Phân loại nhựa dùng để tái chế

Nhựa là một loại vật liệu rất cần thiết, ta có thể dễ dàng tìm thấy nó ở bất kì nơi đâu trong cuộc sống hàng ngày, nhưng nó cũng lại là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường, tạo ra cho con người những nhận thức vừa tích cực lẫn tiêu cực. Đó là lý do tại sao việc tái chế nhựa đang nhận được sự quan tâm từ vô số các bên liên quan, từ các nhà nghiên cứu và nhà sản xuất cho đến các nhà môi trường và cơ quan quản lý.

Bài viết này sẽ mô tả ứng dụng của quang phổ đối với quy trình tái chế nhựa nhằm để xác định và phân loại các vật liệu nhựa khác nhau.

※ Cơ sở phân tích

Các kỹ thuật như quang phổ NIR hoặc phân tích Raman có hiệu quả trong việc xác định nhựa trong quá trình tái chế vì chúng cung cấp thông tin hữu ích về các đặc tính của vật liệu, bao gồm cả thành phần hóa học. Việc kết hợp quang phổ vào quy trình tái chế sẽ bổ sung và đơn giản hóa việc phân loại trong các quy trình hiện có.

Trong phạm vi bước sóng cận hồng ngoại (NIR) (>800nm), các polyme thể hiện các đặc tính quang phổ nội tại mạnh và khác biệt, có liên quan chặt chẽ với mã tái chế của nhựa hàng ngày (Hình 1). Vì hầu hết các loại nhựa được mã hóa có các đặc tính quang phổ riêng biệt trong NIR, nên quang phổ có thể được tích hợp vào quy trình phân loại nhựa. Ngoài ra, khi sử dụng quang phổ NIR, hầu như không cần xử lý trước mẫu và các cài đặt có thể được thay đổi linh hoạt và tùy chỉnh tùy theo từng tình huống khác nhau.

Hình 1. Phổ NIR của một số loại nhựa tái chế

Trong một số trường hợp, quang phổ Raman được sử dụng để xác định các hợp chất chưa biết. Thật vậy, trong những điều kiện thích hợp (đủ mức tín hiệu, áp dụng các phương pháp giảm nhiễu huỳnh quang, v.v.), Raman rất hiệu quả trong việc phân loại nhựa.

Quang phổ Raman và NIR có hiệu quả để xác định nhựa không màu và nhựa màu, nhưng không phương pháp nào phù hợp để xác định polyme màu đen. Điều này là do muội than hấp thụ tất cả ánh sáng laser kích thích Raman và tất cả ánh sáng trong vùng NIR. (Phương pháp sử dụng quang phổ hồng ngoại trung bình để xác định các polyme màu đen được mô tả trong bài báo sau; Becker, W., Sachsenheimer, K. và Klemenz, M., "Detection of Black Plastics in the Middle Infrared Spectrum (MIR) Using Photon Up-Conversion Technique for Polymer Recycling Purposes", Polyme (Basel). tháng 9 năm 2017; 9(9): 435.) 

※ Đo độ phản xạ khuếch tán bằng máy quang phổ Flame-NIR+ của Ocean Optics (Ocean Insight)

Hệ số phản xạ khuếch tán của một số mẫu được đo để xác nhận tính hữu ích của máy quang phổ Flame-NIR + trong phân loại nhựa.

1. PETE (polyethylene terephthalate), chủ yếu được sử dụng trong sản xuất hộp đựng và quần áo;

2. Nhựa nhiệt dẻo LDPE (polyethylene mật độ thấp), PP (polypropylene),

3. PS (polystyrene) dùng trong các loại bao bì, hộp đựng

Flame-NIR+ của Ocean Optics (Ocean Insight) là loại máy quang phổ nhỏ gọn, hiệu suất cao với đầu dò mảng InGaAs không được làm lạnh, phù hợp với dải bước sóng 970-1700nm. Độ nhạy cao hơn tới 6 lần so với các mẫu trước đó, cung cấp giới hạn phát hiện thấp hơn và thời gian tích hợp ngắn hơn. Dấu chân nhỏ và mức tiêu thụ điện năng thấp của Flame-NIR+ khiến sản phẩm trở nên vô cùng lý tưởng để tích hợp vào các quy trình tái chế.

