Spectromètre NIR à filtres factoriels

La spectroscopie NIR est prédisposée pour l'identification des plastiques. Avec la puissance de méthodes d'analyse chimiométriques, des plastiques provenant par exemple des déchêts ménagers comme le PE,PP,PVC,PS et PET peuvent être facilement identifiés à l'aide de spectromètres NIR traditionnels. Cependant ces spectromètres n'atteignent pas la vitesse de détection nécessaire pour l'identification on-line dans un centre de tri. Dans cette présentation, un capteur NIR avec une vitesse de mesure énorme et réduisant en même temps la puissance d'ordinateur est présenté.

Ce capteur qui utilise la totalité d'informations d'un spectre NIR ne contient aucune pièce mobile. Mais il utilise une intensité lumineuse beaucoup plus grande qu'un spectromètre dispersif ou un spectromètre AOTF.

Cette nouvelle méthode peut être considérée comme étant une réalisation optique d'une analyse chimiométrique. Des expériences pratiques ont déjà été réalisées plusieurs fois.

Introduction

De récentes études en Suisse ont montrées que les plastiques représentent env. 18-20% du poids des déchêts ménagers et que ceux-ci couvrent à 50% la capacité des incinérateurs. Afin de réduire la montagne de déchêts , la législation suisse limite le nombre de bouteilles de boisson dans les déchêts (2'000 tonnes par année). Du point de vue écologique, la plupart des pays favorise le recyclage mécanique des matériaux. Malheuresuement beaucoup de types de plastique ne peuvent être recyclés économiquement. Mais comme les plastiques ne sont généralement pas compatibles entre eux, il faut les trier avant leur réutilisation.

Jusqu'à présent dans la pratique, le tri manuel ou le tri d'après la densité (flottation, hydrocyclone) sont utilisés à l'échelle industrielle. Si uniquement le PVC doit être détecté, on utilise la spectroscopie à rayons X. Les problèmes rencontrés avec ces différentes méthodes sont la qualité et les coûts du tri.

Les solutions NIR

Le "monde NIR" sait depuis longtemps que la spectroscopie NIR combinée avec des méthodes de chimiométrie s'adapte très bien à l'identification des plastiques (Siesler et Holland-Moritz 1980; Miller 1991; Willenberg et al. 1993). De plus l'apparition sur le marché de détecteurs électro-optiques rapides et la possibilité de mesurer à distance par fibre optique incitent à utiliser la technologie NIR pour des applications on-line. De nouveaux instruments pour l'automation du NIR sont les spectromètres à barette de diodes et AOTF. Toutefois, l'identification automatique des plastiques ou d'autres produits NIR-actifs doit remplir trois conditions importantes:

L'augmentation de la puissance de calcul par exemple en utilisant la technologie des transputers peut être une solution pour atteindre une fréquence de 1'000 mesures par seconde (Eisenreich et al. 1993). Mais lors de la mesure en réflexion diffuse, l'augmentation de l'intensité lumineuse reste le problème dans ces instruments NIR on-line mentionnés ci-dessus.

Le masque chimiométrique - une nouvelle idée

Au lieu d'augmenter la puissance de calcul - comme on pourrait s'y attendre - le procédé présenté ici se sert d'une idée révolutionnaire dont la base est le principe de l'interprétation chimiométrique de spectres NIR. L'analyse NIR traditionnelle se déroule généralement sur des spectromètres optiques comme instruments à filtres, spectromètres dispersifs ou interféromètres à polarisation. Tous ces instruments ont en commun le fait qu'une calibration préliminaire est nécessaire sur un set de spectres à l'aide de notions chimiométriques comme l'analyse des composantes principales (PCA), la régression des composantes principales (PCR) ou les moindres carrés partiels (PLS). Ces procédures mathématiques décomposent et pondèrent les spectres en respectant des nouveaux systèmes de coordonnées optimisés mathématiquement. De plus, une corrélation entre l'information spectrale inhérente et les propriétés chimiques est faite.

Durant ce procédé routinier d'analyse NIR, l'information est obtenue par multiplication mathématique du spectre avec une série de fonctions mathématiques (par exemple les composantes principales) afin d'obtenir les poids demandés.

Le nouveau concept réalise cette opération en utilisant des notions optiques au lieu de principes mathématiques (Wagner et al. 1993). L'information spectrale de l'objet (ou matériau) examiné est modulée avec une fonction optique de transmission. Ceci correspond à "un ordinateur optique" accomplissant les fonctions décrites ci-dessus à la vitesse de la lumière. Cette fonction optique de transmission peut être réalisée de telle manière à ce que la valeur mesurée, par exemple le signal détecté résultant de la modulation du spectre par cette fonction, soit en corrélation avec les propriétés de l'objet (ou matériau) en question. Autrement dit, la réalisation se passe sous forme de masque chimiométrique.

