La spectroscopie est un outil puissant doté d'un large éventail d'applications qui peut protéger l'environnement en surveillant et en régulant la pollution de l'air.
La multinationale danoise Danfoss IXA a développé un analyseur d'émissions dans l'océan basé sur la spectroscopie d'absorption ultraviolette (UV) pour surveiller les oxydes d'azote (NOx), le dioxyde de soufre (SO2) et l'ammoniac (NH3) émis par les cargos. L'équipement de surveillance optique est situé à l'intérieur du système d'échappement du navire et est exposé à des environnements difficiles avec des températures, des vibrations et une corrosivité extrêmes, qui imposent de sévères exigences environnementales au système de spectroscopie.
Pourquoi surveiller les émissions des cargos ?
Les émissions marines des navires de transport internationaux provoquent des décès prématurés dus à des lésions pulmonaires et à des maladies cardiovasculaires chez des personnes partout dans le monde. Le nombre de décès par cancer du cœur, du poumon et du poumon causés par les émissions des transports maritimes est estimé à 60,000,000 par an dans le monde. Non seulement les émissions des navires constituent un problème grave qui affecte la santé humaine, mais elles endommagent également les écosystèmes marins et terrestres.
L'Organisation maritime internationale (OMI) et l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA) ont établi des zones de contrôle des émissions (ECA) dans de nombreux océans du pays, avec des réglementations strictes en matière d'émissions, sans lesquelles les navires ne peuvent pas entrer dans de nombreux ports majeurs.
Sans analyseurs comme ceux développés par Danfoss IXA, par exemple, les autorités ne disposent d'aucun autre moyen pratique et fiable pour surveiller les émissions des navires et faire respecter ces réglementations. Bien qu'il existe de nombreuses initiatives locales et régionales visant à limiter les émissions des navires, il est extrêmement difficile de faire respecter ces politiques. L'analyseur d'émissions marines basé sur le spectre est un outil puissant capable de surveiller avec précision les émissions des navires en temps réel.
Système de spectroscopie UV
Le principe de base de la spectroscopie est que les substances ont un spectre d'absorption unique et sont capables d'absorber différentes longueurs d'onde de lumière en fonction de leur composition atomique et moléculaire. Le système de spectroscopie UV de Danfoss IXA se compose d'une source de lumière UV de haute intensité, d'un spectromètre UV. et des composants optiques améliorés par les UV tels que des fibres optiques, des lentilles et des miroirs plans. Afin de comprendre comment différentes longueurs d'onde sont absorbées et ainsi déterminer la composition des gaz d'échappement, le spectromètre sépare spatialement l'émission à large bande de la source lumineuse sur un réseau de détecteurs 1D, qui mesure simultanément l'ensemble du spectre UV.
Bien que le système Danfoss IXA n'utilise pas de monochromateurs pour l'isolation des longueurs d'onde, de nombreux systèmes de spectroscopie utilisent des monochromateurs pour l'isolation des longueurs d'onde. Dans ces cas, la lumière provenant d'une source UV pénètre dans la fente d'entrée du monochromateur, où un élément dispersif (tel qu'un réseau de diffraction ou un prisme) décompose la lumière en longueurs d'onde composantes qu'elle contient (voir Figure 1).
Image Figure 1 : La longueur d'onde de test d'un spectromètre, qui peut être ajustée en séparant l'émission à large bande sur un réseau de capteurs 1D, ou en modifiant l'angle du réseau de diffraction ou du prisme à l'intérieur du monochromateur. (Crédit image : Edmund Optics)
La fente sortante du monochromateur bloque toutes les longueurs d'onde et seule une bande étroite de lumière qui traverse l'échantillon d'échappement traverse la fente. La modification de l'angle du réseau de diffraction ou du prisme modifie les longueurs d'onde qui traversent la fente sortante, permettant un réglage précis de la bande de test. La lumière traversant l'échantillon d'échappement est ensuite dirigée vers un détecteur pour déterminer l'absorption qui se produit ; la composition moléculaire des gaz d'échappement est ensuite calculée à partir des résultats d'absorption.
