Elektrokeemiline oksüdatsioon

Laiemas tähenduses viitab elektrokeemiline oksüdatsioon kogu elektrokeemia protsessile, mis hõlmab elektroodil toimuvaid otseseid või kaudseid elektrokeemilisi reaktsioone oksüdatsiooni-redutseerimise reaktsioonide põhimõtete alusel. Nende reaktsioonide eesmärk on vähendada või eemaldada reoveest saasteaineid.

Kitsalt defineerituna viitab elektrokeemiline oksüdatsioon anoodprotsessile. Selles protsessis viiakse orgaaniline lahus või suspensioon elektrolüüsikambrisse ja alalisvoolu rakendamise kaudu ekstraheeritakse anoodil elektronid, mis viib orgaaniliste ühendite oksüdeerumiseni. Teise võimalusena saab madala valentsusega metalle oksüdeerida anoodil kõrge valentsusega metalliioonideks, mis seejärel osalevad orgaaniliste ühendite oksüdeerimises. Tavaliselt on orgaaniliste ühendite teatud funktsionaalrühmadel elektrokeemiline aktiivsus. Elektrivälja mõjul nende funktsionaalrühmade struktuur muutub, muutes orgaaniliste ühendite keemilisi omadusi, vähendades nende toksilisust ja suurendades nende biolagunevust.

Elektrokeemilist oksüdeerimist saab jagada kahte tüüpi: otsene oksüdeerimine ja kaudne oksüdeerimine. Otsene oksüdeerimine (otsene elektrolüüs) hõlmab saasteainete otsest eemaldamist reoveest nende oksüdeerimise teel elektroodil. See protsess hõlmab nii anoodseid kui ka katoodseid protsesse. Anoodne protsess hõlmab saasteainete oksüdeerimist anoodi pinnal, muutes need vähem toksilisteks või biolagunevateks aineteks, vähendades või kõrvaldades seeläbi saasteaineid. Katoodne protsess hõlmab saasteainete redutseerimist katoodi pinnal ja seda kasutatakse peamiselt halogeenitud süsivesinike redutseerimiseks ja eemaldamiseks ning raskmetallide eraldamiseks.

Katoodprotsessi võib nimetada ka elektrokeemiliseks redutseerimiseks. See hõlmab elektronide ülekannet, et redutseerida raskmetallide ioone, näiteks Cr6+ ja Hg2+, madalamatesse oksüdatsiooniastmetesse. Lisaks saab sellega redutseerida klooritud orgaanilisi ühendeid, muutes need vähem toksilisteks või mittetoksilisteks aineteks, suurendades lõppkokkuvõttes nende biolagunevust:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

Kaudne oksüdeerimine (kaudne elektrolüüs) hõlmab elektrokeemiliselt tekitatud oksüdeerivate või redutseerivate ainete kasutamist reagentide või katalüsaatoritena, et muuta saasteained vähem toksilisteks aineteks. Kaudset elektrolüüsi saab omakorda liigitada pöörduvateks ja pöördumatuteks protsessideks. Pöörduvad protsessid (vahendatud elektrokeemiline oksüdeerimine) hõlmavad redoksühendite regenereerimist ja ringlussevõttu elektrokeemilise protsessi käigus. Pöördumatud protsessid seevastu kasutavad pöördumatute elektrokeemiliste reaktsioonide käigus tekkinud aineid, nagu tugevad oksüdeerivad ained nagu Cl2, kloraadid, hüpokloritid, H2O2 ja O3, orgaaniliste ühendite oksüdeerimiseks. Pöördumatud protsessid võivad tekitada ka väga oksüdatiivseid vaheühendeid, sealhulgas solvaatunud elektrone, ·HO radikaale, ·HO2 radikaale (hüdroperoksüülradikaale) ja ·O2- radikaale (superoksiidanioone), mida saab kasutada selliste saasteainete nagu tsüaniid, fenoolid, COD (keemiline hapnikutarve) ja S2- ioonid lagundamiseks ja kõrvaldamiseks, muutes need lõpuks kahjututeks aineteks.

Otsese anoodse oksüdeerimise korral võivad madalad reagendi kontsentratsioonid piirata elektrokeemilist pinnareaktsiooni massiülekande piirangute tõttu, samas kui kaudsete oksüdeerimisprotsesside puhul seda piirangut ei esine. Nii otsese kui ka kaudse oksüdeerimise käigus võivad esineda kõrvalreaktsioonid, mis hõlmavad H2 või O2 gaasi teket, kuid neid kõrvalreaktsioone saab kontrollida elektroodimaterjalide valiku ja potentsiaali reguleerimise abil.

Elektrokeemiline oksüdeerimine on osutunud tõhusaks kõrge orgaanilise kontsentratsiooni, keeruka koostise, paljude tulekindlate ainete ja suure värvusega reovee puhastamisel. Elektrokeemilise aktiivsusega anoodide abil saab see tehnoloogia tõhusalt genereerida väga oksüdatiivseid hüdroksüülradikaale. See protsess viib püsivate orgaaniliste saasteainete lagunemiseni mittetoksilisteks, biolagunevateks aineteks ja nende täieliku mineraliseerumiseni sellisteks ühenditeks nagu süsinikdioksiid või karbonaadid.