Bestimmung einer Quanteneffizienz für das automatisierte Sortieren von Kunststoffen durch Fluoreszenz

Abstract:
Kunststoffe sind weltweit das gebräuchlichste Verpackungsmaterial. Bei den verwendeten Polymeren handelt es sich meist um Thermoplaste, die durch Schmelzen und Umformen recycelt werden können. Es ist jedoch zu beachten, dass die Kunststoffe nahezu in ihrer Reinform vorliegen müssen, um gute Ergebnisse für Produkte aus recyceltem Material zu erzielen. Aus diesem Grund werden heute Kunststoffe manuell sortiert, da es keinen vollautomatischen Trennprozess gibt. Kunststoffe sind außerdem eine der Hauptursachen für Umweltverschmutzung. So zeigt beispielsweise eine Studie aus Hongkong, dass die Konzentration von Kunststoff in Küstengewässern 27.909 Partikel pro 100 m3 beträgt. Inspektionsverfahren wie zum Beispiel die VIS/NIR-Spektroskopie (visuelle/nahinfrarot Spektroskopie) unterscheiden Kunststoffe aufgrund ihrer unterschiedlichen spektralen Eigenschaften. Dabei können blaue PET-Flaschen (Polyethylenterephthalat) von weißen PET-Flaschen separiert werden. Leider ist diese Methode für die Identifizierung aller Arten von Kunststoffen nicht effektiv, da nicht jedes Polymer eine typische Farbe hat. Weiter lassen sich Kunststoffe an ihren spezifischen Fluoreszenzabklingzeiten erkennen, da diese einen unterschiedlichen exponentiellen Abfall aufweisen. Dieses Verfahren wurde jedoch noch nicht unter Umgebungsbedingungen getestet. Im Labor werden die Proben von Hand unter einen optischen Aufbau gelegt und durch Lichtimpulse angeregt und die Abklingdauer der Fluoreszenz der Probe wird gemessen. Da die Fluoreszenzabklingzeiten im Nanosekundenbereich liegen, muss eine schnelle Synchronisation zwischen Computer und Optik hergestellt werden. Für die Realisierung des Messaufbaus sind vergleichsweise teure Geräte erforderlich. Um Rechenleistung und Kosten für teures Equipment zu sparen, wird ein Messverfahren für eine gerätespezifische Quanteneffizienz vorgeschlagen, um den Identifikationsprozess des Kunststoffs zu vereinfachen. Die Quanteneffizienz gibt in der Regel das Verhältnis zwischen absorbierten und fluoreszierenden Photonen an. Hier wird das Konzept einer Quanteneffizienz auf den gesamten optischen Weg ausgedehnt, das heißt die Multiplikation aller optischen Kom-ponenten führt zu einer polymerspezifischen und apparatespezifischen Quanteneffizienz. Beispielhaft eingebunden in einen industriellen Prozess könnte das System wie in Bild 1 links dargestellt werden. Dabei ist ein optisches System über einem Förderband angebracht und nimmt zum Zeitpunkt t1 mit eingeschalteter Lichtquelle ein Aufnahme auf. Diese soll anschließend von der zum Zeitpunkt t2 aufgenommenen Aufnahme subtrahiert werden. Ist ein Kunststoff zum Zeitpunkt t2 zwischen Förderband und Messeinrichtung, wird durch die Subtraktion das Fluoreszenzsignal sichtbar und der Kunststoff kann detektiert werden.