Elektrohemijska oksidacija

U širem smislu, elektrohemijska oksidacija se odnosi na čitav proces elektrohemije, koji uključuje direktne ili indirektne elektrohemijske reakcije koje se odvijaju na elektrodi na osnovu principa oksidaciono-redukcionih reakcija. Ove reakcije imaju za cilj smanjenje ili uklanjanje zagađivača iz otpadnih voda.

Usko definisana, elektrohemijska oksidacija se posebno odnosi na anodni proces. U ovom procesu, organska otopina ili suspenzija se uvodi u elektrolitičku ćeliju, a primjenom jednosmjerne struje, elektroni se ekstrahiraju na anodi, što dovodi do oksidacije organskih spojeva. Alternativno, metali niske valentnosti mogu se oksidirati do visokovalentnih metalnih jona na anodi, koji zatim učestvuju u oksidaciji organskih jedinjenja. Tipično, određene funkcionalne grupe unutar organskih jedinjenja pokazuju elektrohemijsku aktivnost. Pod uticajem električnog polja, struktura ovih funkcionalnih grupa se menja, menjajući hemijska svojstva organskih jedinjenja, smanjujući njihovu toksičnost i povećavajući njihovu biorazgradljivost.

Elektrohemijska oksidacija se može kategorisati u dve vrste: direktna oksidacija i indirektna oksidacija. Direktna oksidacija (direktna elektroliza) uključuje direktno uklanjanje zagađivača iz otpadnih voda oksidacijom na elektrodi. Ovaj proces uključuje i anodne i katodne procese. Anodni proces uključuje oksidaciju zagađivača na površini anode, pretvarajući ih u manje toksične tvari ili tvari koje su biorazgradivije, čime se smanjuju ili eliminiraju zagađivači. Katodni proces uključuje smanjenje zagađivača na površini katode i prvenstveno se koristi za redukciju i uklanjanje halogeniranih ugljovodonika i oporavak teških metala.

Katodni proces se također može nazvati elektrohemijskom redukcijom. To uključuje prijenos elektrona kako bi se ioni teških metala kao što su Cr6+ i Hg2+ reducirali u njihova niža oksidacijska stanja. Osim toga, može smanjiti klorirana organska jedinjenja, pretvarajući ih u manje toksične ili netoksične tvari, u konačnici povećavajući njihovu biorazgradljivost:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

Indirektna oksidacija (indirektna elektroliza) uključuje upotrebu elektrohemijski generisanih oksidacionih ili redukcionih agenasa kao reaktanata ili katalizatora za pretvaranje zagađivača u manje toksične supstance. Indirektna elektroliza se dalje može klasificirati na reverzibilne i ireverzibilne procese. Reverzibilni procesi (posredovana elektrohemijska oksidacija) uključuju regeneraciju i recikliranje redoks vrsta tokom elektrohemijskog procesa. Ireverzibilni procesi, s druge strane, koriste tvari nastale ireverzibilnim elektrokemijskim reakcijama, kao što su jaki oksidanti poput Cl2, hlorati, hipokloriti, H2O2 i O3, za oksidaciju organskih spojeva. Ireverzibilni procesi također mogu generirati visoko oksidativne intermedijere, uključujući solvatirane elektrone, ·HO radikale, ·HO2 radikale (hidroperoksil radikale) i ·O2- radikale (superoksidni anjoni), koji se mogu koristiti za razgradnju i eliminaciju zagađivača kao što su cijanid, fenoli, COD (Chemical Oxygen Demand) i S2- joni, pretvarajući ih u bezopasne tvari.

U slučaju direktne anodne oksidacije, niske koncentracije reaktanata mogu ograničiti elektrokemijsku površinsku reakciju zbog ograničenja prijenosa mase, dok ovo ograničenje ne postoji za indirektne oksidacijske procese. I tokom procesa direktne i indirektne oksidacije, mogu se javiti nuspojave koje uključuju stvaranje gasa H2 ili O2, ali te nuspojave se mogu kontrolisati izborom materijala za elektrode i kontrolom potencijala.

Utvrđeno je da je elektrohemijska oksidacija efikasna za prečišćavanje otpadnih voda sa visokim organskim koncentracijama, složenim sastavima, mnoštvom vatrostalnih supstanci i visokom obojenošću. Korištenjem anoda s elektrohemijskom aktivnošću, ova tehnologija može efikasno generirati visoko oksidativne hidroksilne radikale. Ovaj proces dovodi do razgradnje postojanih organskih zagađivača u netoksične, biorazgradive tvari i njihove potpune mineralizacije u spojeve poput ugljičnog dioksida ili karbonata.