Afval tegen het licht

Beveiligingsapparatuur voor de controle van bagage op luchthavens inspireerde Delftse wetenschappers bij de ontwikkeling van een geavanceerd afvalscheidingssysteem. Röntgenstralen kunnen veel meer aan het licht brengen dan wapens en drugs.

Anderhalf jaar geleden togen Norbert Fraunholcz en Tako de Jong met een koffer vol afval naar de luchthaven van Rotterdam. De twee grondstoftechnologen van de Technische Universiteit Delft waren benieuwd hoe verschillend glas, hout, steen, kool, plastic, metaal en tal van andere materialen eruit zouden zien in de röntgenscanner waarmee beveiligingspersoneel gewoonlijk de bagage van passagiers inspecteert. Aan hun verzoek het afval onder de scanner te leggen was met enige scepsis gehoor gegeven. Maar gelukkig was de uitkomst bijzonder bemoedigend: het diverse meegebrachte materiaal was uitstekend van elkaar te onderscheiden.

Dit simpele experiment bevestigde het lumineuze idee dat zo'n röntgenscanner een nieuwe generatie afvalscheiders zou kunnen opleveren. Siemens, leverancier van de door Heimann Systems uit Wiesbaden (Duitsland) gefabriceerde röntgenscanners, verhuurt nu een compleet apparaat aan de Delftenaren. Nieuwe experimenten kunnen nu in alle rust in het eigen laboratorium plaatsvinden.

SCHADUWBEELD

Beveiligingsapparatuur op luchthavens moet aan geheel andere eisen voldoen dan bijvoorbeeld de röntgenapparatuur in het ziekenhuis, waarbij het materiaal met de hoogste dichtheid (zoals het skelet) lichter op het filmnegatief verschijnt dan het omringende weefsel. Zo'n röntgenopname is eigenlijk het schaduwbeeld dat het menselijk lichaam in röntgenlicht werpt. Voor de röntgenscans van bagage is dat onvoldoende. Men wil niet alleen voorwerpen kunnen herkennen aan hun vorm (een pistool of een mes), maar ook op basis van hun (chemische) samenstelling, zodat ook bijvoorbeeld explosieven en drugs kunnen worden geïdentificeerd.

Een plat stukje lood en een dikke steen absorberen ongeveer dezelfde hoeveelheid röntgenstraling en geven op een gewone röntgenfoto nagenoeg hetzelfde beeld te zien. Een bagagescanner gebruikt röntgenstraling van twee verschillende frequenties, met een energie van rond de 100 KeV (kilo-elektronvolt). Zo ontstaat een afbeelding van de mate van absorptie, onafhankelijk van de dikte van het materiaal. Die absorptiecoëfficiënt wordt bepaald door de samenstelling van de atoomkernen in het materiaal, en dus toont zo'n röntgenopname de intrinsieke materiaalverschillen tussen de diverse voorwerpen. Organisch materiaal bestaat hoofdzakelijk uit koolstof en andere lichte elementen, terwijl metalen voorwerpen veel zwaardere atoomkernen hebben. Aan die verschillen in de absorptiecoëfficiënt kent de bijbehorende beeldverwerkende computer duidelijk onderscheidbare kleuren toe. Zo ontstaat een goed contrast tussen de diverse soorten materiaal. Het verschil tussen bijvoorbeeld semtex en boetseerklei is hiermee duidelijk te zien, wat niet het geval is op een traditionele röntgenfoto. Opmerkelijk is ook dat de benodigde intensiteit van de röntgenstraling veel lager is dan die voor het maken van een röntgenfoto in het ziekenhuis. Fotorolletjes in de bagage worden zo niet belicht, en degene die de machine bedient hoeft zich niet te hullen in een loden schort.

Het aantal potentiële toepassingen in de recycling is enorm. Zo zijn op het oog (in zichtbaar licht) PET-flessen niet te onderscheiden van flessen die van PVC zijn gemaakt. Maar worden die flessen in de röntgenscanner doorgelicht, dan is er een duidelijk verschil waarneembaar. Voor een optimaal hergebruik is het essentieel dat alle flessen die de smeltoven ingaan van hetzelfde type kunststof zijn vervaardigd. Want bij een temperatuur waarop PET-flessen net beginnen te smelten, is een PVC-fles al verkoold. Dat veroorzaakt verontreinigingen die leiden tot een inferieur product. Dergelijke verontreinigingen moeten daarom kleiner zijn dan één op de tienduizend.

