Sulardan vanadyum giderimi
Vanadium removal from water
Yazar: FEVZİ ACAR
Danışman: PROF. DR. MEHMET ÇAKMAKCI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Kimyasal çöktürme = Chemical precipitation ; Mikrofiltrasyon = Microfiltration ; Ultrafiltrasyon = Ultrafiltration ; Vanadyum = Vanadium ; İçme suyu arıtma = Drinking water treatment

Özet:
Vanadyum doğal ve antropojenik kaynaklar tarafından çevreye yayılmaktadır. Yer kürede ortalama vanadyum konsantrasyonu 150 μg/g; ancak uçucu külün kirlettiği alanlarda yüksek değerlere (400 μg /g'ye kadar) ulaşabilir. Vanadyum hem yeraltı sularında hem de yüzey suyunda bulunabilir. Tatlı sularda konsantrasyonu 0,2 ila 100 μg/L arasında ve deniz suyunda 0,2 ila 29 μg/L arasında değişmektedir. Termal asit suyunda ve volkanik akiferlerde 200–250 μg/L değerleri gözlenmiştir. Sudaki vanadyumun 100 μg/L'den daha yüksek konsantrasyonlarda toksik etkilere sahip olduğu ve sağlığı olumsuz yönde etkileyebileceği görülmüştür. Ayrıca, son yıllarda vanadyumun sağladığı sayısız avantaj nedeniyle kullanım alanları ve miktarı oldukça artmıştır. Bu artışın ilerleyen dönemlerde de devam etmesi öngörülmektedir. Dünya'da çeşitli giderim çalışmaları ve sınırlama uygulamaları yapılmaktadır. Bu nedenle vanadyumun hem içme sularından hem de oluşabilecek atıksulardan arıtımı önemli bir konu haline gelmesi beklenmektedir.
Bu çalışmada sentetik vanadyum çözeltisi hazırlanmıştır ve demir (III) klorür kullanılarak vanadyumun arıtılabilirliği araştırılmıştır. Fe/V oranı, pH, çöktürme süresi, flok oluşturmaya yardımcı maddelerin de giderme üzerindeki etkisi incelenmiştir. Çalışma kapsamında en yüksek vanadyum giderime verimi Fe/V oranı 6, pH 7 ve çöktürme süresi 90 dakikada %84 olarak belirlenmiştir. Ayrıca, en yüksek giderme veriminin sağlandığı işletme koşullarında 0,2 mg/L katyonik polielektrolit kullanıldığında verim %90,8'e ulaşmıştır. Katyonik polielektrolit ilavesi ile vanadyum giderme verimi %88'lere ulaşmıştır. Bu durum çöktürme ünitesinde daha kısa temas süresinde yüksek verimler elde edilebileceğini göstermektedir. Mikrofiltrasyon (MF) ve ultrafiltrasyon (UF) membranları ile doğrudan vanadyum arıtılabilirliği araştırılmıştır. 1000 µg/L vanadyum konsantrasyonuna sahip sularda MF ve UF membranları ile ≤%61,75 verim elde edilmiştir.  Demir (III) klorür dozlaması sonrasında vanadyum içeren sentetik sular MF ve UF membralarından süzülmüştür ve maksimum vanadyum giderme verimi UF membranı ile %85 olarak elde edilmiştir. Uygun olan Fe dozlaması Fe/V oranı 3 olduğu görülmüştür. Fe/V oranı 3 olacak şekilde 1,5 bar basınçta 6 saat yürütülen çalışmada vanadyum giderme verimi %95 seviyelerine ulaşmıştır. Verimdeki artışın zamanla membran yüzeyinde biriken demir sebebiyle olduğu düşünülmektedir. Çalışma sonuçlarına göre, sulardaki vanadyum konvansiyonel arıtma yöntemleri ve düşük basınçlı membran teknolojileri kullanılarak giderilebileceğini göstermektedir.

Abstract:
Vanadium is released into the environment by many natural and anthropogenic sources. The average vanadium concentration in the earth is 150 μg/g; however, it can reach high values (up to 400 μg /g) in fly ash polluted areas. Vanadium can be found in both groundwater and surface water. Its concentration in freshwater ranges from 0.2 to 100 μg/L, and in seawater from 0.2 to 29 μg/L. Values of 200–250 μg/L have been observed in thermal acid water and volcanic aquifers. It has been observed that vanadium in water has toxic effects at concentrations higher than 100 μg/L and may adversely affect health. In addition, due to the numerous advantages of vanadium in recent years, its usage areas and amount have increased considerably and this increase is expected to continue in the future. Various removal studies and limitation applications are carried out in the world. For this reason, it is expected that the treatment of vanadium from both drinking water and wastewater that may occur will become an important issue.
In this study, synthetic vanadium solution was prepared and the refinability of vanadium using iron (III) chloride was investigated. The effects of Fe/V ratio, pH, settling time, floc formation aids on removal were also investigated. Within the scope of the study, the highest vanadium removal efficiency was determined as Fe/V ratio of 6, pH 7 and settling time 84% in 90 minutes. In addition, the efficiency reached 90.8% when 0.2 mg/L cationic polyelectrolyte was used in operating conditions where the highest removal efficiency was achieved. The vanadium removal efficiency of the samples taken at the end of the experimental study with the addition of cationic polyelectrolyte reached 88%. This shows that high efficiencies can be obtained with shorter contact time in the settling unit. Direct vanadium treatability with microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) membranes was investigated. In water with 1000 µg/L vanadium concentration, ≤61,75% efficiency was obtained with MF and UF membranes. After iron (III) chloride dosing, synthetic waters containing vanadium were filtered through MF and UF membranes and the maximum vanadium removal efficiency was obtained as 85% with UF membrane. The appropriate Fe dosing was found to have a Fe/V ratio of 3. The vanadium removal efficiency reached 95% in the study carried out for 6 hours at 1.5 bar pressure with a Fe/V ratio of 3. The results of the study show that vanadium in water can be removed by using conventional treatment methods and low pressure membrane technologies.In this study, a removal study was performed in synthetic water containing vanadium prepared with drinking water using iron (III) chloride, and accordingly, the appropriate coagulant dosing ratio was found. Also, the effects of pH, settling time, and floc formation aids, which affect the settling process, were also investigated. Optimum vanadium removal was achieved with 84% when Fe/V ratio was 6, pH 7 and settling time was 90 minutes. In addition, the efficiency reached 90.8% when 0,2 mg/L cationic polyelectrolyte was used and a significant gain in precipitation time was achieved. In the further stages of the study, vanadium removal with membrane technologies was researched. In the removal studies by ultrafiltration and microfiltration methods, the efficiency in waters with 1000 µg/L vanadium concentration was lower compared to the precipitation processes. In addition, it was observed that the removal of vanadium was quite high in UF compared to MF. By dosing iron (III) chloride to the inlet water, the removal of the membranes was measured above 85% without any further treatment. The appropriate Fe dosing was found to have a Fe/V ratio of 3. Studies show that possible vanadium pollution in water can be removed using conventional methods and membrane technologies.