Elektrokeemiline oksüdatsioon

Laiemas tähenduses tähendab elektrokeemiline oksüdatsioon kogu elektrokeemia protsessi, mis hõlmab oksüdatsiooni-redutseerimisreaktsioonide põhimõtetel põhinevaid otseseid või kaudseid elektrokeemilisi reaktsioone, mis toimuvad elektroodil. Nende reaktsioonide eesmärk on reoveest saasteainete vähendamine või eemaldamine.

Kitsalt määratletud elektrokeemiline oksüdatsioon viitab konkreetselt anoodilisele protsessile. Selle protsessi käigus viiakse elektrolüütilisse rakku orgaaniline lahus või suspensioon ja alalisvoolu rakendamisel eraldatakse anoodilt elektronid, mis viib orgaaniliste ühendite oksüdeerumiseni. Teise võimalusena saab madala valentsusega metalle oksüdeerida anoodil kõrge valentsiga metalliioonideks, mis seejärel osalevad orgaaniliste ühendite oksüdatsioonis. Tavaliselt on teatud funktsionaalrühmadel orgaanilistes ühendites elektrokeemiline aktiivsus. Elektrivälja mõjul muutub nende funktsionaalrühmade struktuur, mis muudab orgaaniliste ühendite keemilisi omadusi, vähendab nende toksilisust ja suurendab nende biolagunevust.

Elektrokeemilise oksüdatsiooni võib jagada kahte tüüpi: otsene oksüdatsioon ja kaudne oksüdatsioon. Otsene oksüdatsioon (otsene elektrolüüs) hõlmab saasteainete otsest eemaldamist reoveest, oksüdeerides need elektroodil. See protsess hõlmab nii anoodilisi kui katoodprotsesse. Anoodiprotsess hõlmab saasteainete oksüdeerimist anoodi pinnal, muutes need vähem toksilisteks aineteks või aineteks, mis on paremini biolagunevad, vähendades või kõrvaldades seeläbi saasteaineid. Katoodprotsess hõlmab saasteainete redutseerimist katoodi pinnal ja seda kasutatakse peamiselt halogeenitud süsivesinike redutseerimiseks ja eemaldamiseks ning raskmetallide regenereerimiseks.

Katoodprotsessi võib nimetada ka elektrokeemiliseks redutseerimiseks. See hõlmab elektronide ülekandmist raskmetallide ioonide, nagu Cr6+ ja Hg2+, redutseerimiseks nende madalamasse oksüdatsiooniolekusse. Lisaks võib see vähendada klooritud orgaanilisi ühendeid, muutes need vähem toksilisteks või mittetoksilisteks aineteks, suurendades lõpuks nende biolagunevust:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

Kaudne oksüdatsioon (kaudne elektrolüüs) hõlmab elektrokeemiliselt tekitatud oksüdeerivate või redutseerivate ainete kasutamist reagentidena või katalüsaatoritena saasteainete muundamiseks vähemtoksilisteks aineteks. Kaudse elektrolüüsi saab edasi liigitada pöörduvateks ja pöördumatuteks protsessideks. Pöörduvad protsessid (vahendatud elektrokeemiline oksüdatsioon) hõlmavad redoksliikide regenereerimist ja ringlussevõttu elektrokeemilise protsessi käigus. Pöördumatutes protsessides aga kasutatakse orgaaniliste ühendite oksüdeerimiseks pöördumatute elektrokeemiliste reaktsioonide käigus tekkivaid aineid, nagu tugevad oksüdeerivad ained nagu Cl2, kloraadid, hüpokloritid, H2O2 ja O3. Pöördumatud protsessid võivad tekitada ka väga oksüdatiivseid vaheühendeid, sealhulgas solvateerunud elektronid, ·HO-radikaalid, ·HO2-radikaalid (hüdroperoksüülradikaalid) ja ·O2-radikaalid (superoksiidianioonid), mida saab kasutada saasteainete, nagu tsüaniid, fenoolid, lagundamiseks ja kõrvaldamiseks. COD (Chemical Oxygen Demand) ja S2- ioonid, muutes need lõpuks kahjututeks aineteks.

Otsese anoodse oksüdatsiooni korral võivad reaktiivi madalad kontsentratsioonid piirata elektrokeemilist pinnareaktsiooni massiülekande piirangute tõttu, samas kui kaudsete oksüdatsiooniprotsesside puhul seda piirangut ei eksisteeri. Nii otsese kui ka kaudse oksüdatsiooniprotsessi käigus võivad tekkida kõrvalreaktsioonid, mis hõlmavad gaasi H2 või O2 teket, kuid neid kõrvalreaktsioone saab kontrollida elektroodimaterjalide valiku ja potentsiaali juhtimisega.

Elektrokeemiline oksüdatsioon on osutunud tõhusaks kõrge orgaanilise kontsentratsiooniga, keeruka koostisega, paljude tulekindlate ainete ja kõrge värvusega reovee puhastamisel. Kasutades elektrokeemilise aktiivsusega anoode, saab see tehnoloogia tõhusalt tekitada väga oksüdatiivseid hüdroksüülradikaale. See protsess viib püsivate orgaaniliste saasteainete lagunemiseni mittetoksilisteks biolagunevateks aineteks ja nende täieliku mineraliseerumiseni sellisteks ühenditeks nagu süsinikdioksiid või karbonaadid.