В широком смысле электрохимическое окисление относится ко всему процессу электрохимии, который включает прямые или косвенные электрохимические реакции, происходящие на электроде на основе принципов окислительно-восстановительных реакций. Цель этих реакций — снижение или удаление загрязняющих веществ из сточных вод.
В узком смысле электрохимическое окисление относится именно к анодному процессу. В этом процессе органический раствор или суспензия вводится в электролитическую ячейку, и под действием постоянного тока электроны извлекаются на аноде, что приводит к окислению органических соединений. В качестве альтернативы, низковалентные металлы могут окисляться до высоковалентных ионов металлов на аноде, которые затем участвуют в окислении органических соединений. Как правило, определенные функциональные группы в органических соединениях проявляют электрохимическую активность. Под воздействием электрического поля структура этих функциональных групп претерпевает изменения, изменяя химические свойства органических соединений, снижая их токсичность и повышая их биоразлагаемость.
Электрохимическое окисление можно разделить на два типа: прямое окисление и косвенное окисление. Прямое окисление (прямой электролиз) включает в себя непосредственное удаление загрязняющих веществ из сточных вод путем их окисления на электроде. Этот процесс включает как анодные, так и катодные процессы. Анодный процесс включает окисление загрязняющих веществ на поверхности анода, превращая их в менее токсичные вещества или вещества, которые лучше поддаются биоразложению, тем самым уменьшая или устраняя загрязняющие вещества. Катодный процесс включает восстановление загрязняющих веществ на поверхности катода и в основном используется для восстановления и удаления галогенированных углеводородов и извлечения тяжелых металлов.
Катодный процесс также можно назвать электрохимическим восстановлением. Он включает в себя перенос электронов для восстановления ионов тяжелых металлов, таких как Cr6+ и Hg2+, до их более низких степеней окисления. Кроме того, он может восстанавливать хлорированные органические соединения, превращая их в менее токсичные или нетоксичные вещества, что в конечном итоге повышает их биоразлагаемость.
R-Cl + H+ + e → RH + Cl-
Непрямое окисление (непрямой электролиз) включает использование электрохимически генерируемых окислителей или восстановителей в качестве реагентов или катализаторов для преобразования загрязняющих веществ в менее токсичные. Непрямой электролиз можно далее классифицировать на обратимые и необратимые процессы. Обратимые процессы (опосредованное электрохимическое окисление) включают регенерацию и рециркуляцию окислительно-восстановительных частиц в ходе электрохимического процесса. Необратимые процессы, с другой стороны, используют вещества, образующиеся в результате необратимых электрохимических реакций, такие как сильные окислители, например, Cl2, хлораты, гипохлориты, H2O2 и O3, для окисления органических соединений. Необратимые процессы также могут генерировать высокоокислительные промежуточные соединения, включая сольватированные электроны, радикалы ·HO, радикалы ·HO2 (гидропероксильные радикалы) и радикалы ·O2- (супероксидные анионы), которые могут быть использованы для разложения и удаления загрязняющих веществ, таких как цианид, фенолы, ХПК (химическое потребление кислорода) и ионы S2-, в конечном итоге превращая их в безвредные вещества.
В случае прямого анодного окисления низкие концентрации реагентов могут ограничивать электрохимическую поверхностную реакцию из-за ограничений массопереноса, тогда как для процессов непрямого окисления такого ограничения не существует. Как в прямых, так и в непрямых процессах окисления могут происходить побочные реакции с образованием H2 или O2, но эти побочные реакции можно контролировать путем выбора материалов электрода и регулирования потенциала.
Установлено, что электрохимическое окисление эффективно для очистки сточных вод с высокой концентрацией органических веществ, сложным составом, множеством трудноразлагаемых веществ и высокой окраской. Используя аноды с электрохимической активностью, эта технология позволяет эффективно генерировать высокоокислительные гидроксильные радикалы. Этот процесс приводит к разложению стойких органических загрязнителей на нетоксичные, биоразлагаемые вещества и их полной минерализации до таких соединений, как диоксид углерода или карбонаты.
Дата публикации: 07.09.2023
