Quang phổ là một công cụ mạnh mẽ với nhiều ứng dụng có thể bảo vệ môi trường bằng cách theo dõi và điều chỉnh ô nhiễm không khí.
Danfoss IXA, công ty đa quốc gia của Đan Mạch, đã phát triển một máy phân tích khí thải trong đại dương dựa trên quang phổ hấp thụ tia cực tím (UV) để theo dõi các oxit nitơ (NOx), sulfur dioxide (SO2) và amoniac (NH3) phát ra từ các tàu chở hàng. Thiết bị giám sát quang học được đặt bên trong hệ thống xả của tàu và tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt với nhiệt độ, độ rung và độ ăn mòn khắc nghiệt, đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường đối với hệ thống quang phổ.
Tại sao phải giám sát khí thải từ tàu chở hàng?
Khí thải biển từ các tàu vận tải quốc tế gây ra những ca tử vong sớm do tổn thương phổi và bệnh tim mạch ở người dân trên khắp thế giới. Số ca tử vong do ung thư tim, phổi và phổi do khí thải vận chuyển ước tính lên tới 60,000,000 mỗi năm trên toàn cầu. Khí thải tàu biển không chỉ là một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn gây tổn hại đến hệ sinh thái biển và trên cạn.
Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã thành lập Khu vực kiểm soát khí thải (ECA) ở nhiều đại dương của quốc gia với các quy định nghiêm ngặt về khí thải - nếu không có khu vực này thì tàu không thể vào nhiều cảng lớn.
Ví dụ, nếu không có máy phân tích như những máy do Danfoss IXA phát triển, các cơ quan chức năng không có cách nào thuận tiện, đáng tin cậy khác để giám sát lượng khí thải của tàu và thực thi các quy định này. Mặc dù có nhiều sáng kiến địa phương và khu vực nhằm hạn chế lượng khí thải từ tàu nhưng việc thực thi các chính sách này là vô cùng khó khăn. Máy phân tích khí thải biển dựa trên Spectrum là một công cụ mạnh mẽ có khả năng giám sát chính xác lượng khí thải của tàu trong thời gian thực.
Hệ thống quang phổ UV
Nguyên lý cơ bản của quang phổ là các chất có phổ hấp thụ riêng và có thể hấp thụ các bước sóng ánh sáng khác nhau tùy thuộc vào thành phần nguyên tử và phân tử của chúng. Hệ thống quang phổ UV của Danfoss IXA bao gồm nguồn sáng UV cường độ cao, máy quang phổ UV và các thành phần quang học được tăng cường tia cực tím như sợi quang, thấu kính và gương phẳng. Để hiểu cách các bước sóng khác nhau được hấp thụ và từ đó xác định thành phần của khí thải, máy quang phổ sẽ phân tách không gian sự phát xạ băng thông rộng của nguồn sáng lên mảng máy dò 1D, đồng thời đo toàn bộ phổ UV.
Trong khi hệ thống của Danfoss IXA không sử dụng bộ đơn sắc để cách ly bước sóng thì nhiều hệ thống quang phổ sử dụng bộ đơn sắc để cách ly bước sóng. Trong những trường hợp này, ánh sáng từ nguồn UV đi vào khe vào của bộ đơn sắc, tại đó một phần tử tán sắc (chẳng hạn như cách tử nhiễu xạ hoặc lăng kính) phá vỡ ánh sáng thành các bước sóng thành phần mà nó chứa (xem Hình 1).
Hình 1: Bước sóng thử nghiệm của máy quang phổ, có thể được tinh chỉnh bằng cách tách phát xạ băng thông rộng lên mảng cảm biến 1D hoặc bằng cách thay đổi góc của cách tử nhiễu xạ hoặc lăng kính bên trong bộ đơn sắc. (Tín dụng hình ảnh: Edmund Optics)
Khe đi ra của bộ đơn sắc chặn tất cả các bước sóng và chỉ một dải ánh sáng hẹp đi qua mẫu khí thải mới đi qua khe. Việc thay đổi góc của cách tử nhiễu xạ hoặc lăng kính sẽ làm thay đổi các bước sóng truyền qua khe đi ra, cho phép tinh chỉnh dải thử nghiệm. Ánh sáng đi qua mẫu khí thải sau đó được dẫn tới máy dò để xác định sự hấp thụ xảy ra; thành phần phân tử của khí thải sau đó được tính toán từ kết quả hấp thụ.
