Yüksek gradyanlı manyetik ayırma prosesiyle desteklenmiş elektrokoagülasyon prosesi ve demir oksit partikülleri ile bor giderimi ve geri kazanımı
Boron removal and recovery with electrocoagulation process and iron oxide particles assisted by high gradient magnetic separation process
Yazar: AHMET AKBURAK
Danışman: PROF. DR. MEHMET KILIÇ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT SOLAK
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bor içerikli suların arıtımı, son yıllarda çeşitli çalışmalarda ele alınan oldukça ilginç bir araştırma konusudur. Bunun nedeni; daha katı su kalitesi standartlarının uygulanmasıyla aynı zamana denk gelen, çeşitli endüstrilerde bor küresel talebinin artmasıyla birlikte su akışlarındaki bor izlerinin, çevre ve insan sağlığı üzerindeki zararlı etkilerinin genişlemesidir. Birbirinden oldukça farklı ve geniş endüstriyel süreçlerde kullanılan bor, bu özelliğinden dolayı "sanayinin tuzu" olarak nitelendirilmektedir. Doğada 200'den fazla çeşidi olan bu elementin oldukça küçük bir kısmı ticari öneme sahiptir ve bu durum onu sürdürülebilir bir döngüyle işletilmesi gerektiği senaryosuna itmiştir. Bilindiği üzere doğadaki hiçbir element sınırsız miktarda mevcut değildir. Talebin artmasıyla birlikte, gelişen üretim süreçlerinin her aşamasında olması gereken sürüdürülebilirlik ilkesi, kısıtlı hammadde varlığı sebebiyle günümüzde değerli maden geri kazanımını da bir zorunluluk haline getirmiştir. Mevcut çerçevede bu süreç için gereken ve kendi içinde de sürdürülebilir olması beklenen yeni teknolojilere ihtiyaç duyulmaktadır. 

Bu bağlamda çalışmada, bor atıksularının arıtımı için Fe (demir) elektrotların kullanıldığı elektrokoagülasyon (EK) prosesi, demir oksit nanopartiküllerin (DONP) kullanıldığı adsorpsiyon prosesi ayrı ayrı incelenmiştir. Bu sistemler ayrıca katı-sıvı faz ayrımları için manyetik ayırmaya tabi tutulmuş, tasarlanan yüksek gradyanlı manyetik ayırıcı (YGMA) ile hibrit bir proses geliştirilmiştir. EK prosesi ile bor gideriminde, pH, akım yoğunluğu, elektroliz süresi gibi işletme parametrelerin etkisi araştırılmıştır. Optimizasyon çalışmasında Box-Behnken istatistiksel modeli kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, Fe elektrodun kullanıldığı EK prosesinde 1000 mg/L bor konsantrasyonuna sahip atıksuyun, bor giderimin en yüksek olduğu şartlar altında optimum pH değeri 10,94, optimum elektroliz süresi 60 dakika, optimum akım yoğunluğu 1,06 A/m2 olarak belirlenmiştir. Adsorpsiyon prosesinde bor gideriminin en yüksek olduğu optimum pH değeri 11, optimum reaksiyon süresi 120 dakika, optimum DONP miktarı 0,2 gram (603 mg/g), olarak belirlenmiştir. DONP'lerin kullanıldığı adsorpsiyon prosesi, 0.-1.-2. derece reaksiyon kinetikleri ve Langmuir, Freundlich izoterm modelleri kullanılarak reaksiyonların yapıları açıklanmıştır. Optimum değerleri belirlenen proseslerin, sıvı-katı faz ayrımları için geliştirilen YGMA prosesinin optimum değerleri ayrı ayrı belirlenmiştir. EK+YGMA hibrit prosesi için optimum ayrım süresi 180 dakika, optimum akış hızı 0,64 L/dk, optimum akım yoğunluğu 1,3 A/m2-7600 G olarak belirlenirken DONP ile adsorpsiyon+YGMA hibrit prosesi için optimum ayrım süresi 75 dakika, optimum akış hızı 0,64 L/dk, optimum akım yoğunluğu 0,1 A/m2-700 G olarak belirlenmiştir. Deneysel çalışması yürütülen her bir prosesin giderim mekanizmalarını belirlemek ve geri kazanım elde etmek için hidrotermal mineralizasyon yöntemi sonrası geri kazanılan bor minerallerinin SEM, EDS analizleri gerçekleştirilmiştir.

Optimize edilen koşullarda, Fe elektrotların kullanıldığı EK prosesinde, bor giderimi için R2 (Regresyon) değeri 0,96 olarak tespit edilmiştir. R2 ve R2adj değerlerinin 1'e yakın olması, deneysel sonuçlarla birlikte istatistiksel olarak bulunan verilerin uyumlu olduğunu, Box-Behnken istatistiksel modelinin proses parametrelerini belirlemekte etkin rol oynadığını göstermektedir. DONP'lerin kullanıldığı adsorpsiyon prosesi ise, 1. derece kinetik modeli ve Freundlich izoterm modeli ile adsorpsiyon reaksiyonlarının açıklanabilir olduğu belirlenmiştir.

