La spettroscopia è uno strumento potente con una vasta gamma di applicazioni in grado di proteggere l’ambiente monitorando e regolando l’inquinamento atmosferico.
La multinazionale danese Danfoss IXA ha sviluppato un analizzatore delle emissioni nell'oceano basato sulla spettroscopia di assorbimento degli ultravioletti (UV) per monitorare gli ossidi di azoto (NOx), il biossido di zolfo (SO2) e l'ammoniaca (NH3) emessi dalle navi mercantili. L'apparecchiatura di monitoraggio ottico si trova all'interno del sistema di scarico della nave ed è esposta ad ambienti difficili con temperature estreme, vibrazioni e corrosività, che pongono severi requisiti ambientali al sistema di spettroscopia.
Perché monitorare le emissioni delle navi mercantili?
Le emissioni marine delle navi da trasporto internazionali causano morti premature per danni polmonari e malattie cardiovascolari nelle persone di tutto il mondo. Si stima che il numero di decessi per cancro al cuore, ai polmoni e ai polmoni causati dalle emissioni dei trasporti marittimi raggiunga i 60,000,000 all'anno a livello globale. Le emissioni delle navi marine non solo rappresentano un problema serio che colpisce la salute umana, ma danneggiano anche gli ecosistemi marini e terrestri.
L'Organizzazione marittima internazionale (IMO) e l'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti (EPA) hanno istituito aree di controllo delle emissioni (ECA) in molti oceani nazionali con rigide normative sulle emissioni, senza le quali le navi non possono entrare in molti porti principali.
Senza analizzatori come quelli sviluppati da Danfoss IXA, ad esempio, le autorità non hanno altro modo conveniente e affidabile per monitorare le emissioni delle navi e far rispettare queste normative. Sebbene esistano numerose iniziative locali e regionali volte a limitare le emissioni delle navi, l’attuazione di queste politiche è estremamente difficile. L'analizzatore di emissioni marine basato sullo spettro è un potente strumento in grado di monitorare accuratamente le emissioni delle navi in tempo reale.
Sistema di spettroscopia UV
Il principio di base della spettroscopia è che le sostanze hanno uno spettro di assorbimento unico e sono in grado di assorbire diverse lunghezze d'onda della luce a seconda della loro composizione atomica e molecolare. Il sistema di spettroscopia UV di Danfoss IXA è costituito da una sorgente di luce UV ad alta intensità, uno spettrometro UV e componenti ottici potenziati dai raggi UV come fibre ottiche, lenti e specchi planari. Per capire come vengono assorbite le diverse lunghezze d'onda e determinare così la composizione del gas di scarico, lo spettrometro separa spazialmente l'emissione a banda larga della sorgente luminosa su un array di rilevatori 1D, che misura simultaneamente l'intero spettro UV.
Sebbene il sistema Danfoss IXA non utilizzi monocromatori per l'isolamento della lunghezza d'onda, molti sistemi di spettroscopia utilizzano monocromatori per l'isolamento della lunghezza d'onda. In questi casi, la luce proveniente da una sorgente UV entra nella fenditura di ingresso del monocromatore, dove un elemento dispersivo (come un reticolo di diffrazione o un prisma) scompone la luce nelle lunghezze d'onda componenti che contiene (vedi Figura 1).
Immagine Figura 1: La lunghezza d'onda di prova di uno spettrometro, che può essere regolata con precisione separando l'emissione a banda larga su una serie di sensori 1D o modificando l'angolo del reticolo di diffrazione o del prisma all'interno del monocromatore. (Credito immagine: Edmund Optics)
La fessura in uscita del monocromatore blocca tutte le lunghezze d'onda e solo una stretta banda di luce che attraversa il campione di scarico passa attraverso la fessura. Cambiando l'angolo del reticolo di diffrazione o del prisma si modificano le lunghezze d'onda che passano attraverso la fessura in uscita, consentendo la regolazione fine della banda di prova. La luce che passa attraverso il campione di scarico viene quindi diretta verso un rilevatore per determinare l'assorbimento che si verifica; dai risultati dell'assorbimento viene quindi calcolata la composizione molecolare del gas di scarico.
Per i monocromatori che utilizzano reticoli di diffrazione, la frequenza di tacca del reticolo viene solitamente misurata in tacche per millimetro. Una frequenza notch più elevata migliora la risoluzione ottica ma si traduce in una gamma più ristretta di lunghezze d'onda disponibili; al contrario, una frequenza notch inferiore si traduce in una gamma più ampia di lunghezze d'onda disponibili, ma a scapito della risoluzione ottica.