Đối với các bộ đơn sắc sử dụng cách tử nhiễu xạ, tần số khía của cách tử thường được đo bằng bậc trên milimet. Tần số cao hơn sẽ cải thiện độ phân giải quang học nhưng dẫn đến phạm vi bước sóng khả dụng hẹp hơn; ngược lại, tần số khía thấp hơn dẫn đến phạm vi bước sóng khả dụng rộng hơn nhưng làm giảm độ phân giải quang học.
những yêu cầu về môi trường
Việc phát triển các hệ thống như vậy là rất khó khăn do yêu cầu nhiệt độ và áp suất cực cao. Nhiệt độ cao có thể khiến quang học bị hỏng do nóng chảy và ứng suất nhiệt, điều này hạn chế nghiêm trọng các loại vật liệu quang học có thể được sử dụng. Nhiệt độ cao cũng có thể khiến chất kết dính trong các bộ phận quang học thoát khí và làm nhiễm bẩn hệ thống. Hệ thống này tiếp xúc với nhiệt độ lên tới 500 độ, do đó yêu cầu về áp suất cao khiến việc bịt kín hệ thống quang học trở nên quan trọng. Nhu cầu quang học truyền ánh sáng tia cực tím với ít hoặc không có sự hấp thụ cũng hạn chế các vật liệu quang học sẵn có.
Sự suy giảm tia cực tím của quang học
Một thách thức khác mà dự án phải đối mặt là quang học UV có xu hướng có tuổi thọ hạn chế, phần lớn là do sự nhiễm bẩn từ các photon UV công suất cao tương tác với môi trường và ánh sáng tia cực tím làm hỏng lớp phủ và chất nền của quang học. Cả hai hiệu ứng này đều làm giảm hiệu suất của các thành phần quang học theo thời gian.
Các vật liệu có hại có thể đọng lại trên bề mặt quang học khi tia UV công suất cao tương tác với các hạt, hơi nước, chất hữu cơ và các chất gây ô nhiễm khác trong hệ thống. Khí thải và các chất gây ô nhiễm trong không khí khác thường gây ra cặn cacbon trên bề mặt quang học. Hình 2 cho thấy một ví dụ về sự phát triển ô nhiễm đuôi gai do tia cực tím gây ra.
Hình 2: Một ví dụ về ô nhiễm gây ra do tiếp xúc với tia UV của cửa sổ silic nung chảy không tráng phủ. Hình ảnh này được chụp sau 6 tuần tiếp xúc với tia UV ở công suất khoảng 3W, khác với việc sử dụng máy phân tích khí trong Danfoss IXA, nhưng nó cho biết loại ô nhiễm tia cực tím có thể xảy ra.
Sự tương tác với các khí xung quanh hệ thống quang học cũng có thể dẫn đến sự lắng đọng các chất gây ô nhiễm, do đó, bất kỳ khí thải nào đi vào hệ thống đều là nguồn gây ô nhiễm. Năng lượng photon ở bước sóng UV dưới 400 nm gần bằng năng lượng liên kết của các phân tử xung quanh, cho phép tia UV phá vỡ một số liên kết này. Điều này tạo ra các ion và phân tử khác có thể làm nhiễm bẩn bề mặt quang học.
Do quá trình mỏi quang học, bản thân lớp phủ và vật liệu nền của thiết bị quang học UV cũng dễ bị suy giảm theo thời gian khi tiếp xúc với tia UV công suất cao. Việc sử dụng nhiều theo thời gian có thể khiến chúng xuống cấp và dẫn đến sự đổi màu hoặc những thay đổi khác trong vật liệu. Chỉ số khúc xạ của chúng có thể được sửa đổi để tạo ra hiệu ứng thấu kính có thể làm tăng cường độ cục bộ. Các Exciton tự bẫy cũng có thể được hình thành, dẫn đến sự tích tụ các trung tâm hấp thụ.
Do những ảnh hưởng này, quang học UV có thể cần phải được thay thế theo thời gian, nhưng việc bịt kín, rửa và làm sạch đúng cách có thể giảm thiểu những ảnh hưởng này.
Môi trường khắc nghiệt mà Máy phân tích khí thải Danfoss IXA phải thích ứng đã đặt ra nhiều thách thức đối với thiết kế quang học và cơ học của hệ thống; tuy nhiên, thiết bị này đang tỏ ra thành công và hiện đang giúp giám sát lượng khí thải từ hàng nghìn con tàu trên toàn thế giới.
Đây là một thắng lợi lớn cho môi trường - một bước tiến tới giảm thiểu phát thải NOx, SO2 và NH3 từ hoạt động vận tải biển quốc tế. Bất kỳ sự giảm thiểu ô nhiễm nào cũng giúp giảm số ca tử vong vì bệnh tim và phổi do khí thải vận chuyển hàng năm gây ra.
Khi thiết kế một hệ thống quang học để hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, hãy thảo luận các yêu cầu cụ thể về môi trường với nhà sản xuất linh kiện quang học. Nhà sản xuất thành phần quang học phải có thể hướng dẫn bạn những điều cần cân nhắc chính, giải thích rõ ràng bất kỳ sự cân bằng nào có thể cần phải thực hiện và đảm bảo rằng hệ thống của bạn hoạt động khi cần thiết.
