Zefektívnenie recyklácie pomocou AI: Štatistiky z výskumu NIST

Recyklácia môže byť pre miestne samosprávy významným nákladom, ale AI môže pomôcť znížiť tieto náklady a potenciálne zvýšiť mieru recyklácie. Výskumníci z NIST pracujú na tom, aby bola recyklácia efektívnejšia a menej nákladná.

Premýšľali ste niekedy nad tým, čo sa stane s vaším plastom, keď ho hodíte do „koša“?

Táto otázka sa v poslednej dobe často objavuje v správach.

Odpoveď je dosť zložitá. Záleží na tom, kde bývate a aký druh plastu ste vyhodili.

Zber recyklovateľných materiálov predstavuje pre samosprávy obrovské náklady. Potrebujú udržiavať zariadenia na spracovanie plastov, ako aj nákladné autá a nádoby na ich zber. Na túto prácu si tiež musia najať ľudí. Bolo by oveľa lacnejšie vyhodiť všetko na skládku.

Keď však miestne samosprávy recyklujú, môžu premeniť odpad na hotovosť, ak majú správnu infraštruktúru. Niektoré náklady môžu kompenzovať predajom vyzbieraných plastov späť výrobcom. Väčšina výrobcov chce, aby boli recyklované plasty takmer rovnako dobré ako nové, čo si vyžaduje starostlivé triedenie, aby sa získali konzistentné produkty.

Pre väčšinu ľudí vyzerajú všetky plasty rovnako. Ale bystré oči vedia, že existuje sedem bežných druhov plastov. Poznáte ich podľa malých recyklačných symbolov na dne takmer všetkých plastových nádob. Tieto čísla pomáhajú identifikovať chemické zloženie týchto plastov. Možno ste si ich všimli pri triedení vlastnej recyklácie.

Tu je rozpis niektorých z týchto materiálov:

Materiál	Bežné použitia	Recyklačný kód
Polyetyléntereftalát	Fľaše na sódu, fľaše na vodu	1 – PETE
Polyetylén s vysokou hustotou	Kanvičky na mlieko, fľaše na saponáty	2 – HDPE
Polyvinylchlorid	Rúry, sprchové závesy	3 – PVC
Polyetylén s nízkou hustotou	Tašky na potraviny, tašky na sendviče	4 – LDPE
Polypropylén	Nádoby na vyberanie, kelímky od jogurtov	5 – PP
Polystyrén	Jednorazové šálky na kávu	6 – PS
Iné	Ochranné okuliare, DVD, veľa opakovane použiteľných fliaš na vodu	7 – Iné

Triedenie týchto plastov je kľúčové. Rôzne typy plastov s podobnými vlastnosťami sa často nedajú miešať, pretože vyžadujú rôzne procesy tavenia.

Vezmite si napríklad PVC. Používa sa vo všetkom, od rúrok po sprchové závesy. Roztavené PVC produkuje silnú kyselinu užitočnú v mnohých priemyselných aplikáciách. Ale, ako mnoho iných kyselín, nie je to niečo, čo by ste chceli vyrobiť nečakane.

Miernejším príkladom sú polyolefíny, skupina plastov vrátane HDPE (používaný v džbánoch na mlieko), LDPE (používaný v plastových vreckách) a PP (používaný v nádobách na odber). Tieto plasty tvoria cca 40% svetovej produkcie plastov. Sú tiež jedny z najťažších na triedenie.

Typ plastu, ktorý sa používa v džbánoch na mlieko, vyžaduje vysoké teploty na roztavenie a opätovné spracovanie kvôli svojej kryštalickej štruktúre. Ak sa však primiešajú nečistoty z plastových vrecúšok, tieto vrecká sa pri týchto vysokých teplotách znehodnotia. Takže, ak sa plastové vrecko zmieša s kanvicami na mlieko, môže to mať za následok množstvo nepoužiteľných kanvičiek na mlieko so špinavou farbou. Toto riziko spracovania je jedným z dôvodov, prečo nevidíte veľa nádob na mlieko vyrobených z recyklovaného plastu.

