¿Podrían tomar imágenes?

De los 8.300 millones de toneladas de residuos plásticos que se han producido desde la década de 1950, solo el nueve por ciento se ha reutilizado1.

El problema de los desechos plásticos ha aparecido en los titulares repetidamente en los últimos años, con informes de que el plástico altera los ecosistemas en algunos de los entornos más remotos de nuestro planeta, incluido el Ártico.

Los gobiernos de todo el mundo están reconociendo la necesidad de cambiar esto y están introduciendo leyes para mejorar las tasas de reciclaje. La legislación propuesta por la UE, por ejemplo, establece objetivos mínimos para el contenido reciclado en envases de plástico, como el 30% para las botellas de bebidas para 2030 y el 65% para 2040.

Por lo tanto, los residuos se están convirtiendo en una materia prima importante a medida que las empresas luchan por cumplir estos objetivos críticos. Y, con el aumento del precio del petróleo crudo (y, por lo tanto, del plástico virgen) debido al aumento de los costos del petróleo crudo, el material reciclado se está volviendo aún más atractivo.

Pero hay una razón por la que los plásticos no se reciclan al mismo ritmo que el papel, el vidrio o los metales: la gran cantidad de diferentes productos de embalaje en el mercado hace que sea difícil identificarlos, separarlos y clasificarlos.

Las tecnologías de imágenes como las cámaras infrarrojas, hiperespectrales y de línea CCD han sido cruciales para permitir una detección y clasificación confiables de desechos plásticos, pero la industria del reciclaje enfrenta desafíos únicos con los plásticos que la industria de las imágenes podría continuar ayudándola a superar.

Reciclaje de plástico negro

Sesotec es un OEM que desarrolla sistemas de clasificación para el reciclaje y cuenta actualmente con más de 2.300 instrumentos instalados en todo el mundo.

Las máquinas de la compañía cuentan con una gama de cámaras y sensores que se adaptan según el tipo de material que se clasifica, pero un material que supera los límites tecnológicos (y que Sesotec dice que la industria fotónica podría ayudar a respaldar) es el plástico negro.

"El plástico negro es uno de los mayores problemas en el reciclaje", afirmó Tobias Eder, director de ingeniería y tecnología de aplicaciones de Sesotec, durante una reciente reunión de tecnología en línea EPIC sobre clasificación de plástico, reciclaje y gestión de residuos.

La mayoría de los envases de plástico negro (ampliamente utilizados en productos electrónicos, envases de alimentos, bolsas de plástico y la industria automotriz) se tiñen con pigmentos de negro de carbón que evitan que las tecnologías típicas empleadas en los instrumentos de clasificación, como los sensores de infrarrojo cercano (NIR) o las cámaras de línea CCD, detectarlo de forma fiable.

La empresa está buscando una tecnología fiable que pueda detectar polímeros negros, con una precisión de detección comparable a la del infrarrojo cercano, afirmó Eder. "Por el momento, sólo tenemos cierta capacidad para utilizar sensores de infrarrojo medio, pero no están al mismo nivel que NIR y deben usarse en combinación con otros sensores". Añadió que, si bien ha habido proyectos de investigación/industria centrados en esta aplicación, "no hay resultados reales que sean posibles a escala industrial con las purezas que nuestros clientes necesitan".

Además de sensores, la empresa busca LED de alta potencia en la longitud de onda de 1.300-1.900 nm para permitir la detección de plásticos más oscuros, pero también para sustituir las bombillas halógenas y reducir el consumo de energía de sus máquinas.

En sus máquinas, Sesotec utiliza tanto cámaras de escaneo de línea CCD como sensores NIR. Las cámaras CCD pueden detectar por forma, color y separar materiales coloreados de una fracción clara. Tienen una resolución de hasta 0,075 mm y se les puede enseñar a leer alrededor de 17 millones de colores en combinación con diferentes ópticas de iluminación. Se pueden utilizar distintas opciones de iluminación según la aplicación; por ejemplo, la luz transmitida detecta la transmisión en un material transparente o una luz superior detecta el reflejo de un material opaco.

Para la detección NIR, la empresa utiliza una cámara desarrollada internamente. NIR se puede utilizar para detectar retardantes de llama y bandejas de PET; puede diferenciar LDPE y HDPE; detectar varias 'combinaciones de botella/etiqueta' o distinguir entre PET y PETG (botellas y escamas). Una "biblioteca de plásticos" se puede adaptar a aplicaciones y tipos de plástico específicos.

