激光技术和人工智能推动循环经济发展

向循环经济的转型正在如火如荼地进行。纸张或包装用铝等原材料的回收率已超过90%。然而，为了进一步缩短材料循环周期，回收利用行业需要基于传感器的流程，不仅能可靠地识别废料流中大量不同的可回收材料，还能全自动、高速地识别废料流中的可回收材料。

实际回收率仍然太低

循环经济的一个基本目标是尽可能重复利用有价值的原材料，而不降低回收利用率。实现这一目标的重要前提是按类型进行分类。然而在许多情况下，这恰恰是技术上仍然存在差距的地方。例如，德国在执行欧盟报废汽车指令方面堪称典范，报废汽车的回收率达到了规定的 95%；2021年度的回收率为 97.5%。然而除材料回收外，这一比例还包括能源回收，即焚烧不可回收的材料或不值得回收再利用的材料。在进行能源回收时，这些材料至少可用于发电和供热。

根据德国联邦环境署（UBA）的数据，在97.5%的报废车辆中，86.6%的材料最近得到了回收利用。不过，这方面也有改进的余地。德国联邦环境署批评说，材料回收常常导致降级回收：回收的二次材料被用于与其原始价值不符的用途。例如，从汽车上回收的优质汽车钢材经常被用作建筑钢材。有价值的汽车玻璃通常被用作隔热材料或垃圾填埋场的填充材料，因为玻璃上的涂层很难去除，因此更容易降级循环利用。对于非金属材料来说，保值回收是例外而不是常规：根据美国建筑协会的数据，只有13.5%的塑料和8.3%的玻璃得到了回收利用。

基于激光的传感器技术有助于缩短材料循环周期

弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）开发一种解决方案，可以通过对废料流中所含的有价值材料进行高效、可靠和差异化分析，显著提高回收利用率并最大限度地减少高损耗的降级循环：激光诱导击穿光谱（LIBS）是基于实际材料循环的经济的关键技术之一。这是因为，通过高精度、实时的光谱测定材料所含的化学元素，可以按类型进行区分。

在光谱分析中，高能激光脉冲会激发材料表面。这将产生等离子体，材料元素之间的化学键将被打破。每种材料的原子指纹都不同，当原子恢复到稳定状态时就可以通过光谱读取：它们会发出特定波长的光，从中可以推断出相应的元素。因此，LIBS技术可以在几分之一秒的时间内显示出激光激发材料的确切化学成分。这种非接触式方法适用于所有材料，无论它们是固体、液体还是气体。

Cord Fricke-Begemann博士所在的材料分析工作组正在推动基于LIBS技术的在线工艺的发展，为从堆积如山的废料和废品中进行无混合金属回收铺平道路。他表示：使用基于扫描仪的测量点选择和每秒约100次的LIBS测量，可以非常快速地创建元素分布的二维图示。基于这些空间分辨分析，能够检测出电子废物中的技术金属，从而将电容器中宝贵的钽返回到材料循环中。

铝回收：激光确保更高的纯度

特别是对于复杂的材料成分（如电子废料或报废汽车），一对一的回收利用在很大程度上取决于对各种材料成分进行精确的、空间分辨率高的测定和分离。只有回收公司能够实时确定准确的化学成分，并在此基础上对废弃物进行分类，才有可能在不降低回收率的情况下实现高效再利用。而这正是LIBS技术的基础：利用非接触、激光、准实时的材料分析，自动、无混合地分离各种金属合金。该过程可帮助用户根据产品确定材料的用途，从而确定其全部价值。这既适用于电子废料中的优质金属，也适用于工具制造中的特殊合金或汽车工程中广泛使用的锻造铝合金。

然而，利用LIBS技术对可回收材料进行差异化分析，不仅是实现真正封闭的无循环材料流的基础。它还为加速分拣过程铺平了道路，并与自动分拣技术相结合，提高了成本效益。Fricke-Begemann总结道：“与传统的人工分拣相比，我们可以在更短的时间内处理更多的废料，并实现真正的纯净分拣。”

