DE4312915A1

DE4312915A1 - Verfahren und Anordnung zur IR-spektroskopischen Trennung von Kunststoffen

Info

Publication number: DE4312915A1
Application number: DE4312915A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr Rer Nat Lucht; Hartmut Dipl Ing Duerr; Ulrich Dr Ing Plauschin
Original assignee: LASER LABOR ADLERSHOF GmbH
Current assignee: LASER LABOR ADLERSHOF GmbH
Priority date: 1993-04-10
Filing date: 1993-04-10
Publication date: 1994-10-13

Description

Die Erfindung betrifft die sortenreine Trennung von Kunst stoffen insbesondere von Kunststoffabfällen mit Hilfe der IR-Spektroskopie und basiert auf dem Umstand, daß einige Kunststoffe ein charakteristisches IR-Spektrum haben.

Eine Anordnung zur Trennung von Stoffen allgemeiner Beschaf fenheit mit Hilfe der IR-Spektroskopie ist aus der US-PS 3 747 755 bekannt. Diese Anordnung hat eine Infra rot-Strahlungsquelle, deren Strahlung durch einen mechani schen Chopper niederfrequent moduliert wird und anschlie ßend über einen Spiegel, der die Strahlung kollimiert, einer Probe zugeführt wird. Die Strahlung liegt in einem Wellenlängenbereich von 2,5 bis 3,8 µm, d. h. im Bereich molekularer Grundschwingungen organischer Stoffe. Die von der Probe reflektierte Strahlung wird über Spektralfilter, die nacheinander in den Strahlengang geschwenkt werden, einem Detektor zugeführt. In dem dort beschriebenen Ausfüh rungsbeispiel wird die Strahlungsintensität für vier charak teristische Wellenlängen ermittelt. Mit Hilfe von Rechnern werden diese Spektren nach Prinzipien der Mustererkennung ausgewertet und die entsprechenden Musterklassen erkannt. Das beschriebene Verfahren wird für geschäumtes Polystyrol, Glas, Papier und Gummi eingesetzt.

Die zu sortierenden Stoffe werden auf einem Förderband an dem IR-Detektor vorbeigeleitet und nach Erkennung des Materials durch Steuerung einer mechanischen Trennanordnung sortiert.

Der Nachteil dieser Anordnung besteht in der unzureichenden Empfindlichkeit und Schnelligkeit der verfügbaren Detekto ren. Außerdem treten in dem angegebenen Spektralbereich störende atmosphärische Absorptionen auf, so daß die Zuver lässigkeit der Erkennung beinträchtigt wird. Weiterhin besteht der Nachteil, daß für das hier angewandte Musterer kennungsverfahren umfangreiche mathematische Operationen erforderlich sind, die die Sortiergeschwindigkeit begren zen.

Aus der Zeitschrift "Kunststoffe" 82 (1992), 4, S. 293-294 ist es einerseits bekannt, Kunststoffe mit Hilfe der IR-Spek troskopie im Spektralbereich des nahen Infrarot (NIR) zu identifizieren. In diesem Bereich absorbieren Moleküle Strahlung mit Oberton- und Kombinationsschwingungen. Es ist dort dargestellt, daß sich Kunststoffe unterschiedlicher chemischer Struktur anhand von charakteristischen Peaks für die CH-, OH-, NH- und CO-Bindungen identifizieren lassen. Der Vorteil der Messung im NIR liegt in der Verfügbar keit von empfindlichen und schnellen Photodetektoren, wie Ge- und InSb-Detektoren.

Andererseits wird in dieser Veröffentlichung (S. 294, Spalte 3) auch zum Ausdruck gebracht, daß die Nutzung der NIR-Spek troskopie für die Identifizierung erst ganz am Anfang steht. So sind in dieser Veröffentlichung auch keine Hinwei se enthalten, wie mit Hilfe der charakteristischen Peaks die Identifizierung erfolgen soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sortenerken nung von Kunststoffen in kürzerer Zeit und mit geringerem Aufwand IR-spektroskopisch zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird das durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.

