Die Spektroskopie ist ein leistungsstarkes Werkzeug mit einem breiten Anwendungsspektrum, das durch die Überwachung und Regulierung der Luftverschmutzung die Umwelt schützen kann.
Der dänische multinationale Konzern Danfoss IXA hat einen Emissionsanalysator im Meer entwickelt, der auf Ultraviolett (UV)-Absorptionsspektroskopie basiert, um die von Frachtschiffen emittierten Stickoxide (NOx), Schwefeldioxid (SO2) und Ammoniak (NH3) zu überwachen. Die optische Überwachungsausrüstung befindet sich im Abgassystem des Schiffes und ist rauen Umgebungen mit extremen Temperaturen, Vibrationen und Korrosivität ausgesetzt, die hohe Umweltanforderungen an das Spektroskopiesystem stellen.
Warum die Emissionen von Frachtschiffen überwachen?
Meeresemissionen internationaler Schifffahrtsschiffe führen bei Menschen auf der ganzen Welt zu vorzeitigen Todesfällen durch Lungenschäden und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Die Zahl der durch Schiffsabgase verursachten Todesfälle durch Herz-, Lungen- und Lungenkrebstodesfälle wird weltweit auf bis zu 60,000,000 pro Jahr geschätzt. Die Emissionen von Schiffen stellen nicht nur ein ernstes Problem dar, das sich negativ auf die menschliche Gesundheit auswirkt, sondern schädigen auch die Meeres- und Landökosysteme.
Die Internationale Seeschifffahrtsorganisation (IMO) und die US-Umweltschutzbehörde (EPA) haben in vielen Ozeanen des Landes Emissionskontrollgebiete (ECAs) mit strengen Emissionsvorschriften eingerichtet – ohne die Schiffe viele große Häfen nicht anlaufen können.
Ohne Analysatoren, wie sie beispielsweise von Danfoss IXA entwickelt wurden, haben Behörden keine andere bequeme und zuverlässige Möglichkeit, Schiffsemissionen zu überwachen und diese Vorschriften durchzusetzen. Zwar gibt es viele lokale und regionale Initiativen zur Begrenzung der Schiffsemissionen, die Durchsetzung dieser Richtlinien ist jedoch äußerst schwierig. Der spektrumbasierte Marine Emissionsanalysator ist ein leistungsstarkes Tool, mit dem Schiffsemissionen in Echtzeit genau überwacht werden können.
UV-Spektroskopiesystem
Das Grundprinzip der Spektroskopie besteht darin, dass Substanzen ein einzigartiges Absorptionsspektrum aufweisen und je nach ihrer atomaren und molekularen Zusammensetzung Licht verschiedener Wellenlängen absorbieren können. Das UV-Spektroskopiesystem von Danfoss IXA besteht aus einer hochintensiven UV-Lichtquelle, einem UV-Spektrometer und UV-verstärkte optische Komponenten wie optische Fasern, Linsen und Planspiegel. Um zu verstehen, wie unterschiedliche Wellenlängen absorbiert werden und so die Zusammensetzung des Abgases bestimmen, trennt das Spektrometer die breitbandige Emission der Lichtquelle räumlich auf ein 1D-Detektorarray, das gleichzeitig das gesamte UV-Spektrum misst.
Während das System von Danfoss IXA keine Monochromatoren zur Wellenlängenisolierung verwendet, verwenden viele Spektroskopiesysteme Monochromatoren zur Wellenlängenisolierung. In diesen Fällen gelangt Licht von einer UV-Quelle in den Eintrittsspalt des Monochromators, wo ein dispersives Element (z. B. ein Beugungsgitter oder ein Prisma) das Licht in die darin enthaltenen Komponentenwellenlängen zerlegt (siehe Abbildung 1).
Bild Abbildung 1: Die Testwellenlänge eines Spektrometers, die durch Aufteilung der Breitbandemission auf ein 1D-Sensorarray oder durch Änderung des Winkels des Beugungsgitters oder Prismas im Monochromator fein abgestimmt werden kann. (Bildnachweis: Edmund Optics)
Der Ausgangsspalt des Monochromators blockiert alle Wellenlängen und nur ein schmales Lichtband, das durch die Abgasprobe gelangt, gelangt durch den Spalt. Durch Ändern des Winkels des Beugungsgitters oder Prismas ändern sich die Wellenlängen, die durch den Ausgangsspalt gelangen, und ermöglichen so eine Feinabstimmung des Testbandes. Das durch die Abgasprobe hindurchtretende Licht wird dann auf einen Detektor geleitet, um die auftretende Absorption zu bestimmen; Aus den Absorptionsergebnissen wird dann die molekulare Zusammensetzung des Abgases berechnet.
Bei Monochromatoren mit Beugungsgittern wird die Kerbfrequenz des Gitters normalerweise in Kerben pro Millimeter gemessen. Eine höhere Kerbfrequenz verbessert die optische Auflösung, führt jedoch zu einem engeren Bereich verfügbarer Wellenlängen; Umgekehrt führt eine niedrigere Notch-Frequenz zu einem größeren Bereich verfügbarer Wellenlängen, allerdings auf Kosten der optischen Auflösung.
