Elektrohemijska oksidacija

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

Usko definirana, elektrohemijska oksidacija se specifično odnosi na anodni proces. U ovom procesu, organski rastvor ili suspenzija se uvodi u elektrolitičku ćeliju, i primjenom jednosmjerne struje, elektroni se ekstrahuju na anodi, što dovodi do oksidacije organskih spojeva. Alternativno, metali niske valencije mogu se oksidirati u metalne ione visoke valencije na anodi, koji zatim učestvuju u oksidaciji organskih spojeva. Tipično, određene funkcionalne grupe unutar organskih spojeva pokazuju elektrohemijsku aktivnost. Pod utjecajem električnog polja, struktura ovih funkcionalnih grupa prolazi kroz promjene, mijenjajući hemijska svojstva organskih spojeva, smanjujući njihovu toksičnost i povećavajući njihovu biorazgradivost.

Elektrohemijska oksidacija se može podijeliti u dvije 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 supstance ili supstance koje su biorazgradivije, čime se smanjuju ili eliminišu zagađivači. Katodni proces uključuje smanjenje zagađivača na površini katode i prvenstveno se koristi za smanjenje i uklanjanje halogenovanih ugljikovodika i izdvajanje teških metala.

Katodni proces se također može nazvati elektrohemijskom redukcijom. On uključuje prenos elektrona kako bi se joni teških metala poput Cr6+ i Hg2+ redukovali u njihova niža oksidaciona stanja. Osim toga, može redukovati hlorisane organske spojeve, pretvarajući ih u manje toksične ili netoksične supstance, što u konačnici povećava njihovu biorazgradivost:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

Indirektna oksidacija (indirektna elektroliza) uključuje upotrebu elektrohemijski generisanih oksidacionih ili redukcionih sredstava kao reaktanata ili katalizatora za pretvaranje zagađivača u manje toksične supstance. Indirektna elektroliza se dalje može klasifikovati u reverzibilne i ireverzibilne procese. Reverzibilni procesi (posredovana elektrohemijska oksidacija) uključuju regeneraciju i recikliranje redoks vrsta tokom elektrohemijskog procesa. Ireverzibilni procesi, s druge strane, koriste supstance generisane iz ireverzibilnih elektrohemijskih reakcija, kao što su jaka oksidaciona sredstva poput Cl2, hlorata, hipohlorita, H2O2 i O3, za oksidaciju organskih jedinjenja. Ireverzibilni procesi takođe mogu generisati visoko oksidativne međuprodukte, uključujući solvatirane elektrone, ·HO radikale, ·HO2 radikale (hidroperoksil radikale) i ·O2- radikale (superoksidne anione), koji se mogu koristiti za razgradnju i eliminaciju zagađivača kao što su cijanidi, fenoli, COD (hemijska potrošnja kiseonika) i S2- ioni, na kraju ih transformišući u bezopasne supstance.

U slučaju direktne anodne oksidacije, niske koncentracije reaktanata mogu ograničiti elektrohemijsku površinsku reakciju zbog ograničenja prijenosa mase, dok ovo ograničenje ne postoji za procese indirektne oksidacije. Tokom i direktne i indirektne oksidacije mogu se pojaviti sporedne reakcije koje uključuju stvaranje plina H2 ili O2, ali se ove sporedne reakcije mogu kontrolirati odabirom materijala elektroda i kontrolom potencijala.

Utvrđeno je da je elektrohemijska oksidacija efikasna za tretman otpadnih voda sa visokim organskim koncentracijama, složenim sastavima, mnoštvom vatrostalnih supstanci i visokom obojenošću. Korištenjem anoda sa elektrohemijskom aktivnošću, ova tehnologija može efikasno generisati visoko oksidativne hidroksilne radikale. Ovaj proces dovodi do razgradnje perzistentnih organskih zagađivača u netoksične, biorazgradive supstance i njihove potpune mineralizacije u jedinjenja poput ugljen-dioksida ili karbonata.