Spektroskopi adalah alat canggih dengan beragam aplikasi yang dapat melindungi lingkungan dengan memantau dan mengatur polusi udara.
Perusahaan multinasional Denmark Danfoss IXA telah mengembangkan penganalisis emisi di laut berdasarkan spektroskopi serapan ultraviolet (UV) untuk memantau nitrogen oksida (NOx), sulfur dioksida (SO2) dan amonia (NH3) yang dipancarkan dari kapal kargo. Peralatan pemantauan optik terletak di dalam sistem pembuangan kapal dan terpapar pada lingkungan yang keras dengan suhu, getaran, dan sifat korosif yang ekstrem, yang memberikan tuntutan lingkungan yang parah pada sistem spektroskopi.
Mengapa memantau emisi dari kapal kargo?
Emisi laut dari kapal pelayaran internasional menyebabkan kematian dini akibat kerusakan paru-paru dan penyakit kardiovaskular pada orang-orang di seluruh dunia. Jumlah kematian akibat kanker jantung, paru-paru dan paru-paru yang disebabkan oleh emisi pelayaran diperkirakan mencapai 60,000,000 per tahun secara global. Emisi kapal laut tidak hanya menjadi masalah serius yang berdampak pada kesehatan manusia, namun juga merusak ekosistem laut dan darat.
Organisasi Maritim Internasional (IMO) dan Badan Perlindungan Lingkungan AS (EPA) telah menetapkan Kawasan Pengendalian Emisi (ECA) di banyak lautan di negara ini dengan peraturan emisi yang ketat - yang tanpanya kapal tidak dapat memasuki banyak pelabuhan utama.
Tanpa alat analisa seperti yang dikembangkan oleh Danfoss IXA, misalnya, pihak berwenang tidak mempunyai cara lain yang mudah dan dapat diandalkan untuk memantau emisi kapal dan menegakkan peraturan ini. Meskipun terdapat banyak inisiatif lokal dan regional yang bertujuan untuk membatasi emisi kapal, menerapkan kebijakan ini sangatlah sulit. Marine Emissions Analyzer berbasis Spectrum adalah alat canggih yang mampu memantau emisi kapal secara akurat dan real-time.
Sistem Spektroskopi UV
Prinsip dasar spektroskopi adalah bahwa zat memiliki spektrum serapan yang unik dan mampu menyerap panjang gelombang cahaya yang berbeda tergantung pada komposisi atom dan molekulnya. Sistem Spektroskopi UV dari Danfoss IXA terdiri dari sumber cahaya UV intensitas tinggi, spektrometer UV , dan komponen optik yang diperkaya UV seperti serat optik, lensa, dan cermin planar. Untuk memahami bagaimana panjang gelombang yang berbeda diserap dan dengan cara ini menentukan komposisi gas buang, spektrometer secara spasial memisahkan emisi pita lebar dari sumber cahaya ke dalam rangkaian detektor 1D, yang mengukur seluruh spektrum UV secara bersamaan.
Meskipun sistem Danfoss IXA tidak menggunakan monokromator untuk isolasi panjang gelombang, banyak sistem spektroskopi menggunakan monokromator untuk isolasi panjang gelombang. Dalam kasus ini, cahaya dari sumber UV memasuki celah masuk monokromator, di mana elemen dispersif (seperti kisi difraksi atau prisma) memecah cahaya menjadi komponen panjang gelombang yang dikandungnya (lihat Gambar 1).
Gambar Gambar 1: Panjang gelombang uji spektrometer, yang dapat disesuaikan dengan memisahkan emisi broadband ke dalam rangkaian sensor 1D, atau dengan mengubah sudut kisi difraksi atau prisma di dalam monokromator. (Kredit gambar: Optik Edmund)
Celah keluar monokromator menghalangi semua panjang gelombang, dan hanya pita cahaya sempit yang melewati sampel buangan yang melewati celah tersebut. Mengubah sudut kisi difraksi atau prisma akan mengubah panjang gelombang yang melewati celah keluar, sehingga memungkinkan penyempurnaan pita uji. Cahaya yang melewati sampel knalpot kemudian diarahkan ke detektor untuk mengetahui penyerapan yang terjadi; komposisi molekul gas buang kemudian dihitung dari hasil penyerapan.
Untuk monokromator yang menggunakan kisi difraksi, frekuensi takik kisi biasanya diukur dalam takik per milimeter. Frekuensi takik yang lebih tinggi meningkatkan resolusi optik tetapi menghasilkan rentang panjang gelombang yang lebih sempit; sebaliknya, frekuensi takik yang lebih rendah menghasilkan rentang panjang gelombang yang lebih luas, namun mengorbankan resolusi optik.
