La espectroscopia es una herramienta poderosa con una amplia gama de aplicaciones que pueden proteger el medio ambiente monitoreando y regulando la contaminación del aire.
La multinacional danesa Danfoss IXA ha desarrollado un analizador de emisiones en el océano basado en espectroscopia de absorción ultravioleta (UV) para monitorear los óxidos de nitrógeno (NOx), dióxido de azufre (SO2) y amoníaco (NH3) emitidos por los buques de carga. El equipo de monitoreo óptico está ubicado dentro del sistema de escape del barco y está expuesto a ambientes hostiles con temperaturas extremas, vibraciones y corrosividad, que imponen severas exigencias ambientales al sistema de espectroscopia.
¿Por qué monitorear las emisiones de los buques de carga?
Las emisiones marinas de los buques de transporte internacional provocan muertes prematuras por daños pulmonares y enfermedades cardiovasculares en personas de todo el mundo. Se estima que el número de muertes por cáncer de corazón, pulmón y cáncer de pulmón causadas por las emisiones del transporte marítimo asciende a 60.000,000 por año en todo el mundo. Las emisiones de los buques marítimos no sólo son un problema grave que afecta a la salud humana, sino que también daña los ecosistemas marinos y terrestres.
La Organización Marítima Internacional (OMI) y la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) han establecido Áreas de Control de Emisiones (ACE) en muchos de los océanos del país con estrictas regulaciones de emisiones, sin las cuales los barcos no pueden ingresar a muchos puertos importantes.
Sin analizadores como los desarrollados por Danfoss IXA, por ejemplo, las autoridades no tienen otra manera conveniente y confiable de monitorear las emisiones de los buques y hacer cumplir estas regulaciones. Si bien existen muchas iniciativas locales y regionales destinadas a limitar las emisiones de los buques, hacer cumplir estas políticas es extremadamente difícil. El analizador de emisiones marinas basado en espectro es una poderosa herramienta capaz de monitorear con precisión las emisiones de los barcos en tiempo real.
Sistema de espectroscopía UV
El principio básico de la espectroscopia es que las sustancias tienen un espectro de absorción único y son capaces de absorber diferentes longitudes de onda de luz dependiendo de su composición atómica y molecular. El sistema de espectroscopia UV de Danfoss IXA consta de una fuente de luz UV de alta intensidad, un espectrómetro UV y componentes ópticos mejorados con rayos UV, como fibras ópticas, lentes y espejos planos. Para comprender cómo se absorben las diferentes longitudes de onda y determinar así la composición de los gases de escape, el espectrómetro separa espacialmente la emisión de banda ancha de la fuente de luz en un conjunto de detectores 1D, que mide todo el espectro UV simultáneamente.
Si bien el sistema de Danfoss IXA no utiliza monocromadores para el aislamiento de longitudes de onda, muchos sistemas de espectroscopia utilizan monocromadores para el aislamiento de longitudes de onda. En estos casos, la luz de una fuente UV ingresa por la rendija de entrada del monocromador, donde un elemento dispersivo (como una rejilla de difracción o un prisma) descompone la luz en las longitudes de onda que contiene (consulte la Figura 1).
Imagen Figura 1: La longitud de onda de prueba de un espectrómetro, que se puede ajustar separando la emisión de banda ancha en una matriz de sensores 1D o cambiando el ángulo de la rejilla de difracción o el prisma dentro del monocromador. (Crédito de la imagen: Edmund Optics)
La rendija de salida del monocromador bloquea todas las longitudes de onda y solo una estrecha banda de luz que pasa a través de la muestra de escape pasa a través de la rendija. Cambiar el ángulo de la rejilla de difracción o del prisma cambia las longitudes de onda que pasan a través de la rendija de salida, lo que permite un ajuste fino de la banda de prueba. La luz que pasa a través de la muestra de escape se dirige luego a un detector para determinar la absorción que se produce; A partir de los resultados de absorción se calcula la composición molecular de los gases de escape.
Para monocromadores que utilizan rejillas de difracción, la frecuencia de muesca de la rejilla generalmente se mide en muescas por milímetro. Una frecuencia de muesca más alta mejora la resolución óptica pero da como resultado un rango más estrecho de longitudes de onda disponibles; por el contrario, una frecuencia de muesca más baja da como resultado una gama más amplia de longitudes de onda disponibles, pero a expensas de la resolución óptica.
