W szerokim ujęciu, utlenianie elektrochemiczne odnosi się do całego procesu elektrochemicznego, który obejmuje bezpośrednie lub pośrednie reakcje elektrochemiczne zachodzące na elektrodzie, oparte na zasadach reakcji utleniania-redukcji. Reakcje te mają na celu redukcję lub usunięcie zanieczyszczeń ze ścieków.
W wąskim znaczeniu, utlenianie elektrochemiczne odnosi się konkretnie do procesu anodowego. W tym procesie organiczny roztwór lub zawiesina jest wprowadzana do ogniwa elektrolitycznego, a następnie pod wpływem prądu stałego elektrony są wychwytywane na anodzie, co prowadzi do utleniania związków organicznych. Alternatywnie, metale o niskiej wartościowości mogą być utleniane do jonów metali o wysokiej wartościowości na anodzie, które następnie uczestniczą 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 rodzaje: utlenianie bezpośrednie i utlenianie pośrednie. Utlenianie bezpośrednie (elektroliza bezpośrednia) polega na bezpośrednim usuwaniu zanieczyszczeń ze ścieków poprzez ich utlenianie 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 bardziej biodegradowalne, a tym samym redukując lub eliminując zanieczyszczenia. Proces katodowy polega na redukcji zanieczyszczeń na powierzchni katody i jest stosowany głównie do redukcji i usuwania węglowodorów halogenowanych oraz odzysku metali ciężkich.
Proces katodowy można również nazwać redukcją elektrochemiczną. Polega on na przeniesieniu elektronów w celu redukcji jonów metali ciężkich, takich jak Cr6+ i Hg2+, do niższych stopni utlenienia. Ponadto może on redukować chlorowane związki organiczne, przekształcając je w substancje mniej toksyczne lub nietoksyczne, co ostatecznie zwiększa ich biodegradowalność:
R-Cl + H+ + e → RH + Cl-
Utlenianie pośrednie (elektroliza pośrednia) polega na wykorzystaniu utleniaczy lub reduktorów generowanych elektrochemicznie jako reagentów lub katalizatorów w celu przekształcenia zanieczyszczeń w substancje mniej toksyczne. Elektrolizę pośrednią można dalej podzielić na procesy odwracalne i nieodwracalne. Procesy odwracalne (mediowane utlenianie elektrochemiczne) obejmują regenerację i recykling związków redoks podczas procesu elektrochemicznego. Procesy nieodwracalne natomiast wykorzystują substancje powstające w nieodwracalnych reakcjach elektrochemicznych, takie jak silne utleniacze, takie jak Cl2, chlorany, podchloryny, H2O2 i O3, do utleniania związków organicznych. Nieodwracalne procesy mogą również generować silnie utleniające produkty pośrednie, w tym solwatowane elektrony, rodniki ·HO, rodniki ·HO2 (rodniki hydroperoksylowe) i rodniki ·O2- (aniony ponadtlenkowe), które można wykorzystać do degradacji i eliminacji zanieczyszczeń, takich jak cyjanek, 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 związane z przenoszeniem masy, podczas gdy w przypadku procesów utleniania pośredniego ograniczenie to nie występuje. Zarówno podczas bezpośredniego, jak i pośredniego utleniania mogą zachodzić reakcje uboczne związane z wytwarzaniem wodoru (H₂) lub tlenu (O₂), ale reakcje te można kontrolować poprzez dobór materiałów elektrodowych i regulację potencjału.
Utlenianie elektrochemiczne okazało się skuteczne w oczyszczaniu ścieków o wysokim stężeniu substancji organicznych, złożonym składzie, dużej zawartości substancji opornych i silnym zabarwieniu. Dzięki zastosowaniu anod o aktywności elektrochemicznej, technologia ta pozwala na wydajne generowanie silnie utleniających rodników hydroksylowych. Proces ten prowadzi do rozkładu trwałych zanieczyszczeń organicznych na nietoksyczne, biodegradowalne substancje i ich całkowitej mineralizacji do związków takich jak dwutlenek węgla lub węglany.
Czas publikacji: 07.09.2023