Bei einem IR-spektroskopischen Verfahren wird erfindungsge mäß die Intensität der diffus reflektierten Strahlung bei jeder Probe für eine diskrete Zahl von Wellenlängen gleich zeitig gemessen und die dabei gemessenen Intensitäten werden verglichen.

Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß eine verein fachte Mustererkennung durchgeführt wird, bei der eine geringe Anzahl von Rechenoperationen erforderlich ist. Es wurde gefunden, daß durch den Vergleich von Intensitäten bei wenigen ausgewählten Wellenlängen ein vereinfachtes, für den jeweiligen Kunststofftypisches Muster erzielbar ist, daß eine eindeutige Identifizierung von Kunststoffen ermöglicht.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die zu sortierenden Kunststoffe mit einer Strahlung im nahen Infrarotbereich bestrahlt werden.

Es ist zweckmäßig, bei Wellenlängen zu messen, bei denen je weils eine Kunststoffart ein Intensitätsminimum der reflek tierten Strahlung aufweist.

Sollen z. B. drei unterschiedliche Kunststoffe sortiert werden, ist jede Probe gleichzeitig bei drei Wellenlängen zu messen, wobei durch einen ersten Vergleich der Intensi tät der reflektierten Strahlung bei der niedrigsten Wellen länge mit der der zweitniedrigsten eine Kunststoffart er mittelt wird und durch einen zweiten Vergleich der im ersten Vergleich größeren Intensität bei einer Wellenlänge mit der Intensität der dritten Wellenlänge die übrigen beiden Kunststoffarten ermittelt werden.

Zur Messung des Lichtes bei bestimmten Wellenlängen kann jeder Detektor ein Schmalbandfilter für eine der erforder lichen Wellenlängen haben und jedem Detektor ist je ein Teilkabel eines geteilten Lichtleitkabels zugeordnet, dessen Eingang im Strahlengang der Optik zur Erfassung des von der Probe reflektierten Lichtes liegt.

Eine weitere Möglichkeit zur Messung des Lichtes bei be stimmten Wellenlängen besteht darin, daß der Optik zur Er fassung des von der Probe reflektierten Lichtes ein Disper sionselement, z. B. ein Prisma oder Gitter im Strahlengang nachgeordnet ist, und daß zur Erfassung des Lichtes der er forderlichen Wellenlänge eine Sensorzeile oder mehrere Detektoren angeordnet sind.

Die Messung im nahen Infrarot (Wellenlänge 0,7 bis 2,5 µm) hat zwar allgemein den Nachteil, daß die Absorptionsbanden wesentlich schwächer sind als bei der Messung mit größeren Wellenlängen und den dort vorhandenen Banden der Grund schwingung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem Si gnale an einigen diskreten Stellen im Spektrum verglichen werden, spielen diese Nachteile jedoch keine Rolle.

Zusätzlich ergeben sich durch die Messung im nahen Infrarot jedoch einige Vorteile. So ist die Nachweisempfindlichkeit der verfügbaren Detektoren höher als im langwelligen Be reich. Weiterhin genügen für die optische Strahlführung übliche Medien, wie Glas oder Quarz, während im langwelli gen Bereich spezielles IR-Material erforderlich ist. Als Strahlungsquellen eignen sich Glühlampen, so daß spezielle IR-Lichtquellen nicht erforderlich sind. Atmosphärische Einflüsse, wie z. B. Wasser, Kohlendioxid-Absorption, spie len im nahen Infrarotbereich nur eine untergeordnete Rolle.

Die Erfindung soll in Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 die diffuse Reflexion von IR-Licht an drei unterschiedlichen Kunststoffen in Abhängigkeit von der Wellenlänge;

Fig. 2 die schematische Darstellung der Verfahrens schritte zur IR-spektroskopischen Erkennung von drei verschiedenen Kunststoffen nach Fig. 1;

Fig. 3 die schematische Darstellung der Verfahrens schritte zur IR-spektroskopischen Erkennung von fünf verschiedenen Kunststoffen;

Fig. 4 eine Anordnung zur gleichzeitigen Messung mehrerer Spektralintervalle mit Bandfiltern;

Fig. 5 eine Anordnung zur gleichzeitigen Messung aller Spektralintervalle unter Verwendung eines Dispersionselementes.

