高光譜成像塑造可持續(xù)回收的未來

將廢物有效回收成可重復(fù)使用的原材料是我們必須采取的重要努力之一，以阻止全qiu變暖和過度開采自然資源?；厥绽玫沫h(huán)境效益是顯而易見的?；厥绽每梢员Ｗo(hù)自然資源，減少溫室氣體和污染，以及在能源生產(chǎn)中使用化石燃料。它可降低塑料能耗約70%，鋼材能耗降低約60%，紙張能耗降低40%，玻璃能耗降低30%。

一個(gè)重要的價(jià)值在于可重復(fù)使用的材料。然而，我們離回收目標(biāo)還很遠(yuǎn)。大部分收集的廢物仍然用于能源生產(chǎn)并在發(fā)電廠燃燒 - 而不是重復(fù)使用。價(jià)格通常是回收率低的一個(gè)因素，因?yàn)橛迷牧仙a(chǎn)新產(chǎn)品通常比回收材料便宜。

為了使回收不僅在生態(tài)上而且在經(jīng)濟(jì)上可行，重復(fù)使用材料需要比使用原始材料更便宜、更容易。通過適當(dāng)?shù)牟牧咸幚矸椒ǎ梢杂行У鼗厥詹煌牟牧喜⑥D(zhuǎn)化為利潤。這就是高光譜成像可以發(fā)揮作用的地方。

當(dāng)前在高效回收方面面臨的挑戰(zhàn)

典型的廢物管理過程包括在回收設(shè)施中收集廢物，分離成不同的廢物部分，清潔以及zui終分類為放置在垃圾填埋場，燃燒或根據(jù)類型和純度回收的材料。

分揀過程是回收的關(guān)鍵步驟。更好的分揀精度意味著更好地分離不同等級(jí)的材料，從而提高回收率。典型的分揀過程基于多種技術(shù)的混合，不能只依賴于一種檢測技術(shù)。所使用的檢測技術(shù)通常會(huì)限制可以分類的收集材料的類型和數(shù)量。

大多數(shù)回收廠使用不同的技術(shù)，從條形碼閱讀器和RGB相機(jī)到X射線和渦流系統(tǒng)。雖然它們在一定程度上是有能力的技術(shù)，但它們并不是wan美的解決方案，因?yàn)樗鼈冏R(shí)別材料的能力有限。

例如，如果塑料瓶缺少條形碼，則無法檢測它是PET還是HDPE。電渦流檢測器可以分辨導(dǎo)電金屬，但不能分離塑料或紙漿。RGB相機(jī)可以將瓶子分為透明，黑色和彩色，但無法區(qū)分一種塑料類型與另一種塑料類型。

當(dāng)回收部分的純度不足以再利用時(shí)，我們就會(huì)失去可回收材料來填埋或能源生產(chǎn)。糟糕的分類結(jié)果也會(huì)導(dǎo)致利潤損失，這使得回收無利可圖，并且依賴于公眾的支持。

不同的廢物流需要不同的檢測和處理方法才能有效回收，而目前的回收方法不夠靈活、高效和信息豐富，無法應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

為了彌補(bǔ)檢測技術(shù)的不足，仍然使用人力。手工分類垃圾緩慢、不準(zhǔn)確、昂貴且危險(xiǎn)，并且將不同的塑料類型彼此分開仍然是不可能的，因?yàn)槿搜蹮o法區(qū)分它們。

為了高效、盈利和安全地工作，回收工廠必須配備能夠可靠、高純度地分離不同材料的傳感器。胸超成像為準(zhǔn)確和可持續(xù)的廢物回收提供了強(qiáng)大的技術(shù)。

高光譜相機(jī)如何提高回收效率？

高光譜相機(jī)可以根據(jù)材料的化學(xué)成分準(zhǔn)確可靠地區(qū)分材料。它們測量和分析從材料反射或通過材料透射的光譜。當(dāng)測量稱為近紅外（NIR）的可見光區(qū)域以外的光譜時(shí)，我們看到化學(xué)上不同的材料具有du特的光譜。

