Електрохімічне окислення

У широкому розумінні електрохімічне окислення відноситься до всього процесу електрохімії, який включає прямі або непрямі електрохімічні реакції, що відбуваються на електроді на основі принципів окислювально-відновних реакцій. Ці реакції спрямовані на зменшення або видалення забруднюючих речовин зі стічних вод.

У вузькому визначенні електрохімічне окислення відноситься до анодного процесу. У цьому процесі органічний розчин або суспензія вводиться в електролізер, і за допомогою постійного струму електрони витягуються на аноді, що призводить до окислення органічних сполук. Альтернативно, низьковалентні метали можуть бути окислені до високовалентних іонів металів на аноді, які потім беруть участь в окисленні органічних сполук. Як правило, певні функціональні групи в органічних сполуках виявляють електрохімічну активність. Під впливом електричного поля структура цих функціональних груп зазнає змін, змінюючи хімічні властивості органічних сполук, знижуючи їх токсичність і підвищуючи здатність до біологічного розкладання.

Електрохімічне окислення можна класифікувати на два типи: пряме окислення та непряме окислення. Пряме окислення (прямий електроліз) передбачає пряме видалення забруднюючих речовин зі стічних вод шляхом їх окислення на електроді. Цей процес включає як анодні, так і катодні процеси. Анодний процес включає окислення забруднювачів на поверхні анода, перетворюючи їх на менш токсичні речовини або речовини, які є більш біологічно розкладаними, таким чином зменшуючи або усуваючи забруднюючі речовини. Катодний процес передбачає відновлення забруднюючих речовин на поверхні катода та в основному використовується для відновлення та видалення галогенованих вуглеводнів і відновлення важких металів.

Катодний процес також можна назвати електрохімічним відновленням. Він передбачає передачу електронів для відновлення іонів важких металів, таких як Cr6+ і Hg2+, до їх нижчих ступенів окислення. Крім того, він може зменшити кількість хлорованих органічних сполук, перетворюючи їх на менш токсичні або нетоксичні речовини, зрештою підвищуючи їх здатність до біологічного розкладання:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

Непряме окислення (непрямий електроліз) передбачає використання електрохімічно створених окислювачів або відновників як реагентів або каталізаторів для перетворення забруднюючих речовин у менш токсичні речовини. Непрямий електроліз можна далі класифікувати на оборотні та необоротні процеси. Оборотні процеси (опосередковане електрохімічне окислення) передбачають регенерацію та рециркуляцію окисно-відновних сполук під час електрохімічного процесу. У незворотних процесах, з іншого боку, для окислення органічних сполук використовуються речовини, що утворюються в результаті незворотних електрохімічних реакцій, наприклад сильні окислювачі, такі як Cl2, хлорати, гіпохлорити, H2O2 і O3. Необоротні процеси також можуть генерувати проміжні продукти з високим ступенем окиснення, включаючи сольватовані електрони, радикали ·HO, радикали ·HO2 (гідропероксильні радикали) і ·O2- радикали (супероксидні аніони), які можна використовувати для розкладання та видалення забруднюючих речовин, таких як ціанід, феноли, ХПК (хімічне споживання кисню) та іони S2-, остаточно перетворюючи їх на нешкідливі речовини.

У випадку прямого анодного окислення низькі концентрації реагентів можуть обмежити електрохімічну поверхневу реакцію через обмеження масопередачі, тоді як це обмеження не існує для процесів непрямого окислення. Під час процесів як прямого, так і непрямого окислення можуть відбуватися побічні реакції, що включають утворення газу H2 або O2, але ці побічні реакції можна контролювати шляхом вибору матеріалів електродів і контролю потенціалу.

Встановлено, що електрохімічне окислення є ефективним для очищення стічних вод з високим вмістом органічних речовин, складним складом, великою кількістю тугоплавких речовин і високим кольором. Завдяки використанню анодів з електрохімічною активністю ця технологія може ефективно генерувати високоокислювальні гідроксильні радикали. Цей процес призводить до розкладання стійких органічних забруднювачів на нетоксичні, біологічно розкладані речовини та їх повної мінералізації до таких сполук, як вуглекислий газ або карбонати.