Ηλεκτροχημική οξείδωση

Με την ευρεία έννοια, η ηλεκτροχημική οξείδωση αναφέρεται σε ολόκληρη τη διαδικασία της ηλεκτροχημείας, η οποία περιλαμβάνει άμεσες ή έμμεσες ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στο ηλεκτρόδιο με βάση τις αρχές των αντιδράσεων οξείδωσης-αναγωγής. Αυτές οι αντιδράσεις στοχεύουν στη μείωση ή την απομάκρυνση ρύπων από τα λύματα.

Με περιορισμένο τρόπο, η ηλεκτροχημική οξείδωση αναφέρεται συγκεκριμένα στην ανοδική διαδικασία. Σε αυτή τη διαδικασία, ένα οργανικό διάλυμα ή εναιώρημα εισάγεται σε ένα ηλεκτρολυτικό κελί και, μέσω της εφαρμογής συνεχούς ρεύματος, τα ηλεκτρόνια εξάγονται στην άνοδο, οδηγώντας στην οξείδωση οργανικών ενώσεων. Εναλλακτικά, μέταλλα χαμηλού σθένους μπορούν να οξειδωθούν σε ιόντα μετάλλων υψηλού σθένους στην άνοδο, τα οποία στη συνέχεια συμμετέχουν στην οξείδωση οργανικών ενώσεων. Συνήθως, ορισμένες λειτουργικές ομάδες εντός οργανικών ενώσεων εμφανίζουν ηλεκτροχημική δραστηριότητα. Υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, η δομή αυτών των λειτουργικών ομάδων υφίσταται αλλαγές, μεταβάλλοντας τις χημικές ιδιότητες των οργανικών ενώσεων, μειώνοντας την τοξικότητά τους και ενισχύοντας τη βιοδιασπασιμότητά τους.

Η ηλεκτροχημική οξείδωση μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε δύο τύπους: άμεση οξείδωση και έμμεση οξείδωση. Η άμεση οξείδωση (άμεση ηλεκτρόλυση) περιλαμβάνει την άμεση απομάκρυνση ρύπων από τα λύματα μέσω της οξείδωσής τους στο ηλεκτρόδιο. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τόσο ανοδικές όσο και καθοδικές διεργασίες. Η ανοδική διαδικασία περιλαμβάνει την οξείδωση ρύπων στην επιφάνεια της ανόδου, μετατρέποντάς τους σε λιγότερο τοξικές ουσίες ή ουσίες που είναι πιο βιοδιασπώμενες, μειώνοντας ή εξαλείφοντας έτσι τους ρύπους. Η καθοδική διαδικασία περιλαμβάνει τη μείωση των ρύπων στην επιφάνεια της καθόδου και χρησιμοποιείται κυρίως για τη μείωση και απομάκρυνση αλογονωμένων υδρογονανθράκων και την ανάκτηση βαρέων μετάλλων.

Η καθοδική διαδικασία μπορεί επίσης να αναφέρεται ως ηλεκτροχημική αναγωγή. Περιλαμβάνει τη μεταφορά ηλεκτρονίων για την αναγωγή ιόντων βαρέων μετάλλων όπως το Cr6+ και το Hg2+ στις χαμηλότερες καταστάσεις οξείδωσής τους. Επιπλέον, μπορεί να ανάγει χλωριωμένες οργανικές ενώσεις, μετατρέποντάς τες σε λιγότερο τοξικές ή μη τοξικές ουσίες, ενισχύοντας τελικά τη βιοδιασπασιμότητά τους:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

Η έμμεση οξείδωση (έμμεση ηλεκτρόλυση) περιλαμβάνει τη χρήση ηλεκτροχημικά παραγόμενων οξειδωτικών ή αναγωγικών παραγόντων ως αντιδρώντων ή καταλυτών για τη μετατροπή των ρύπων σε λιγότερο τοξικές ουσίες. Η έμμεση ηλεκτρόλυση μπορεί να ταξινομηθεί περαιτέρω σε αναστρέψιμες και μη αναστρέψιμες διεργασίες. Οι αναστρέψιμες διεργασίες (ηλεκτροχημική οξείδωση με μεσολάβηση) περιλαμβάνουν την αναγέννηση και την ανακύκλωση οξειδοαναγωγικών ειδών κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής διεργασίας. Οι μη αναστρέψιμες διεργασίες, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιούν ουσίες που παράγονται από μη αναστρέψιμες ηλεκτροχημικές αντιδράσεις, όπως ισχυρά οξειδωτικά μέσα όπως Cl2, χλωρικά, υποχλωριώδη, H2O2 και O3, για την οξείδωση οργανικών ενώσεων. Οι μη αναστρέψιμες διεργασίες μπορούν επίσης να παράγουν έντονα οξειδωτικά ενδιάμεσα, συμπεριλαμβανομένων διαλυτωμένων ηλεκτρονίων, ριζών ·HO, ριζών ·HO2 (υδροϋπεροξυλικές ρίζες) και ριζών ·O2- (ανιόντα υπεροξειδίου), τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποικοδόμηση και την εξάλειψη ρύπων όπως κυάνιο, φαινόλες, COD (Χημική Απαίτηση Οξυγόνου) και ιόντα S2-, μετατρέποντάς τα τελικά σε αβλαβείς ουσίες.

Στην περίπτωση της άμεσης ανοδικής οξείδωσης, οι χαμηλές συγκεντρώσεις αντιδρώντων μπορούν να περιορίσουν την ηλεκτροχημική επιφανειακή αντίδραση λόγω περιορισμών στη μεταφορά μάζας, ενώ αυτός ο περιορισμός δεν υπάρχει για τις διεργασίες έμμεσης οξείδωσης. Κατά τη διάρκεια τόσο των άμεσων όσο και των έμμεσων διεργασιών οξείδωσης, ενδέχεται να εμφανιστούν παράπλευρες αντιδράσεις που περιλαμβάνουν την παραγωγή αερίου H2 ή O2, αλλά αυτές οι παράπλευρες αντιδράσεις μπορούν να ελεγχθούν μέσω της επιλογής υλικών ηλεκτροδίων και του ελέγχου των δυνατοτήτων.

Η ηλεκτροχημική οξείδωση έχει βρεθεί ότι είναι αποτελεσματική για την επεξεργασία λυμάτων με υψηλές συγκεντρώσεις οργανικών ουσιών, σύνθετες συνθέσεις, πλήθος πυρίμαχων ουσιών και υψηλό χρωματισμό. Χρησιμοποιώντας ανόδους με ηλεκτροχημική δράση, αυτή η τεχνολογία μπορεί να παράγει αποτελεσματικά ρίζες υδροξυλίου υψηλής οξειδωτικής δράσης. Αυτή η διαδικασία οδηγεί στην αποσύνθεση των επίμονων οργανικών ρύπων σε μη τοξικές, βιοδιασπώμενες ουσίες και στην πλήρη ανοργανοποίησή τους σε ενώσεις όπως το διοξείδιο του άνθρακα ή τα ανθρακικά άλατα.