Navyše, ak niektoré vysokoteplotne stabilné materiály z odoberacích nádob skončia na linke na spracovanie plastových vreciek, môžete vidieť upchatie stroja.

Pracovníci v Montgomery County Recycling Center triedia materiály na recykláciu.

Teoreticky môžete plastový odpad ľahko triediť pomocou malých recyklačných symbolov. Potom môžete tieto vytriedené plasty predať sekundárnym recyklátorom, ktorí ich premenia na produkty.

Cena závisí od predpokladanej čistoty plastu. Veľký balík oranžových fliaš na čistiaci prostriedok sa môže predávať za vysokú cenu, pretože sa dajú ľahko vybrať. Hromada vyberacích nádob sa však môže ľahko pomiešať s rôznymi farbami alebo prísadami.

V miestnom recyklačnom zariadení v okrese Montgomery v štáte Maryland ľudia ručne triedia fľaše od čistiacich prostriedkov, nádoby na potraviny a ďalšie. Ruky a oči sa však môžu pohybovať len tak rýchlo a pri tejto rýchlosti je ľahké robiť chyby. Recyklačné zariadenia sa teda zameriavajú na triedenie vysokohodnotných alebo ľahko identifikovateľných plastov, aby sa zachovala konzistencia pri predaji sekundárnym recyklátorom. To znamená, že fľaše od čistiacich prostriedkov a nádoby na nápoje sa recyklujú vysokou rýchlosťou. Vaše plastové „príbory“ a staré detské hračky nemusia.

Na uľahčenie triedenia sa naša práca v NIST zamerala na používanie blízkeho infračerveného svetla (NIR), čo je technológia, ktorá dokáže rýchlo identifikovať rôzne plasty. Niektoré špičkové recyklačné zariadenia už používajú svetlá alebo kamery na „videnie“ a triedenie fliaš sódy z PVC rúr.

Ale tieto systémy nedokážu zoradiť všetko. Môj výskum sa zameriava na vytvorenie metódy, ktorá pomôže triediť najnáročnejšie plasty, aby mohli recyklátori priniesť zisk.

Ako robíme recykláciu efektívnejšou

S ohľadom na túto skutočnosť sa náš tím pozrel na túto metódu NIR a rozhodol sa ju vylepšiť pomocou algoritmov strojového učenia a iných vedeckých techník.

V infračervenej spektroskopii svietite na niektoré molekuly rôznymi vlnovými dĺžkami svetla. Tieto molekuly absorbujú časť svetelnej energie na špecifických vlnových dĺžkach a zvyšok odrážajú alebo prepúšťajú.

Jedným zo spôsobov, ako o tom premýšľať, sú kvety a farby. Napríklad, keď na červenú ružu svieti veľa vlnových dĺžok svetla zo slnka, ruža veľmi dobre absorbuje každú vlnovú dĺžku/farbu okrem červenej. Červené svetlo sa odráža od okvetných lístkov, preto sa nám ruža javí ako červená.

Ak poznáme farbu a intenzitu svetla, ktoré svietime na kvetinu alebo plastovú fľašu, a farbu/intenzitu, ktorú dostávame späť, môžeme rozdiely použiť na identifikáciu viacerých týchto kvetov alebo fliaš, ako napríklad odtlačok prsta.

Pomocou strojového učenia môžeme nájsť odtlačky prstov NIR mnohých plastových materiálov. Potom „trénujeme“ počítače na identifikáciu plastov na základe nových signálov NIR v porovnaní so signálmi NIR z iných plastov. Toto školenie pomáha technológii rozpoznať materiály vo fľašiach od sódy, pochopiť, ako sa líšia od nádob na odber a podľa toho ich oddeliť.

V našom prvom článku sme použili strojové učenie na spojenie našich plastových signálov s určitými vlastnosťami (napríklad aký je hustý a kryštalický polyetylén). Zvyčajne meriate hustotu vážením plastov v rôznych kvapalinách a porovnávaním rozdielov. Je to veľmi pomalý a únavný proces.

Ukázali sme však, že takmer rovnaké informácie môžete nájsť pomocou odrazeného svetla – oveľa rýchlejšie. Na recyklačnej linke je rozhodujúci čas.

