بخشی از مقاله
چکیده -
پخش مواد نفتی در آب دریا ، رودخانه ها ، در نزدیکی منابع نفتی و محیطهای آبی نزدیک پالایشگاهها یکی از مهمترین نگرانیهای زیست محیطی است . در این مقاله با استفاده از یک سیستم لیزری و بر پایه قوانین اپتیکی از دو روش ، یکی مقایسه بازتابش سطحی از سطح آب آلوده به ماده نفتی و آب تمیز و دیگری بررسی تداخل لایه های نفتی در آب و مشاهده فریزهای تداخلی بر روی سطح آب تمیز و آب آلوده به ماده نفتی ، به بررسی وجود آلاینده های نفتی بر روی سطح آب می پردازیم
-1 مقدمه
یکی از مهمترین نگرانیهای امروزه زیستمحیطی ، پخش مواد نفتی در آب دریا ، رودخانه ها ، در نزدیکی منابع نفتی است که باعث آلودگی آب وزیستگاه جانداران آبزی می شود و تشخیص به موقع آلودگی میتواند تا حدودی از خسارتهای ناشی از آن بکاهد .
در سالهای اخیر از خواص متعدد مواد نفتی نظیر خواص گرمایی و اپتیکی استفاده شده و روشهای متعددی برای آشکارسازی مواد نفتی در آب به کار رفته و یا در حال بررسی هستند . سیستمهای ماهواره ای که از سنسورهای اپتیکی و گرمایی برای آشکارسازی مواد نفتی استفاده میکند و فلوئورسنسورهای لیزری مهمترین سیستمهای آشکارسازی هستند اما به دلیل قیمت بالا و ابعاد بزرگ آنها نمیتوان برای آشکارسازی منابع محدودتر آبی از آنها استفاده کرد . بنابراین سیستمی که دارای ابعاد کوچک و قیمت پایینتر و قابل حمل باشد میتواند سودمند باشد .
-2 آشکارسازی مواد نفتی در آب
آشکارسازی مواد نفتی بر این اصل استوار است که بازتاب از سطحِ آب زمانی که آلاینده نفتی حضور داشته باشد ، افزایش مییابد. این از ویژگیهای اپتیکی مواد نفتی است که در ناحیه مرئی، نفت دارای بازتاب ِسطحیِ بیشتری نسبت به آب است. در این مقاله به بررسی دو روش برای آشکارسازی مواد نفتی در آب می پردازیم . روش اول مبتنی بر اندازه گیری بازتابش سطحی آب آلوده و مقایسه آن با آب عاری از آلایندگی نفتی است و روش دوم که با نتایج روش اول قابل توجیه است، مشاهده و مقایسه فریزهای تداخلی حقیقی بر روی سطح آب و سطح مواد نفتی است که به صورت لایه های نفتی بر روی آب قرار دارند.
در روش اول با استفاده از دو نوع منبع نوری ، لیزر هارمونیک دوم Nd-YAG با طول موج 532 نانومتر و توان 40 میلی وات و لیزر دیودی قرمز InGaAlP با طول موج 632 نانومتر و توان 130 میلی وات و استفاده از دستگاه توان سنج به تحقیق معادلات فرنل و تعیین میزان بازتابش مواد نفتی نسبت به آب به صورت تابعی از زاویه فرود نور لیزر و افزایش حجم و در نتیجه ضخامت مواد نفتی بر روی سطح آب میپردازیم. تعیین پارامترهای اپتیکی لایه نفتی که بر روی سطح آب قرار داردمانندِ بازتابندگی R و تراگسیلندگی T، برای تحلیل دقیق آزمایش، ضروری است.
نور لیزر را در جهات بالاسو و پایین سو به صورت تابعی از زاویه فرود نور و طول موج بر سطح آب فرود میآوریم . هنگامی که نور بر ماده نفتی در روی آب فرود میآید دو سطح مشترک در تعیین پارامترهای اپتیکی دخیل هستند .
سطح مشترک هوا-ماده نفتی و سطح مشترک آب- ماده نفتی که به همین علت از دو سمت، نور لیزر را فرود میآوریم تا میزان بازتابشهای داخلی و خارجی ناشی از حضور نفت بر روی سطح آب را محاسبه و سهم هر کدام را اندازه گیری کنیم و بازتابش خالص را بدست بیاوریم. - , i R - ، - R - i , ، - , T - i ، - , T - i نشان دهنده میزان وابستگی بازتابندگی و تراگسیلندگی برای هر دو جهت بالاسو و پایین سو هستند . با رسم این کمیتها بر حسب زاویه فرود، طول موج و ضخامت ماده نفتی ، تاثیر این کمیتها را بر میزان بازتابش نور از سطح ماده نفتی بررسی میکنیم.
