W szerokim znaczeniu utlenianie elektrochemiczne odnosi się do całego procesu elektrochemicznego, na który składają się bezpośrednie lub pośrednie reakcje elektrochemiczne zachodzące na elektrodzie w oparciu o zasady reakcji utleniania-redukcji. Reakcje te mają na celu redukcję lub usunięcie substancji zanieczyszczających ze ścieków.
Wąsko zdefiniowane utlenianie elektrochemiczne odnosi się konkretnie do procesu anodowego. W procesie tym do ogniwa elektrolitycznego wprowadza się roztwór lub zawiesinę organiczną, a poprzez zastosowanie prądu stałego na anodzie odrywane są elektrony, co prowadzi do utlenienia związków organicznych. Alternatywnie metale o niskiej wartościowości można utlenić na anodzie do jonów metali o wysokiej wartościowości, które następnie biorą udział w utlenianiu związków organicznych. Zazwyczaj pewne grupy funkcyjne w związkach organicznych wykazują aktywność elektrochemiczną. Pod wpływem pola elektrycznego struktura tych grup funkcyjnych ulega zmianom, zmieniając właściwości chemiczne związków organicznych, zmniejszając ich toksyczność i zwiększając ich biodegradowalność.
Utlenianie elektrochemiczne można podzielić na dwa typy: utlenianie bezpośrednie i utlenianie pośrednie. Utlenianie bezpośrednie (elektroliza bezpośrednia) polega na bezpośrednim usuwaniu zanieczyszczeń ze ścieków poprzez ich utlenienie na elektrodzie. Proces ten obejmuje zarówno procesy anodowe, jak i katodowe. Proces anodowy polega na utlenianiu zanieczyszczeń na powierzchni anody, przekształcając je w substancje mniej toksyczne lub substancje bardziej biodegradowalne, redukując w ten sposób lub eliminując zanieczyszczenia. Proces katodowy polega na redukcji zanieczyszczeń na powierzchni katody i jest stosowany przede wszystkim do redukcji i usuwania węglowodorów halogenowanych oraz odzyskiwania metali ciężkich.
Proces katodowy można również nazwać redukcją elektrochemiczną. Polega na przeniesieniu elektronów w celu redukcji jonów metali ciężkich, takich jak Cr6+ i Hg2+, do ich niższych stopni utlenienia. Dodatkowo może redukować chlorowane związki organiczne, przekształcając je w substancje mniej toksyczne lub nietoksyczne, ostatecznie zwiększając ich biodegradowalność:
R-Cl + H+ + e → RH + Cl-
Utlenianie pośrednie (elektroliza pośrednia) polega na zastosowaniu elektrochemicznie wytworzonych środków utleniających lub redukujących jako reagentów lub katalizatorów w celu przekształcenia substancji zanieczyszczających w substancje mniej toksyczne. Elektrolizę pośrednią można dalej podzielić na procesy odwracalne i nieodwracalne. Procesy odwracalne (pośrednie utlenianie elektrochemiczne) obejmują regenerację i recykling form redoks podczas procesu elektrochemicznego. Z drugiej strony procesy nieodwracalne wykorzystują substancje powstające w wyniku nieodwracalnych reakcji elektrochemicznych, takie jak silne środki utleniające, takie jak Cl2, chlorany, podchloryn, H2O2 i O3, do utleniania związków organicznych. W procesach nieodwracalnych mogą również powstawać wysoce utleniające półprodukty, w tym solwatowane elektrony, rodniki ·HO, rodniki ·HO2 (rodniki wodoronadtlenkowe) i rodniki ·O2- (aniony ponadtlenkowe), które można wykorzystać do rozkładu i eliminacji substancji zanieczyszczających, takich jak cyjanki, fenole, ChZT (Chemiczne zapotrzebowanie na tlen) i jony S2, ostatecznie przekształcając je w nieszkodliwe substancje.
W przypadku bezpośredniego utleniania anodowego, niskie stężenia reagentów mogą ograniczać elektrochemiczną reakcję powierzchniową ze względu na ograniczenia przenoszenia masy, natomiast ograniczenie to nie istnieje w przypadku procesów utleniania pośredniego. Zarówno podczas bezpośrednich, jak i pośrednich procesów utleniania mogą wystąpić reakcje uboczne obejmujące wytwarzanie gazowego H2 lub O2, ale te reakcje uboczne można kontrolować poprzez dobór materiałów elektrody i kontrolę potencjału.
Stwierdzono, że utlenianie elektrochemiczne jest skuteczne w oczyszczaniu ścieków o wysokim stężeniu substancji organicznych, złożonych składach, wielu substancjach ogniotrwałych i dużym zabarwieniu. Dzięki wykorzystaniu anod o aktywności elektrochemicznej technologia ta może skutecznie generować wysoce utleniające rodniki hydroksylowe. Proces ten prowadzi do rozkładu trwałych zanieczyszczeń organicznych na nietoksyczne, biodegradowalne substancje i ich całkowitą mineralizację do związków takich jak dwutlenek węgla czy węglany.
Czas publikacji: 7 września 2023 r