Umweltanforderungen
Die Entwicklung solcher Systeme ist aufgrund der extrem hohen Temperatur- und Druckanforderungen sehr anspruchsvoll. Hohe Temperaturen können zum Versagen von Optiken aufgrund von Schmelzen und thermischer Belastung führen, was die Art der verwendbaren optischen Materialien stark einschränkt. Hohe Temperaturen können auch dazu führen, dass Klebstoffe in optischen Komponenten ausgasen und das System verunreinigen. Das System ist Temperaturen von bis zu 500 Grad ausgesetzt, weshalb aufgrund der hohen Druckanforderungen eine Abdichtung des optischen Systems von entscheidender Bedeutung ist. Die Notwendigkeit, dass Optiken UV-Licht mit geringer oder keiner Absorption durchlassen müssen, schränkt auch die verfügbaren optischen Materialien ein.
UV-Verschlechterung der Optik
Eine weitere Herausforderung für das Projekt besteht darin, dass UV-Optiken tendenziell eine begrenzte Lebensdauer haben, was hauptsächlich auf die Kontamination durch leistungsstarke UV-Photonen zurückzuführen ist, die mit der Umgebung interagieren, und auf UV-Licht, das die Beschichtungen und Substrate der Optiken schädigt. Beide Effekte verschlechtern mit der Zeit die Leistung optischer Komponenten.
Auf der Oberfläche der Optik können sich schädliche Materialien ablagern, wenn leistungsstarkes UV-Licht mit Partikeln, Wasserdampf, organischen Stoffen und anderen Verunreinigungen im System interagiert. Abgase und andere Luftschadstoffe verursachen häufig Kohlenstoffablagerungen auf optischen Oberflächen. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für UV-induziertes dendritisches Wachstum von Verunreinigungen.
Bild Abbildung 2: Ein Beispiel für eine Kontamination, die dadurch entsteht, dass ein unbeschichtetes Quarzglasfenster UV-Licht ausgesetzt wird. Dieses Bild wurde nach 6-wöchiger Einwirkung eines UV-Lasers mit etwa 3 W aufgenommen, was sich von der Verwendung des Gasanalysators im Danfoss IXA unterscheidet, aber einen Hinweis auf die Art der UV-Kontamination gibt, die auftreten kann.
Auch die Wechselwirkung mit den die Optik umgebenden Gasen kann zur Ablagerung von Verunreinigungen führen, sodass in das System eindringende Abgase eine Kontaminationsquelle darstellen. Photonenenergien bei UV-Wellenlängen unter 400 nm entsprechen nahezu den Bindungsenergien der umgebenden Moleküle, wodurch das UV-Licht einige dieser Bindungen aufbrechen kann. Dadurch entstehen weitere Ionen und Moleküle, die optische Oberflächen verunreinigen können.
Aufgrund des Prozesses der optischen Ermüdung unterliegen auch die Beschichtungen und Substratmaterialien von UV-Optikgeräten selbst im Laufe der Zeit einer Verschlechterung, wenn sie UV-Licht hoher Leistung ausgesetzt werden. Bei starker Beanspruchung können sie sich im Laufe der Zeit verschlechtern und zu Verfärbungen oder anderen Veränderungen im Material führen. Ihr Brechungsindex kann verändert werden, um einen Linseneffekt zu erzeugen, der die lokale Intensität erhöhen kann. Es können auch selbstgefangene Exzitonen entstehen, die zur Anhäufung von Absorptionszentren führen.
Aufgrund dieser Auswirkungen muss die UV-Optik möglicherweise im Laufe der Zeit ausgetauscht werden. Durch ordnungsgemäßes Versiegeln, Waschen und Reinigen können diese Auswirkungen jedoch abgemildert werden.
Die rauen Umgebungen, an die sich der Danfoss IXA Gasemissionsanalysator anpassen muss, haben das optische und optomechanische Design des Systems vor viele Herausforderungen gestellt. Das Gerät erweist sich jedoch als Erfolg und hilft derzeit dabei, die Emissionen von Tausenden von Schiffen weltweit zu überwachen.
Dies ist ein großer Sieg für die Umwelt – ein Schritt zur Minimierung der NOx-, SO2- und NH3-Emissionen der internationalen Schifffahrt. Jede Verringerung dieser Verschmutzung trägt dazu bei, die Zahl der Todesfälle durch Herz- und Lungenerkrankungen zu verringern, die jedes Jahr durch Schiffsemissionen verursacht werden.
Wenn Sie ein optisches System für den Betrieb in rauen Umgebungen entwerfen, besprechen Sie die spezifischen Umgebungsanforderungen mit dem Hersteller der optischen Komponenten. Der Hersteller optischer Komponenten sollte in der Lage sein, Sie durch die wichtigsten Überlegungen zu führen, eventuell erforderliche Kompromisse klar zu erläutern und sicherzustellen, dass Ihr System wie erforderlich funktioniert.
