Elektroķīmiskā oksidēšana

Plašā nozīmē elektroķīmiskā oksidēšana attiecas uz visu elektroķīmijas procesu, kas ietver tiešas vai netiešas elektroķīmiskas reakcijas, kas notiek pie elektroda, pamatojoties uz oksidācijas-reducēšanas reakciju principiem. Šo reakciju mērķis ir samazināt vai noņemt piesārņotājus no notekūdeņiem.

Šauri definēta elektroķīmiskā oksidēšana īpaši attiecas uz anodisko procesu. Šajā procesā organisko šķīdumu vai suspensiju ievada elektrolītiskajā šūnā, un, izmantojot līdzstrāvu, anodā tiek ekstrahēti elektroni, kas noved pie organisko savienojumu oksidēšanās. Alternatīvi, zemas valences metālus pie anoda var oksidēt līdz augstas valences metālu joniem, kas pēc tam piedalās organisko savienojumu oksidēšanā. Parasti noteiktām funkcionālajām grupām organiskajos savienojumos ir elektroķīmiska aktivitāte. Elektriskā lauka ietekmē šo funkcionālo grupu struktūra mainās, mainot organisko savienojumu ķīmiskās īpašības, samazinot to toksicitāti un uzlabojot bioloģisko noārdīšanos.

Elektroķīmisko oksidāciju var iedalīt divos veidos: tiešā oksidācijā un netiešajā oksidācijā. Tiešā oksidēšana (tiešā elektrolīze) ietver tiešu piesārņojošo vielu izvadīšanu no notekūdeņiem, oksidējot tos pie elektroda. Šis process ietver gan anoda, gan katoda procesus. Anoda process ietver piesārņojošo vielu oksidēšanu uz anoda virsmas, pārvēršot tās mazāk toksiskās vielās vai vielās, kas ir vairāk bioloģiski noārdāmas, tādējādi samazinot vai likvidējot piesārņotājus. Katodiskais process ietver piesārņojošo vielu samazināšanu uz katoda virsmas, un to galvenokārt izmanto halogenēto ogļūdeņražu samazināšanai un noņemšanai un smago metālu reģenerācijai.

Katodisko procesu var saukt arī par elektroķīmisko reducēšanu. Tas ietver elektronu pārnešanu, lai samazinātu smago metālu jonus, piemēram, Cr6+ un Hg2+, to zemākos oksidācijas stāvokļos. Turklāt tas var samazināt hlorētos organiskos savienojumus, pārvēršot tos mazāk toksiskās vai netoksiskās vielās, galu galā uzlabojot to bioloģisko noārdīšanos:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

Netiešā oksidēšana (netiešā elektrolīze) ietver elektroķīmiski radītu oksidētāju vai reducētāju izmantošanu kā reaģentus vai katalizatorus, lai piesārņotājus pārvērstu mazāk toksiskās vielās. Netiešo elektrolīzi var iedalīt atgriezeniskajos un neatgriezeniskajos procesos. Atgriezeniskie procesi (mediētā elektroķīmiskā oksidēšana) ietver redoksu veidu reģenerāciju un pārstrādi elektroķīmiskā procesa laikā. Savukārt neatgriezeniskajos procesos organisko savienojumu oksidēšanai tiek izmantotas vielas, kas rodas neatgriezenisku elektroķīmisku reakciju rezultātā, piemēram, spēcīgi oksidētāji, piemēram, Cl2, hlorāti, hipohlorīti, H2O2 un O3. Neatgriezeniski procesi var radīt arī ļoti oksidatīvus starpproduktus, tostarp solvatētus elektronus, ·HO radikāļus, ·HO2 radikāļus (hidroperoksilradikālus) un ·O2-radikāļus (superoksīda anjonus), ko var izmantot, lai noārdītu un likvidētu piesārņotājus, piemēram, cianīdu, fenolus, ĶSP (ķīmiskais skābekļa pieprasījums) un S2-joni, kas galu galā pārvērš tos nekaitīgos vielas.

Tiešās anodiskās oksidācijas gadījumā zemas reaģentu koncentrācijas var ierobežot elektroķīmisko virsmas reakciju masas pārneses ierobežojumu dēļ, savukārt šis ierobežojums nepastāv netiešās oksidācijas procesos. Gan tiešās, gan netiešās oksidācijas procesos var rasties blakusreakcijas, kas saistītas ar H2 vai O2 gāzes veidošanos, taču šīs blakusreakcijas var kontrolēt, izvēloties elektrodu materiālus un potenciāla kontroli.

Ir konstatēts, ka elektroķīmiskā oksidēšana ir efektīva notekūdeņu attīrīšanai ar augstu organisko koncentrāciju, sarežģītu sastāvu, daudzām ugunsizturīgām vielām un augstu krāsojumu. Izmantojot anodus ar elektroķīmisko aktivitāti, šī tehnoloģija var efektīvi radīt ļoti oksidatīvus hidroksilradikāļus. Šis process noved pie noturīgo organisko piesārņotāju sadalīšanās netoksiskos, bioloģiski noārdāmās vielās un to pilnīgas mineralizācijas savienojumos, piemēram, oglekļa dioksīdā vai karbonātos.