多光譜技術(shù)改善了這種情況;但是，它有其局限性。多光譜相機(jī)通常采集一到三個(gè)光譜數(shù)據(jù)，或者在某些相機(jī)中zui多采集8個(gè)光譜波段，這意味著在每個(gè)分揀位置，它只能識(shí)別一些基本材料。結(jié)果的純度也經(jīng)常受到限制，因?yàn)椴牧狭髦写嬖诟蓴_因素。

直到zui近幾年，高光譜成像在垃圾分類中的使用一直受到高光譜相機(jī)在速度、空間分辨率、堅(jiān)固性、連接性和高成本方面的性能不足的限制。

zui近的發(fā)展提高了高光譜相機(jī)的速度和分辨率，而它們的實(shí)施成本現(xiàn)在符合商業(yè)解決方案的投資回報(bào)率標(biāo)準(zhǔn)。此外，現(xiàn)在還提供用于實(shí)時(shí)處理高光譜相機(jī)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的算法和解決方案。

對(duì)于在線分選應(yīng)用，線掃描高光譜相機(jī)是唯yi實(shí)用且正常工作的解決方案，因?yàn)樗恍枰淮螔呙杓纯赏瑫r(shí)精確地從生產(chǎn)線中的每個(gè)像素捕獲整個(gè)材料流的整個(gè)光譜數(shù)據(jù)。

線掃描（推掃式）高光譜熱像儀可以安裝在現(xiàn)有和新的分揀線上，具有適當(dāng)?shù)恼彰骱蛯?shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理解決方案，就像任何線陣掃描熱像儀一樣。逐個(gè)像素的材料識(shí)別結(jié)果可通過商業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口獲得。然后，結(jié)果可用于控制空氣噴嘴或揀選機(jī)器人。

與傳統(tǒng)傳感器技術(shù)相比，高光譜相機(jī)解決方案在各種廢物處理過程中具有zhuo越的性能和多種優(yōu)勢，如表1所示。

表 1.高光譜成像在分類不同類型廢物流方面的附加值

當(dāng)與其他技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，高光譜相機(jī)通過提供有關(guān)材料類型的精確信息來提高分揀精度。新一代的高光譜相機(jī)可以將回收材料的純度提高近100%。將再生塑料的純度提高幾個(gè)百分點(diǎn)，其價(jià)值就會(huì)翻倍。提取更多可回收材料也意味著我們在垃圾填埋場處理的廢物更少。

與具有固定光譜波段的多光譜相機(jī)相比，高光譜相機(jī)具有靈活性，可以適應(yīng)各種廢物流的分類。當(dāng)新的排序算法可用時(shí)，它還可以采用它們。

高光譜成像在塑料回收中的優(yōu)勢

在所有制造的塑料中，只有9%被回收利用。12%被焚燒發(fā)電，79%用于垃圾填埋場或自然。據(jù)估計(jì)，到2050年，海洋中的塑料將超過魚類。大多數(shù)不可回收的塑料廢物來自無法可靠地將不同類型的塑料分開。

不同的聚合物在近紅外光譜區(qū)域中具有可識(shí)別的光譜特征，因此可以進(jìn)行分類。然而，許多光譜特征彼此接近。在這里，高光譜相機(jī)的高光譜分辨率是高分選精度的關(guān)鍵。例如，使用 PP、PE 和 PET 塑料，純度可以達(dá)到接近 99%。

使用高光譜相機(jī)分揀黑色塑料

很大一部分可回收塑料由黑色塑料組成，特別是在汽車和電子工業(yè)中，它們添加了碳基顏料以產(chǎn)生深灰色或黑色。黑色塑料類型很難識(shí)別，到目前為止，還沒有可靠的傳感器技術(shù)來對(duì)這些材料進(jìn)行分類以供重復(fù)使用。即使是近紅外高光譜相機(jī)也在苦苦掙扎，因?yàn)楹谔蓟伭蠋缀跷樟怂械慕t外光。

