Boniphace Kanayathare
Kirjoittaja, tansanialainen Boniphace Kanayathare voitti MALin gradupalkinnon tänä vuonna. Tällä hetkellä hän suorittaa jatko-opintoja Suranareen teknillisessä korkeakoulussa Thaimaassa tähtäimessä tohtorin tutkinto aihealueena elektroniikka ja fotoniikka. Boniphace palaa Tansaniaan Dar es Salaamiin teknologian instituuttiin apulaislehtoriksi. Hänen tavoitteenaan on edistää käytännöllisten, edullisten ja kehitysmaille soveltuvien antureiden kehittämistä kerosiinilla jatkettujen polttoaineväärennösten havaitsemiseen. Kanayatharen työ hyväksyttiin Itä-Suomen yliopiston fysiikan ja matematiikan laitoksella. Työtä ohjasi professori Kai-Erik Peiponen.
Dieselöljyä ja bensiiniä väärennetään Afrikassa, Intiassa, Brasiliassa jne. Tämä on vakava ongelma [1] koska näissä maissa viranomaisten on vaikea mitata nestemäisten polttoaineiden väärennöksiä. Usein mittausongelma kulminoituu siihen, että ei ole varaa ostaa kalliita mittalaiteitta, jotka olisivat sopivia ja luotettavia erityisesti kenttäolosuhteissa tehtäviin mittauksiin. Dieselöljyn ja bensiinin ”jatkamisella” kerosiinia hyväksi käyttäen on useita erilaisia vaikutuksia. Se lisää ilmansaastumista, aiheuttaa konevaurioita ja siten myös mahdollisia liikenneonnettomuuksia, ja pitkällä tähtäimellä vaikuttaa ilmastonmuutokseen. Pääsyynä kerosiinin hyväksikäyttöön on sen halpuus. Polttoaineiden väärentäjät myyvät polttoainetta autenttisena ja normaalihintaisena kehitysmaissa jopa huoltoasemilla.
Pro gradu -tutkimukseni tavoitteena oli tutkia optisten mittaustekniikoiden avulla dieselöljyjä, joiden kerosiinipitoisuus oli suhteellisen pieni. Bensiinissä olevan kerosiinin mittaaminen on helppoa ja luotettavaa, sen sijaan väärennetty dieselöljy on huomattavasti ongelmallisempi mittauskohde. Tavallisesti, kun keksitään jokin väärennetyn tuotteen paljastava mittausmenetelmä, väärentäjien vastaveto on muuttaa konseptia kerosiinin pitoisuuden muuttamisella. Tutkimuksessani mittasin ensiksi laboratorio-olosuhteissa dieselöljy-kerosiini näytteitä käyttäen hyväksi spektrofotometria sekä ns. Abbe-refraktometreja [2]. Spektrofotometrin avulla mittasin sekä autenttisten dieselöljyjen, kerosiinin ja näiden sekoitusten läpäisyspektrejä sekä näkyvän valon että lähi-infrapuna säteilyn aallonpituuskaistoilla. Tutkimuksissani käytin Abbe-refraktometrin pöytälaitetta (tarkkuuslaite) sekä ns. käsilaitetta (tarkkuus huonompi). Abbe-refraktometrin avulla voidaan mitata nesteiden taitekerrointa ja se tapahtuu tavallisesti käyttäen kiinteää valon aallonpituutta 589 nm. Taitekerroin on yksi aineen (kiinteä, neste ja kaasu) perusominaisuuksista, jonka avulla aine voidaan tunnistaa ja mitata myös sen puhtautta. Abbe-refraktometeria käytettään mm. prosessiteollisuudessa veden puhtauden mittaamiseksi. Muita sovelluksia ovat mm. maidon, virvoitusjuomien, alkoholien yms. laadunvalvonta. Tässä tutkimuksessa käsilaite oli kuitenkin sellainen, jota tavallisesti käytetään vedessä olevan sokerin mittaamiseksi. Valinta tehtiin sen takia, että kehitysmaissa samaa laitetta voisi käyttää useissa eri tarkoituksissa.
Läpäisyspektrejä ja Abbe-refraktometrilla tehtyjä taitekerroinmittauksia on mahdollista yhdistää siten, että polttoaineiden (ja muidenkin nesteiden) taitekerroin voidaan määrätä mitatun läpäisyspektrin kaistalla. Tämä antaa lisämahdollisuuden löytää eroja väärennettyjen ja autenttisten polttoaineiden välillä. Sen vuoksi tutkimuksessani käytin myös ns. Kramers-Kronig dispersiorelaatiota [3], jonka avulla pystyin laskemaan näytteiden taitekertoimeen liittyviä dispersiokäyriä. Tutkimuksessa kehitettyjä menetelmiä voi soveltaa myös bioetanolin ja biodieselin laaduntarkkailussa.
