Mercury Detection using LED techniques: a feasibility study

Abstract

Mercury is a a heavy metal and its presence in our environment constitutes an health-hazard for example in the form of methyl-mercury. Therefore, it is important to construct sensors to detect this pollutant. Research is also being performed on developing optical sensors and mercury can be detected through a range of methods, from point monitoring using Zeeman absorption to 3-D scanning of the atmosphere utilizing Lidar. The aim of the present investigation is to evaluate if a LED in the wavelength region 250-265 nm can be used in order to measure the concentration of the mercury vapour in the air via the 253.7 nm spectral line.
This could be used in developing a new type of robust and simple sensor to detect mercury. The theory part of this thesis gives a general introduction to atoms and how they behave, in order to explain the behaviour of mercury. The physics behind the investigation is briefly discussed in order to explain the methods used and developed. The difficulties behind utilizing the LED as a light source is discussed and a comparison with another light source (Hg-lamp) is performed in order to illustrate the differences and challenges between the two light sources. The different designs, which have been developed in an iterative process, are discussed and their performance is compared with each other to describe the process behind the development of the set-ups. Finally the results are presented and discussed. Even though the mercury could not be detected, this investigation lies the foundation for future reference. LEDs will achieve better performance in the future, and we expect this experiment to become more facile, but still not trivial, to perform.

Abstract (Swedish)

Kvicksilver, Hg, är ett farligt grundämne i miljön då Hg är ett flyktigt ämne. Hg blir farligt för oss människor om det ansamlas i kroppen i form av metylkvicksilver och kan orsaka skador på nervsystemet, njurar och fortplantningsorgan mm. Kvicksilver förs in i vår närmsta livsmiljö i allt större omfattning genom industriprocesser; vanligast är då förbränning av kol och användning i lampor, vulkanisk aktivitet mm.
Därför vore det fördelaktigt att ha en kvicksilverfri sensor för att undersöka kvicksilverhalten i luft.

Hur atomen beter sig när den växelverkar med ett elektromagnetiskt fält (t.ex ljus) utgör grunden för denna undersökning. Atomer har olika energinivåer; då ljus av en energi som motsvarar energiskillnaden (bland andra kriterier) mellan två nivåer växelverkar med atomen exciteras atomen och ljusintensiteten blir svagare. Kvicksilver är ett väl undersökt grundämne och metoder som Zeemanabsorption och Lidar kan användas för att undersöka kvicksilverhalten i atmosfären. Det som skiljer denna undersökning från andra är valet av ljuskälla, vilken är en lysdiod, LED, i våglängdsområdet 250-265 nm. Syftet med undersökningen är att se om det går att använda denna sort av ljuskälla för att indikera förekomst av och i förekommande fall utföra undersökningar på kvicksilver.

Arbetet består av två delar, där den svåra delen är att finna en metod för att hitta absorptionsbandet hos kvicksilver. Om absorptionsbandet hittas kommer den andra delen att kunna utföras, vilket är koncentrationsmätningar av kvicksilver vid olika temperaturer. Utrustningen i ett nivåkorsningsexperiment kommer att användas för att göra koncentrationsmätningar, för att en jämförelse mellan ljuskällorna ska kunna göras. Ljuskällan i nivåkorsningen är en kvicksilver lampa, som emitterar starkt vid en välbestämd våglängd, 253.7 nm, till skillnad från dioden som emitterar i ett intervall av våglängder.

Metoden för denna undersökning var inte sammansatt förut och behövde skapas men en initial plan fanns. När de första stegen utfördes av planen sågs vad som fungerade och inte fungerade trots att det borde ha varit optimalt från början. Att samla ljuset från LEDn gav en starkare signal, men begränsade upplösningen av ljuset. Tanken bakom undersökningen var att använda en PMT för att leta efter absorptionsbandet, samt att använda PMTn för att mäta intensitetsskillnaderna då koncentrationen ändras i cellen. Men det som utfördes var att göra detta med en spektrometer, då det är enklare att finna absorptionsbandet med en spektrometer. Det var svårt att erhålla en bra upplösning så att en signal kunde detekteras, då den optiska fibern som samlar ljuset ger denna begränsning. Denna undersökning lägger dock grunden för framtida forskning inom ämnet. I framtiden kommer LED-tekniken att utvecklas och då kommer denna undersökning att kunna förbättras och vara enklare att genomföra.

• author: Reftlér, Josefin
• supervisor: Gabriel Somesfalean
• organization: Department of Physics
• course: FYSK01 20121
• year: 2012
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: LED mercury absorption
• language: English
• id: 3459932
• date added to LUP: 2013-03-12 21:04:08
• date last changed: 2013-03-12 21:04:08