DE4312915A1

DE4312915A1 - Process and arrangement for the IR (infrared) spectroscopic separation of plastics

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

Abstract

The invention relates to the IR spectroscopic separation of plastics. By means of the invention, the recognition of the types of plastics in a shorter time and with a lower expenditure is to be made possible by IR spectroscopy. This is achieved in that IR spectroscopic features typical of the plastics investigated are determined, by simultaneously measuring the intensity of the diffusely reflected radiation in the case of each sample for a discrete number of wavelengths and by comparing the measured intensities. <IMAGE>

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.The invention relates to the sorting of art substances in particular from plastic waste with the help of IR spectroscopy and is based on the fact that some Plastics have a characteristic IR spectrum.

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.An arrangement for the separation of substances of general procurement is with the help of IR spectroscopy U.S. Patent 3,747,755 is known. This arrangement has an infra red radiation source, the radiation of which by a mechani chopper is modulated at low frequency and then eating through a mirror that collimates the radiation, is supplied to a sample. The radiation is in one Wavelength range from 2.5 to 3.8 µm, i.e. H. in the area fundamental molecular vibrations of organic substances. The of radiation reflected from the sample is transmitted through spectral filters, which are successively pivoted into the beam path fed to a detector. In the version described there The radiation intensity for four characters is an example teristic wavelengths determined. With the help of computers these spectra are based on principles of pattern recognition evaluated and the corresponding sample classes recognized. The process described is used for foamed polystyrene, Glass, paper and rubber used.

Die zu sortierenden Stoffe werden auf einem Förderband an dem IR-Detektor vorbeigeleitet und nach Erkennung des Materials durch Steuerung einer mechanischen Trennanordnung sortiert.The substances to be sorted are placed on a conveyor belt passed the IR detector and after detection of the Material by controlling a mechanical separation arrangement sorted.

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.The disadvantage of this arrangement is that it is inadequate Sensitivity and speed of the available detector ren. Also occur in the specified spectral range disturbing atmospheric absorptions, so that the ver reliability of detection is impaired. Farther there is the disadvantage that for the pattern used here extensive mathematical operations are required, which limit the sorting speed 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.From the magazine "Kunststoffe" 82 (1992), 4, pp. 293-294 On the one hand, it is known to use plastics with the help of IR spec microscopy in the near infrared (NIR) spectral range identify. Molecules absorb in this area Radiation with overtone and combination vibrations. It is shown there that plastics differ chemical structure based on characteristic peaks for identify the CH, OH, NH and CO bonds. The advantage of measuring in the NIR is that it is available speed of sensitive and fast photodetectors, such as Ge and InSb detectors.

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.On the other hand, this publication (p. 294, column 3 ) also expresses the fact that the use of NIR spectroscopy for identification is only at the very beginning. This publication does not contain any instructions as to how the characteristic peaks should be used to identify them.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sortenerken nung von Kunststoffen in kürzerer Zeit und mit geringerem Aufwand IR-spektroskopisch zu ermöglichen.The object of the invention is to identify varieties of plastics in less time and with less To allow effort by IR spectroscopy.

Erfindungsgemäß wird das durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.According to the invention, this is due to the characteristic features of claim 1 achieved.

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.In an IR spectroscopic method, fiction, ge according to the intensity of the diffusely reflected radiation equal to each sample for a discrete number of wavelengths measured in time and the intensities measured are compared.

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.The advantage of this solution is that a club fold pattern recognition is carried out, in which a small number of arithmetic operations is required. It it was found that by comparing intensities at a few selected wavelengths a simplified, achievable for the respective plastic typical pattern is that a clear identification of plastics enables.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die zu sortierenden Kunststoffe mit einer Strahlung im nahen Infrarotbereich bestrahlt werden.Further advantages arise if the ones to be sorted Plastics with radiation in the near infrared range be irradiated.

Es ist zweckmäßig, bei Wellenlängen zu messen, bei denen je weils eine Kunststoffart ein Intensitätsminimum der reflek tierten Strahlung aufweist. It is useful to measure at wavelengths at which each because a type of plastic is an intensity minimum of the reflec has radiation.

