江叡涵、陳怡真、孫亞君、高豐生、朱仁佑 / 工研院材化所
「永續發展」與「循環經濟」的推動，是全球政府與企業所持續致力發展的目標。為了因應不同料源回收，工研院開發特有的自動化光譜辨識(ASI)技術，其核心為本實驗室在非接觸式快速光譜檢測深耕之能量—材料光譜檢測技術，如以近紅外光光譜(NIR)、拉曼光譜(Raman)及雷射誘導擊穿光譜(LIBS)等光譜，萃取材料成分資訊。除了取出關鍵光譜外，著重開發自動光譜辨識AI演算法，結合工研院再生製程團隊研發高值化商品經驗，建立精準之具有價值的回收料源資料庫。透過發展智能創新檢測技術，超前部署綠色材料商機。
【內文精選】
前 言
根據「2020年循環缺口報告」(Circularity Gap Report 2020)指出，全世界的天然資源年消耗量首度突破1,000億公噸，然而全球原物料循環率只有8.6%，代表有將近91%的廢棄物無法回收再利用，長期下來，終將造成供應鏈最大危機，可見線性經濟轉變為循環經濟(Circularity Economy)的重要性。線性經濟的商業模式導致原物料開採出來後，被製成產品送到消費者的手裡，在使用之後，絕大多數的產品就直接被掩埋或焚化，結束了它們極其短暫的生命週期。因此需要透過廢棄物回收再開發，開創新的市場商機。根據統計，到了2030年，循環經濟將創造一年高達63兆新台幣的利益。
自動化光譜辨識技術(ASI)
綠色智能創新技術中，非常重要的一環為材料分類系統。主要原因在於再生料源的製程成本以及產品價值，與回收料源的分類品質有相當大的關係，因為回收料源的品質，將影響後續再利用方式的選擇，進而影響處理成本以及回收料源價值。舉例來說，部分混料如PET寶特瓶混雜PLA瓶子，因為製程溫度及物性的不同，造成較具有回收價值的PET無法處理而只能焚燒或掩埋。因此，自動材料分類裝置是Recycling重要的一環，主要功能在於精準分類以及快速篩檢，將回收利用的材料價值提升，並運用新科技把廢棄物轉成可用的高價值純化原料，回到產業鏈內不斷循環，可大幅減少天然資源的消耗與減少廢棄物對環境的汙染。
工研院材料與化工研究所微結構與特性分析研究室團隊發展的自動材料分類裝置，主要利用特殊光學架構，達到快速、高感度及低成本的感測器設計；並結合自動化系統，包含材料運送及精準定位、自動辨識軟體設計到自動分選作動系統化的整合。本實驗室開發特有的自動化光譜辨識技術(ASI)技術，整合過去深耕非接觸式快速光譜檢測(Non-contact Spectrum Inspection)技術—材料光譜檢測技術，如可見光(VIS)反射光譜檢測、螢光(FL)光譜檢測、近紅外線反射光譜(NIR)、Raman散射光譜檢測、雷射誘導擊穿光譜技術(LIBS)等(表一)。
表一、非接觸式快速光譜檢測技術比較
自動化光譜智慧檢測技術開發及循環經濟應用案例
本文指出三個自動化光譜智慧檢測技術開發及循環經濟應用案例，分別為近紅外光譜技術(NIR)、拉曼光譜檢測技術(Raman)及雷射誘導擊穿光譜技術(LIBS)檢測案例應用。
3. 雷射誘導擊穿光譜技術(LIBS)用於耐火磚分類
LIBS開發案例主要應用於耐火產品。一般而言，耐火材料是在高溫下能抗熱、抗壓以及耐化學侵蝕分解而能長時間維持強度和形狀的材料，其廣泛應用於鋼鐵、能源化工、水泥、陶瓷、玻璃、有色金屬冶煉等，是各種高溫熱爐和裝備不可或缺的重要支撐材料，也是各種高溫工業的重要基礎材料，其中鋼鐵行業是耐火材料最大應用領域。然而，耐火材料製造成本高且難以回收，若將耐火磚轉化為有用的原材料，將可減少廢棄物的產生和原材料的消耗。
在分類技術部分，本團隊採用非接觸式光譜快速分類技術，以雷射誘導擊穿光譜技術(LIBS)結合光譜分類方法開發，將廢料重新定義為可再利用資源，以樣品的光譜資訊進行成分判別解讀。LIBS的原理為利用雷射脈衝的方式，使材料表面吸收雷射能量，讓表面溫度升高形成電漿(如圖四)，包括激發的離子和原子物質等，而激發態的離子等會放光回到基態，再藉由收集到的原子放光光譜波長與強度等特徵資訊，完成樣品的元素定性定量分析 …以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、雷射誘導擊穿光譜元素分析技術原理
★本文節錄自《工業材料雜誌》419期，更多資料請見下方附檔。