A espectroscopia é uma ferramenta poderosa com uma ampla gama de aplicações que pode proteger o meio ambiente monitorando e regulando a poluição do ar.
A multinacional dinamarquesa Danfoss IXA desenvolveu um analisador de emissões no oceano baseado em espectroscopia de absorção ultravioleta (UV) para monitorar óxidos de nitrogênio (NOx), dióxido de enxofre (SO2) e amônia (NH3) emitidos por navios de carga. O equipamento de monitoramento óptico está localizado dentro do sistema de exaustão do navio e está exposto a ambientes agressivos com temperaturas extremas, vibrações e corrosividade, que impõem severas demandas ambientais ao sistema de espectroscopia.
Porquê monitorizar as emissões dos navios de carga?
As emissões marítimas dos navios internacionais causam mortes prematuras por danos pulmonares e doenças cardiovasculares em pessoas em todo o mundo. Estima-se que o número de mortes por câncer de coração, pulmão e câncer de pulmão causadas pelas emissões do transporte marítimo chegue a 60,000,000 por ano em todo o mundo. As emissões dos navios marítimos não são apenas um problema grave que afecta a saúde humana, mas também prejudicam os ecossistemas marinhos e terrestres.
A Organização Marítima Internacional (IMO) e a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) estabeleceram Áreas de Controle de Emissões (ECAs) em muitos dos oceanos do país com regulamentações rigorosas de emissões - sem as quais os navios não podem entrar em muitos portos importantes.
Sem analisadores como os desenvolvidos pela Danfoss IXA, por exemplo, as autoridades não têm outra forma conveniente e fiável de monitorizar as emissões dos navios e fazer cumprir estes regulamentos. Embora existam muitas iniciativas locais e regionais destinadas a limitar as emissões dos navios, a aplicação destas políticas é extremamente difícil. O Analisador de Emissões Marinhas baseado em Spectrum é uma ferramenta poderosa capaz de monitorar com precisão as emissões dos navios em tempo real.
Sistema de espectroscopia UV
O princípio básico da espectroscopia é que as substâncias possuem um espectro de absorção único e são capazes de absorver diferentes comprimentos de onda de luz dependendo de sua composição atômica e molecular. O Sistema de Espectroscopia UV da Danfoss IXA consiste em uma fonte de luz UV de alta intensidade, um espectrômetro UV e componentes ópticos aprimorados por UV, como fibras ópticas, lentes e espelhos planos. Para compreender como os diferentes comprimentos de onda são absorvidos e, desta forma, determinar a composição dos gases de escape, o espectrômetro separa espacialmente a emissão de banda larga da fonte de luz em um conjunto de detectores 1D, que mede todo o espectro UV simultaneamente.
Embora o sistema Danfoss IXA não utilize monocromadores para isolamento de comprimento de onda, muitos sistemas de espectroscopia utilizam monocromadores para isolamento de comprimento de onda. Nestes casos, a luz de uma fonte UV entra na fenda de entrada do monocromador, onde um elemento dispersivo (como uma rede de difração ou prisma) divide a luz nos comprimentos de onda componentes que ela contém (ver Figura 1).
Imagem Figura 1: O comprimento de onda de teste de um espectrômetro, que pode ser ajustado separando a emissão de banda larga em um conjunto de sensores 1D ou alterando o ângulo da rede de difração ou prisma dentro do monocromador. (Crédito da imagem: Edmund Optics)
A fenda de saída do monocromador bloqueia todos os comprimentos de onda, e apenas uma faixa estreita de luz que passa pela amostra de escapamento passa pela fenda. Alterar o ângulo da rede de difração ou prisma altera os comprimentos de onda que passam pela fenda de saída, permitindo o ajuste fino da banda de teste. A luz que passa pela amostra de escapamento é então direcionada para um detector para determinar a absorção que ocorre; a composição molecular do gás de exaustão é então calculada a partir dos resultados de absorção.