In der Fig. 1 ist für drei Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ die diffuse Reflexion von drei verschiedenen Kunststoffen A, B, C dargestellt. Es ist ersichtlich, daß jeder Kunst stoff bei einer der drei Wellenlängen einen Kurvenverlauf hat, der ein Intensitätsminimum aufweist. Die Form dieser Kurven wird zur Charakterisierung der Kunststoffe herangezo gen, indem bei jeder zu identifizierenden Probe die Intensi täten bei den drei genannten Wellenlängen ermittelt werden.

Daraus leiten sich die Verfahrensschritte gemäß Fig. 2 ab. Es sei angenommen, daß zunächst der Kunststoff A ermittelt werden soll, der durch die gestrichelte Kurve in der Fig. 1 charakterisiert wird. Die Messung bei den drei Wellenlängen ergibt die in der Fig. 1 angegebenen Reflexionen R₁, R₂ und R₃. Durch Vergleich der Reflexionen wird nun die Kunst stoffsorte ermittelt. Zunächst wird R₁ mit R₂ verglichen. Ist R₁ kleiner als R₂, kann der unbekannte Kunststoff als Kunststoff A aussortiert werden, wie der Kurvenverlauf der Fig. 1 erkennen läßt.

Bei Ermittlung des Kunststoffes B, der durch den durchgezo genen Kurvenzug in der Fig. 1 dargestellt ist, werden wiederum die drei Reflexionen R₁, R₂ und R₃ gemessen und verglichen. In diesem Fall ist R₁ größer als R₂, d. h. die Kurve hat in diesem Bereich keinen Anstieg wie beim Kunst stoff A, sondern einen Abfall. Damit ist zunächst nur geklärt, daß es sich nicht um den Kunststoff A handelt. Deshalb ist der weitere Vergleich zwischen R₂ und R₃ erfor derlich. Sofern R₂ kleiner ist als R₃, liegt der Kunststoff B vor.

Bei Vorliegen des Kunststoffes C werden ebenfalls die vorher beschriebenen Vergleiche wie beim Kunststoff B durch geführt, wobei dann aber, wie aus der strichpunktierten Kurve der Fig. 1 ersichtlich ist, R₂ größer als R₃ sein muß.

Mit den ermittelten kunststofftypischen Meßwerten werden in bekannter Weise Sortiereinrichtungen gesteuert.

In der Fig. 3 ist die Sortierung von fünf verschiedenen Kunststoffen dargestellt. Dabei handelt es sich um die Sorten PA, PE, PS, PP und PETP. Hierfür sind Meßstellen bei fünf verschiedenen Wellenlängen λ₀, λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ erforder lich, die in einem Bereich zwischen 1500 nm und 1800 nm liegen. Im vorliegenden Fall werden die in elektrische Spannungen umgewandelten optischen Meßwerte verglichen. Wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist für die Aussonde rung des Kunststoffes, der bei der niedrigsten Wellenlänge seine geringste Reflexion hat, nur der Vergleich der Span nungen bei den beiden niedrigsten Wellenlängen erforder lich. Für die anderen Kunststoffe sind weitere Vergleiche in weiteren Schritten erforderlich. Es ist ersichtlich, daß für die Aussonderung von PETP im zweiten Schritt zwei Ver gleiche erforderlich sind und zwar zwischen den Spannungen U₁ und U₂ sowie zwischen U₁ und U₃.

