高光譜成像塑造可持續回收的未來(lái)

將廢物有效回收成可重復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(guò)度開(kāi)采自然資源?；厥绽玫沫h(huán)境效益是顯而易見(jiàn)的?；厥绽每梢员Ｗo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)值在于可重復使用的材料。然而，我們離回收目標還很遠。大部分收集的廢物仍然用于能源生產(chǎn)并在發(fā)電廠(chǎng)燃燒 - 而不是重復使用。價(jià)格通常是回收率低的一個(gè)因素，因為用原材料生產(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)濟上可行，重復使用材料需要比使用原始材料更便宜、更容易。通過(guò)適當的材料處理方法，可以有效地回收不同的材料并轉化為利潤。這就是高光譜成像可以發(fā)揮作用的地方。

當前在高效回收方面面臨的挑戰

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

分揀過(guò)程是回收的關(guān)鍵步驟。更好的分揀精度意味著(zhù)更好地分離不同等級的材料，從而提高回收率。典型的分揀過(guò)程基于多種技術(shù)的混合，不能只依賴(lài)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(lèi)的收集材料的類(lèi)型和數量。

大多數回收廠(chǎng)使用不同的技術(shù)，從條形碼閱讀器和RGB相機到X射線(xiàn)和渦流系統。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，因為它們識別材料的能力有限。

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

當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(lái)填埋或能源生產(chǎn)。糟糕的分類(lèi)結果也會(huì )導致利潤損失，這使得回收無(wú)利可圖，并且依賴(lài)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(wú)法應對這一挑戰。

為了彌補檢測技術(shù)的不足，仍然使用人力。手工分類(lèi)垃圾緩慢、不準確、昂貴且危險，并且將不同的塑料類(lèi)型彼此分開(kāi)仍然是不可能的，因為人眼無(wú)法區分它們。

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

高光譜相機如何提高回收效率？

高光譜相機可以根據材料的化學(xué)成分準確可靠地區分材料。它們測量和分析從材料反射或通過(guò)材料透射的光譜。當測量稱(chēng)為近紅外（NIR）的可見(jiàn)光區域以外的光譜時(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。多光譜相機通常采集一到三個(gè)光譜數據，或者在某些相機中zui多采集8個(gè)光譜波段，這意味著(zhù)在每個(gè)分揀位置，它只能識別一些基本材料。結果的純度也經(jīng)常受到限制，因為材料流中存在干擾因素。

直到zui近幾年，高光譜成像在垃圾分類(lèi)中的使用一直受到高光譜相機在速度、空間分辨率、堅固性、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的速度和分辨率，而它們的實(shí)施成本現在符合商業(yè)解決方案的投資回報率標準。此外，現在還提供用于實(shí)時(shí)處理高光譜相機產(chǎn)生的大量數據的算法和解決方案。

對于在線(xiàn)分選應用，線(xiàn)掃描高光譜相機是唯yi實(shí)用且正常工作的解決方案，因為它只需一次掃描即可同時(shí)精確地從生產(chǎn)線(xiàn)中的每個(gè)像素捕獲整個(gè)材料流的整個(gè)光譜數據。

線(xiàn)掃描（推掃式）高光譜熱像儀可以安裝在現有和新的分揀線(xiàn)上，具有適當的照明和實(shí)時(shí)數據處理解決方案，就像任何線(xiàn)陣掃描熱像儀一樣。逐個(gè)像素的材料識別結果可通過(guò)商業(yè)機器視覺(jué)系統的標準接口獲得。然后，結果可用于控制空氣噴嘴或揀選機器人。

與傳統傳感器技術(shù)相比，高光譜相機解決方案在各種廢物處理過(guò)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(lèi)不同類(lèi)型廢物流方面的附加值

當與其他技術(shù)結合使用時(shí)，高光譜相機通過(guò)提供有關(guān)材料類(lèi)型的精確信息來(lái)提高分揀精度。新一代的高光譜相機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(zhù)我們在垃圾填埋場(chǎng)處    理的廢物更少。