Để đo mẫu, máy quang phổ Flame-NIR+ được sử dụng trong các điều kiện của nguồn sáng halogen vonfram công suất cao, đầu dò phản xạ 600 µm và phương pháp phản xạ khuếch tán. (Phần mềm sử dụng: OceanView, thời gian tích hợp: 6ms, số lần quét trung bình: 50, boxcar: 1)

Dữ liệu được thu thập ở chế độ hấp thụ trong phần mềm OceanView và được biểu thị dưới dạng nhật ký phổ phản xạ (1/R) với R, hệ số phản xạ của mẫu. Biểu diễn phổ phản xạ dưới dạng log(1/R) là một cách trực quan hơn để phân tích phổ phản xạ vì nồng độ có thể được xem như một thang đo cường độ của tín hiệu.

Quang phổ ban đầu được kiểm tra bằng Flame-NIR+ mà không cần hiệu chỉnh đường nền. Hiệu chỉnh đường cơ sở tiếp theo được thực hiện bằng cách trừ hệ số phản xạ ở bước sóng 1303nm từ mọi điểm trong phổ để dễ dàng phân biệt các đặc điểm phổ cho từng mẫu. Quá trình này là một bước xử lý dữ liệu để bù cho các lỗi về cường độ tín hiệu có thể xảy ra do chuyển động của sợi quang hoặc các vấn đề khác, giúp dễ dàng nhận thấy sự khác biệt trong phổ của từng mẫu.

※ Đo hệ số phản xạ khuếch tán bằng máy quang phổ NIR Quest+

Đây là một dòng máy quang phổ khác, với đầu dò mảng InGaAs được làm mát bằng nhiệt điện có khả năng quan sát dải bước sóng 900-1700 nm, được sử dụng để đo bằng NIRQuest+1.7 (Hình 2). Dải bước sóng 900-2200nm và 900-2500nm cũng có sẵn. Máy quang phổ NIRQuest+1.7 (900-1700nm) là sản phẩm có độ nhạy cao với độ ổn định nhiệt tuyệt vời và phù hợp để sử dụng trong các quy trình.

Hình 2: NIR Quest+ sử dụng cho Tái chế nhựa

Máy quang phổ NIR Quest+ đã được thiết kế để có hiệu suất có độ nhạy cao với giới hạn phát hiện thấp và quang phổ rõ ràng trong dải bước sóng dài hơn để đo hệ số phản xạ khuếch tán. So với Flame-NIR+, NIR Quest+ nhạy hơn và cung cấp phổ ở bước sóng NIR dài hơn (>1700 nm).

Các mẫu nhựa (PET và PP) được đo trong các điều kiện của nguồn sáng halogen vonfram công suất cao, đầu dò phản xạ 600 µm và phương pháp phản xạ khuếch tán, giống với các điều kiện thí nghiệm được tiến hành với Flame-NIR+ ở trên. (Phần mềm được sử dụng: OceanView, thời gian tích hợp: 5 ms, số quét trung bình: 25, boxcar: 1) Kết quả đo được biểu thị bằng % độ phản xạ.

※ Sử dụng dữ liệu NIR

Một mô hình hiệu chuẩn tốt có thể được xây dựng bằng phổ NIR, nhưng rất khó để dự đoán các vật liệu bên ngoài mô hình hiệu chuẩn. Quả thật, quang phổ NIR cung cấp rất nhiều thông tin về mẫu của bạn, miễn là bạn có một công cụ có khả năng trích xuất dữ liệu. Ví dụ: nếu dữ liệu NIR được thu thập trong phân tích thành phần chính, một trong các phương pháp phân tích hóa học, được áp dụng, chức năng hiển thị phổ có thể được sử dụng để nhóm và phân loại mẫu theo loại.

Trong quá trình phân loại nhựa, khả năng đạt được sự phân loại hiệu quả với quang phổ phản xạ NIR cũng mang lại lợi ích cho các thuật toán máy học của Ocean Intelligence. Bằng cách áp dụng Ocean Intelligence vào các quy trình phân loại tái chế tự động, polyme có thể được phân tách hiệu quả hơn đồng thời giảm thiểu các lỗi có thể xảy ra trong quá trình phân loại. (Bất cứ thứ gì không được phân loại đúng cách đều được phân loại là rác thải và phải được tái chế lại).

※ Kết luận

Khi quang phổ NIR và các loại máy móc ngày càng phát triển, khi được áp dụng vào ngành tái chế, các quy trình phân loại nhựa có thể được sắp xếp hợp lý, tiết kiệm chi phí và góp phần tạo nên một môi trường bền vững hơn trong tương lai.