Utilization of FTIR Spectroscopic Method in Classification and Analysis of Mineral Samples Containing Sodium and Potassium

Abstract

Feldspar is used as an important raw material in the ceramic, porcelain, and glass industries and as a filling material in the welding electrode, rubber, plastic, and paint industries. The ratio of Na2O (originated from Na-feldspar) and K2O (originated from K-feldspar) in feldspar plays a decisive role in many issues, from melting points to usage areas. However, since Na-feldspar and K-feldspar have similar physicochemical properties, it is difficult to separate and analyze them from their natural mineral environment by traditional methods. For this reason, it has become necessary to choose a method that can be applied without separating feldspar species from each other and without damaging the sample. The ATR-FTIR method was preferred because of its ease of sample preparation, measurement without damaging the sample, and providing information about the functional groups and other components in the sample. In this study, using ATR-FTIR (attenuated total reflectance- fourier transform infrared) spectroscopy and multivariate statistical techniques, the percentages of Na2O and K2O in feldspar samples were analyzed in a natural matrix environment without any pretreatment, and Na-feldspar and K-feldspar samples were grouped.

Keywords

• ATR-FTIR spectroscopy
• multivariate analysis
• chemometry
• feldspar

Sodyum Ve Potasyum İçeren Maden Numunelerinin Sınıflandırılması ve Analizlerinde FTIR Spektroskopik Yöntemin Kullanılması

Abstract

Feldispat, seramik, porselen ve cam sanayinde önemli bir hammadde olarak; kaynak elektrodu, kauçuk, plastik ve boya sanayinde dolgu malzemesi olarak kullanılmaktadır. Feldispatın içerdiği Na2O (Na-feldspat kaynaklı) ve K2O (K-feldspat kaynaklı) oranı, erime noktasından kullanım alanlarına kadar birçok konuda belirleyici rol oynamaktadır. Fakat Na-feldspat ve K-feldspat benzer fizikokimyasal özelliklere sahip olmaları nedeniyle bulundukları doğal mineral ortamından geleneksel yöntemlerle ayrılıp analiz edilmesi güçtür. Bu nedenle feldispat türlerini birbirinden ayırmadan ve numuneye zarar vermeden uygulanabilecek bir yöntem seçilmesi gerekliliği ortaya çıkmıştır. ATR- FTIR yöntemi örnek hazırlama kolaylığı, numuneye zarar vermeden ölçüm yapılabilmesi ve numunedeki fonsiyonel gruplar ve diğer bileşenler hakkında bilgi vermesi nedeniyle tercih edilmiştir. Bu çalışmada ATR-FTIR (Fourier dönüşümlü kızılötesi-azaltılmış toplam yansıma) spektroskopisi ve çok değişkenli istatistiksel teknikler kullanılarak feldspat numunelerindeki Na2O ve K2O yüzdeleri hiçbir ön işlem uygulamadan, doğal ortamında analiz edilmiştir. Na-feldspat ve K-feldspat numuneleri sınıflandırılmıştır.

Keywords

• ATR-FTIR spektroskopisi
• çok değişkenli analiz
• kemometri
• feldispat

References

1. [1] Maden Tetkik Arama Genel Müdürlüğü. (2020, 07 Ağustos). Feldispat (Feldspat) [Çevrimiçi]. Erişim:https://www.mta.gov.tr/v3.0/bilgi-merkezi/feldispat.
2. [2] R. Bolger, "Feldspar and Nepheline Syenite Turkish Delight in Export Sales," Industrial Minerals, No.332, pp. 25-45, 1995.
3. [3] İ. Bayraktar, S. Ersayın, Ö.Y. Gülsoy, “Upgrading Titanium Bearing Na-Feldspar by Flotation Using Sulphonates, Succinamate and Soaps of Vegetable Oils,” Minerals Engineering, vol.1, no.12, pp. 1363-1374, 1997.
4. [4] D. Kalyon, Ö. Gülsoy, “Feldispat Kuvars Ayırımında Hidroflorik Asit Kullanılmayan Flotasyon Yöntemlerinin Karşılaştırılması,” Yerbilimleri (Earth Sciences), c.26, s.1, ss. 49-59, 2005.
5. [5] S. Kulaksız, Y. Özçelik, “Türkiye ve Dünyada Feldspat Üretimi-Fiyat Değişimi ve Politikası,” 2. Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu, İzmir, Türkiye, 1997, ss. 40-50.
6. [6] İ. Gülgönül, M.S. Çelik, “Sodyum ve potasyum feldispatların seçimli ayrımında NaCl’nin etki mekanizması,” itüdergisi/d mühendislik, c.4, s.4, ss.62-72, 2005.
7. [7] H. Kodama, et al, “Quantification of crystalline and noncrystalline material in ground kaolinite by X-ray powder diffraction, infrared, solid-state nuclear magnetic resonance, and chemical-dissolution analyses,” Clays and Clay Minerals, vol.37, no.4, pp.364–370, 1989.
8. [8] S. J. Chipera and D. L. Bish, “Baseline studies of the clay minerals society source clays: Powder X-ray diffraction analyses,” Clays and Clay Minerals, vol.49, no.5, pp.398–409, 2001.

