Ứng Dụng Của Quang Phổ Phân Hủy Bởi Laser (Libs) Trong Tái Chế Phế Liệu Kim Loại

LIBS là gì?

LIBS là viết tăt của Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. Đây là một kỹ thuật phân tích tiên tiến được sử dụng để phân loại vật liệu và xác định thành phần nguyên tố của chúng. Các máy phân tích LIBS hoạt động bằng cách sử dụng xung laser có độ hội tụ cao để cắt bỏ bề mặt của mẫu. Các bề mặt bị kích thích tạo thành các nguyên tử và ion bị kích thích gọi là plasma, trong thời gian phân rã, tất cả plasma lắng đọng lại trên bề mặt và các electron trở lại trạng thái nền, sau đó phát ra ánh sáng ở các bước sóng đặc trưng hoặc dấu vân tay cho từng loại nguyên tố, thành phần hoặc phân tử được thu thập và chuyển đổi bằng máy quang phổ. LIBS là một công cụ tuyệt vời để đo định lượng và định tính.

LIBS đóng góp vai trò như thế nào trong phân loại phế liệu kim loại?

Công nghệ LIBS cung cấp khả năng phân tích nhanh và đa nguyên tố của vật liệu ở nhiều trạng thái vật lý khác nhau, bao gồm khí, lỏng và rắn. Trong ghi chú ứng dụng này, LIBS được mô tả là một công cụ mạnh mẽ để phân tích phế liệu cho mục đích tái chế và đặc biệt là tiêu thụ nhôm. Các khả năng độc đáo của nó bao gồm phân tích các nguyên tố nhẹ, phân tích tại chỗ bên ngoài phòng thí nghiệm, hình ảnh thành phần phân giải không gian nhanh, phân tích hóa học trong môi trường khắc nghiệt và phân tích khoảng cách từ xa và tự động. Công nghệ này cho phép phân tích tại chỗ theo thời gian thực, cung cấp các nguyên tố dữ liệu trên hợp kim. Phương pháp này không chỉ có thể thiết lập một nguyên tố hợp kim duy nhất mà tất cả các nguyên tố đều có thể cùng với nồng độ liên quan hoặc bất kỳ mức nồng độ mong muốn nào (chẳng hạn như 0,4% < Mg <0,9%, 0,2% < Si <0,6%, <0,1% Mn, <0,1% Zn, <0,35% Fe và <0,1% Cu, v.v.). Hơn nữa, thiết bị LIBS thường tiết kiệm chi phí hơn với chi phí vận hành hàng ngày thấp hơn so với nhiều kỹ thuật phân tích khác.

Quy trình thu tín hiệu và phân tích data của phương pháp LIBS

Các bước của LIBS bao gồm phân loại mục tiêu, quy trình lấy mẫu và đo lường, tiền xử lý và phân loại.

Đầu tiên, giai đoạn đầu tiên bao gồm việc sử dụng các máy tách từ để tách phế liệu sắt từ có thể từ hóa, do đó làm giảm thể tích vật liệu sắt từ hiện diện. Sau đó, các máy tách dòng điện xoáy được sử dụng để tách nhựa khỏi nguyên liệu đầu vào. Tiếp theo, một quy trình tinh chế tiếp theo đòi hỏi phải tách các kim loại nặng như đồng, đồng thau, kẽm, v.v. từ phế liệu nhôm.

Thứ hai, việc sử dụng xung laser kết hợp với máy phân tích dẫn đến việc tạo ra plasma khi tương tác với bề mặt mẫu. Plasma này sau đó nguyên tử hóa và kích thích mẫu, dẫn đến phát xạ ánh sáng. Ánh sáng phát ra sau đó được truyền qua sợi quang vào máy quang phổ, do đó tạo ra dữ liệu quang phổ gọi là quang phổ phát xạ quang học (OES). Mỗi phổ đỉnh đều khớp với đỉnh chuẩn trên bảng tuần hoàn và cường độ của các đỉnh liên quan đến tỷ lệ phần trăm của chúng trong chất.

Thứ ba, việc giải thích và phân tích dữ liệu này được tạo điều kiện thuận lợi thông qua việc sử dụng các thuật toán học sâu. Các quang phổ được xử lý trước để nâng cao hiệu suất của các thuật toán phân loại. Bước này luôn được áp dụng để xử lý sự chồng chập tín hiệu phát xạ của chất phân tích, plasma và tín hiệu liên quan đến máy dò. Bước xử lý trước thứ hai là loại bỏ các cường độ đã ghi liên quan đến các điểm ảnh bão hòa và tín hiệu nhiễu.

