Сортировка пластика с гиперспектральными камерами Specim FX

Пластик окружает нас повсюду, но что на самом деле с ним происходит после того, как мы выбрасываем его в мусорные баки? В большинстве случаев он заканчивает свою жизнь на свалках или в мусоросжигательных заводах, при этом никогда не перерабатывается. Лишь небольшая часть пластика имеет ценность для индустрии вторичной переработки, но разделение этих ценных материалов требует больших затрат времени и средств.

Маркировка пластмассовых смол для макро-идентификации изображена на рис. 1, но она может быть бесполезной при разделении материалов на части или когда маркировка неточная. В этих случаях невозможна сортировка вручную, с помощью цветовой визуализации или передовых методов искусственного интеллекта и машинного обучения.

Рисунок 1: Маркировка пластика

Нашей окружающей среде гораздо больше пойдет на пользу процесс, который может безопасно, быстро и чисто разделять материалы для увеличения объема вторичной переработки. Помимо сохранения ресурсов, необходимых для производства новых пластмасс, усовершенствованные процессы сортировки также могут снизить опасное химическое загрязнение атмосферы.

Гиперспектральная визуализация (ГСВ) основана на анализе химического состава пластмассовых смол и в последние годы все шире используется в перерабатывающей промышленности. Способность гиперспектральных камер сортировать пластик не нова, однако некоторые ограничения не позволили внедрить эту технологию в отрасли переработки пластмасс во всем мире:

• Камеры ГСВ работали медленно, а это означало, что окупаемость инвестиций будет долгой.
• Черный пластик нельзя было отсортировать спектроскопическими методами.
• Камеры были чрезмерно дорогими.

Гиперспектральная камера Specim FX преодолела эти ограничения благодаря чему появились новые возможности использования. Камеры Specim FX быстрые, доступные по цене и охватывают широкий спектральный диапазон. Specim - единственный производитель гиперспектральных камер, который покрывает весь спектральный диапазон от 400 до 5200 нм для применения в промышленности. Specim FX10 охватывает спектральный диапазон 400 - 1000 нм, Specim FX17 охватывает 900 - 1700 нм, камера SWIR охватывает 1000 - 2500 нм, а Specim FX50 - 2700 - 5200 нм.

Компания Specim является мировым лидером в области получения гиперспектральных изображений, особенно в сфере вторичной переработки сырья. Многие камеры серии FX используются на предприятиях по вторичной переработке для сортировки различных типов пластмасс.

Компания Specim провела обширные исследования для многих образцов пластика во всем предлагаемом спектральном диапазоне. Specim с уверенностью утверждают, что смогут порекомендовать лучшее решение для спектрального анализа в зависимости от типа пластика или области применения конечного пользователя.

Исследования Specim включали измерение, анализ и классификацию следующих образцов пластика: полиэтилен (PE), АБС-пластик (ABS), поливинилхлорид (PVC), полистирол (PS), полиамиды (PA), полипропилен (PP), поликарбонаты (PC) и полиэтилентерефталат (PET). Это наиболее часто перерабатываемый пластик (обозначенный как на рис.1). Образцы были в основном белыми или прозрачными и измерялись в лаборатории Specim.

Рисунок 2: Пример измеренных образцов пластика.

Specim обработали данные с помощью разработанного ими программного обеспечения SpecimINSIGHT, являющегося частью платформы SpecimONE, и построили модели PLS-DA для каждого куба данных. Спектральный диапазон был ограничен камерой FX10 на 700 - 1000 нм, чтобы устранить любые искажения в цвете образца.

Рисунок 3: Результаты по каждой камере; Зеленый: PE; Красный: ABS; Синий PVC; Желтый: PS; Белый: PA; Сине-зеленый: PP; Голубой: PC и фиолетовый: PET.

Как видно на рис. 3, в целом сортировка была относительно эффективной.

• Камера FX10 может отсортировать большинство образцов. Поликарбонаты (PC) обычно являются прозрачным материалом, поэтому можно отсортировать только лишь край материала, а центр ошибочно классифицируется как фон.
• Для FX17 создана точная и надежная модель. То же замечание, что и для FX10, относительно образцов из PC.
• Для камеры SWIR разработана наиболее точная модель. Все образцы были хорошо отсортированы, даже PC.
• Модель, основанная на данных с камеры FX50, не была такой надежной и точной, как модели, построенные с камерами SWIR и FX17, но по-прежнему очень актуальна. Возможно также отсортировать прозрачный PC.

Спектральная характеристика всех образцов представлена ​​на рис. 4 ниже.

Рисунок 4: Полные спектры (400 - 5300 нм) образов наиболее распространенных пластиков, измеренные камерами Specim

Хорошо известно, что черный пластик проблематичен и не может быть отсортирован с помощью традиционных NIR-камер. Однако черный пластик широко используется в автомобильной и электронной промышленности, поэтому его сортировка и переработка имеют жизненно важное значение. В 2019 году была разработана камера Specim FX50 как единственное доступное гиперспектральное решение для сортировки черного пластика. Чтобы продемонстрировать работу FX50, были измерены образцы, аналогичные представленным ранее, но с углеродом, содержащимся в полимерах, чтобы сделать их черными. И снова была использована программа SpecimINSIGHT для построения моделей PLS-DA для классификации данных. Результаты показаны на рис. 5 с образцами из PS, ABS, PE, PA и PC. Были отсортированы все виды пластика.

Рисунок 5. Сортировка образцов из PS, ABS, PE, PA и PC.

Подводя итог, можно сказать, что гиперспектральные камеры Specim FX подходят для сортировки пластмасс независимо от их окраски. В зависимости от выдвинутых требований могут использоваться разные камеры. В таблице 1 ниже приведены результаты.

Таблица 1: Сортировочная способность пластика для каждой камеры. Полиэтилен (PE), АБС-пластик (ABS), поливинилхлорид (PVC), полистирол (PS), полиамиды (PA), полипропилен (PP), поликарбонаты (PC) и полиэтилентерефталат (PET) * PE, LDPE и HDPE не могут быть отсортированы. ** Черный пластик может быть отсортирован.