طیف‌سنجی UV برای نظارت بر انتشار آلاینده‌ها از کشتی‌ها

طیف سنجی ابزاری قدرتمند با طیف وسیعی از کاربردها است که می تواند با نظارت و تنظیم آلودگی هوا از محیط زیست محافظت کند.

شرکت چندملیتی دانمارکی Danfoss IXA یک تحلیلگر انتشار در اقیانوس بر اساس طیف‌سنجی جذب اشعه ماوراء بنفش (UV) برای نظارت بر اکسیدهای نیتروژن (NOx)، دی اکسید گوگرد (SO2) و آمونیاک (NH3) منتشر شده از کشتی‌های باری توسعه داده است. تجهیزات نظارت نوری در داخل سیستم اگزوز کشتی قرار دارد و در معرض محیط‌های خشن با دماهای شدید، ارتعاشات و خورندگی قرار می‌گیرد که نیازهای زیست محیطی شدیدی را برای سیستم طیف‌سنجی ایجاد می‌کند.

چرا انتشار گازهای گلخانه‌ای از کشتی‌های باری را پایش می‌کنیم؟

انتشار گازهای گلخانه ای از کشتی های حمل و نقل بین المللی باعث مرگ زودرس ناشی از آسیب ریه و بیماری های قلبی عروقی در مردم سراسر جهان می شود. تخمین زده می شود که تعداد مرگ و میر ناشی از سرطان قلب، ریه و ریه ناشی از انتشار گازهای گلخانه ای به 60،000،000 در سال در سراسر جهان برسد. نه تنها انتشار کشتی های دریایی یک مشکل جدی است که بر سلامت انسان تأثیر می گذارد، بلکه به اکوسیستم های دریایی و زمینی نیز آسیب می رساند.

سازمان بین المللی دریانوردی (IMO) و آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (EPA) مناطق کنترل انتشار (ECA) را در بسیاری از اقیانوس های کشور با مقررات سختگیرانه انتشار ایجاد کرده اند - بدون آن کشتی ها نمی توانند وارد بسیاری از بنادر اصلی شوند.

به عنوان مثال، بدون آنالیزگرهایی مانند آنهایی که توسط Danfoss IXA ساخته شده است، مقامات هیچ راه راحت و قابل اعتماد دیگری برای نظارت بر انتشارات کشتی و اجرای این مقررات ندارند. در حالی که ابتکارات محلی و منطقه ای زیادی با هدف محدود کردن انتشار کشتی ها وجود دارد، اجرای این سیاست ها بسیار دشوار است. تجزیه و تحلیل انتشار گازهای گلخانه ای مبتنی بر طیف یک ابزار قدرتمند است که قادر به نظارت دقیق انتشار گازهای گلخانه ای در زمان واقعی است.

سیستم طیف سنجی UV

اصل اساسی طیف‌سنجی این است که مواد دارای طیف جذب منحصربه‌فردی هستند و بسته به ترکیب اتمی و مولکولی خود قادر به جذب طول موج‌های مختلف نور هستند. و اجزای نوری تقویت شده با اشعه ماوراء بنفش مانند فیبرهای نوری، لنزها و آینه های مسطح. به منظور درک چگونگی جذب طول موج های مختلف و از این طریق تعیین ترکیب گاز خروجی، طیف سنج به صورت فضایی انتشار پهنای باند منبع نور را روی یک آرایه آشکارساز 1 بعدی جدا می کند که کل طیف UV را به طور همزمان اندازه گیری می کند.

در حالی که سیستم Danfoss IXA از تک رنگ برای جداسازی طول موج استفاده نمی کند، بسیاری از سیستم های طیف سنجی از تک رنگ برای جداسازی طول موج استفاده می کنند. در این موارد، نور از یک منبع UV وارد شکاف ورودی تک رنگ می‌شود، جایی که یک عنصر پراکنده (مانند یک توری پراش یا منشور) نور را به طول موج‌های مؤلفه‌ای که شامل آن است می‌شکند (شکل 1 را ببینید).

تصویر شکل 1: طول موج آزمایشی یک طیف‌سنج، که می‌توان آن را با جدا کردن گسیل پهنای باند روی یک آرایه حسگر 1 بعدی یا با تغییر زاویه توری پراش یا منشور در داخل تک رنگ تنظیم کرد. (اعتبار تصویر: Edmund Optics)

شکاف خروجی تک رنگ تمام طول موج ها را مسدود می کند و تنها نوار باریکی از نور که از نمونه اگزوز عبور می کند از شکاف عبور می کند. تغییر زاویه توری پراش یا منشور، طول موج هایی را که از شکاف خروجی عبور می کنند تغییر می دهد و امکان تنظیم دقیق باند آزمایش را فراهم می کند. نوری که از نمونه اگزوز عبور می کند سپس به یک آشکارساز هدایت می شود تا جذبی را که اتفاق می افتد تعیین کند. سپس ترکیب مولکولی گاز خروجی از نتایج جذب محاسبه می شود.