Requisitos medioambientales
El desarrollo de tales sistemas es un gran desafío debido a los requisitos de temperatura y presión extremadamente altos. Las altas temperaturas pueden provocar fallos en la óptica debido a la fusión y al estrés térmico, lo que limita gravemente los tipos de materiales ópticos que se pueden utilizar. Las altas temperaturas también pueden hacer que los adhesivos de los componentes ópticos se desgasifiquen y contaminen el sistema. El sistema está expuesto a temperaturas de hasta 500 grados, por lo que sus requisitos de alta presión hacen que el sellado del sistema óptico sea fundamental. La necesidad de que la óptica transmita luz ultravioleta con poca o ninguna absorción también limita los materiales ópticos disponibles.
Degradación UV de la óptica.
Otro desafío al que se enfrenta el proyecto es que la óptica UV tiende a tener una vida útil limitada, en gran parte debido a la contaminación de los fotones UV de alta potencia que interactúan con el medio ambiente y a que la luz UV daña los revestimientos y sustratos de la óptica. Ambos efectos degradan el rendimiento de los componentes ópticos con el tiempo.
Se pueden depositar materiales dañinos en la superficie de la óptica cuando la luz ultravioleta de alta potencia interactúa con partículas, vapor de agua, sustancias orgánicas y otros contaminantes del sistema. Los gases de escape y otros contaminantes transportados por el aire suelen provocar depósitos de carbón en las superficies ópticas. La Figura 2 muestra un ejemplo de crecimiento dendrítico de contaminación inducido por UV.
Imagen Figura 2: Un ejemplo de contaminación inducida por la exposición de una ventana de sílice fundida sin recubrimiento a la luz ultravioleta. Esta imagen se tomó después de 6 semanas de exposición a un láser UV de aproximadamente 3 W, que es diferente del uso del analizador de gases en Danfoss IXA, pero da una indicación del tipo de contaminación UV que puede ocurrir.
La interacción con los gases que rodean la óptica también puede provocar la deposición de contaminantes, por lo que cualquier gas de escape que ingrese al sistema es una fuente de contaminación. Las energías de los fotones en longitudes de onda UV inferiores a 400 nm son casi iguales a las energías de enlace de las moléculas circundantes, lo que permite que la luz UV rompa algunos de estos enlaces. Esto produce otros iones y moléculas que pueden contaminar las superficies ópticas.
Debido al proceso de fatiga óptica, los recubrimientos y materiales de sustrato de los propios dispositivos ópticos UV también son susceptibles a la degradación con el tiempo cuando se exponen a luz UV de alta potencia. El uso intensivo con el tiempo puede hacer que se degraden y provoquen decoloración u otros cambios en el material. Su índice de refracción se puede modificar para producir un efecto de lente que puede aumentar la intensidad localizada. También se pueden formar excitones autoatrapados, lo que conduce a la acumulación de centros de absorción.
Como resultado de estos efectos, es posible que sea necesario reemplazar la óptica UV con el tiempo, pero un sellado, lavado y limpieza adecuados pueden mitigar estos efectos.
Los entornos hostiles a los que tiene que adaptarse el analizador de emisiones de gas Danfoss IXA han planteado muchos desafíos para el diseño óptico y optomecánico del sistema; sin embargo, el dispositivo está demostrando ser un éxito y actualmente ayuda a monitorear las emisiones de miles de barcos en todo el mundo.
Se trata de una gran victoria para el medio ambiente: un paso hacia la minimización de las emisiones de NOx, SO2 y NH3 procedentes del transporte marítimo internacional. Cualquier reducción de esta contaminación ayuda a reducir el número de muertes por enfermedades cardíacas y pulmonares causadas cada año por las emisiones del transporte marítimo.
Al diseñar un sistema óptico para funcionar en entornos hostiles, analice los requisitos ambientales específicos con el fabricante del componente óptico. El fabricante de componentes ópticos debería poder guiarlo a través de las consideraciones clave, explicarle claramente cualquier compensación que deba realizarse y garantizar que su sistema funcione según sea necesario.