Requisiti ambientali
Lo sviluppo di tali sistemi è molto impegnativo a causa dei requisiti di temperatura e pressione estremamente elevati. Le alte temperature possono causare guasti alle ottiche a causa della fusione e dello stress termico, il che limita fortemente i tipi di materiali ottici che possono essere utilizzati. Le alte temperature possono anche causare la fuoriuscita di gas dagli adesivi nei componenti ottici e la contaminazione del sistema. Il sistema è esposto a temperature fino a 500 gradi, quindi i suoi requisiti di alta pressione rendono fondamentale la sigillatura del sistema ottico. Anche la necessità che le ottiche trasmettano la luce UV con un assorbimento minimo o nullo limita i materiali ottici disponibili.
Degrado UV dell'ottica
Un’altra sfida che il progetto deve affrontare è che le ottiche UV tendono ad avere una durata limitata, in gran parte a causa della contaminazione da fotoni UV ad alta potenza che interagiscono con l’ambiente e della luce UV che danneggia i rivestimenti e i substrati delle ottiche. Entrambi questi effetti degradano nel tempo le prestazioni dei componenti ottici.
Materiali nocivi possono depositarsi sulla superficie dell'ottica quando la luce UV ad alta potenza interagisce con particelle, vapore acqueo, sostanze organiche e altri contaminanti nel sistema. I gas di scarico e altri contaminanti presenti nell'aria causano comunemente depositi di carbonio sulle superfici ottiche. La Figura 2 mostra un esempio di crescita dendritica della contaminazione indotta dai raggi UV.
Immagine Figura 2: un esempio di contaminazione indotta dall'esposizione di una finestra in silice fusa non rivestita alla luce UV. Questa immagine è stata scattata dopo 6 settimane di esposizione a un laser UV a circa 3 W, che è diverso dall'uso dell'analizzatore di gas nel Danfoss IXA, ma fornisce un'indicazione del tipo di contaminazione UV che può verificarsi.
L'interazione con i gas che circondano l'ottica può anche portare alla deposizione di contaminanti, quindi eventuali gas di scarico che entrano nel sistema rappresentano una fonte di contaminazione. Le energie dei fotoni a lunghezze d'onda UV inferiori a 400 nm sono vicine alle energie di legame delle molecole circostanti, il che consente alla luce UV di rompere alcuni di questi legami. Questo produce altri ioni e molecole che possono contaminare le superfici ottiche.
A causa del processo di affaticamento ottico, anche i rivestimenti e i materiali del substrato dei dispositivi ottici UV stessi sono suscettibili al degrado nel tempo se esposti a luce UV ad alta potenza. Un uso intenso nel tempo può causarne il deterioramento e portare a scolorimento o altri cambiamenti nel materiale. Il loro indice di rifrazione può essere modificato per produrre un effetto lente che può aumentare l'intensità localizzata. Si possono formare anche eccitoni auto-intrappolati, il che porta all'accumulo di centri di assorbimento.
Come risultato di questi effetti, potrebbe essere necessario sostituire nel tempo le ottiche UV, ma una sigillatura, un lavaggio e una pulizia adeguati possono mitigare questi effetti.
Gli ambienti difficili a cui deve adattarsi l'analizzatore di emissioni di gas Danfoss IXA hanno posto molte sfide alla progettazione ottica e opto-meccanica del sistema; tuttavia, il dispositivo si sta rivelando un successo e attualmente aiuta a monitorare le emissioni di migliaia di navi in tutto il mondo.
Si tratta di una grande vittoria per l’ambiente: un passo avanti verso la riduzione al minimo delle emissioni di NOx, SO2 e NH3 derivanti dalle spedizioni internazionali. Qualsiasi riduzione di questo inquinamento aiuta a ridurre ogni anno il numero di morti per malattie cardiache e polmonari causate dalle emissioni delle navi.
Quando si progetta un sistema ottico per funzionare in ambienti difficili, discutere i requisiti ambientali specifici con il produttore del componente ottico. Il produttore del componente ottico dovrebbe essere in grado di guidarti attraverso le considerazioni chiave, spiegare chiaramente eventuali compromessi che potrebbero essere necessari e garantire che il tuo sistema funzioni come necessario.