Bor giderim etkinliğinin belirlendiği EK ve DONP adsorpsiyon proseslerinin giderim verimleri birbirine oldukça yakındır. EK için pH ve elektroliz süresi oldukça etkin parametreler iken; DONP adsorpsiyon için pH, reaksiyon süresi ve adsorban miktarı etkin parametrelerdir. Hibrit sistemlerde ise akış hızı her iki proses için ortak değerde olsa da manyetik alanın oluşması için sisteme verilen akım yoğunluğu DONP adsorpsiyon+YGMA prosesi için oldukça düşükken, EK+YGMA prosesi için daha yüksektir. Bu durum, DONP'lerin manyetik alana karşı oldukça hassas duyarlığı ile açıklanabilmektedir.

Çalışmada elde edilen sonuçlar ışığında, konvansiyonel yöntemlere kıyasla uygulanabilirliği ve verimi oldukça ileride olan bu sistemler, gelişime ve yeni kullanım alanlarına da oldukça açıktır. EK prosesi sonucu oluşan spinel ferritlerin, manyetik alan yardımıyla faz ayrımının gerçekleştirilmesi en önemli özgünlük aşamalarından biriyken; adsorpsiyon prosesi için kullanılan DONP'lerin rejenerasyona tabi tutularak, tekrar tekrar kullanılabilirliği, çalışmaya özgün bir anlam katmakla birlikte, hammadde kontrolünü sağlarken, sürüdürülebilirlik ilkesini oldukça desteklermektedir. Sürecin en büyük fark ayrımı olan YGMA prosesinin entegresi ile elde edilen verimlerdeki olumlu fark su/atıksu arıtımındaki sıvı-katı faz ayrım aşamasına yeni bir soluk kazandırılmıştır.

Abstract:
The treatment of water containing boron is a very interesting area of research that has been the subject of several studies in recent years. This is due to the increasing harmful effects of boron traces in water streams on the environment and human health, as well as the global demand for boron in various industries, coinciding with the implementation of stricter water quality standards. Boron is used in a wide range of industrial processes and is referred to as the "salt of industry". There are more than 200 varieties of this element in nature, but only a small fraction of them are of commercial importance, which has led to the scenario that it should be operated in a sustainable cycle. It is well known that no element in nature is available in unlimited quantities. With the increase in demand, the principle of sustainability, which must be present at every stage of the developing production processes, has made the recovery of precious metals a necessity today due to the limited availability of raw materials. In the current framework, there is a need for new technologies required for this process, which are expected to be sustainable in themselves.

In this context, the electrocoagulation (EC) process using Fe (iron) electrodes and the adsorption process using iron oxide nanoparticles (IONP) were investigated separately for the treatment of boron wastewater. These systems were also subjected to magnetic separation for solid-liquid phase separation and a hybrid process was designed using a high gradient magnetic separator (HGMS). The effect of operating parameters such as pH, current density, electrolysis time on boron removal by EC process was investigated. The Box-Behnken statistical model was used in the optimization study. According to the results obtained, the optimum pH value was determined to be 10,94, the optimum electrolysis time was determined to be 60 min, and the optimum current density was determined to be 1,06 A/m2 for wastewater with boron concentration of 1000 mg/L in the EK process using Fe-electrode. In the adsorption process, the optimum pH value at which the boron removal was the highest was determined to be 11, the optimum reaction time was 120 minutes, and the optimum amount of IONP was determined to be 0,2 grams (603 mg/g). The adsorption process using IONPs, 0.-1.-2. order reaction kinetics and the structures of the reactions using Langmuir, Freundlich isotherm models were explained. The optimum values of the processes whose optimum values were determined, and the optimum values of the HGMS process developed for liquid-solid phase separation were determined separately. The optimum separation time was 180 minutes, optimum flow rate was 0,64 L/min, optimum current density was 1,3 A/m2-7600 G for EC+HGMS hybrid process, while the optimum separation time was 75 minutes, optimum flow rate was 0,64 L/min, optimum current density was 0,1 A/m2-700 G for adsorption with IONP+HGMS hybrid process. SEM, EDS analyses of the boron minerals recovered after hydrothermal mineralization method were carried out to determine the removal mechanisms of each process and to obtain recovery.

Under the optimized conditions, the R2 (regression) value for boron removal in the EC process using Fe electrodes was determined to be 0,96. The fact that R2 and R2adj values are close to 1 shows that the experimental results and statistical data are compatible and that the Box-Behnken statistical model plays an effective role in determining the process parameters. In the adsorption process using IONPs, the adsorption reactions can be explained by the first-order kinetic model and the Freundlich isotherm model.

The removal efficiencies of EC and IONP adsorption processes are very close to each other. While pH and electrolysis time are very effective parameters for EC, pH, reaction time and adsorbent amount are effective parameters for IONP adsorption. In the hybrid systems, although the flow rate is common for both processes, the current density applied to the system to generate the magnetic field is quite low for IONP adsorption+HGMS, while it is higher for EC+HGMS process. This can be explained by the high sensitivity of IONPs to the magnetic field.

In the light of the results obtained in the study, these systems, which are quite advanced in applicability and efficiency compared to conventional methods, are also open to development and new areas of use. While the phase separation of spinel ferrites formed as a result of the EC process with the help of a magnetic field is one of the most important originality stages, the regeneration and reusability of the IONPs used for the adsorption process adds a unique meaning to the study and supports the principle of sustainability while providing raw material control. The positive difference in the efficiencies obtained with the integration of the HGMS process, which is the biggest differential separation of the process, has given a new breath to the liquid-solid phase separation stage in water/wastewater treatment.