除近紅外區(qū)域外，不同的塑料在稱為中波紅外（MWIR）的較長紅外區(qū)域中具有特征光譜特征，其中大多數(shù)黑色顏料比NIR區(qū)域“更少"（吸收性較低）。因此，中波紅外光可以穿透黑色材料并從黑色材料反射，從而使其光譜識(shí)別成為可能。

使用在中波紅外區(qū)域運(yùn)行的Specim FX50高光譜相機(jī)，我們可以分揀純度接近99%的黑色ABS塑料。它是目前市場上唯yi一款在中波紅外地區(qū)運(yùn)行的高光譜相機(jī)，具有工業(yè)在線使用所需的速度、分辨率和靈敏度。

以下是在實(shí)驗(yàn)室中使用 Specim FX50 高光譜相機(jī)測量的黑色塑料分選示例。測量了 34 塊 ABS 和 PE 以及 50 塊 PS（共 <> 塊）。對(duì)于每個(gè)樣品組，一半的樣品有光澤，另一半樣品具有漫反射表面。下圖顯示了由 ABS、PS 和 PE 制成的樣品可以使用 Specim FX<> 進(jìn)行準(zhǔn)確分類。

高光譜成像在紡織品回收中的優(yōu)勢

與焚燒和填埋相比，紡織品回收減少了對(duì)環(huán)境的影響。如果可以根據(jù)使用的纖維類型正確分類和分離，那么幾乎 100% 的紡織品和服裝都可以回收利用。

增加紡織品回收的一個(gè)障礙是，構(gòu)成服裝的各種纖維使再加工和回收成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。雖然可以使用人力進(jìn)行分類，但這在經(jīng)濟(jì)上幾乎不可行，并且會(huì)帶來很多錯(cuò)誤來源。

近紅外光譜區(qū)域中的高光譜相機(jī)可以分離zui常見的紡織部分類型，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)器人化加工。基于近紅外高光譜相機(jī)的紡織品分揀具有多種優(yōu)勢：

·非接觸式，適合應(yīng)用于傳送帶

·提供有關(guān)純材料和混合材料的信息（定性和定量分類）

·分類對(duì)使用的顏色或染料不敏感

·易于配置不同的分揀線和新材料

·為了獲得精確的顏色信息，高光譜相機(jī)可以取代RGB相機(jī)。

棉花在水、殺蟲劑和殺蟲劑方面是一種資源ji其密集的作物。使用再生棉花可以節(jié)省大量自然資源并減少農(nóng)業(yè)污染。一些材料如棉和亞麻可以回收用于汽車絕緣或堆肥，但石油基纖維如聚酯幾乎沒有重復(fù)使用的機(jī)會(huì)。

焚燒材料特性

盡管材料回收率正在增加，但仍有必要焚燒某些不可回收材料的部件。這些“廢物轉(zhuǎn)化為能源"發(fā)電廠從商業(yè)、建筑、家庭和工業(yè)等各種來源接收材料，并將其用于垃圾衍生燃料 （RDF） 發(fā)電廠的發(fā)電。

RDF的值來自熱含量（圖像KK） - 由材料類型決定。某些材料，如玻璃、巖石或泥土，熱值為零。含水量和冰也會(huì)影響該過程。

精確的燃燒過程控制和熱值只能基于正確的材料識(shí)別來計(jì)算。近紅外區(qū)域的高光譜成像為此提供了在線解決方案。

高光譜成像塑造了回收的未來

提高分揀精度可提高回收材料的純度和價(jià)值，以及可重復(fù)使用的廢物百分比。為了提高分揀精度，我們需要更好的檢測系統(tǒng)。

高光譜成像對(duì)回收行業(yè)和社會(huì)的潛在影響是巨大的。高光譜相機(jī)是一種準(zhǔn)確、可靠、無損、非接觸式的檢測工具，可提高操作效率、提高材料純度并提高盈利能力。

先jin的高光譜相機(jī)技術(shù)、分析軟件和光譜庫已經(jīng)可用，并在現(xiàn)代回收機(jī)器和廢物分類設(shè)施中使用，并且由于解決以前不可行的分類任務(wù)的需求不斷增長，預(yù)計(jì)未來還會(huì)增長。

審核編輯 黃宇