Improved design and field deployment of laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) in-situ groundwater trace element analyzer
Dit artikel rapporteert de succesvolle veldinzetting van een herontworkte, zijwaarts gerichte geminiaturiseerde LIBS-grondwatersensor die door bellen veroorzaakte datavariabiliteit elimineert en verbeterde prestaties aantoont tijdens zeven weken van continue ondergrondse operatie.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Diep onder het aardoppervlak, in de donkere, onder druk staande wereld van het grondwater, kan een stille dreiging schuilen: de langzame migratie van zilt, giftig afvalwater van olie- en gasoperaties. Wanneer dit verontreinigde vocht uit injectieputten lekt, kan het de zoetwateraquifers vergiftigen waar miljoenen mensen voor hun drinkwater en landbouw op vertrouwen. Om deze lekken vroegtijdig te detecteren, hebben wetenschappers een manier nodig om precies te zien wat er in het water is opgelost, precies daar waar het zich ondergronds bevindt, zonder dat ze een monster naar een laboratorium omhoog hoeven te halen. De uitdaging is dat de omgeving daar beneden hard is, donker en vol bellen die delicate instrumenten in verwarring kunnen brengen. Onderzoekers bij het National Energy Technology Laboratory hebben gewerkt aan een hulpmiddel om dit probleem op te lossen: een kleine, robuuste sonde die een korte, intense lichtflits gebruikt om de chemische samenstelling van het water direct te analyseren.
Dit hulpmiddel vertrouwt op een techniek genaamd laser-induced breakdown spectroscopy. Stel je voor dat je een krachtige, snelvuurende laser op een druppel water richt. De laser raakt het water zo hard dat het een minuscuul deel ervan verandert in een superhete, gloeiende gaswolk die plasma wordt genoemd. Terwijl deze gloeiende wolk gedurende een fractie van een seconde afkoelt, zendt het een specifieke regenboog aan licht uit, als een vingerafdruk, die precies onthult welke elementen aanwezig zijn in het water. Door dit licht te lezen, kan de machine bepalen of er gevaarlijke metalen of zouten aanwezig zijn. Hoewel deze methode krachtig is, brengt het ondergronds plaatsen ervan een uniek probleem met zich mee. Wanneer de laser onder water vuurt, kunnen de intense hitte en de schokgolf ervoor zorgen dat er kleine gasbellen ontstaan die naar boven drijven. In de vorige versie van het apparaat bleven deze bellen direct voor het venster van de sensor hangen, waardoor de laser werd geblokkeerd en het licht werd verstrooid, net als mist op een autoruit. Dit maakte de metingen onbetrouwbaar en zorgde ervoor dat het signaal in de loop van de tijd vervaagde.
Om dit op te lossen, heeft het onderzoeksteam de sonde herontworpen om de richting van de laser te veranderen. In plaats van de straal recht naar beneden naar de bodem van de sensor te schieten, hebben ze een speciale adapter toegevoegd die de straal negentig graden draait, zodat deze uit de zijkant van het apparaat schiet. Deze eenvoudige verandering zorgt ervoor dat eventuele door de laser gecreëerde bellen natuurlijk wegstijgen van het sensorvenster, in plaats van vast te komen te zitten voor het venster. Het team heeft een nieuwe adapter gebouwd met behulp van 3D-printen en roestvrij staal, en deze op hun bestaande sonde gemonteerd. Vervolgens lieten ze dit aangepaste apparaat in een monitoringsput in West Virginia zakken, waar het zeven weken lang ondergedompeld bleef in het grondwater. De sonde vuurde duizenden keren per dag zijn laser af en verzamelde continu gegevens terwijl hij op een diepte van 27 voet lag, waar de waterdruk aanzienlijk is.
De resultaten van deze langdurige test waren duidelijk en bemoedigend. In tegen tegenstelling tot het eerdere ontwerp, dat kampte met vervagende signalen door de ophoping van bellen, behield het nieuwe zijwaartse ontwerp gedurende de gehele periode van zeven weken een stabiel, sterk signaal. De verzamelde gegevens toonden aan dat het systeem betrouwbaar veelvoorkomende elementen zoals calcium, natrium en kalium kon detecteren, en zelfs sporen van mangaan en lithium kon opsporen wanneer er voldoende gegevens waren verzameld. De onderzoekers ontdekten dat het nieuwe ontwerp het signaalverlies door bellen elimineerde, wat bewees dat de zijwaartse aanpak werkt voor stabiele, langdurige monitoring. Hoewel de nieuwe adapter de algehele helderheid van het signaal iets verminderde vanwege de extra spiegels en lenzen die nodig waren om de straal om te buigen, was deze afruil de waardering waard voor de stabiliteit die het bood.
Dit werk demonstreert dat de technologie klaar is voor de volgende stap: kleiner, eenvoudiger en meer geautomatiseerd worden. Het huidige apparaat is net iets meer dan twee inch breed, wat al klein genoeg is voor veel monitoringsputten, maar het team gelooft dat het nog verder kan worden verkleind om in nog nauwere ruimtes te passen. Het succes van deze veldtest suggereert dat een dergelijk apparaat uiteindelijk niet alleen gebruikt kan worden voor het bewaken van afvalwaterinjectieplaatsen, maar ook voor het monitoren van industriële processen, het controleren van zure mijnafwatering of het volgen van de waterkwaliteit in realtime. Door het probleem van onderwaterbellen op te lossen, hebben de onderzoekers een belangrijke hindernis genomen, waardoor we dichter bij een toekomst komen waarin we de chemie van ons grondwater kunnen observeren terwijl het gebeurt, om zo te garanderen dat ons water veilig en schoon blijft.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.