Pour les monochromateurs utilisant des réseaux de diffraction, la fréquence des encoches du réseau est généralement mesurée en encoches par millimètre. Une fréquence d'encoche plus élevée améliore la résolution optique mais entraîne une plage plus étroite de longueurs d'onde disponibles ; à l’inverse, une fréquence d’encoche plus faible se traduit par une gamme plus large de longueurs d’onde disponibles, mais au détriment de la résolution optique.
Exigences environnementales
Le développement de tels systèmes est très difficile en raison des exigences extrêmement élevées en matière de température et de pression. Des températures élevées peuvent provoquer une défaillance des optiques en raison de la fusion et des contraintes thermiques, ce qui limite considérablement les types de matériaux optiques pouvant être utilisés. Les températures élevées peuvent également provoquer un dégazage des adhésifs présents dans les composants optiques et contaminer le système. Le système est exposé à des températures allant jusqu'à 500 degrés, ses exigences en matière de haute pression rendent donc l'étanchéité du système optique essentielle. La nécessité d'optiques pour transmettre la lumière UV avec peu ou pas d'absorption limite également les matériaux optiques disponibles.
Dégradation UV de l'optique
Un autre défi auquel le projet est confronté est que les optiques UV ont tendance à avoir une durée de vie limitée, en grande partie à cause de la contamination par les photons UV de haute puissance interagissant avec l'environnement et de la lumière UV qui endommage les revêtements et les substrats des optiques. Ces deux effets dégradent les performances des composants optiques au fil du temps.
Des matériaux nocifs peuvent se déposer sur la surface des optiques lorsque la lumière UV de haute puissance interagit avec les particules, la vapeur d'eau, les matières organiques et d'autres contaminants présents dans le système. Les gaz d'échappement et autres contaminants en suspension dans l'air provoquent généralement des dépôts de carbone sur les surfaces optiques. La figure 2 montre un exemple de croissance dendritique de contamination induite par les UV.
Image Figure 2 : Un exemple de contamination induite par l'exposition d'une fenêtre en silice fondue non revêtue à la lumière UV. Cette image a été prise après 6 semaines d'exposition à un laser UV à environ 3 W, ce qui est différent de l'utilisation de l'analyseur de gaz du Danfoss IXA, mais elle donne une indication du type de contamination UV qui peut survenir.
L'interaction avec les gaz entourant les optiques peut également entraîner des dépôts de contaminants, de sorte que tout gaz d'échappement pénétrant dans le système constitue une source de contamination. Les énergies des photons aux longueurs d'onde UV inférieures à 400 nm sont proches des énergies de liaison des molécules environnantes, ce qui permet à la lumière UV de rompre certaines de ces liaisons. Cela produit d’autres ions et molécules susceptibles de contaminer les surfaces optiques.
En raison du processus de fatigue optique, les revêtements et les matériaux de substrat des dispositifs optiques UV eux-mêmes sont également susceptibles de se dégrader au fil du temps lorsqu'ils sont exposés à une lumière UV de forte puissance. Une utilisation intensive au fil du temps peut les dégrader et entraîner une décoloration ou d’autres modifications du matériau. Leur indice de réfraction peut être modifié pour produire un effet de lentille pouvant augmenter l'intensité localisée. Des excitons auto-piégés peuvent également se former, ce qui conduit à l’accumulation de centres d’absorption.
En raison de ces effets, les optiques UV devront peut-être être remplacées au fil du temps, mais une étanchéité, un lavage et un nettoyage appropriés peuvent atténuer ces effets.
Les environnements difficiles auxquels l'analyseur d'émissions de gaz Danfoss IXA doit s'adapter ont posé de nombreux défis au niveau de la conception optique et opto-mécanique du système ; Cependant, l'appareil s'avère être un succès et permet actuellement de surveiller les émissions de milliers de navires dans le monde.
Il s'agit d'une grande victoire pour l'environnement : une étape vers la réduction des émissions de NOx, SO2 et NH3 du transport maritime international. Toute réduction de cette pollution contribue à réduire chaque année le nombre de décès dus à des maladies cardiaques et pulmonaires causés par les émissions des transports maritimes.
Lors de la conception d'un système optique destiné à fonctionner dans des environnements difficiles, discutez des exigences environnementales spécifiques avec le fabricant du composant optique. Le fabricant de composants optiques doit être en mesure de vous guider à travers les principales considérations, d'expliquer clairement les compromis qui pourraient devoir être faits et de garantir que votre système fonctionne comme prévu.