與具有固定光譜波段的多光譜相機相比，高光譜相機具有靈活性，可以適應各種廢物流的分類(lèi)。當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(chǎng)或自然。據估計，到2050年，海洋中的塑料將超過(guò)魚(yú)類(lèi)。大多數不可回收的塑料廢物來(lái)自無(wú)法可靠地將不同類(lèi)型的塑料分開(kāi)。

不同的聚合物在近紅外光譜區域中具有可識別的光譜特征，因此可以進(jìn)行分類(lèi)。然而，許多光譜特征彼此接近。在這里，高光譜相機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，純度可以達到接近 99%。

使用高光譜相機分揀黑色塑料

很大一部分可回收塑料由黑色塑料組成，特別是在汽車(chē)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(lèi)型很難識別，到目前為止，還沒(méi)有可靠的傳感器技術(shù)來(lái)對這些材料進(jìn)行分類(lèi)以供重復使用。即使是近紅外高光譜相機也在苦苦掙扎，因為黑碳基顏料幾乎吸收了所有的近紅外光。

除近紅外區域外，不同的塑料在稱(chēng)為中波紅外（MWIR）的較長(cháng)紅外區域中具有特征光譜特征，其中大多數黑色顏料比NIR區域“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，從而使其光譜識別成為可能。

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

以下是在實(shí)驗室中使用 Specim FX50 高光譜相機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)行準確分類(lèi)。

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環(huán)境的影響。如果可以根據使用的纖維類(lèi)型正確分類(lèi)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，構成服裝的各種纖維使再加工和回收成為一項挑戰。雖然可以使用人力進(jìn)行分類(lèi)，但這在經(jīng)濟上幾乎不可行，并且會(huì )帶來(lái)很多錯誤來(lái)源。

近紅外光譜區域中的高光譜相機可以分離zui常見(jiàn)的紡織部分類(lèi)型，從而實(shí)現自動(dòng)機器人化加工?；诮t外高光譜相機的紡織品分揀具有多種優(yōu)勢：

· 非接觸式，適合應用于傳送帶

· 提供有關(guān)純材料和混合材料的信息（定性和定量分類(lèi)）

· 分類(lèi)對使用的顏色或染料不敏感

· 易于配置不同的分揀線(xiàn)和新材料

· 為了獲得精確的顏色信息，高光譜相機可以取代RGB相機。

棉花在水、殺蟲(chóng)劑和殺蟲(chóng)劑方面是一種資源ji其密集的作物。使用再生棉花可以節省大量自然資源并減少農業(yè)污染。一些材料如棉和亞麻可以回收用于汽車(chē)絕緣或堆肥，但石油基纖維如聚酯幾乎沒(méi)有重復使用的機會(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“廢物轉化為能源"發(fā)電廠(chǎng)從商業(yè)、建筑、家庭和工業(yè)等各種來(lái)源接收材料，并將其用于垃圾衍生燃料 （RDF） 發(fā)電廠(chǎng)的發(fā)電。

RDF的值來(lái)自熱含量（圖像KK） - 由材料類(lèi)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(guò)程。

精確的燃燒過(guò)程控制和熱值只能基于正確的材料識別來(lái)計算。近紅外區域的高光譜成像為此提供了在線(xiàn)解決方案。

高光譜成像塑造了回收的未來(lái)

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。

高光譜成像對回收行業(yè)和社會(huì )的潛在影響是巨大的。高光譜相機是一種準確、可靠、無(wú)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的高光譜相機技術(shù)、分析軟件和光譜庫已經(jīng)可用，并在現代回收機器和廢物分類(lèi)設施中使用，并且由于解決以前不可行的分類(lèi)任務(wù)的需求不斷增長(cháng)，預計未來(lái)還會(huì )增長(cháng)。

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