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.Should z. B. sorted three different plastics each sample is simultaneously at three wavelengths to measure, with a first comparison of the intensi reflected radiation at the lowest waves length with the second lowest one is a type of plastic is averaged and by a second comparison of the im first comparison of greater intensity at one wavelength with the intensity of the third wavelength the rest two types of plastic can be determined.

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.To measure the light at certain wavelengths each detector requires a narrow band filter for one of the have wavelengths and each detector is one Assigned partial cable of a split light guide cable, whose input in the optical path to detect the light reflected from the sample.

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.Another way to measure the light at be tuned wavelengths is that the optics to Er Detection of the light reflected from the sample sionselement, z. B. a prism or grating in the beam path is subordinate, and that to detect the light he required wavelength one or more sensor lines Detectors are arranged.

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. Measurement in the near infrared (wavelength 0.7 to 2.5 µm) generally has the disadvantage that the absorption bands are much weaker than when measuring with larger ones Wavelengths and the bands present there the reason vibration. In the method according to the invention, in which Si gnale compared at some discrete points in the spectrum these disadvantages do not matter.

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.In addition, measurements in the near infrared result however some advantages. So is the detection sensitivity of the available detectors higher than in the long-wave Be rich. Furthermore, optical beam guidance is sufficient usual media, such as glass or quartz, while in langwelli special IR material is required. When Radiation sources are suitable for incandescent lamps, so that special ones IR light sources are not required. Atmospheric Influences, such as B. water, carbon dioxide absorption, spie len only play a subordinate role in the near infrared range.

Die Erfindung soll in Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigtThe invention is intended to be used in exemplary embodiments on the basis of Drawings are explained in more detail. It shows

Fig. 1 die diffuse Reflexion von IR-Licht an drei unterschiedlichen Kunststoffen in Abhängigkeit von der Wellenlänge; Fig. 1, the diffuse reflectance of IR light at three different plastics depending upon the wavelength;

Fig. 2 die schematische Darstellung der Verfahrens schritte zur IR-spektroskopischen Erkennung von drei verschiedenen Kunststoffen nach Fig. 1; FIG. 2 shows the schematic representation of the method steps for IR spectroscopic detection of three different plastics according to FIG. 1;

Fig. 3 die schematische Darstellung der Verfahrens schritte zur IR-spektroskopischen Erkennung von fünf verschiedenen Kunststoffen; Figure 3 is a schematic representation of the process steps for IR spectroscopic detection of five different plastics.

Fig. 4 eine Anordnung zur gleichzeitigen Messung mehrerer Spektralintervalle mit Bandfiltern; Fig. 4 shows an arrangement for the simultaneous measurement of several spectral intervals with band filters;

Fig. 5 eine Anordnung zur gleichzeitigen Messung aller Spektralintervalle unter Verwendung eines Dispersionselementes. Fig. 5 shows an arrangement for the simultaneous measurement of all spectral intervals, using a dispersion element.

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.In Fig. 1, the diffuse reflection of three different plastics A, B, C is shown for three wavelengths λ₁, λ₂, λ₃. It can be seen that each plastic has a curve at one of the three wavelengths, which has an intensity minimum. The shape of these curves is used to characterize the plastics by determining the intensities at the three wavelengths mentioned for each sample to be identified.

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.The method steps according to FIG. 2 are derived from this. It is assumed that plastic A is to be determined first, which is characterized by the dashed curve in FIG. 1. The measurement at the three wavelengths gives the reflections R₁, R₂ and R₃ shown in Fig. 1. The type of plastic is now determined by comparing the reflections. First, R₁ is compared with R₂. If R₁ is smaller than R₂, the unknown plastic can be sorted out as plastic A, as can be seen from the curve of FIG. 1.

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.When determining the plastic B, which is shown by the continuous curve in Fig. 1, the three reflections R₁, R₂ and R₃ are again measured and compared. In this case, R₁ is greater than R₂, ie the curve has no increase in this area as with plastic A, but a decrease. This initially only clarifies that it is not plastic A. Therefore, the further comparison between R₂ and R₃ is required. If R₂ is smaller than R₃, the plastic B is present.

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. In the presence of plastic C, the comparisons described above are also carried out as for plastic B, but then, as can be seen from the dash-dotted curve in FIG. 1, R₂ must be greater than R₃.