Réalisation du hardware:

Ce masque chimiométrique est réalisé sur la base de la calibration d'une série de spectres mesurés avec un instrument NIR et un logiciel chimiométrique conventionnels. Des filtres optiques comme par exemple des filtres multicouches à interférence, spécialement construits pour décrire une fonction optique de transmission dans une bande spectrale précise peuvent être une solution pour obtenir ce masque.

Moins couteux est la réalisation de ce masque à l'aide de filtres à polarisation et à interférence. La figure 1 montre le schéma d'un instrument construit pour l'identification des plastiques. Celui-ci comporte plusieurs canaux dont chacun contient un filtre ou masque décrivant une fonction de transmission optique basée sur l'analyse chimiométrique, par exemple les caractéristiques spectrales d'une composante principale obtenue par PCA. De plus un des canaux a une fonction de transmission constante servant comme référence aux signaux des détecteurs.

Principe de fonction:

L'objet ou la substance à identifier est illuminé par une source lumineuse et transmet ou réfléchie diffusement la lumière. Celle-ci contient l'information spectrale NIR et est récoltée dans un faisceau de fibres optiques divisé ensuite dans l'appareil afin de passer par les filtres précalculés.

Le signal résultant sur les détecteurs est en corrélation avec l'information recherchée. La conversion analogique-digitale est suivie par le calcul du résultat à partir de la combination des signaux des différents canaux.

L'identification finale de chaque objet est basée sur une série de mesures singulières.

Figure 1: schéma du capteur NIRIKS de Buhler construit pour l'identification des plastiques des déchêts ménagers. La lumière réfléchie diffusement ou transmise par les bouteilles est modulée avec une série de fonctions optiques de transmission représentant des fonctions chimiométriques, par exemple des composantes principales de PCA.

Pour une application analytique dans un processus, la technologie des filtres factoriels est très avantageuse vu le fait que la construction des filtres est spécialement conçue pour un type de mesure constante.

De plus l'énorme vitesse d'identification permet d'obtenir au moins 3'000 décisions par seconde. Avec ce nouveau principe de mesure il est possible de dimensionner les filtres beaucoup plus grands que dans des composants optiques normaux, ce qui augmente considérablement l'intensité lumineuse à l'intérieur de l'instrument.

Applications et expériences

A partir des spectres de plastiques enregistrés à l'aide du spectromètre FT-NIR NIRVIS de Buhler, les filtres factoriels sont dimensionnés et construits pour l'application requise par exemple PE, PP, PVC, PS et PET.

Sur la figure 2, on voit la représentation stéréographique des plages de tolérance pour l'identification pour ces matériaux.

Les cercles sur la droite recouvrant partiellement la zone PET montrent une séquence typique de mesures pour un objet. Ces données ont été mesurées avec un capteur NIRIKS de Buhler dont le principe est expliqué plus haut. Les mesures invalides sont filtrées au début et à la fin par des outils mathématiques.

Les expériences faites jusqu'à présent sur différentes installations de tri ont montrées que la technologie fonctionne de façon fiable et sûre à l'échelle industrielle sans manipulation compliquée. D'éventuels problèmes causés par la saleté et des étiquettes sont compensés par l'énorme vitesse de détections. Grâce à la grande intensité lumineuse, il est possible de mesurer des objets transparents, colorés ou opaques sans contact physique.

Il est à signaler que la technologie décrite ici peut être utilisée pour d'autres applications que l'identification des plastiques, aussi bien pour une analyse qualitative que quantitative.

Nous sommes persuadés que la technologie des filtres factoriels va jouer un rôle important pour des mesures on-line où une grande vitesse est nécessaire.

Références

Eisenreich N., Herz J., Kull H. (1993) CLB Chemie in Labor und Biotechnik 44, 395-397.

Miller C.E. (1991) Applied Spectroscopy Reviews 26, 277-339.

Siesler H.W., Holland-Moritz K. (1980) Infrared and Raman-Spectroscopy of polymers, Marcel Dekker New York 1980

Wagner E.,Labhart M.,Glaus U. (1993) Description du système distribuée lors de Recycle '93, du 22 au 26 mars 1993 à Davos, Suisse

Willenberg B.,Kohn W., Ritzmann H. (1993) Kunststoffe Synthetics 8/93, 28-31