Elektrokemisk oxidation

I bred forstand refererer elektrokemisk oxidation til hele den elektrokemiske proces, som involverer direkte eller indirekte elektrokemiske reaktioner, der finder sted 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 introduceres en organisk opløsning eller suspension i en elektrolytisk celle, og ved påføring af jævnstrøm ekstraheres 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 bionedbrydelighed.

Elektrokemisk oxidation kan opdeles 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 på anodeoverfladen, hvorved de omdannes til mindre giftige stoffer eller stoffer, der er mere bionedbrydelige, hvorved forurenende stoffer reduceres eller elimineres. Den katodiske proces involverer reduktion af forurenende stoffer på katodeoverfladen og anvendes primært til reduktion og fjernelse af halogenerede kulbrinter og genvinding af tungmetaller.

Den katodiske proces kan også kaldes elektrokemisk reduktion. Den involverer overførsel af elektroner for at reducere tungmetalioner såsom Cr6+ og Hg2+ til deres lavere oxidationstrin. Derudover kan den reducere klorerede organiske forbindelser og omdanne dem til mindre giftige eller ikke-giftige stoffer, hvilket i sidste ende forbedrer deres bionedbrydelighed:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

Indirekte oxidation (indirekte elektrolyse) involverer brugen af ​​elektrokemisk genererede oxiderende eller reducerende stoffer som reaktanter eller katalysatorer til 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 genbrug af redoxarter under den elektrokemiske proces. Irreversible processer anvender derimod stoffer genereret fra irreversible elektrokemiske reaktioner, såsom stærke oxiderende stoffer 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 (kemisk iltforbrug) og S2--ioner, og i sidste ende omdanne dem til harmløse stoffer.

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

Elektrokemisk oxidation har vist sig at være effektiv til behandling af spildevand med høje organiske koncentrationer, komplekse sammensætninger, en lang række ildfaste stoffer og høj farvning. Ved at anvende anoder med elektrokemisk aktivitet kan denne teknologi effektivt generere stærkt oxidative hydroxylradikaler. Denne proces fører til nedbrydning af persistente organiske forurenende stoffer til ikke-giftige, bionedbrydelige stoffer og deres fuldstændige mineralisering til forbindelser som kuldioxid eller carbonater.