9. [9] J. Srodon, “Quantitative mineralogy of sedimentary rocks with emphasis on clays and with applications to K-Ar dating,” Mineralogical Magazine, vol.66, no.5, pp.677– 687, 2002.
10. [10] J. Vogt, et al, “Investigation of the clay fraction <2μm of the clay minerals society reference clays,” Clays and Clay Minerals, vol.50, no.3, pp.388–400, 2002.
11. [11] L. Vaculíková, “New possibilities of identification of clay minerals and micas in sedimentary rocks using infrared spectroscopy with Fourier transformation,”. Final Report of Post-Doc Project of Czech Science Foundation, Ostrava, Czech, 2006.
12. [12] G. Akar Şen, H. Yılmaz, “Feldispat cevheri karakterizasyonunda flotasyon yönteminin önemi,” Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, c.24, s.4, ss.359-372, 2022.
13. [13] A. Geçer, A. Büyükutku, M. Karadavut, “ATR-FTIR Analizini Kullanarak Kumtaşı-Şeyl Rezervuarının Hidrokarbon Doygunluğunun Belirlenmesi ve Kumtaşı Rezervuarı Üzerine Kil Etkisi, Trakya Havzası,” 69. Türkiye Jeoloji Kurultayı, Ankara, Türkiye, 2016, ss. 556-557.
14. [14] M. Rıtz, L. Vaculikova, E. Plevova, “Application of infrared spectroscopy and chemometric methods to identification of selected minerals,” Acta Geodyn. Geomater., Vol.8, No.1(161), pp.47–58, 2011.
15. [15] S. Y. Lin, S. L. Wang, “Advances in simultaneous DSC–FTIR microspectroscopy for rapid solid-state chemical stability studies: Some dipeptide drugs as examples,” Adv Drug Delivery Rev, vol.64, no.2012, pp.461-478, 2011.
16. [16] X. Zhu, L. Chen, J. Pumpanen, M. Keinanen, H. Laudon, A. Ojala, M. Palviainen, M. Kiirikki, K. Neitola, F. Berninger, “Assessment of a portable UV–Vis spectrophotometer’s performance for stream water DOC and Fe content monitoring in remote areas,” Talanta, vol.224, no.121919, pp.1-8, 2021.
17. [17] G. Pekcan Ertokuş, M. Bineci Doğan, “Simultaneous Determination of Binary Drug Components in Pharmaceutical Formulations with Chemometric Methods,” Iğdır Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, vol.10, no.2, pp.1171-1179, 2020.
18. [18] A. M. Garcia Rodriguez, A. Garcia de Torres, J. M. Cano Pavon, C. Bosch Ojeda, “Simultaneous determination of iron, cobalt, nickel and copper by UV-visible spectrophotometry with multivariate calibration,” Talanta, vol.47, no.2, pp.463-470, 1998.
19. [19] E. Dinç, Ö. Üstündağ, “A New Application of Chemometric Techniques to HPLC Data fort he Simultaneous Analysis of a Two-Component Mixture,” Journal of Liquid Chromatography&Related Technologies, vol.28, no.14 , pp.2179-2194, 2005.
20. [20] H. Bekiroğlu Ataş, A. Kenar, M. Taştekin, “An electronic tongue for simultaneous determination of Ca2+, Mg2+, K+ and NH4+ in water samples by multivariate calibration methods,” Talanta, vol.217, no.121110, pp.1-12, 2020.
21. [21] A.Kaba, A. H. Aktaş, “Çeşitli ligandları kullanarak Fe3+ , Al3+ ve Cu2+ nin bir arada spektrofotometrik tayinleri için yöntem geliştirilmesi ve elde edilen verilerin en küçük kareler kalibrasyon yöntemi (PLS) ve temel bileşen regresyon (PCR) yöntemi ile değerlendirilmesi,” Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, c.18, s.1, ss.71-79. (2014).
22. [22] M. Origlieri. (2023, January 22). Albite [Online]. Available: https://rruff.info/Albite/R050253
23. [23] University of Arizona Mineral Museum. (2023, January 22). Microcline [Online]. Available: https://rruff.info/Microcline/R040154
24. [24] University of Arizona Mineral Museum. (2023, January 22). Anorthite [Online]. Available: https://rruff.info/Anorthite/R060082
25. [25] C. Ferone, B. Liguori, I. Capasso, F. Colangelo, R. Cioffi, E. Cappelletto, R. Di Maggio, “Thermally treated clay sediments as geopolymer source material,” Applied Clay Science, vol.107, no.C, pp.195-204, 2015.
26. [26] O. Özbay, “Malkara (Tekirdağ) Yöresindeki Kömüraltı Killerinin Mineralojik-Jeokimyasal İncelemesi,” Yüksek lisans tezi, Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı, Balıkesir Üniversitesi, Balıkesir, Türkiye, 2014.
27. [27] J. D. Russell and A. R. Fraser, Clay Mineralogy: Spectroscopic and Chemical Determinative Methods, 1st edition, London, U.K.: Chapman and Hall, 1994, ch. 2, pp.11-67.
28. [28] J. Burger and A. Gowen, Data handling in hyperspectral image analysis,” Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, vol.108, no.1, pp.13-22, 2011.
29. [29] İ. Tarhan, M.R. Bakır, O. Kalkan, H. Kara, “Multivariate modeling for quantifying adulteration of sunflower oil with low level of safflower oil using ATR-FTIR, UV-visible, and fluorescence spectroscopies: A comparative approach," Food Analytical Methods, vol.14, no.2, pp.361-371, 2021.