In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Anordnung hat eine Breitbandlichtquelle 1, deren Licht durch eine Optik 2 auf eine Kunststoffprobe 3 fokusiert wird. Die Probe befin det sich auf einem Förderband, das an der Lichtquelle vor beigeführt wird. Das von der Probe reflektierte Licht wird durch eine weitere Optik 4 auf den Eingang eines geteilten Lichtfaserbündels 5 fokussiert. Das Lichtfaserbündel 5 hat in der vorliegenden Ausführungsform drei Teilbündel 5.1, 5.2 und 5.3, denen Detektoren 6.1, 6.2 und 6.3 für die Wel lenlängen 1, 2 und 3 zugeordnet sind. Durch die Anord nung entsprechender Filter 7.1, 7.2 und 7.3 wird gewährlei stet, daß nur Licht jeweils einer Wellenlänge auf den Detektor gelangt. Die Intensitäten 11 bis 13 werden nach Wandlung in elektrische Signale einem nicht dargestellten Rechner zugeleitet, in dem der erfindungsgemäße Vergleich durchgeführt wird.

Die Zahl der Teilbündel kann selbstverständlich größer oder kleiner als drei sein und entsprechend auch die Zahl der De tektoren. In der vorliegenden Ausführungsform können drei unterschiedliche Kunststoffe sortiert werden.

In der Ausführungsform der Fig. 5 ist anstelle der Filter ein Dispersionselement 8 angeordnet, das das Licht der breitbandigen Lichtquelle 1 spektral zerlegt. Über eine Optik 9 wird das Spektrum abgebildet. Zwei ausgewählten Wel lenlängen werden Detektoren 10.1 und 10.2 zugeordnet.

Bezugszeichenliste

1 Breitbandlichtquelle
2 Optik
3 Kunststoffprobe
4 Optik
5 Lichtfaserbündel
5.1, 5.2, 5.3 Teilbündel
6.1, 6.2, 6.3 Detektoren
7.1, 7.2, 7.3 Filter
8 Dispersionselement
9 Optik
10.1, 10.2 Detektoren
A, B, C Kunststoffarten
R₁, R₂, R₃ Reflexionen
U₀ . . . U₄ Spannungen
λ₀ . . . λ₄ Wellenlängen

Claims

1. Verfahren zur IR-spektroskopischen Trennung von Kunst stoffen, bei dem für Kunststoffe typische Spektralwerte im IR-Spektrum für die Erkennung und Trennung ausgenutzt wer den, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der diffus reflektierten Strahlung bei jeder Kunststoffprobe für eine diskrete Zahl von Wellenlängen gleichzeitig gemessen wird und daß die gemessenen Intensitäten verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wellenlängen gemessen wird, bei denen jeweils eine Kunststoffart ein Intensitätsminimum der reflektierten Strahlung aufweist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Trennung von drei unterschiedlichen Kunststoffen jede Probe gleichzeitig bei drei Wellenlängen gemessen wird, daß durch einen ersten Vergleich der Intensi tät der reflektierten Strahlung bei der niedrigsten Wellen länge mit der der zweitniedrigsten eine Kunststoffart er mittelt wird und durch einen zweiten Vergleich der im ersten Vergleich größeren Intensität bei einer Wellenlänge mit der Intensität der dritten Wellenlänge die übrigen beiden Kunststoffarten ermittelt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die zu sortierenden Kunststoffe mit einer Strahlung im nahen IR-Bereich bestrahlt werden.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche unter Verwendung einer breitbandi gen Lichtquelle und von Detektoren, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor ein Schmalbandfilter (7.1, 7.2, 7.3) für eine der erforderlichen Wellenlängen hat und daß jedem Detektor je ein Teilkabel (5.1, 5.2, 5.3) eines geteilten Lichtleitkabels (5) zugeordnet ist, dessen Eingang im Strah lengang der Optik (4) zur Erfassung des von der Probe re flektierten Lichtes liegt.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Optik (4) zur Erfassung des von der Probe reflektierten Lichtes ein Dispersionselement (8), z. B. ein Prisma oder Gitter im Strahlengang nachgeordnet ist, und daß zur Erfas sung des Lichtes der erforderlichen Wellenlänge eine Sensor zeile oder mehrere Detektoren (10.1, 10.2) angeordnet sind.