作者： 时间：2023-09-15
将废物有效回收成可重复使用的原材料是我们必须采取的重要努力之一，以阻止全球变暖和过度开采自然资源。回收利用的环境效益是显而易见的。回收利用可以保护自然资源，减少温室气体和污染，以及在能源生产中使用化石燃料。它可降低塑料能耗约70%，钢材能耗降低约60%，纸张能耗降低40%，玻璃能耗降低30%。
一个重要的价值在于可重复使用的材料。然而，我们离回收目标还很远。大部分收集的废物仍然用于能源生产并在发电厂燃烧 - 而不是重复使用。价格成本通常是回收率低的一个因素，因为用原材料生产新产品通常比回收材料便宜。
为了使回收不仅在生态上而且在经济上可行，重复使用材料需要比使用原始材料更便宜、更容易。通过适当的材料处理方法，可以有效地回收不同的材料并转化为利润。这就是高光谱成像可以发挥作用的地方。
当前高效回收的挑战
一般废物管理的过程包括在回收设施中收集废物，分离成不同的废物部分，清洁以及最终分类为放置在垃圾填埋场，燃烧或根据类型和纯度回收的材料。
分拣过程是回收的关键步骤。更好的分拣精度意味着更好地分离不同等级的材料，从而提高回收率。一般的分拣过程基于多种技术的混合，不能只依赖于一种检测技术。所使用的检测技术通常会限制可以分类的收集材料的类型和数量。
大多数回收厂使用不同的技术，从条形码阅读器和RGB相机到X射线和涡流系统。虽然它们在一定程度上是有能力的技术，但它们并不是完美的解决方案，因为它们识别材料的能力有限。
例如，如果塑料瓶缺少条形码，则无法检测它是PET还是HDPE。电涡流检测器可以分辨导电金属，但不能分离塑料或纸浆。RGB相机可以将瓶子分为透明，黑色和彩色，但无法区分一种塑料类型与另一种塑料类型。
不同的废物流需要不同的检测和处理方法才能有效回收，而目前的回收方法不够灵活、高效和信息丰富，无法应对这一挑战。
为了弥补检测技术的不足，去使用人力。手工分类垃圾缓慢、不准确、昂贵且危险，并且将不同的塑料类型彼此分开仍然是不可能的，因为人眼无法区分它们。
为了高效、盈利和安全地工作，回收工厂必须配备能够可靠、高纯度地分离不同材料的传感器。高光谱成像为准确和可持续的废物回收提供了强大的技术。
高光谱相机如何提高回收效率？
高光谱相机可以根据材料的化学成分准确可靠地区分材料。它们测量和分析从材料反射或通过材料透射的光谱。当测量称为近红外（NIR）的可见光区域以外的光谱时，我们可以看到化学上不同的材料具有独特的光谱并以此区分。
多光谱技术改善了这种情况;但是，它有其局限性。多光谱相机通常只能采集一到三个光谱数据，或者在某些相机中最多采集8个光谱波段，这意味着在每个分拣位置，它只能识别一些基本材料。结果的纯度也经常受到限制，因为材料流中存在干扰因素。
高光谱成像在垃圾分类中的使用一直受到，在速度、空间分辨率、坚固性、连接性和高成本方面的限制，直到最近几年的发展提高了高光谱相机的速度和分辨率，而它们的实施成本现在符合商业解决方案的投资回报率标准。此外，现在还提供用于实时处理高光谱相机产生的大量数据的算法和解决方案。
对于在线分选的应用，线扫描高光谱相机是唯一实用且正常工作的解决方案，因为它只需一次扫描即可同时精确地从生产线中的每个像素捕获整个材料流的整个光谱数据。
线扫描（推扫式）高光谱热像仪可以安装在现有和新的分拣线上，具有适当的照明和实时数据处理解决方案，就像任何线阵扫描热像仪一样。逐个像素的材料识别结果可通过商业机器视觉系统的标准接口获得。然后，结果可用于控制空气喷嘴或拣选机器人。
与传统传感器技术相比，高光谱相机解决方案在各种废物处理过程中具有卓越的性能和多种优势，如表1所示。
表 1.高光谱成像在分类不同类型废物流方面的附加值
当与其他技术结合使用时，高光谱相机通过提供有关材料类型的精确信息来提高分拣精度。最新一代的高光谱相机可以将回收材料的纯度提高近100%。将再生塑料的纯度提高几个百分点，其价值就会翻倍。提取更多可回收材料也意味着我们在垃圾填埋场处理的废物更少。
