向循環(huán)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型正在如火如荼地進(jìn)行。紙張或包裝用鋁等原材料的回收率已超過90%。然而，為了進(jìn)一步縮短材料循環(huán)周期，回收利用行業(yè)需要基于傳感器的流程，不僅能可靠地識(shí)別廢料流中大量不同的可回收材料，還能全自動(dòng)、高速地識(shí)別廢料流中的可回收材料。

　　實(shí)際回收率仍然太低

　　循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一個(gè)基本目標(biāo)是盡可能重復(fù)利用有價(jià)值的原材料，而不降低回收利用率。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要前提是按類型進(jìn)行分類。然而在許多情況下，這恰恰是技術(shù)上仍然存在差距的地方。例如，德國(guó)在執(zhí)行歐盟報(bào)廢汽車指令方面堪稱典范，報(bào)廢汽車的回收率達(dá)到了規(guī)定的 95%；2021 年度的回收率為 97.5%。然而除材料回收外，這一比例還包括能源回收，即焚燒不可回收的材料或不值得回收再利用的材料。在進(jìn)行能源回收時(shí)，這些材料至少可用于發(fā)電和供熱。

　　根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境署（UBA）的數(shù)據(jù)，在97.5% 的報(bào)廢車輛中，86.6% 的材料最近得到了回收利用。不過，這方面也有改進(jìn)的余地。德國(guó)聯(lián)邦環(huán)境署批評(píng)說，材料回收常常導(dǎo)致降級(jí)回收：回收的二次材料被用于與其原始價(jià)值不符的用途。例如，從汽車上回收的優(yōu)質(zhì)汽車鋼材經(jīng)常被用作建筑鋼材。有價(jià)值的汽車玻璃通常被用作隔熱材料或垃圾填埋場(chǎng)的填充材料，因?yàn)椴Ａ系耐繉雍茈y去除，因此更容易降級(jí)循環(huán)利用。對(duì)于非金屬材料來(lái)說，保值回收是例外而不是常規(guī)：根據(jù)美國(guó)建筑協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，只有13.5% 的塑料和8.3% 的玻璃得到了回收利用。

　　基于激光的傳感器技術(shù)有助于縮短材料循環(huán)周期

　　弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）開發(fā)一種解決方案，可以通過對(duì)廢料流中所含的有價(jià)值材料進(jìn)行高效、可靠和差異化分析，顯著提高回收利用率并最大限度地減少高損耗的降級(jí)循環(huán)：激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是基于實(shí)際材料循環(huán)的經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。這是因?yàn)?，通過高精度、實(shí)時(shí)的光譜測(cè)定材料所含的化學(xué)元素，可以按類型進(jìn)行區(qū)分。

　　在光譜分析中，高能激光脈沖會(huì)激發(fā)材料表面。這將產(chǎn)生等離子體，材料元素之間的化學(xué)鍵將被打破。每種材料的原子指紋都不同，當(dāng)原子恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)就可以通過光譜讀取：它們會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，從中可以推斷出相應(yīng)的元素。因此，LIBS 技術(shù)可以在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)顯示出激光激發(fā)材料的確切化學(xué)成分。這種非接觸式方法適用于所有材料，無(wú)論它們是固體、液體還是氣體。

　　Cord Fricke-Begemann 博士所在的材料分析工作組正在推動(dòng)基于LIBS 技術(shù)的在線工藝的發(fā)展，為從堆積如山的廢料和廢品中進(jìn)行無(wú)混合金屬回收鋪平道路。他表示：使用基于掃描儀的測(cè)量點(diǎn)選擇和每秒約100 次的LIBS 測(cè)量，可以非?？焖俚貏?chuàng)建元素分布的二維圖示?；谶@些空間分辨分析，能夠檢測(cè)出電子廢物中的技術(shù)金屬，從而將電容器中寶貴的鉭返回到材料循環(huán)中。

　　鋁回收：激光確保更高的純度

　　特別是對(duì)于復(fù)雜的材料成分（如電子廢料或報(bào)廢汽車），一對(duì)一的回收利用在很大程度上取決于對(duì)各種材料成分進(jìn)行精確的、空間分辨率高的測(cè)定和分離。只有回收公司能夠?qū)崟r(shí)確定準(zhǔn)確的化學(xué)成分，并在此基礎(chǔ)上對(duì)廢棄物進(jìn)行分類，才有可能在不降低回收率的情況下實(shí)現(xiàn)高效再利用。而這正是LIBS 技術(shù)的基礎(chǔ)：利用非接觸、激光、準(zhǔn)實(shí)時(shí)的材料分析，自動(dòng)、無(wú)混合地分離各種金屬合金。該過程可幫助用戶根據(jù)產(chǎn)品確定材料的用途，從而確定其全部?jī)r(jià)值。這既適用于電子廢料中的優(yōu)質(zhì)金屬，也適用于工具制造中的特殊合金或汽車工程中廣泛使用的鍛造鋁合金。

