Development of Chemometrics Method Based on Infrared Spectroscopy for the Determination of Cement Composition and Process Optimization [master Thesis]

Abstract

Calcium, silicon, aluminum, iron oxide-containing raw materials are used in controlled portions to manufacture cement. (How cement Is Made, n.d.) This mixture is first converted to clinker, obtained by heating the mixture to 1500oC; some additives are added and ground to obtain cement. Depending on the purpose, various types are produced, and therefore, the determination of cement composition is an essential task for the quality consideration and the sustainability of the production processes. The quantitative analysis of cement is performed with X-ray fluorescence spectroscopy. However, XRF generally requires tedious and lengthy analysis times. In this study, quantitative determination of the raw materials, intermediate products, and types of cement by using Fourier transform infrared spectroscopy coupled with chemometrics multivariate calibration method is aimed, which could be an alternative for the current XRF technique. Samples were collected from a local cement factory that has been in the sector for several years. Reference analyses of the samples were performed at the quality control laboratory of the same factory. The same samples were analyzed by the FTIR-ATR spectrometer. The resulting FTIR spectra combined with XRF reference composition data were used to construct calibration models using the partial least squares method (PLS). Based on the obtained results, the proposed method could generate quite successful results for the quantitative determination of all types of products used to produce cement. The regression coefficients (R2) of the PLS models vary from 0.95 to 0.99. The standard errors of cross-validations were found as from 0.21 to 1.42 (w/w%).

Çimento ilk olarak kalsiyum, silisyum, alüminyum ve demir oksitleri içeren hammaddelerin belirli oranlarda karıştırılarak 1500oC gibi oldukça yüksek sıcaklıkta pişirilmesi ile oluşan klinker'in, çeşitli katkı maddeleriyle birlikte öğütülmesi sonucunda elde edilir. Günümüzde kullanım amaçlarına bağlı olarak oldukça fazla çeşit ve kompozisyonda çimento üretiminin gerçekleştirildiği göz önünde bulundurulduğunda söz konusu ürünlerin bileşimin belirlenmesi ürün kalitesi ve sürdürülebilirlik açısından büyük bir önem arz etmektedir. Hali hazırda çimento kompozisyonunun kantitatif analizine yönelik olarak kullanılan yöntemler genel olarak klasik ıslak kimyaya dayalı gravimetrik ve titrimetrik yöntemler yanında X-ışını floresans (XRF) spektroskopisi tekniği ile yapılmaktadır. Ancak, bu yöntemler analizi yapılacak örneğe bağlı olarak zaman alıcı ve zahmetli süreçler gerektirebilmektedir. Bu çalışmada, çimento üretiminde hammaddeler, ara ürünler ve nihai ürünlere yönelik olarak çimento kompozisyonunun kantitatif belirlenmesi için mevcut X-ışını floresans (XRF) spektroskopisi tekniğine alternatif olarak Fourier dönüşümlü kızılötesi spektrometresi (FTIR) kullanılarak alınan spektral verilere kemometrik çok değişkenli kalibrasyon metotlarından biri uygulanarak yeni bir analitik metot geliştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışma kapsamında uzun yıllardır çimento sektöründe üretim yapan bir özel sektör kuruluşundan elde edilen örnekler ile bu örneklerin aynı kuruluşta bulunan XRF sisteminden elde edilen referans analizleri kullanılarak sonrasında laboratuvarımızda bulunan FTIR sistemi ile aynı örneklerin FTIR-ATR spektrumları kaydedilerek ve elde edilecek spektral veriler ile XRF sisteminden gelen referans kompozisyon bilgisi kullanılarak kısmi en küçük kareler (PLS) yöntemi ile çok değişkenli kalibrasyon modelleri oluşturulmuştur. Ülkemizde gerçekleştirilen çimento üretiminin neredeyse tüm bölgelere yayılmış olarak oldukça yüksek üretim kapasitelerine ulaştığı göz önüne alındığından geliştirilen modellerin oldukça önemli bir yaygın etkiye sahip olacağı görülmektedir.