Para monocromadores que utilizam redes de difração, a frequência de entalhe da rede é geralmente medida em entalhes por milímetro. Uma frequência de entalhe mais alta melhora a resolução óptica, mas resulta em uma faixa mais estreita de comprimentos de onda disponíveis; por outro lado, uma frequência de entalhe mais baixa resulta em uma gama mais ampla de comprimentos de onda disponíveis, mas às custas da resolução óptica.
Requerimentos ambientais
O desenvolvimento de tais sistemas é muito desafiador devido aos requisitos extremamente elevados de temperatura e pressão. Altas temperaturas podem causar falhas na óptica devido ao derretimento e ao estresse térmico, o que limita severamente os tipos de materiais ópticos que podem ser usados. Altas temperaturas também podem fazer com que os adesivos nos componentes ópticos liberem gases e contaminem o sistema. O sistema é exposto a temperaturas de até 500 graus, portanto, seus requisitos de alta pressão tornam crítica a vedação do sistema óptico. A necessidade da óptica transmitir luz UV com pouca ou nenhuma absorção também limita os materiais ópticos disponíveis.
Degradação UV da óptica
Outro desafio enfrentado pelo projeto é que a óptica UV tende a ter vida útil limitada, em grande parte devido à contaminação por fótons UV de alta potência que interagem com o ambiente e à luz UV que danifica os revestimentos e substratos da óptica. Ambos os efeitos degradam o desempenho dos componentes ópticos ao longo do tempo.
Materiais nocivos podem ser depositados na superfície da óptica quando a luz UV de alta potência interage com partículas, vapor de água, produtos orgânicos e outros contaminantes no sistema. O escapamento e outros contaminantes transportados pelo ar geralmente causam depósitos de carbono nas superfícies ópticas. A Figura 2 mostra um exemplo de crescimento dendrítico de contaminação induzido por UV.
Imagem Figura 2: Um exemplo de contaminação induzida pela exposição de uma janela de sílica fundida não revestida à luz UV. Esta imagem foi obtida após 6 semanas de exposição a um laser UV de aproximadamente 3W, o que é diferente do uso do analisador de gás no Danfoss IXA, mas dá uma indicação do tipo de contaminação UV que pode ocorrer.
A interação com os gases que rodeiam a óptica também pode levar à deposição de contaminantes, pelo que quaisquer gases de escape que entrem no sistema são uma fonte de contaminação. As energias dos fótons em comprimentos de onda UV inferiores a 400 nm são quase iguais às energias de ligação das moléculas circundantes, o que permite que a luz UV quebre algumas dessas ligações. Isso produz outros íons e moléculas que podem contaminar as superfícies ópticas.
Devido ao processo de fadiga óptica, os revestimentos e materiais de substrato dos próprios dispositivos ópticos UV também são suscetíveis à degradação ao longo do tempo quando expostos à luz UV de alta potência. O uso intenso ao longo do tempo pode causar sua degradação e causar descoloração ou outras alterações no material. Seu índice de refração pode ser modificado para produzir um efeito de lente que pode aumentar a intensidade localizada. Excitons auto-presos também podem ser formados, o que leva ao acúmulo de centros de absorção.
Como resultado destes efeitos, a óptica UV pode necessitar de ser substituída ao longo do tempo, mas a vedação, lavagem e limpeza adequadas podem atenuar estes efeitos.
Os ambientes severos que o Analisador de Emissões de Gás Danfoss IXA tem que se adaptar representaram muitos desafios para o projeto óptico e optomecânico do sistema; no entanto, o dispositivo está a revelar-se um sucesso e actualmente ajuda a monitorizar as emissões de milhares de navios em todo o mundo.
Esta é uma grande vitória para o ambiente – um passo no sentido de minimizar as emissões de NOx, SO2 e NH3 provenientes do transporte marítimo internacional. Qualquer redução desta poluição ajuda a reduzir o número de mortes por doenças cardíacas e pulmonares causadas pelas emissões dos navios todos os anos.
Ao projetar um sistema óptico para operar em ambientes agressivos, discuta os requisitos ambientais específicos com o fabricante do componente óptico. O fabricante do componente óptico deve ser capaz de orientá-lo nas principais considerações, explicar claramente quaisquer compensações que possam ser necessárias e garantir que seu sistema funcione conforme necessário.
