高光譜相機(jī)在塑料分類(lèi)與回收上的應(yīng)用

近年來(lái)隨著人口數(shù)量日益增長(zhǎng)、生活節(jié)奏加快以及日常生活用品迭代更新，使得生活垃圾產(chǎn)量迅速上升，垃圾組成成分更加的復(fù)雜化、多樣化。這種情況的出現(xiàn)增加了垃圾分類(lèi)與回收的復(fù)雜程度與難度。現(xiàn)有對(duì)可回收垃圾檢測(cè)與分類(lèi)的各種方法，大都存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，分類(lèi)效率低，多種垃圾無(wú)法同時(shí)快速分揀等問(wèn)題。

在眾多不同種類(lèi)的垃圾中，廢舊塑料的分類(lèi)是現(xiàn)階段垃圾分類(lèi)中比較重要與關(guān)鍵的一環(huán)。塑料在我們的生活中隨處可見(jiàn)，現(xiàn)階段大多數(shù)廢舊塑料本身沒(méi)有被回收，而是在垃圾填埋場(chǎng)或焚燒爐中結(jié)束其生命。另有一小部分塑料對(duì)回收行業(yè)有價(jià)值，但分離這些高價(jià)值塑料的成本和時(shí)間都很高。目前國(guó)內(nèi)塑料分揀大多由人工完成，同樣存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，分類(lèi)效率低，多種塑料無(wú)法同時(shí)快速分揀的問(wèn)題。

如何快速高效分揀塑料

通常可以給廢舊塑料貼上標(biāo)簽進(jìn)行宏觀識(shí)別，但待分揀塑料較小或標(biāo)簽粘貼錯(cuò)誤時(shí)，分揀效果就會(huì)較差。在這些情況下，通過(guò)人工、或顏色可視化等方式進(jìn)行分類(lèi)是不正確或不可行的。

圖1 各類(lèi)塑料制品材質(zhì)

如何安全、快速、高效的分揀回收廢舊塑料就成為了再生資源行業(yè)重要的課題之一。

高光譜技術(shù)通過(guò)檢測(cè)塑料制品的化學(xué)成分對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，近年來(lái)已在回收行業(yè)應(yīng)用。但一些簡(jiǎn)單的高光譜檢測(cè)儀器的局限性也阻礙了這項(xiàng)技術(shù)在塑料回收行業(yè)的具體實(shí)施，如：

• 檢測(cè)速度慢，投資回報(bào)率低
• 黑塑料分類(lèi)效果較差
• 價(jià)格昂貴

使用高光譜相機(jī)分揀塑料

柯尼卡美能達(dá)集團(tuán)旗下的SPECIM作為專(zhuān)注于高光譜成像技術(shù)的品牌，是高光譜成像技術(shù)的全球領(lǐng)先者之一，也是一家致力于為行業(yè)覆蓋400-5300nm全光譜范圍的高光譜相機(jī)制造商。尤其是在塑料回收行業(yè)，許多SPECIM FX系列高光譜相機(jī)已被再生資源工廠所使用，以分揀不同類(lèi)型的廢舊塑料。

使用FX系列對(duì)大多白色或透明PE、ABS、PVC、PS、PA、PP、PC和PET等樣品的測(cè)量、分析和分類(lèi)。

圖2 待測(cè)塑料樣品圖像

使用的SPECIM INSIGHT軟件處理數(shù)據(jù)，為每個(gè)樣品數(shù)據(jù)立方體建立PLS-DA模型。我們將FX10的光譜范圍限制在700-1000nm，以消除樣品顏色的任何偏差。

圖3 不同SPECIM高光譜相機(jī)測(cè)試偽彩圖
（綠色PE，紅色ABS，藍(lán)色PVC，黃色PS，白色PA，海綠色PP，青色PC，紫色PET）

從上圖中可以看出，對(duì)于常規(guī)分揀的效果較好。

• 使用FX10，我們可以對(duì)大部分的樣本進(jìn)行分類(lèi)。其中PC通常是透明的，所以只有邊緣可以被分類(lèi)，而中心被錯(cuò)誤地歸類(lèi)為背景。
• 使用FX17，我們產(chǎn)生了一個(gè)準(zhǔn)確和穩(wěn)健的模型。同樣由于PC通常是透明的，所以只有邊緣可以被分類(lèi)，而中心被錯(cuò)誤地歸類(lèi)為背景。
• 使用SWIR相機(jī)，我們產(chǎn)生了非常準(zhǔn)確的模型。所有的樣品都得到了很好的分類(lèi)，包括PC材質(zhì)的樣品。
• 使用FX50，數(shù)據(jù)的模型并不像用SWIR和FX17相機(jī)建立的那樣穩(wěn)健和準(zhǔn)確，但相關(guān)性仍可接受，同樣也可以對(duì)透明的PC進(jìn)行分類(lèi)。

圖4 SPECIM高光譜相機(jī)測(cè)得的常見(jiàn)塑料400-5300nm光譜反射曲線(xiàn)
（PE，ABS，PVC，PS，PA，PP，PC，PET）

Specim的優(yōu)勢(shì)

眾所周知，黑色塑料現(xiàn)今被廣泛用于汽車(chē)和電子行業(yè)，因此分揀和回收至關(guān)重要。但使用傳統(tǒng)近紅外工業(yè)相機(jī)分揀無(wú)法得到很好的效果，黑塑料中碳基顏料幾乎吸收了所有的近紅外光，使得難以區(qū)分識(shí)別。SPECIM在2019年開(kāi)發(fā)了FX50高光譜相機(jī)，其可以覆蓋2700—5300nm的測(cè)試。使用FX50測(cè)試由PS、ABS、PE、PA和PC制成的黑色塑料樣品，然后通過(guò)SPECIM INSIGHT軟件建立PLS-DA模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分類(lèi)，效果可以到達(dá)分揀目的。

圖5 黑塑料SPECIM高光譜測(cè)試圖像

綜上所述，可以看出SPECIM FX系列高光譜相機(jī)適用于各種塑料分類(lèi)，無(wú)論其顏色如何，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以使用不同型號(hào)的相機(jī)應(yīng)對(duì)。

表 針對(duì)不同材質(zhì)塑料SPECIM高光譜相機(jī)型號(hào)適用情況
（*PE、LDPE和HDPE不能分離，**黑塑料適用）

高效準(zhǔn)確的回收可以節(jié)約自然資源，減少溫室氣體和污染，以及能源生產(chǎn)中對(duì)化石燃料的使用。SPECIM回收解決方案可幫助再生資源行業(yè)對(duì)廢舊塑料更好的分揀與分類(lèi)。