Spektroskopi, hava kirliliğini izleyerek ve düzenleyerek çevreyi koruyabilen, geniş uygulama alanına sahip güçlü bir araçtır.
Danimarkalı çok uluslu Danfoss IXA, kargo gemilerinden yayılan nitrojen oksitleri (NOx), kükürt dioksit (SO2) ve amonyağı (NH3) izlemek için okyanusta ultraviyole (UV) absorpsiyon spektroskopisine dayalı bir emisyon analizörü geliştirdi. Optik izleme ekipmanı, geminin egzoz sisteminin içine yerleştirilmiştir ve aşırı sıcaklıklara, titreşimlere ve aşındırıcılığa sahip zorlu ortamlara maruz kalır ve bu da spektroskopi sistemi üzerinde ciddi çevresel talepler doğurur.
Kargo gemilerinden kaynaklanan emisyonlar neden izleniyor?
Uluslararası nakliye gemilerinden kaynaklanan deniz emisyonları, dünyanın her yerindeki insanlarda akciğer hasarı ve kalp-damar hastalıkları nedeniyle erken ölümlere neden oluyor. Nakliye emisyonlarından kaynaklanan kalp, akciğer ve akciğer kanseri ölümlerinin sayısının küresel olarak yılda 60,000,000 kadar yüksek olduğu tahmin ediliyor. Deniz araçlarının emisyonları yalnızca insan sağlığını etkileyen ciddi bir sorun olmakla kalmıyor, aynı zamanda deniz ve kara ekosistemlerine de zarar veriyor.
Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) ve ABD Çevre Koruma Ajansı (EPA), ülkenin birçok okyanusunda sıkı emisyon düzenlemelerine sahip Emisyon Kontrol Alanları (ECA'lar) kurmuştur; bu alanlar olmadan gemiler birçok büyük limana giremez.
Örneğin, Danfoss IXA tarafından geliştirilen analizörler olmadan, yetkililerin gemi emisyonlarını izlemek ve bu düzenlemeleri uygulamak için başka uygun, güvenilir bir yolu yoktur. Gemi emisyonlarını sınırlamayı amaçlayan birçok yerel ve bölgesel girişim olsa da bu politikaların uygulanması son derece zordur. Spektrum tabanlı Deniz Emisyon Analizörü, gemi emisyonlarını gerçek zamanlı ve doğru bir şekilde izleyebilen güçlü bir araçtır.
UV Spektroskopi Sistemi
Spektroskopinin temel prensibi, maddelerin benzersiz bir absorpsiyon spektrumuna sahip olmaları ve atomik ve moleküler bileşimlerine bağlı olarak farklı dalga boylarındaki ışığı emebilmeleridir. Danfoss IXA'nın UV Spektroskopi Sistemi, yüksek yoğunluklu bir UV ışık kaynağından, bir UV spektrometresinden oluşur. ve optik fiberler, lensler ve düzlemsel aynalar gibi UV ile güçlendirilmiş optik bileşenler. Farklı dalga boylarının nasıl emildiğini anlamak ve bu şekilde egzoz gazının bileşimini belirlemek için spektrometre, ışık kaynağının geniş bant emisyonunu, tüm UV spektrumunu aynı anda ölçen bir 1D dedektör dizisine mekansal olarak ayırır.
Danfoss IXA'nın sistemi dalga boyu izolasyonu için monokromatörler kullanmazken, birçok spektroskopi sistemi dalga boyu izolasyonu için monokromatörler kullanır. Bu durumlarda, bir UV kaynağından gelen ışık monokromatörün giriş yarığına girer; burada dağıtıcı bir eleman (kırınım ızgarası veya prizma gibi) ışığı içerdiği bileşen dalga boylarına ayırır (bkz. Şekil 1).
Görüntü Şekil 1: Geniş bant emisyonunu 1 boyutlu sensör dizisine ayırarak veya monokromatör içindeki kırınım ızgarasının veya prizmanın açısını değiştirerek ince ayar yapılabilen bir spektrometrenin test dalga boyu. (İmaj kredisi: Edmund Optics)
Monokromatörün dışarı çıkan yarığı tüm dalga boylarını bloke eder ve yarıktan yalnızca egzoz örneğinden geçen ışığın dar bir bandı geçer. Kırınım ızgarasının veya prizmanın açısının değiştirilmesi, çıkan yarıktan geçen dalga boylarını değiştirerek test bandının ince ayarına izin verir. Egzoz numunesinden geçen ışık daha sonra meydana gelen emilimin belirlenmesi için bir detektöre yönlendirilir; Egzoz gazının moleküler bileşimi daha sonra absorpsiyon sonuçlarından hesaplanır.
Kırınım ızgaraları kullanan monokromatörler için ızgaranın çentik frekansı genellikle milimetre başına çentik cinsinden ölçülür. Daha yüksek bir çentik frekansı optik çözünürlüğü artırır ancak mevcut dalga boylarının daha dar bir aralığıyla sonuçlanır; tersine, daha düşük bir çentik frekansı, daha geniş bir dalga boyu aralığına yol açar, ancak optik çözünürlük pahasına.