Cuối cùng, mạng nơ-ron sâu để mô hình hóa và dự đoán các giá trị số liên tục. Nó liên quan đến việc đào tạo mạng nơ-ron với nhiều lớp để học các mẫu phức tạp và mối quan hệ trong dữ liệu. Hiệu suất của các phương pháp này được thể hiện bằng bốn số liệu: độ chính xác, độ chính xác trung bình có trọng số, độ thu hồi trung bình có trọng số và điểm f1 trung bình có trọng số. Hình 1 minh họa quá trình phân loại phế liệu bằng phương pháp LIBS.

Hình 1. Sơ đồ quá trình thực nghiệm của LIBS.

Kết quả thực nghiệm tham khảo cho thấy phương pháp LIBS hoạt động tốt

Để làm rõ ứng dụng này, sau đây là công trình được tham khảo của S V Eynde và cộng sự, trình bày kết quả phân loại hợp kim nhôm bằng phương pháp LIBS.

Có ba phân đoạn mục tiêu được chọn bao gồm các lớp Premium, Desox và Second. Lớp đầu tiên có giới hạn về nồng độ của các nguyên tố hợp kim phổ biến nhất. Lớp thứ hai được gọi là "Desox" viết tắt của " deoxidation aluminum” (nhôm khử oxy hóa) cho thấy nồng độ nhôm kim loại cao. Phân đoạn mục tiêu cuối cùng là lớp "Secondary" để sản xuất hợp kim đúc.

Bảng 1 cho thấy thành phần của ba phân số đầu ra mong muốn khi tất cả các phần trong tập dữ liệu được gán cho ba lớp theo nhãn sự thật cơ bản. Nồng độ của các nguyên tố được biểu thị theo phần trăm trọng lượng (wt%). Do cách tiếp cận được chọn để gán nhãn sự thật cơ bản, một số nguyên tố ít quan trọng hơn vượt quá giới hạn nồng độ đã chỉ định cho các phân số đầu ra mong muốn (được đánh dấu màu vàng). Hàm lượng sắt cao hơn một chút so với mong muốn trong mỗi phân số đầu ra, cũng như hàm lượng magiê trong lớp Desox. Tuy nhiên, tất cả các nguyên tố hợp kim được xem xét khác, bao gồm cả các nguyên tố quan trọng nhất, đều đáp ứng các hạn chế đã chỉ định với biên độ đáng kể.

Bảng 1. Thành phần của các phân đoạn đầu ra mong muốn khi tách theo các phép đo thực tế và dung sai nồng độ đã chỉ định (nồng độ tính theo wt%).

Thiết bị đề suất sử dụng

Phương pháp LIBS được chia thành một số loại công nghệ khác nhau hoạt động trên các loại năng lượng laser khác nhau được thể hiện trong Bảng 2.

Bảng 2. Tăng ường tín hiệu của phương pháp LIBS.

Intins giới thiệu đến khách hàng LIBS25000plus và SpeedSorter™ LIBS Sorting Sensor là hai dòng sản phẩm phổ biến của Ocean Optics. Chức năng LIBS của Ocean Optics có thể được mua dưới dạng một hệ thống hoàn chỉnh, bao gồm máy quang phổ và các sợi quang liên quan, laser và Mô-đun thu hình ảnh LIBS.

Đối với LIBS25000plus, chùm tia xung laser cường độ cao, rộng 10 nano giây được tập trung vào khu vực mẫu. Tất cả các thành phần đều có phổ phát xạ trong vùng 200 – 980 nm. Hệ thống phát hiện sử dụng tới bảy máy quang phổ sợi quang thu nhỏ độ phân giải cao HR2000+ của chúng tôi, mỗi máy có một mảng CCD tuyến tính 2048 thành phần. Máy ảnh cũng hữu ích để điều chỉnh tiêu điểm laser ở trên hoặc dưới bề mặt mẫu. Máy ảnh màu hỗ trợ USB chụp ảnh trước và sau khi cắt bỏ mẫu và cung cấp độ phân giải lên tới 1280 x 1024 pixel. Bạn cũng có thể mua các fiber LIBS ở nhiều dải bước sóng khác nhau, các loại laser phù hợp như Q-Switch quang điện và buồng  để mẫu LIBS.

Tương tự với SpeedSorter, việc tách nhôm rèn khỏi nhôm đúc, nhôm khỏi magiê và phân loại hợp kim như 5xxx và 6xxx đều có thể thực hiện dễ dàng.

Hình 2. Hai thiết bị phân loại phế liệu kim loại dựa trên phương pháp LIBS a) LIBS25000plus, b) Cảm biến phân loại SpeedSorter™ LIBS