分光法は、大気汚染を監視および規制することで環境を保護できる、幅広い用途を備えた強力なツールです。
デンマークの多国籍企業ダンフォス IXA は、貨物船から排出される窒素酸化物 (NOx)、二酸化硫黄 (SO2)、アンモニア (NH3) を監視するため、紫外 (UV) 吸収分光法に基づく海洋排出分析装置を開発しました。 光学監視装置は船の排気システム内に設置されており、極端な温度、振動、腐食性などの過酷な環境にさらされており、分光システムには厳しい環境要求が課せられます。
なぜ貨物船からの排出物を監視するのでしょうか?
国際輸送船からの海洋排出物は、世界中の人々の肺損傷や心血管疾患による早期死亡の原因となっています。 船舶の排気ガスによって引き起こされる心臓がん、肺がん、肺がんによる死亡者数は、世界中で年間 60,000,000 に上ると推定されています。 船舶からの排気ガスは人間の健康に影響を与える深刻な問題であるだけでなく、海洋および陸上の生態系にもダメージを与えます。
国際海事機関 (IMO) と米国環境保護庁 (EPA) は、国内の多くの海洋に厳格な排出規制を伴う排出規制区域 (ECA) を設定しており、これがなければ船舶は多くの主要港に入港できません。
たとえば、ダンフォス IXA が開発したような分析装置がなければ、当局は船舶の排出ガスを監視し、これらの規制を施行するための便利で信頼性の高い方法が他にありません。 船舶の排出量を制限することを目的とした地方自治体の取り組みは数多くありますが、これらの政策を強制することは非常に困難です。 スペクトルベースの海洋排出物アナライザーは、船舶の排出物をリアルタイムで正確に監視できる強力なツールです。
UV分光システム
分光法の基本原理は、物質は独自の吸収スペクトルを持ち、その原子および分子の組成に応じて異なる波長の光を吸収できるということです。Danfoss IXA の UV 分光システムは、高強度 UV 光源と UV 分光計で構成されています。 、および光ファイバー、レンズ、平面ミラーなどの UV 強化光学コンポーネント。 さまざまな波長がどのように吸収されるかを理解し、これによって排気ガスの組成を決定するために、分光計は光源の広帯域発光を 1D 検出器アレイ上に空間的に分離し、UV スペクトル全体を同時に測定します。
Danfoss IXA のシステムは波長分離にモノクロメーターを使用しませんが、多くの分光システムは波長分離にモノクロメーターを使用します。 このような場合、UV 光源からの光はモノクロメーターの入口スリットに入り、そこで分散素子 (回折格子やプリズムなど) が光を含まれる成分の波長に分解します (図 1 を参照)。
画像 図 1: 分光計のテスト波長。広帯域発光を 1D センサー アレイに分離するか、モノクロメーター内の回折格子またはプリズムの角度を変更することで微調整できます。 (画像クレジット: Edmund Optics)
モノクロメーターの出射スリットはすべての波長を遮断し、排気サンプルを通過する狭い帯域の光のみがスリットを通過します。 回折格子またはプリズムの角度を変えると、出射スリットを通過する波長が変化し、テストバンドの微調整が可能になります。 排気サンプルを通過した光は検出器に導かれ、発生する吸収が測定されます。 次に、吸収結果から排気ガスの分子組成が計算されます。
回折格子を使用するモノクロメータの場合、回折格子のノッチ周波数は通常、1 ミリメートルあたりのノッチ数で測定されます。 ノッチ周波数が高くなると光学分解能は向上しますが、利用可能な波長の範囲が狭くなります。 逆に、ノッチ周波数を低くすると、利用可能な波長の範囲が広がりますが、光学分解能が犠牲になります。
環境要件
このようなシステムの開発は、非常に高い温度と圧力が必要なため、非常に困難です。 高温では溶融や熱応力により光学部品が故障する可能性があり、使用できる光学材料の種類が大幅に制限されます。 高温により、光学部品の接着剤がガスを放出してシステムが汚染される可能性もあります。 このシステムは最大 500 度の温度にさらされるため、高圧要件により光学システムの密閉が重要になります。 ほとんどまたは全く吸収せずに紫外光を透過する光学部品の必要性により、利用可能な光学材料も制限されます。
光学部品の紫外線劣化
このプロジェクトが直面するもう 1 つの課題は、環境と相互作用する高出力 UV フォトンによる汚染と、光学部品のコーティングや基板を損傷する UV 光による汚染が主な原因で、UV 光学部品の寿命が限られている傾向があることです。 これらの影響は両方とも、時間の経過とともに光学コンポーネントの性能を低下させます。
高出力の UV 光がシステム内の粒子、水蒸気、有機物、その他の汚染物質と相互作用すると、光学部品の表面に有害な物質が堆積する可能性があります。 一般に、排気ガスやその他の空気中の汚染物質により、光学面に炭素が堆積します。 図 2 は、UV による汚染の樹枝状成長の例を示しています。
画像 図 2: コーティングされていない石英ガラス窓を UV 光にさらすことによって引き起こされる汚染の例。 この画像は、約 3W の UV レーザーに 6 週間曝露した後に撮影されたもので、Danfoss IXA のガス分析装置の使用とは異なりますが、発生する可能性のある UV 汚染の種類を示します。
光学系の周囲のガスとの相互作用も汚染物質の堆積を引き起こす可能性があるため、システムに流入する排気ガスは汚染源となります。 400 nm 未満の UV 波長の光子エネルギーは周囲の分子の結合エネルギーとほぼ同じであるため、UV 光がこれらの結合の一部を破壊することができます。 これにより、光学表面を汚染する可能性のある他のイオンや分子が生成されます。
光学疲労のプロセスにより、UV 光学デバイス自体のコーティングや基板材料も、高出力の UV 光にさらされると時間の経過とともに劣化しやすくなります。 長期間使用すると、劣化し、変色やその他の素材の変化が生じる可能性があります。 屈折率を変更してレンズ効果を生成し、局所的な強度を高めることができます。 自己捕捉励起子も形成され、吸収中心の蓄積につながります。
これらの影響の結果、時間の経過とともに UV 光学部品の交換が必要になる場合がありますが、適切な密閉、洗浄、クリーニングを行うことでこれらの影響を軽減できます。
Danfoss IXA ガス排出量分析装置が適応しなければならない過酷な環境は、システムの光学および光機械設計に多くの課題をもたらしました。 しかし、この装置は成功していることが証明されており、現在、世界中の数千隻の船舶からの排出ガスの監視に役立っています。
これは環境にとって大きな勝利であり、国際輸送からの NOx、SO2、NH3 排出量を最小限に抑えるための一歩となります。 この汚染を少しでも減らすことができれば、船舶の排気ガスによって引き起こされる心臓や肺の病気による死亡者数を毎年減らすことができます。
過酷な環境で動作する光学システムを設計する場合は、特定の環境要件について光学部品メーカーと話し合ってください。 光学コンポーネントのメーカーは、重要な考慮事項を案内し、必要となる可能性のあるトレードオフを明確に説明し、システムが必要に応じて動作することを保証できるはずです。