Çevresel Gereklilikler
Bu tür sistemlerin geliştirilmesi, aşırı yüksek sıcaklık ve basınç gereklilikleri nedeniyle oldukça zordur. Yüksek sıcaklıklar, kullanılabilecek optik malzeme türlerini ciddi şekilde sınırlayan erime ve termal stres nedeniyle optiklerin bozulmasına neden olabilir. Yüksek sıcaklıklar ayrıca optik bileşenlerdeki yapıştırıcıların gazının çıkmasına ve sistemin kirlenmesine neden olabilir. Sistem 500 dereceye kadar sıcaklıklara maruz kaldığından yüksek basınç gereklilikleri optik sistemin sızdırmazlığını kritik hale getiriyor. Optiklerin UV ışığını çok az emilimle veya hiç emilim olmadan iletmesine duyulan ihtiyaç, mevcut optik malzemeleri de sınırlıyor.
Optiklerin UV bozulması
Projenin karşılaştığı diğer bir zorluk da UV optiklerin, büyük ölçüde çevreyle etkileşime giren yüksek güçlü UV fotonlarından kaynaklanan kirlenme ve optiklerin kaplamalarına ve alt katmanlarına zarar veren UV ışığına bağlı olarak sınırlı kullanım ömrüne sahip olmasıdır. Bu etkilerin her ikisi de zamanla optik bileşenlerin performansını düşürür.
Yüksek güçlü UV ışığı sistemdeki parçacıklar, su buharı, organik maddeler ve diğer kirletici maddelerle etkileşime girdiğinde optiklerin yüzeyinde zararlı maddeler birikebilir. Egzoz ve diğer havadaki kirletici maddeler genellikle optik yüzeylerde karbon birikmesine neden olur. Şekil 2, UV kaynaklı kontaminasyonun dendritik büyümesinin bir örneğini göstermektedir.
Resim Şekil 2: Kaplamasız erimiş silika penceresinin UV ışığına maruz bırakılmasının neden olduğu kirlenmenin bir örneği. Bu görüntü, yaklaşık 3 W'ta bir UV lazere 6 hafta maruz kaldıktan sonra çekilmiştir; bu, Danfoss IXA'daki gaz analiz cihazının kullanımından farklıdır, ancak meydana gelebilecek UV kirliliğinin türüne dair bir gösterge verir.
Optikleri çevreleyen gazlarla etkileşim de kirletici maddelerin birikmesine neden olabilir, dolayısıyla sisteme giren egzoz gazları bir kirlilik kaynağıdır. 400 nm'nin altındaki UV dalga boylarındaki foton enerjileri, çevredeki moleküllerin bağ enerjileriyle aynı olup, bu da UV ışığının bu bağlardan bazılarını kırmasına olanak tanır. Bu, optik yüzeyleri kirletebilecek başka iyonlar ve moleküller üretir.
Optik yorulma süreci nedeniyle, UV optik cihazlarının kaplamaları ve alt katman malzemeleri de yüksek güçlü UV ışığına maruz kaldığında zamanla bozulmaya karşı hassastır. Zamanla yoğun kullanım, bunların bozulmasına ve renk bozulmasına veya malzemede başka değişikliklere yol açmasına neden olabilir. Kırılma indeksleri, lokalize yoğunluğu artırabilecek bir mercek etkisi yaratacak şekilde değiştirilebilir. Kendi kendine hapsolmuş eksitonlar da oluşturulabilir, bu da soğurma merkezlerinin birikmesine yol açar.
Bu etkilerin bir sonucu olarak, UV optiklerin zamanla değiştirilmesi gerekebilir, ancak uygun şekilde kapatılması, yıkanması ve temizlenmesi bu etkileri azaltabilir.
Danfoss IXA Gaz Emisyon Analizörünün uyum sağlaması gereken zorlu ortamlar, sistemin optik ve opto-mekanik tasarımı açısından pek çok zorluk oluşturmuştur; ancak cihaz başarılı olduğunu kanıtlıyor ve şu anda dünya çapında binlerce geminin emisyonlarının izlenmesine yardımcı oluyor.
Bu, çevre için büyük bir zaferdir; uluslararası denizcilikten kaynaklanan NOx, SO2 ve NH3 emisyonlarını en aza indirmeye yönelik bir adımdır. Bu kirliliğin azaltılması, her yıl nakliye emisyonlarından kaynaklanan kalp ve akciğer hastalıklarından kaynaklanan ölümlerin sayısının azalmasına yardımcı olur.
Zorlu ortamlarda çalışacak bir optik sistem tasarlarken, spesifik çevresel gereksinimleri optik bileşen üreticisiyle görüşün. Optik bileşen üreticisi, temel hususlar konusunda size rehberlik edebilmeli, yapılması gerekebilecek tavizleri açık bir şekilde açıklayabilmeli ve sisteminizin gerektiği gibi çalışmasını sağlayabilmelidir.