　　然而，利用LIBS 技術(shù)對(duì)可回收材料進(jìn)行差異化分析，不僅是實(shí)現(xiàn)真正封閉的無(wú)循環(huán)材料流的基礎(chǔ)。它還為加速分揀過程鋪平了道路，并與自動(dòng)分揀技術(shù)相結(jié)合，提高了成本效益。Fricke-Begemann 總結(jié)道：“與傳統(tǒng)的人工分揀相比，我們可以在更短的時(shí)間內(nèi)處理更多的廢料，并實(shí)現(xiàn)真正的純凈分揀。”

　　作為由聯(lián)邦教育與研究部資助的PLUS 項(xiàng)目的一部分，研究所和Cronimet Ferroleg GmbH 公司將LIBS 技術(shù)作為一種新型工藝的基礎(chǔ)，利用激光對(duì)一種特殊類型的廢料進(jìn)行分析，即對(duì)磨損的鉆孔、車削和銑削工具進(jìn)行收集。Fricke-Begemann 報(bào)告說：我們的項(xiàng)目針對(duì)的是其中加工的特殊合金。由于這些材料含有大量的鈷、鉬和鎢，因此非常有價(jià)值，對(duì)于單一來(lái)源的回收利用尤其具有吸引力。

　　這是因?yàn)?，與所有金屬一樣，它們可以根據(jù)需要隨時(shí)熔化，并在不降低質(zhì)量的情況下重新加工成高質(zhì)量的切削工具。在聯(lián)邦政府資助的項(xiàng)目中，合作伙伴能夠提供這方面的證據(jù)，并證明LIBS 分析是可靠的。最終，他們通過將LIBS 與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了分離過程的自動(dòng)化，并大大加快了分離速度。

　　即使在微小的報(bào)廢零件中，光譜分析過程也能識(shí)別出20多種不同的合金元素；機(jī)器人會(huì)拾取它們并進(jìn)行相應(yīng)的分類。這就是全自動(dòng)回收的藍(lán)圖，它可以為提高回收過程的效率做出決定性的貢獻(xiàn)。

　　激光偵探：鋰、磷和石墨藏在哪里？

　　在電池回收利用方面，LIBS 技術(shù)也能發(fā)揮關(guān)鍵作用。由于汽車行業(yè)正在緩慢地向電力行業(yè)過渡，而固定存儲(chǔ)設(shè)備的需求也在急劇增加，因此這種能力很快就會(huì)變得至關(guān)重要。ACROBAT 是一個(gè)從2022 年秋季開始實(shí)施的國(guó)際項(xiàng)目，旨在到2030 年將從回收的磷酸鐵鋰電池（LFP 電池）中回收的關(guān)鍵原材料比例提高到90% 以上。

　　迄今為止，從電池陽(yáng)極和陰極回收鋰、磷和石墨等原材料一直缺乏切實(shí)可行的解決方案。Fricke-Begemann 說：有了LIBS，我們就有了一種久經(jīng)考驗(yàn)的方法，可以用來(lái)測(cè)量所含寶貴材料的數(shù)量、純度和分布，并為其再加工制定合適的策略。

　　同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)有針對(duì)性地將LIBS 技術(shù)與數(shù)字孿生、人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，為回收利用行業(yè)帶來(lái)了全新的可能性。Fricke-Begemann 說：由于材料種類繁多，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，而且在進(jìn)行過程中需要快速對(duì)材料進(jìn)行分類，因此人工智能的應(yīng)用前景尤為廣闊。

　　可以預(yù)見的是，隨著向循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的推進(jìn)，該行業(yè)的任務(wù)將變得越來(lái)越復(fù)雜。未來(lái)，將LIBS 和人工智能工具結(jié)合起來(lái)，不僅可以在預(yù)先分類的工業(yè)廢物中，也可以在生活垃圾中檢測(cè)和回收有價(jià)值的材料，從而真正改變游戲規(guī)則。這也是因?yàn)榻?jīng)過適當(dāng)訓(xùn)練的人工智能算法能夠并行處理來(lái)自多個(gè)光學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)流。這將為以最高處理速度實(shí)現(xiàn)高分揀精度打開大門。

　　AI 和LIBS 是真正循環(huán)經(jīng)濟(jì)的先驅(qū)

　　亞琛的專家們正在利用LIBS 技術(shù)和3D 傳感器技術(shù)的創(chuàng)新組合，從空間上確定有價(jià)值材料的確切位置和方向。這意味著可以準(zhǔn)確地知道需要將激光束射向何處，以便識(shí)別材料。在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)，就能獲得有關(guān)廢棄物的位置、質(zhì)量和確切化學(xué)成分的詳細(xì)信息。未來(lái)，數(shù)字產(chǎn)品護(hù)照等配套監(jiān)管措施，將進(jìn)一步提高全球供應(yīng)鏈中所用材料的透明度。

　　“ 然而， 向循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，”Fricke-Begemann 表示：“到2030 年，我們將能夠檢測(cè)出更多的物質(zhì)。但是，到那時(shí)能否真正實(shí)現(xiàn)從報(bào)廢汽車、電子廢物和其他廢物流中完全回收有價(jià)值的原材料，并結(jié)束相應(yīng)的物質(zhì)循環(huán)，還是個(gè)問題。不過，LIBS 技術(shù)的發(fā)展方向是正確的，它可能會(huì)成為真正閉環(huán)工藝的推動(dòng)者，而不需要降級(jí)循環(huán)。”

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