Sesotec espera integrar más IA en el futuro, pero necesita más potencia informática para incorporarla a un precio razonable, algo que Eder espera que la fotónica integrada pueda ayudar. Los procesos de detección y clasificación asistidos por IA acortarían el tiempo entre la detección y la clasificación del material, aumentando la producción. "Sé que todo el mundo está hablando de ello ahora mismo, pero la IA aportará un enorme beneficio", afirmó Eder.

La compañía ofrece a las organizaciones con capacidades que podrían satisfacer sus necesidades la oportunidad de probar sus productos en un entorno industrial, ya sea en el centro de pruebas de la empresa o en las instalaciones de un cliente. "Recibirá comentarios detallados sobre nuestros hallazgos, qué se debe mejorar y qué fue bueno", dijo Eder. Las empresas también pueden cooperar en proyectos de investigación, añadió.

Mejorar la pureza del plástico reciclado

Además de la detección de plástico negro, otro desafío al que se enfrenta el reciclaje de plásticos es obtener una pureza lo suficientemente alta como para que el contenido reciclado pueda convertirse en productos de alta calidad que cumplan con los requisitos de rendimiento y funcionalidad.

La mezcla de diferentes tipos de polímeros que se utilizan hoy en día dificulta esto, ya que contienen diferentes composiciones químicas, así como diferentes aditivos, como tintes e inhibidores de llama, que confieren al producto plástico sus propiedades específicas.

Clasificar estos diferentes plásticos y eliminar las impurezas es importante porque, de lo contrario, los productos fabricados con plásticos reciclados podrían no funcionar al nivel deseado.

Un proyecto de investigación e industria danés, llamado Nueva tecnología de cámara hiperespectral para la identificación de materiales (NewHC), está desarrollando una cámara hiperespectral que facilitará mucho el reciclaje de materiales plásticos. La resolución espectral y el alcance de la tecnología serán mayores que los de los productos existentes en el mercado para revelar retardadores de fuego y pigmentos no deseados en el plástico que pueden estar prohibidos o ser dañinos, de modo que puedan eliminarse antes del reciclaje.

"Es importante que separemos los plásticos en fracciones lo más puras posible si queremos aumentar la tasa de reciclaje. Actualmente se requiere al menos un 95% de pureza en las fracciones de plástico; preferiblemente más. Por esta razón, nuestro objetivo es automatizar rápidamente y reconocimiento eficiente de plástico con esta tecnología. Al hacer esto, esperamos poder superar los límites del futuro reciclaje de residuos plásticos y así reducir la necesidad de fabricar nuevos plásticos", afirmó Bjarke Jørgensen, director de Investigación y Desarrollo de Newtec Engineering.

La Universidad de Aarhus (AU), la Universidad del Sur de Dinamarca (SDU) y Newtec Engineering tienen como objetivo desarrollar la cámara hiperespectral con un rango espectral de alrededor de 400 nm a 1900 nm y una resolución deseada de 2 nm.

"Es un objetivo extremadamente ambicioso para esta tecnología y plantea exigencias estrictas a los componentes ópticos de la tecnología de la cámara. Además de una resolución excepcionalmente alta, también pretendemos optimizar la óptica de la cámara para los espectros de luz que son cruciales para el análisis de plásticos. " dijo el profesor asociado Mogens Hinge, del Departamento de Ingeniería Biológica y Química de la Universidad de Aarhus.

Una vez que se haya desarrollado la tecnología, se instalará en una planta de separación de residuos especialmente construida en colaboración con Newtec Engineering.

"Ahora tenemos el primer prototipo de cámara en nuestro laboratorio y estamos entusiasmados de ver qué podemos sacar de él", dijo el profesor Hinge a Imaging and Machine Vision Europe. “Esperamos sinceramente que otros fabricantes e investigadores de cámaras también trabajen para fabricar mejores cámaras para la clasificación de plástico. Pero, hasta donde yo sé, no hay cámaras en el mercado que tengan las especificaciones que buscamos”.