高光谱成像在塑料回收中的优势
在所有制造的塑料中，只有9%被回收利用。12%被焚烧发电，79%用于垃圾填埋场或自然。据估计，到2050年，海洋中的塑料将超过鱼类。大多数不可回收的塑料废物来自无法可靠地将不同类型的塑料分开。
当我们对塑料进行分类和分离时，高质量和有价值的聚合物可以重复使用。分拣的主要目标是减少非目标塑料聚合物的数量以及纸张、金属、玻璃、油、土壤或其他污染物等非塑料的数量。塑料中也可能含有不需要的添加剂，如阻燃剂，可以用高光谱相机进行检测、识别和分类。
不同的聚合物在近红外光谱区域中具有可识别的光谱特征，因此可以进行分类。然而，许多光谱特征彼此接近。在这里，高光谱相机的高光谱分辨率是高分选精度的关键。例如，使用 PP、PE 和 PET 塑料，纯度可以达到接近 99%。
使用高光谱相机分拣黑色塑料
很大一部分可回收塑料由黑色塑料组成，特别是在汽车和电子工业中，它们添加了碳基颜料以产生深灰色或黑色。众所周知，黑色塑料类型很难识别，到目前为止，还没有可靠的传感器技术来对这些材料进行分类以供重复使用。即使是近红外高光谱相机也在苦苦挣扎，因为黑碳基颜料几乎吸收了所有的近红外光。
除近红外区域外，不同的塑料在称为中波红外（MWIR）的较长红外区域中具有特征光谱特征，其中大多数黑色颜料比NIR区域“更少”（吸收性较低）。因此，中波红外光可以穿透黑色材料并从黑色材料反射，从而使其光谱识别成为可能。
使用在中波红外区域运行的Specim FX50高光谱相机，我们可以分拣纯度接近99%的黑色ABS塑料。它是目前市场上唯一一款在中波红外地区运行的高光谱相机，具有工业在线使用所需的速度、分辨率和灵敏度。
以下是在实验室中用Specim FX50高光谱相机测量的黑色塑料分类示例。将12片ABS和PE与10片PS（总共34片）一起测量。对于每个样品组，一半的样品是有光泽的，另一半具有漫射表面。下图显示，由ABS、PS和PE制成的样品可以使用Specim FX50进行准确分类。
高光谱成像在纺织品回收中的优势
与焚烧和填埋相比，纺织品回收减少了对环境的影响。如果可以根据使用的纤维类型正确分类和分离，那么几乎 100% 的纺织品和服装都可以回收利用。
近红外光谱区域中的高光谱相机可以分离最常见的纺织部分类型，从而实现自动机器人化加工。基于近红外高光谱相机的纺织品分拣具有多种优势：
-非接触式，适合应用于传送带
-提供有关纯材料和混合材料的信息（定性和定量分类）
-分类对使用的颜色或染料不敏感
-易于配置不同的分拣线和新材料
-为了获得精确的颜色信息，高光谱相机可以取代RGB相机。
棉花在水、杀虫剂和杀虫剂方面是一种资源极其密集的作物。使用再生棉花可以节省大量自然资源并减少农业污染。一些材料如棉和亚麻可以回收用于汽车绝缘或堆肥，但石油基纤维如聚酯几乎没有重复使用的机会。
焚烧的材料表征
尽管材料回收率正在增加，但仍有必要焚烧某些不可回收材料的部件。这些“废物转化为能源”发电厂从商业、建筑、家庭和工业等各种来源接收材料，并将其用于垃圾衍生燃料 （RDF） 发电厂的发电。
RDF的值来自热含量（图像KK） - 由材料类型决定。某些材料，如玻璃、岩石或泥土，热值为零。含水量和冰也会影响该过程。
精确的燃烧过程控制和热值只能基于正确的材料识别来计算。近红外区域的高光谱成像为此提供了解决方案。
高光谱成像塑造了回收的未来
提高分拣精度可提高回收材料的纯度和价值，以及可重复使用的废物百分比。为了提高分拣精度，我们需要更好的检测系统。
高光谱成像对回收行业和社会的潜在影响是巨大的。高光谱相机是一种准确、可靠、无损、非接触式的检测工具，可提高操作效率、提高材料纯度并提高盈利能力。
先进的高光谱相机技术、分析软件和光谱库已经可用，并在现代回收机器和废物分类设施中使用，并且由于解决以前不可行的分类任务的需求不断增长，预计未来还会增长。
