV daripada Danfoss IXA terdiri daripada sumber cahaya UV intensiti tinggi, spektrometer UV. , dan komponen optik dipertingkatkan UV seperti gentian optik, kanta dan cermin satah. Untuk memahami cara panjang gelombang yang berbeza diserap dan dengan cara ini menentukan komposisi gas ekzos, spektrometer memisahkan secara spatial pelepasan jalur lebar sumber cahaya ke tatasusunan pengesan 1D, yang mengukur keseluruhan spektrum UV secara serentak.
Walaupun sistem Danfoss IXA tidak menggunakan monokromator untuk pengasingan panjang gelombang, banyak sistem spektroskopi menggunakan monokromator untuk pengasingan panjang gelombang. Dalam kes ini, cahaya daripada sumber UV memasuki celah pintu masuk monokromator, di mana unsur penyebaran (seperti kisi pembelauan atau prisma) memecahkan cahaya ke dalam panjang gelombang komponen yang terkandung di dalamnya (lihat Rajah 1).
Imej Rajah 1: Panjang gelombang ujian spektrometer, yang boleh diperhalusi dengan mengasingkan pelepasan jalur lebar ke tatasusunan penderia 1D, atau dengan menukar sudut kisi pembelauan atau prisma di dalam monokromator. (Kredit imej: Edmund Optik)
Celah keluar monokromator menyekat semua panjang gelombang, dan hanya jalur cahaya sempit yang melalui sampel ekzos yang melalui celah. Menukar sudut kisi pembelauan atau prisma mengubah panjang gelombang yang melalui celah keluar, membenarkan penalaan halus jalur ujian. Cahaya yang melalui sampel ekzos kemudiannya diarahkan kepada pengesan untuk menentukan penyerapan yang berlaku; komposisi molekul gas ekzos kemudiannya dikira daripada hasil penyerapan.
Bagi monokromator yang menggunakan parut pembelauan, kekerapan takuk parut biasanya diukur dalam takuk per milimeter. Frekuensi takuk yang lebih tinggi meningkatkan resolusi optik tetapi menghasilkan julat panjang gelombang yang lebih sempit; sebaliknya, frekuensi takuk yang lebih rendah menghasilkan julat panjang gelombang yang lebih luas, tetapi dengan mengorbankan resolusi optik.
Keperluan Alam Sekitar
Pembangunan sistem sedemikian sangat mencabar kerana keperluan suhu dan tekanan yang sangat tinggi. Suhu tinggi boleh menyebabkan optik gagal akibat lebur dan tekanan haba, yang sangat mengehadkan jenis bahan optik yang boleh digunakan. Suhu tinggi juga boleh menyebabkan pelekat dalam komponen optik mengeluarkan gas dan mencemarkan sistem. Sistem ini terdedah kepada suhu sehingga 500 darjah , jadi keperluan tekanan tingginya menjadikan pengedap sistem optik kritikal. Keperluan optik untuk menghantar cahaya UV dengan sedikit atau tiada penyerapan juga mengehadkan bahan optik yang ada.
Kemerosotan UV optik
Cabaran lain yang dihadapi oleh projek ini ialah optik UV cenderung mempunyai jangka hayat yang terhad, sebahagian besarnya disebabkan oleh pencemaran daripada foton UV berkuasa tinggi yang berinteraksi dengan alam sekitar dan cahaya UV yang merosakkan salutan dan substrat optik. Kedua-dua kesan ini merendahkan prestasi komponen optik dari semasa ke semasa.
Bahan berbahaya mungkin dimendapkan pada permukaan optik apabila cahaya UV berkuasa tinggi berinteraksi dengan zarah, wap air, organik dan bahan cemar lain dalam sistem. Ekzos dan bahan cemar bawaan udara lain biasanya menyebabkan deposit karbon pada permukaan optik. Rajah 2 menunjukkan contoh pertumbuhan dendritik yang disebabkan oleh UV pencemaran.
Imej Rajah 2: Contoh pencemaran yang disebabkan oleh pendedahan tingkap silika bercantum tidak bersalut kepada cahaya UV. Imej ini diambil selepas 6 minggu pendedahan kepada laser UV pada kira-kira 3W, yang berbeza daripada penggunaan penganalisis gas dalam Danfoss IXA, tetapi ia memberi petunjuk tentang jenis pencemaran UV yang boleh berlaku.
Interaksi dengan gas yang mengelilingi optik juga boleh menyebabkan pemendapan bahan cemar, jadi sebarang gas ekzos yang memasuki sistem adalah sumber pencemaran. Tenaga foton pada panjang gelombang UV kurang daripada 400 nm adalah hampir sama dengan tenaga ikatan molekul sekeliling, yang membolehkan cahaya UV memecahkan beberapa ikatan ini. Ini menghasilkan ion dan molekul lain yang boleh mencemari permukaan optik.
Disebabkan oleh proses keletihan optik, salutan dan bahan substrat peranti optik UV itu sendiri juga terdedah kepada degradasi dari semasa ke semasa apabila terdedah kepada cahaya UV berkuasa tinggi. Penggunaan berat dari semasa ke semasa boleh menyebabkan ia merosot dan membawa kepada perubahan warna atau perubahan lain dalam bahan. Indeks biasan mereka boleh diubah suai untuk menghasilkan kesan kanta yang boleh meningkatkan keamatan setempat. Excitons yang terperangkap sendiri juga boleh dibentuk, yang membawa kepada pengumpulan pusat penyerapan.
Akibat daripada kesan ini, optik UV mungkin perlu diganti dari semasa ke semasa, tetapi pengedap, pencucian dan pembersihan yang betul boleh mengurangkan kesan ini.
Persekitaran yang keras yang perlu disesuaikan oleh Penganalisis Pelepasan Gas Danfoss IXA telah menimbulkan banyak cabaran kepada reka bentuk optik dan opto-mekanikal sistem; walau bagaimanapun, peranti itu terbukti berjaya dan kini membantu memantau pelepasan daripada beribu-ribu kapal di seluruh dunia.
Ini adalah kemenangan besar untuk alam sekitar - satu langkah ke arah meminimumkan pelepasan NOx, SO2 dan NH3 daripada perkapalan antarabangsa. Sebarang pengurangan dalam pencemaran ini membantu mengurangkan jumlah kematian akibat penyakit jantung dan paru-paru yang disebabkan oleh pelepasan perkapalan setiap tahun.
Apabila mereka bentuk sistem optik untuk beroperasi dalam persekitaran yang keras, bincangkan keperluan persekitaran khusus dengan pengeluar komponen optik. Pengilang komponen optik harus dapat membimbing anda melalui pertimbangan utama, menerangkan dengan jelas sebarang pertukaran yang mungkin perlu dibuat, dan memastikan sistem anda beroperasi mengikut keperluan.