HONDERDDUIZEND

Fraunholcz straalt van zelfvertrouwen over de nieuwe vinding: ``Ik ben ervan overtuigd dat we binnen een jaar een systeem hebben, dat ruim binnen die marge honderdduizend flessen per uur kan sorteren. Toch bestaan voor het onderscheiden van PET en PVC reeds andere methoden, zoals bijvoorbeeld infrarooddetectie. Daarbij maakt een infraroodlaser verschillen tussen de twee kunststoffen zichtbaar. Het grote nadeel van deze methode is echter dat alleen het materiaaloppervlak wordt geanalyseerd, waardoor vuil en etiketresten de metingen kunnen verstoren. Ook verontreinigingen binnenin de fles blijven onopgemerkt. Met de röntgenscanner worden alle objecten helemaal doorgelicht, waardoor een kroonkurk in een fles net zo eenvoudig wordt opgemerkt als eentje die los tussen de flessen ligt.''

``We zijn nu bezig met het integreren van de röntgendetector in het sensor-scheidingssysteem dat een paar jaar geleden ook hier aan de TU is ontwikkeld'', zegt De Jong. In dat apparaat wordt het materiaal via een lopende band aangevoerd. Een sensor meet van alle langskomende objecten een specifieke eigenschap, om als criterium voor de scheiding te gebruiken. Digitale opnamen (foto's), bijvoorbeeld, waaruit de besturingscomputer specifieke vormen selecteert. Objecten die niet voldoen aan het selectiecriterium worden van de lopende band afgeblazen. Dit gebeurt door het materiaal over een rij luchtspuitmondjes te voeren, en kortstondig juist díe kanalen te activeren die zich onder het te verwijderen object bevinden. Op deze wijze vervolgt alleen het gewenste materiaal zijn weg. Dergelijke selectieve scheidingsmachines worden steeds vaker toegepast in de recyclingindustrie. Afhankelijk van de complexiteit van het selectie-algoritme en de grootte van de te scheiden deeltjes, kan de machine tot wel duizend objecten per seconde verwerken, waarbij de transportband een snelheid heeft van 1-2 meter per seconde. Maar het hart van een dergelijke scheider blijft uiteraard de sensor met de bijbehorende specifieke beslissingssoftware.

HITTEBESTENDIG

De röntgendetector kan straks de meest uiteenlopende materialen van elkaar scheiden: aluminium van koper, hout van plastic, aardewerk van glas. Naast de reeds genoemde PET/PVC-scheiding heeft de afvalwerkingsindustrie vooral veel belangstelling voor een systeem dat gewoon glas van hittebestendig glas kan scheiden. Daarvoor bestaat nog geen alternatief. Ook hier vormt het verschil in smeltpunt een groot probleem voor de recycling. In zichtbaar licht valt geen onderscheid te maken, maar gezien in röntgenlicht zijn de twee soorten glas zo verschillend als groen een blauw.

Een andere belangrijke toepassing is het herkennen en verwijderen van chloor- en broomhoudend materiaal uit de aanvoerstroom van een afvalverbrandingsoven. Bij de verbranding van deze stoffen komen schadelijke gassen (waaronder dioxinen) en agressieve zuren vrij. Die zijn slecht voor het milieu, maar ook slecht voor de wanden van de oven.

De namen Fraunholcz en De Jong prijken samen met die van hoogleraar Wijnand Dalmijn en Hylke-Jan Glass op het patent van hun gezamenlijke vinding. Hoewel er nog geen werkend prototype gereed is, spinzen de Delftse grondstoftechnologen nu al op innovaties. Systemen bijvoorbeeld, waarbij röntgenbeelden worden gecombineerd met opnamen in zichtbaar licht, of hybride combinaties met vormherkenning. Zulke meervoudige sensorsystemen kunnen uitzonderlijk strenge afvalscheidingen bewerkstelligen. Wellicht krijgt in de toekomst iedere fabrikant zijn eigen afgedankte producten weer netjes terug.