Elektrokemisk oxidation

I bred forstand refererer elektrokemisk oxidation til hele elektrokemiprocessen, som involverer direkte eller indirekte elektrokemiske reaktioner, der forekommer ved elektroden baseret på principperne for oxidations-reduktionsreaktioner. Disse reaktioner har til formål at reducere eller fjerne forurenende stoffer fra spildevand.

Snævert defineret refererer elektrokemisk oxidation specifikt til den anodiske proces. I denne proces indføres en organisk opløsning eller suspension i en elektrolysecelle, og ved påføring af jævnstrøm udvindes elektroner ved anoden, hvilket fører til oxidation af organiske forbindelser. Alternativt kan lavvalensmetaller oxideres til højvalensmetalioner ved anoden, som derefter deltager i oxidationen af ​​organiske forbindelser. Typisk udviser visse funktionelle grupper i organiske forbindelser elektrokemisk aktivitet. Under påvirkning af et elektrisk felt undergår strukturen af ​​disse funktionelle grupper ændringer, hvilket ændrer de organiske forbindelsers kemiske egenskaber, reducerer deres toksicitet og forbedrer deres biologiske nedbrydelighed.

Elektrokemisk oxidation kan kategoriseres i to typer: direkte oxidation og indirekte oxidation. Direkte oxidation (direkte elektrolyse) involverer direkte fjernelse af forurenende stoffer fra spildevand ved at oxidere dem ved elektroden. Denne proces omfatter både anodiske og katodiske processer. Den anodiske proces involverer oxidation af forurenende stoffer ved anodeoverfladen, omdannelse af dem til mindre giftige stoffer eller stoffer, der er mere biologisk nedbrydelige, og derved reducere eller eliminere forurenende stoffer. Den katodiske proces involverer reduktion af forurenende stoffer ved katodeoverfladen og bruges primært til reduktion og fjernelse af halogenerede kulbrinter og genvinding af tungmetaller.

Den katodiske proces kan også betegnes som elektrokemisk reduktion. Det involverer overførsel af elektroner for at reducere tungmetalioner såsom Cr6+ og Hg2+ til deres lavere oxidationstilstande. Derudover kan det reducere klorerede organiske forbindelser, omdanne dem til mindre giftige eller ikke-toksiske stoffer, hvilket i sidste ende forbedrer deres biologiske nedbrydelighed:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

Indirekte oxidation (indirekte elektrolyse) involverer brugen af ​​elektrokemisk genererede oxidations- eller reduktionsmidler som reaktanter eller katalysatorer for at omdanne forurenende stoffer til mindre giftige stoffer. Indirekte elektrolyse kan yderligere klassificeres i reversible og irreversible processer. Reversible processer (medieret elektrokemisk oxidation) involverer regenerering og recirkulering af redoxarter under den elektrokemiske proces. Irreversible processer, på den anden side, udnytter stoffer genereret fra irreversible elektrokemiske reaktioner, såsom stærke oxidationsmidler som Cl2, chlorater, hypochloritter, H2O2 og O3, til at oxidere organiske forbindelser. Irreversible processer kan også generere stærkt oxidative mellemprodukter, herunder solvatiserede elektroner, ·HO-radikaler, ·HO2-radikaler (hydroperoxylradikaler) og ·O2-radikaler (superoxidanioner), som kan bruges til at nedbryde og eliminere forurenende stoffer såsom cyanid, phenoler, COD (Chemical Oxygen Demand) og S2-ioner, der i sidste ende omdanner dem til harmløse stoffer.

I tilfælde af direkte anodisk oxidation kan lave reaktantkoncentrationer begrænse den elektrokemiske overfladereaktion på grund af masseoverførselsbegrænsninger, mens denne begrænsning ikke eksisterer for indirekte oxidationsprocesser. Under både direkte og indirekte oxidationsprocesser kan der forekomme sidereaktioner, der involverer generering af H2- eller O2-gas, men disse sidereaktioner kan styres gennem udvælgelse af elektrodematerialer og potentialkontrol.

Elektrokemisk oxidation har vist sig at være effektiv til behandling af spildevand med høje organiske koncentrationer, komplekse sammensætninger, et væld af ildfaste stoffer og høj farvning. Ved at bruge anoder med elektrokemisk aktivitet kan denne teknologi effektivt generere stærkt oxidative hydroxylradikaler. Denne proces fører til nedbrydning af persistente organiske forurenende stoffer til ikke-toksiske, biologisk nedbrydelige stoffer og deres fuldstændige mineralisering til forbindelser som kuldioxid eller karbonater.