LIBSoter工业级激光诱导击穿光谱系统用于废旧金属分选

金属自然资源是有限的，并且金属工业整个产业链包括开采到冶炼都属于高耗能高污染行业。废旧金属回收循环利用不仅可以充分利用矿产资源，对国家碳中和的大发展方向也是意义非凡。它可以减少矿产开采端以及冶炼加工过程中废水、废气和废渣的排放；另外还能在生产过程中节约能耗，原本生产1吨原生金属时，平均需要开采70吨原生矿物，而利用废旧金属二次资源，可以节约能源85%~95%，降低生产成本50%~70%。这不仅可以减少碳排放，还可以带来可观的经济效益。而目前我国的资源循环利用率仅为30%，未来还有很大的发展空间。

废旧金属回收，需要进行分类分拣，过程中废金属会被切碎，然后按其元素的含量进行分类。而待分拣材料的成分差异很大，每件都需要单独分析。激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种分析速度极快的检测技术，它能在短时间内大量单独分析材料成分，是废金属分类分拣理想的选择。

目前有大量关于LIBS分类的研究，但由于面对高样品通量的要求，就需要更灵敏、反应迅速且检测范围更宽的光谱仪。中阶梯光谱仪是个不错的选择，因为它们具有高的光谱分辨率、更宽的同时可检测波长范围和紧凑设计。搭配廉价的2D EMCCD相机，能够构建一个远程LIBS检测的高速分拣装置。为了利用中阶梯光谱仪所检测的大量光谱信息，可以应用多元数据分析，在选择LIBS光谱判别分析方法时，不仅需要根据分类正确性来评估，还要兼顾算法所需时间。德国柏林LTB的S.Merk等研究人员对中阶梯光谱仪应用于工业环境中金属分拣任务进行了研究，并对比了多元判别分析方法主成分分析(PCA)和偏最小二乘判别(PLS-DA)。

实验设置：

实验所使用的中阶梯光谱仪型号为ARYELLE 150（LTB Berlin），这款紧凑型光谱仪最大尺寸仅为210mm，焦距150mm，具有7500的光谱分辨率(λ/Δλ)，狭缝宽度50μm；激光器选择双脉冲激光系统，工作频率25Hz，波长1064nm，能量2×200mJ；通过800mm的聚焦透镜聚焦于样本表面。第一个激光脉冲旨在去除样本表面油漆、污垢或氧化层，第二个脉冲用于激发所探测的等离子体，两个脉冲间隔20μs，可以使脉冲在3m/s移动速度的样本上尽量重叠，并最大限度地减少两个脉冲之间产生的等离子体之间的干扰。检测系统示意图如图1所示。单次测量，可以允许每秒识别和分类25个单独的样品。

实验所使用的样本来自于回收站，选取不同元素组成、不同尺寸和形状的金属碎片，未做任何进一步处理。使用光谱仪软件Sophi(LTB Berlin)和自写分类模块进行数据处理和计算。

图1、装置示意图

实验结果：

图2展示了PLS-DA和PCA作为分类模型对验证数据进行分析的混淆矩阵。尽管使用了有更高的分辨率15000的光谱仪(ARYELLE 400，LTB)进行模型的构建和验证，PCA的分类结果相对较差；而PLS-DA为大多数合金提供了良好的分类。然而在银和黄铜样品只能以78%和71%的正确率进行分类。银的误分类是铜和黄铜，这是因为大多数银器都由银和铜的合金制成。而黄铜的主要元素也是铜和锌，所以会被误分类到铜或锌也是合理的情况。

图2、PLS-DA和PCA作为分类模型对验证数据进行分析的混淆矩阵

图3展示了较大验证集的PCA和PLS-DA分的混淆矩阵。对于PLS-DA，没有观察到分类能力的显著变化，这表明模型对实验参数的变化具有良好的鲁棒性。同时PCA结果虽然铁样品分类正确率为98%，但是由于其它样本的错误分类，输出的铁样品纯度仅为28%，反之亦然，铬的分类虽然相当差，只有35%，但是输出的正确率达100%，锌也存在同样的趋势。但是，如果所有类别在建模过程中都具有很好的正确率，那最终输出类别之间的纯度就很高，这一点可以在PLS-DA的混淆矩阵中观察到。

图3、验证集的PCA和PLS-DA分的混淆矩阵

最后通过在线分类测试，将未使用过的样品使用手动预分类并模仿机器的方式放置在传送带上。使用PLS-DA模型进行分类，显示了平均分类正确率达88%，这被证明选择适合的模型情况下，LIBS用于废旧金属回收分类分拣的可行性。基于此，德国LTB公司开发了一套用于工业废旧金属(矿石)分选的LIBS系统——LIBSorter系列，其中LIBSorter 300可应用于废旧铝合金金属快速而精准的分类分拣，已在工业资源循环应用领域发挥着重要作用。

主要技术参数

总结：

金属回收工业是发展可持续循环经济的一个重要组成部分。在全球范围内，日益减少的资源与日益增加的需求导至了工业原料的价格上涨，基于对经济增长和生态环境保护的综合考量，废旧金属循环利用是必需和急迫的。为了回收效率，LIBS检测技术是不错的解决方案，而LIBSorter是实现这一方案的参考答案。