Túto metódu môžete použiť na veľké a malé vzorky. Je to skvelé, pretože to ukazuje, že ak veci nastavíme opatrne, môžeme z týchto meraní na základe svetla získať viac informácií.

Toto je ešte len veľmi predbežná práca a ešte sa netýka všetkých druhov plastov. Nemôžeme si teda len tak posvietiť na akýkoľvek plast a poznať jeho presné vlastnosti, ale je to vzrušujúci začiatok. Ak to dokážeme zväčšiť, mohlo by to recyklátorom a výrobcom ušetriť veľa času a úsilia v krokoch kontroly kvality.

Od zverejnenia tejto práce som sa zaoberal tým, ako naložiť so všetkými údajmi z týchto meraní. Skončíte s veľmi odlišnými údajmi na základe tvaru plastu a toho, či je vzorkou peleta, prášok alebo fľaša.

Svetlo sa totiž stále odráža, no odráža sa v rôznych smeroch v závislosti od tvaru plastu. Predstavte si odrazy na čistom jazierku oproti jazierku s mnohými vlnkami. Potom môžete pridať pigmenty a konzervačné látky, ktoré môžu skutočne zmeniť signál. To neznamená, že údaje sú nesprávne, ale môže to ovplyvniť triedenie. Môžete si to predstaviť ako kategorizáciu čiernobielych fotografií ľudí oproti tým istým čiernobielym, farebným, komiksovým a maľbám.

Aby sme to vyriešili, tím rozšíril náš súbor údajov a ja sa pozerám na matematické opravy, aby sa prášky, pelety a farebné plasty umiestnili na rovnaké ihrisko. Ak to dokážeme, identifikácia toho, ktorý plast je pomocou strojového učenia, bude jednoduchšia.

Aby bol tento výskum širší, pracujem na tom, aby som ukázal, že vieme triediť tieto zložité polyolefíny. Pomocou mojej súčasnej metódy sme pri triedení týchto plastov dosiahli presnosť 95% až 98%. Robíme to pomocou procesov, ktoré môže rýchlo začať používať takmer každé recyklačné zariadenie vybavené NIR.

Mnohé recyklačné zariadenia už môžu používať podobné algoritmy, ale táto práca poskytuje dodatočnú úroveň zdokonalenia so zameraním špecificky na ťažko triediteľné polyolefíny.

Ak ich dokážeme efektívne triediť, môžeme ich opätovne použiť s menším počtom problémov so spracovaním, vďaka čomu je recyklácia ziskovejšia. Potom, dúfajme, môžu zisky viesť k lepším recyklačným návykom a môžeme začať meniť našu lineárnu ekonomiku na obehovú.

Recyklácia ako hádanka na vyriešenie

Som riešiteľ problémov, skáčem z jednej hádanky na druhú.

Okrem výskumu polymérov som pracoval na systémoch podávania liekov na rakovinu vaječníkov a teraz používam umelú inteligenciu (AI) a strojové učenie.

Rád robím dobro pri riešení zložitých problémov. Udržateľnosť a bio-šetrné materiály boli krásnou témou počas celej mojej výskumnej kariéry.

Možno ste spočiatku nevideli spojenie medzi biomedicínskym výskumom a plastmi. Ale systémy na podávanie liekov môžu pomôcť vytvoriť skutočne skvelé materiály s aplikáciami mimo medicíny. Práca s plastmi môže tiež zlepšiť naše chápanie DNA, bielkovín a kolagénu v našom tele.

Teraz, s explóziou AI, máme nové nástroje na rýchlejší a efektívnejší výskum materiálov. Je to vzrušujúca doba v oblasti udržateľných materiálov!

Budúcnosť Triedenie Výskum

Momentálne dokončujem dvojročnú zmluvu v NIST a hľadám ďalšiu hádanku, ktorú by som mal vyriešiť.

Plánujem však zostať v spojení s NIST ako pridružená spoločnosť, aby som pomohla ostatným výskumníkom používať moje techniky.

Dúfam, že pomôžem širšej recyklačnej komunite použiť analýzu údajov na zlepšenie našej recyklácie a pomôžem vyčistiť našu planétu.