ابتدا کمیتهای اپتیکی را برای آب تمیز و عاری از مواد نفتی بدست آورده و سپس با اضافه کردن مواد نفتی به آب، این کمیتها را با استفاده از روابط تئوری و از مقادیر تجربی بدست آورده و آنها را با مقادیر بدست آمده برای آب تمیز مقایسه میکنیم. با استفاده از تغییر بازتابش در هنگام وجود مواد آلاینده میتوانیم وجود آلاینده های نفتی را بر روی سطح آب اثبات کنیم.
روش دوم، متکی بر استفاده از روشهای تداخل سنجی لایه های نازک است . در این روش از یک سیستم لیزری متشکل از لیزر، ابزار اپتیکی و آشکارساز استفاده شده است. پرتوی نور لیزر تحت زاویه ثابت بر سطح آب تمیز و آب آلوده به مواد نفتی تابیده میشود و پرتوی بازتابیده آن به سمت آشکارساز می رود. هنگامی که پرتوی لیزر بر سطح آب میتابد تشکیل فریزهای حقیقی میدهد که ناشی از تداخل بر روی سطح لایه نفتی است .
با استفاده از برنامه ای در محیط MATLAB و IMULINK ، شدت پرتوی بازتابیده لیزر را به صورت توزیع دو بعدی و سه بعدی بدست میآوریم و نمودار شدت بازتابیده برای طرح تداخلی ماده نفتی را بر حسب افزایش ضخامت لایه بر روی سطح آب محاسبه کرده و آنرا با شدت بازتابیده آب تمیز مقایسه کنیم . با مقایسه نتایج میتوانیم از روی شکل تداخلی تشکیل شده و از روی نمودارهای شدت ، وجود آلاینده های نفتی بر روی آب را بررسی کنیم . با مقایسه تصاویر تداخلی از آب تمیز و مواد نفتی بر روی سطح آب تغییراتی را در پهنای فریزهای تداخلی ، تعداد آنها و همچنین وضوح آنها مشاهده خواهیم کرد.
-1-2 نتایج آزمایش
در روش اول با استفاده از لیزرهای نئودمیوم یاگ و لیزر دیودی قرمز رنگ ابتدا بر سطح آب تمیز و بدون آلایندگی تابش میکنیم . این تابش در جهت پایین و در سطح مشترک هوا- ماده نفتی است . بازتابندگی به صورت تابعی از زاویه تابش فرودی ، طول موج و حجم ماده نفتی برای مواد نفتی مختلف بر روی سطح آب بدست می آید که در این مقاله تنها نتایج آب آلوده به گازوئیل در حالت افزایش حجم ماده نفتی و زاویه فرود ثابت مورد بررسی قرار می-گیرد. نتایج برای آلایندههای نفتی دیگر قابل تعمیم است. شکلهای - 1-4 - و - 2-4 - نتایج تابش پایینسو بر لایه گازوئیل را بر اثر تابش از دو منبع لیزر نشان میدهد.
شکل : 1-4 نمودار تغییر بازتابندگی با افزایش حجم ماده برای تابش پایینسوی لیزر سبز بر سطح لایه گازوئیل در آب
همانطور که از نمودارها مشاهده میکنیم، میزان بازتابندگی آب تمیز مقدار ثابت 0.02 با استفاده از لیزر سبز است. هنگامی که ماده نفتی به آب اضافه میشود. با یک افزایش ناگهانی بازتابش سطحی مواجه میشویم که نشان دهنده اضافه شدن ماده نفتی به آب است .با افزایش حجم ماده نفتی مقدار بازتابش سطحی تغییر چندانی نمی کند و با یک افت کم مواجه شده و به میزان ثابتی می-رسد که برای تمام نمونه های نفتی این وضعیت را مشاهده میکنیم .
شکل : 2-4 نمودار تغییر بازتابندگی با افزایش حجم ماده نفتی لیزر برای تابش پایینسوی لیزر قرمز بر سطح لایه گازوئیل در آب
برای تابش بالاسو در سطح مشترک آب و ماده نفتی نیز نتایج مشابه خواهد بود. حال میتوانیم به این نتیجه برسیم که اضافه شدن ماده نفتی به آب باعث افزایش بازتابش سطحی آب میشود که این به دلیل بیشتر بودن بازتابش سطحی مواد نفتی نسبت به آب است . با استفاده از لیزر دیودی قرمز هم نمودارهای مشابهی بدست میآید با این تفاوت که مقادیر بازتابش هم برای آب و هم مواد نفتی کمتر از زمانی است که از لیزر سبز استفاده می کنیم . همچنین در این آزمایش نمودار تراگسیلندگی از سطح انواع آلاینده های نفتی بر اساس تغییر زاویه فرودی و تغییر حجم بدست آمده است. شکلهای - 3-4 - و -4 - - 4 نتایج تابش بالاسو بر لایه گازوئیل بر روی سطح آب را نشان میدهند.
شکل : 3-4 نمودار تغییر بازتابندگی با افزایش حجم ماده برای تابش بالاسوی لیزر سبز بر سطح لایه گازوئیل در آب