Mit den ermittelten kunststofftypischen Meßwerten werden in bekannter Weise Sortiereinrichtungen gesteuert.With the determined plastic typical measured values in known sorting devices controlled.

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 FIG. 3, the sorting is represented by five different plastics. These are the types PA, PE, PS, PP and PETP. This requires measuring points at five different wavelengths λ₀, λ₁, λ₂, λ₃, λ₄ which are in a range between 1500 nm and 1800 nm. In the present case, the optical measured values converted into electrical voltages are compared. As in the previous embodiment, only the comparison of the voltages at the two lowest wavelengths is necessary for the removal of the plastic, which has its lowest reflection at the lowest wavelength. For the other plastics, further comparisons in further steps are necessary. It can be seen that for the separation of PETP in the second step, two comparisons are required, namely between the voltages U 1 and U 2 and between U 1 and U 3.

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.In FIG. 4 is shown an embodiment for carrying out the inventive method. The arrangement has a broadband light source 1 , the light of which is focused by optics 2 onto a plastic sample 3 . The sample is on a conveyor belt that is brought in front of the light source. The light reflected by the sample is focused by a further optical system 4 onto the input of a split light fiber bundle 5 . In the present embodiment, the optical fiber bundle 5 has three sub-bundles 5.1 , 5.2 and 5.3 , to which detectors 6.1 , 6.2 and 6.3 are assigned for the wavelengths 1 , 2 and 3 . The arrangement of appropriate filters 7.1 , 7.2 and 7.3 ensures that only light of one wavelength reaches the detector. After conversion into electrical signals, the intensities 11 to 13 are fed to a computer, not shown, in which the comparison according to the invention is carried out.

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.The number of sub-bundles can of course be larger or be less than three and accordingly the number of De detectors. In the present embodiment, three different plastics are sorted.

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.In the embodiment of FIG. 5, a dispersion element 8 is arranged instead of the filter, which spectrally decomposes the light of the broadband light source 1 . The spectrum is imaged via optics 9 . Detectors 10.1 and 10.2 are assigned to two selected wavelengths.

BezugszeichenlisteReference list

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 1 broadband light source
2 optics
3 plastic sample
4 optics
5 fiber bundles
5.1 , 5.2 , 5.3 sub-bundles
6.1 , 6.2 , 6.3 detectors
7.1 , 7.2 , 7.3 filters
8 dispersion element
9 optics
10.1 , 10.2 detectors
A, B, C types of plastics
R₁, R₂, R₃ reflections
U₀. . . U₄ voltages
λ₀. . . λ₄ wavelengths

Claims

1. Process for IR spectroscopic separation of plastics, in which spectral values typical for plastics are used in the IR spectrum for detection and separation, characterized in that the intensity of the diffusely reflected radiation for each plastics sample for a discrete number of wavelengths is measured simultaneously and that the measured intensities are compared.

2. The method according to claim 1, characterized in that is measured at wavelengths at which one Plastic type a minimum intensity of the reflected Has radiation.

3. The method according to any one of claims 1 and 2, characterized ge indicates that to separate three different ones Plastics each sample at three wavelengths simultaneously is measured that by a first comparison of the Intensi reflected radiation at the lowest waves length with the second lowest one is a type of plastic is averaged and by a second comparison of the im first comparison of greater intensity at one wavelength with the intensity of the third wavelength the rest two types of plastic can be determined.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized ge indicates that the plastics to be sorted with a Radiation in the near IR range are irradiated.

5. Arrangement for performing the method according to any one of the preceding claims using a broadband light source and detectors, characterized in that each detector has a narrowband filter ( 7.1 , 7.2 , 7.3 ) for one of the required wavelengths and that each detector has a partial cable ( 5.1 , 5.2 , 5.3 ) of a divided light guide cable ( 5 ) is assigned, the input of which lies in the beam path of the optics ( 4 ) for detecting the light reflected from the sample.

6. Arrangement according to claim 4, characterized in that the optics ( 4 ) for detecting the light reflected from the sample, a dispersion element ( 8 ), for. B. a prism or grating is arranged in the beam path, and that a sensor line or more detectors ( 10.1 , 10.2 ) are arranged for capturing the light of the required wavelength.