Elektrokjemisk oksidasjon

I bred forstand refererer elektrokjemisk oksidasjon til hele prosessen innen elektrokjemi, som involverer direkte eller indirekte elektrokjemiske reaksjoner som oppstår ved elektroden basert på prinsippene for oksidasjons-reduksjonsreaksjoner. Disse reaksjonene har som mål å redusere eller fjerne forurensende stoffer fra avløpsvann.

Snevert definert refererer elektrokjemisk oksidasjon spesifikt til den anodiske prosessen. I denne prosessen introduseres en organisk løsning eller suspensjon i en elektrolytisk celle, og ved å bruke likestrøm ekstraheres elektroner ved anoden, noe som fører til oksidasjon av organiske forbindelser. Alternativt kan lavvalensmetaller oksideres til høyvalensmetallioner ved anoden, som deretter deltar i oksidasjonen av organiske forbindelser. Vanligvis viser visse funksjonelle grupper i organiske forbindelser elektrokjemisk aktivitet. Under påvirkning av et elektrisk felt gjennomgår strukturen til disse funksjonelle gruppene endringer, noe som endrer de kjemiske egenskapene til de organiske forbindelsene, reduserer deres toksisitet og forbedrer deres biologiske nedbrytbarhet.

Elektrokjemisk oksidasjon kan kategoriseres i to typer: direkte oksidasjon og indirekte oksidasjon. Direkte oksidasjon (direkte elektrolyse) innebærer direkte fjerning av forurensende stoffer fra avløpsvann ved å oksidere dem ved elektroden. Denne prosessen inkluderer både anodiske og katodiske prosesser. Den anodiske prosessen innebærer oksidasjon av forurensende stoffer på anodeoverflaten, og omdanner dem til mindre giftige stoffer eller stoffer som er mer biologisk nedbrytbare, og dermed reduserer eller eliminerer forurensende stoffer. Den katodiske prosessen innebærer reduksjon av forurensende stoffer på katodeoverflaten og brukes primært til reduksjon og fjerning av halogenerte hydrokarboner og gjenvinning av tungmetaller.

Den katodiske prosessen kan også omtales som elektrokjemisk reduksjon. Den innebærer overføring av elektroner for å redusere tungmetallioner som Cr6+ og Hg2+ til deres lavere oksidasjonstilstander. I tillegg kan den redusere klorerte organiske forbindelser, omdanne dem til mindre giftige eller ikke-giftige stoffer, noe som til slutt forbedrer deres biologiske nedbrytbarhet:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

Indirekte oksidasjon (indirekte elektrolyse) innebærer bruk av elektrokjemisk genererte oksidasjons- eller reduksjonsmidler som reaktanter eller katalysatorer for å omdanne forurensende stoffer til mindre giftige stoffer. Indirekte elektrolyse kan videre klassifiseres i reversible og irreversible prosesser. Reversible prosesser (mediert elektrokjemisk oksidasjon) involverer regenerering og resirkulering av redoksforbindelser under den elektrokjemiske prosessen. Irreversible prosesser, derimot, bruker stoffer generert fra irreversible elektrokjemiske reaksjoner, som sterke oksidasjonsmidler som Cl2, klorater, hypokloritter, H2O2 og O3, for å oksidere organiske forbindelser. Irreversible prosesser kan også generere sterkt oksidative mellomprodukter, inkludert solvatiserte elektroner, ·HO-radikaler, ·HO2-radikaler (hydroperoksylradikaler) og ·O2--radikaler (superoksidanioner), som kan brukes til å bryte ned og eliminere forurensende stoffer som cyanid, fenoler, COD (kjemisk oksygenforbruk) og S2--ioner, og til slutt omdanne dem til ufarlige stoffer.

Ved direkte anodisk oksidasjon kan lave reaktantkonsentrasjoner begrense den elektrokjemiske overflatereaksjonen på grunn av begrensninger i masseoverføring, mens denne begrensningen ikke eksisterer for indirekte oksidasjonsprosesser. Under både direkte og indirekte oksidasjonsprosesser kan det forekomme sidereaksjoner som involverer generering av H2- eller O2-gass, men disse sidereaksjonene kan kontrolleres gjennom valg av elektrodematerialer og potensialkontroll.

Elektrokjemisk oksidasjon har vist seg å være effektiv for behandling av avløpsvann med høye organiske konsentrasjoner, komplekse sammensetninger, en rekke ildfaste stoffer og høy farging. Ved å bruke anoder med elektrokjemisk aktivitet kan denne teknologien effektivt generere svært oksidative hydroksylradikaler. Denne prosessen fører til nedbrytning av persistente organiske forurensninger til ikke-giftige, biologisk nedbrytbare stoffer og fullstendig mineralisering til forbindelser som karbondioksid eller karbonater.