Persyaratan Lingkungan
Pengembangan sistem seperti ini sangat menantang karena persyaratan suhu dan tekanan yang sangat tinggi. Temperatur yang tinggi dapat menyebabkan kerusakan optik karena peleburan dan tekanan termal, sehingga sangat membatasi jenis bahan optik yang dapat digunakan. Suhu tinggi juga dapat menyebabkan perekat pada komponen optik mengeluarkan gas dan mencemari sistem. Sistem ini terkena suhu hingga 500 derajat, sehingga persyaratan tekanan tinggi membuat penyegelan sistem optik menjadi penting. Kebutuhan optik untuk mentransmisikan sinar UV dengan sedikit atau tanpa penyerapan juga membatasi ketersediaan bahan optik.
Degradasi UV pada optik
Tantangan lain yang dihadapi proyek ini adalah bahwa optik UV cenderung memiliki masa pakai yang terbatas, sebagian besar disebabkan oleh kontaminasi foton UV berkekuatan tinggi yang berinteraksi dengan lingkungan dan sinar UV yang merusak lapisan dan substrat optik. Kedua efek ini menurunkan kinerja komponen optik seiring waktu.
Bahan berbahaya dapat mengendap di permukaan optik ketika sinar UV berkekuatan tinggi berinteraksi dengan partikel, uap air, bahan organik, dan kontaminan lain di dalam sistem. Knalpot dan kontaminan udara lainnya biasanya menyebabkan endapan karbon pada permukaan optik. Gambar 2 menunjukkan contoh pertumbuhan kontaminasi dendritik yang disebabkan oleh UV.
Gambar Gambar 2: Contoh kontaminasi yang disebabkan oleh paparan sinar UV dari jendela silika leburan yang tidak dilapisi. Gambar ini diambil setelah 6 minggu terpapar laser UV dengan daya sekitar 3W, yang berbeda dengan penggunaan penganalisis gas di Danfoss IXA, namun memberikan indikasi jenis kontaminasi UV yang dapat terjadi.
Interaksi dengan gas di sekitar optik juga dapat menyebabkan pengendapan kontaminan, sehingga gas buang yang masuk ke sistem merupakan sumber kontaminasi. Energi foton pada panjang gelombang UV kurang dari 400 nm hampir sama dengan energi ikatan molekul di sekitarnya, yang memungkinkan sinar UV memutus sebagian ikatan tersebut. Ini menghasilkan ion dan molekul lain yang dapat mencemari permukaan optik.
Karena proses kelelahan optik, bahan pelapis dan substrat perangkat optik UV itu sendiri juga rentan terhadap degradasi seiring waktu ketika terkena sinar UV berkekuatan tinggi. Penggunaan berlebihan dalam jangka waktu lama dapat menyebabkan kualitasnya menurun dan menyebabkan perubahan warna atau perubahan lain pada material. Indeks biasnya dapat dimodifikasi untuk menghasilkan efek pelensaan yang dapat meningkatkan intensitas lokal. Rangsangan yang terperangkap sendiri juga dapat terbentuk, yang menyebabkan akumulasi pusat penyerapan.
Akibat efek ini, optik UV mungkin perlu diganti seiring berjalannya waktu, namun penyegelan, pencucian, dan pembersihan yang tepat dapat mengurangi efek ini.
Lingkungan keras yang harus diadaptasi oleh Danfoss IXA Gas Emissions Analyzer telah menimbulkan banyak tantangan terhadap desain optik dan opto-mekanis sistem; namun, perangkat tersebut terbukti sukses dan saat ini membantu memantau emisi dari ribuan kapal di seluruh dunia.
Ini merupakan kemenangan besar bagi lingkungan – sebuah langkah menuju minimalisasi emisi NOx, SO2 dan NH3 dari pelayaran internasional. Pengurangan polusi ini akan membantu mengurangi jumlah kematian akibat penyakit jantung dan paru-paru yang disebabkan oleh emisi pelayaran setiap tahunnya.
Saat merancang sistem optik untuk beroperasi di lingkungan yang keras, diskusikan persyaratan lingkungan spesifik dengan produsen komponen optik. Produsen komponen optik harus dapat memandu Anda melalui pertimbangan-pertimbangan utama, menjelaskan dengan jelas segala trade-off yang mungkin perlu dilakukan, dan memastikan bahwa sistem Anda beroperasi sesuai kebutuhan.