Una de las tareas técnicas más exigentes es desarrollar la frecuencia de las imágenes, es decir, cuántas imágenes se pueden adquirir por segundo y con qué rapidez se pueden procesar las imágenes y tomar decisiones basadas en los datos. La velocidad es crucial, ya que cada día se procesan toneladas de material en las plantas de reciclaje, de las cuales es necesario analizar cada metro cuadrado. “A modo de ejemplo, en la configuración actual obtenemos 1,3 millones de espectros por cada 10-12 cm de movimiento de la cinta transportadora. Por lo tanto, procesar estas cantidades de datos lo suficientemente rápido es, además de la tecnología óptica y de sensores, la clave del éxito. Cuanto más rápido podamos procesar los datos, más rápido podrá funcionar la cinta transportadora y mayor será el rendimiento de los plásticos reciclados”, dijo Hinge. El equipo planea utilizar IA para ayudarlo a analizar las señales espacioespectrales.

El sensor puede detectar luz de 415 a 1.850 nm, y un rango espectral tan amplio desafía la óptica actual, explicó Hinge, ya que la mayoría de los materiales no son transparentes ni en el rango espectral UV sobre el visual ni en el infrarrojo. "Esto también se siente en el prototipo de la cámara, ya que la óptica actual (lentes, etc.) no es óptima y aún no tenemos la iluminación completa del sensor", señaló Hine. "Sin embargo, ésta es una de las tareas que esperamos resolver con este proyecto".

El proyecto NewHC cuenta con el apoyo del Fondo de Innovación de Dinamarca (subvención no: 2105-00002B) Newtec, la Universidad del Sur de Dinamarca y la Universidad de Aarhus. Tiene un presupuesto total de 11,3 millones de coronas danesas y tendrá una duración de tres años.

Cerrando el ciclo

Una tendencia en la industria del plástico es el avance hacia el reciclaje en circuito cerrado, afirmó Eder de Sesotec durante la reunión de EPIC. Por ejemplo, muchas empresas, como Coca Cola, pretenden producir botellas nuevas a partir de botellas viejas, añadió Eder. El productor de bebidas espera que sus botellas sean 100% reciclables para 2025.

Una forma en que las empresas están cerrando el círculo de los envases de plástico es a través de marcas de agua digitales (códigos imperceptibles del tamaño de un sello postal impresos en envases de plástico) que contienen información sobre el material del embalaje que puede ser detectado por cámaras. Esto es particularmente beneficioso en el caso de botellas y envases aptos para alimentos, que tienen requisitos más estrictos, por lo que poder identificar fácilmente estos plásticos mejorará la velocidad a la que se reciclan. Las marcas de agua también permiten a las empresas rastrear sus productos a lo largo de su ciclo de vida, ayudando a rastrear la velocidad a la que se reciclan y analizar su posición dentro de la economía circular.

Un proyecto, llamado proyecto HolyGrail 2.0, está probando la implementación de la tecnología de marcas de agua digitales a escala inicialmente semiindustrial y, más tarde, industrial.

Se trata de instalar nuevos prototipos de máquinas, equipadas con cámaras de alta resolución para detectar y decodificar la información contenida en las marcas de agua digitales en los centros de clasificación y reciclaje.

El equipo, que incluye a AIM, la Asociación Europea de Marcas, junto con la Alianza para Acabar con los Residuos Plásticos, evaluará con qué rapidez y precisión se pueden probar las marcas de agua utilizando la tecnología existente, y cómo esto mejora la eficiencia de la clasificación.

Se espera que, si la clasificación inteligente aumenta la pureza de la materia prima reciclada, los desechos plásticos puedan ingresar a diferentes corrientes de reciclaje, como el reciclaje mecánico o químico. En última instancia, esto da como resultado mayores cantidades de desechos plásticos reciclados y mejora la calidad general de los reciclados.

Además de marcar los plásticos que ingresan a la cadena de suministro de plásticos, alterar la química del material plástico negro podría mejorar la velocidad a la que se recicla.

Lanxess, una empresa de productos químicos especializados con sede en Colonia, Alemania, está produciendo un pigmento negro para colorear plástico negro que refleja el 20% de la radiación infrarroja cercana. Esto permite identificar los plásticos de forma eficiente y rentable con la ayuda de detectores NIR como los que se utilizan para clasificar residuos. Los envases de plástico coloreados con negro de carbón, que se utilizan en gran medida en la actualidad, no reflejan ninguna radiación y, por lo tanto, no pueden detectarse en las plantas de clasificación. La empresa espera que el nuevo pigmento de óxido de hierro pueda contribuir decisivamente al reciclaje de envases de plástico negro.

Referencias

1 Roland Geyer et al., Producción, uso y destino de todos los plásticos jamás fabricados. Sci. Adv.3,e1700782(2017).DOI:10.1126/sciadv.1700782