作为由联邦教育与研究部资助的PLUS项目的一部分，研究所和Cronimet Ferroleg GmbH公司将LIBS技术作为一种新型工艺的基础，利用激光对一种特殊类型的废料进行分析，即对磨损的钻孔、车削和铣削工具进行收集。Fricke-Begemann报告说：我们的项目针对的是其中加工的特殊合金。由于这些材料含有大量的钴、钼和钨，因此非常有价值，对于单一来源的回收利用尤其具有吸引力。

这是因为，与所有金属一样，它们可以根据需要随时熔化，并在不降低质量的情况下重新加工成高质量的切削工具。在联邦政府资助的项目中，合作伙伴能够提供这方面的证据，并证明LIBS分析是可靠的。最终，他们通过将LIBS与机器人技术相结合，实现了分离过程的自动化，并大大加快了分离速度。

即使在微小的报废零件中，光谱分析过程也能识别出20多种不同的合金元素；机器人会拾取它们并进行相应的分类。这就是全自动回收的蓝图，它可以为提高回收过程的效率做出决定性的贡献。

激光侦探：锂、磷和石墨藏在哪里？

在电池回收利用方面，LIBS技术也能发挥关键作用。由于汽车行业正在缓慢地向电力行业过渡，而固定存储设备的需求也在急剧增加，因此这种能力很快就会变得至关重要。ACROBAT 是一个从2022年秋季开始实施的国际项目，旨在到2030年将从回收的磷酸铁锂电池（LFP电池）中回收的关键原材料比例提高到90%以上。

高能激光脉冲激发后会形成等离子体，可以从中读取材料的“原子指纹”

迄今为止，从电池阳极和阴极回收锂、磷和石墨等原材料一直缺乏切实可行的解决方案。Fricke-Begemann说：有了LIBS，我们就有了一种久经考验的方法，可以用来测量所含宝贵材料的数量、纯度和分布，并为其再加工制定合适的策略。

同时，研究团队有针对性地将LIBS技术与数字孪生、人工智能（AI）和机器学习等数字技术相结合，为回收利用行业带来了全新的可能性。Fricke-Begemann说：由于材料种类繁多，产生的数据量大，而且在进行过程中需要快速对材料进行分类，因此人工智能的应用前景尤为广阔。

无降级循环的闭环材料循环为循环经济铺平了道路

可以预见的是，随着向循环经济转型的推进，该行业的任务将变得越来越复杂。未来，将LIBS和人工智能工具结合起来，不仅可以在预先分类的工业废物中，也可以在生活垃圾中检测和回收有价值的材料，从而真正改变游戏规则。这也是因为经过适当训练的人工智能算法能够并行处理来自多个光学传感器的数据流。这将为以最高处理速度实现高分拣精度打开大门。

AI和LIBS是真正循环经济的先驱

亚琛的专家们正在利用LIBS技术和3D传感器技术的创新组合，从空间上确定有价值材料的确切位置和方向。这意味着可以准确地知道需要将激光束射向何处，以便识别材料。在几分之一秒的时间内，就能获得有关废弃物的位置、质量和确切化学成分的详细信息。未来，数字产品护照等配套监管措施，将进一步提高全球供应链中所用材料的透明度。

“然而，向循环经济转型仍然是一项艰巨的任务，”Fricke-Begemann表示：“到2030年，我们将能够检测出更多的物质。但是，到那时能否真正实现从报废汽车、电子废物和其他废物流中完全回收有价值的原材料，并结束相应的物质循环，还是个问题。不过，LIBS技术的发展方向是正确的，它可能会成为真正闭环工艺的推动者，而不需要降级循环。”

作者：Cord Fricke-Begemann、Carlo Holly（弗劳恩霍夫激光技术研究所）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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