برای تکروماتورهایی که از توری های پراش استفاده می کنند، فرکانس بریدگی گریتینگ معمولاً بر حسب بریدگی بر میلی متر اندازه گیری می شود. فرکانس ناچ بالاتر رزولوشن نوری را بهبود می بخشد اما منجر به محدوده باریکتری از طول موج های موجود می شود. برعکس، فرکانس ناچ پایین‌تر منجر به طیف وسیع‌تری از طول‌موج‌های موجود می‌شود، اما به قیمت وضوح نوری.

الزامات زیست محیطی

توسعه چنین سیستم هایی به دلیل نیاز به دما و فشار بسیار بالا بسیار چالش برانگیز است. دماهای بالا می تواند باعث از کار افتادن اپتیک به دلیل ذوب شدن و تنش حرارتی شود که به شدت انواع مواد نوری قابل استفاده را محدود می کند. دمای بالا همچنین می تواند باعث شود که چسب های اجزای نوری از گاز خارج شده و سیستم را آلوده کنند. این سیستم در معرض دماهای تا 500 درجه قرار دارد، بنابراین نیازهای فشار بالا آن، آب بندی سیستم نوری را حیاتی می کند. نیاز به اپتیک برای انتقال نور UV با جذب کم یا بدون جذب، مواد نوری موجود را نیز محدود می کند.

تخریب نور UV

چالش دیگری که این پروژه با آن روبروست این است که اپتیک های UV طول عمر محدودی دارند که عمدتاً به دلیل آلودگی فوتون های پرقدرت UV در تعامل با محیط و آسیب نور ماوراء بنفش به پوشش ها و زیرلایه های اپتیک است. هر دوی این اثرات در طول زمان عملکرد اجزای نوری را کاهش می دهند.

هنگامی که نور پرقدرت UV با ذرات، بخار آب، مواد آلی و سایر آلاینده‌های سیستم تعامل می‌کند، ممکن است مواد مضر روی سطح اپتیک رسوب کنند. اگزوز و سایر آلاینده های موجود در هوا معمولاً باعث رسوب کربن روی سطوح نوری می شوند. شکل 2 نمونه ای از رشد دندریتیک ناشی از UV آلودگی را نشان می دهد.

تصویر شکل 2: نمونه ای از آلودگی ناشی از قرار گرفتن یک پنجره سیلیسی ذوب شده بدون پوشش در برابر نور UV. این تصویر پس از 6 هفته قرار گرفتن در معرض لیزر UV با قدرت تقریبی 3 وات گرفته شده است که با استفاده از آنالایزر گاز در Danfoss IXA متفاوت است، اما نشان دهنده نوع آلودگی UV است که ممکن است رخ دهد.

تعامل با گازهای اطراف اپتیک نیز می تواند منجر به رسوب آلاینده ها شود، بنابراین هر گاز خروجی که وارد سیستم می شود منبع آلودگی است. انرژی فوتون در طول موج‌های UV کمتر از 400 نانومتر، نزدیک به انرژی پیوند مولکول‌های اطراف است، که به نور UV اجازه می‌دهد تا برخی از این پیوندها را بشکند. این باعث تولید یون ها و مولکول های دیگری می شود که می توانند سطوح نوری را آلوده کنند.

به دلیل فرآیند خستگی نوری، پوشش‌ها و مواد زیرلایه دستگاه‌های اپتیک UV نیز در طول زمان در معرض نور فرابنفش با قدرت بالا در معرض تخریب قرار می‌گیرند. استفاده زیاد در طول زمان می تواند باعث تخریب آنها و تغییر رنگ یا سایر تغییرات در مواد شود. ضریب شکست آنها را می توان برای ایجاد یک اثر عدسی تغییر داد که می تواند شدت موضعی را افزایش دهد. اکسیتون های خودبه دام افتاده نیز می توانند تشکیل شوند که منجر به تجمع مراکز جذب می شود.

در نتیجه این اثرات، اپتیک های UV ممکن است به مرور زمان نیاز به تعویض داشته باشند، اما آب بندی، شستشو و تمیز کردن مناسب می تواند این اثرات را کاهش دهد.

محیط‌های سختی که تجزیه‌کننده انتشار گاز Danfoss IXA باید با آن‌ها سازگار باشد، چالش‌های زیادی را برای طراحی نوری و مکانیکی نوری سیستم ایجاد کرده است. با این حال، این دستگاه ثابت کرده است که موفق است و در حال حاضر به نظارت بر انتشار گازهای گلخانه ای از هزاران کشتی در سراسر جهان کمک می کند.

این یک پیروزی بزرگ برای محیط زیست است - گامی در جهت به حداقل رساندن انتشار NOx، SO2 و NH3 از حمل و نقل بین المللی. هر گونه کاهش در این آلودگی کمک می کند تا تعداد مرگ و میر ناشی از بیماری های قلبی و ریوی ناشی از انتشار گازهای گلخانه ای در هر سال کاهش یابد.

هنگام طراحی یک سیستم نوری برای کار در محیط های سخت، الزامات محیطی خاص را با سازنده قطعات نوری در میان بگذارید. سازنده قطعات نوری باید بتواند شما را از طریق ملاحظات کلیدی راهنمایی کند، هرگونه مبادله ای را که ممکن است نیاز باشد به وضوح توضیح دهد و اطمینان حاصل کند که سیستم شما در صورت نیاز کار می کند.