Kuvassa 1 on esitetty spektrofotometrin avulla näytteistä mitattuja tyypillisiä läpäisykäyriä. Kuvan 1 perusteella puhtaan suomalaisen dieselöljyn ja kerosiinia sisältävien dieselöljyjen läpäisykäyrät ovat samantyyppisiä ja lähi-infrapuna-alueella olevat spektrin sormenjäljet ovat päällekkäin. Puhdas dieselöljy erottuu kerosiinia sisältävistä näytteistä, mutta 5-15 % kerosiinia sisältävien näytteiden spektrit ovat käytännössä lähes päällekkäin. Laboratorioluokan tarkkuusspektrofotometria ei voi valitettavasti viedä kenttäolosuhteisiin.
läpäisyspektrejä mittausaallonpituuden funktiona.
Voimakas absorptio 1200 ja 1400 nm
alueilla johtuu hiilivedyistä.
Taulukossa 1 on esitetty sekä pöytälaitteen että kädessä pidettävän refraktometrin antamat taitekerroinlukemat kuvan 1 näytteille. Selvästi pöytälaite tunnistaa varmasti väärennetyt dieselöljyt, mutta laite ei ole kenttäkelpoinen, koska se vaatii toimiakseen vaihtovirtaa. Käsilaite tunnistaa väärennökset, mutta ei löydä eroa 10 % ja 15 % välillä. Joka tapauksessa laitetta voidaan käyttää päätöksenteossa autenttinen/väärennetty dieselöljy. Mikäli tieto kerosiinin pitoisuudesta on oleellista, niin jatkomittaukset voi tehdä pöytälaitteen avulla.
Taulukossa 2 on esimerkki Tansaniassa tehdyistä mittauksista. Myös näillä näytteillä 10 % ja 15 % näytteet eivät erotu toisistaan, mutta mitatun taitekerroinlukeman perusteella niistä voidaan varmuudella sanoa, että ne ovat väärennöksiä koska käsimittarin tarkkuus on riittävä. Mielenkiintoista on se, että tansanialaisen dieselöljyn taitekerroin on pienempi kuin vastaavan suomalaisen polttoaineen. Tämä johtuu siitä, että eri maanosista tulevilla raakaöljyillä on tavallisesti erisuuret taitekertoimet.
Taulukko 1: Ensimmäisessä sarakkeessa on pöytälaitteella mitattu näytteiden
taitekerroinlukema, ja toisessa vastaava lukuarvo, joka saatiin käsilaiteella.
Taulukko 2: Tansaniassa mitattuja lukemia. Ilman lämpötila oli 25 0C
Laboratoriossa ja Tansaniassa tehdyt mittaukset stimuloivat uudentyyppisen kädessä pidettävän laitteen prototyypin kehittämistyötä. Myös tässä laitteessa nesteen taitekertoimella on tärkeä rooli, mutta toiminta on toisentyyppinen verrattuna Abbe-refraktometriin. Prototyyppi pystyy erottelemaan selkeästi 5 – 15 % kerosiinia sisältävät dieselöljyt toisistaan. Tätä laitetta on tarkoitus kehittää edelleen ja testata sen toimintaa kenttäolosuhteissa. Mainittakoon, että samaa prototyyppiä, mutta mittapäätä helposti vaihtamalla, voidaan hyödyntää myös erottelemaan autenttisia ja väärennettyjä malarialääketabletteja. Valitettavasti kehitysmaissa tehdään erilaisten tuotteiden laittomia väärennöksiä. Pro gradututkimukseni tavoitteena oli kehittää mittausmenetelmiä, jotka voisivat auttaa viranomaisia tunnistamaan helposti kerosiinia sisältäviä dieselöljyjä. Lopullinen tavoite on kehittää yksinkertainen mittausmenetelmä, jota ajoneuvojen kuljettajat voisivat hyödyntää polttoaineen ostopäätöstä tehdessään.
Teksti ja kuvat Boniphace Kanayathare
Lähteitä
1. N. Garg, S. Mohan, A. Pal, R. S. Mishra, “Fuel adulteration, problem and migitation strategies: A review” (ICARI-201, 340-343)
2. J. Räty, K.-E. Peiponen, T. Asakura, “UV-Visible Reflection Spectroscopy of Liquids” (Springer, Berlin 2004)
3. V. Lucarini, J. J. Saarinen, K.-E. Peiponen, E. M. Vartiainen, ”Kramers-Kronig Relations in Optical Materials Research” (Springer, Berlin, 2005).