اکسیداسیون الکتروشیمیایی

به طور کلی، اکسیداسیون الکتروشیمیایی به کل فرآیند الکتروشیمی اشاره دارد که شامل واکنش‌های الکتروشیمیایی مستقیم یا غیرمستقیم است که در الکترود بر اساس اصول واکنش‌های اکسیداسیون-احیا رخ می‌دهند. هدف این واکنش‌ها کاهش یا حذف آلاینده‌ها از فاضلاب است.

به طور خلاصه، اکسیداسیون الکتروشیمیایی به طور خاص به فرآیند آندی اشاره دارد. در این فرآیند، یک محلول یا سوسپانسیون آلی وارد یک سلول الکترولیتی می‌شود و از طریق اعمال جریان مستقیم، الکترون‌ها در آند استخراج می‌شوند و منجر به اکسیداسیون ترکیبات آلی می‌شوند. به طور جایگزین، فلزات با ظرفیت پایین می‌توانند در آند به یون‌های فلزی با ظرفیت بالا اکسید شوند که سپس در اکسیداسیون ترکیبات آلی شرکت می‌کنند. به طور معمول، گروه‌های عاملی خاصی در ترکیبات آلی فعالیت الکتروشیمیایی از خود نشان می‌دهند. تحت تأثیر میدان الکتریکی، ساختار این گروه‌های عاملی دستخوش تغییراتی می‌شود که خواص شیمیایی ترکیبات آلی را تغییر می‌دهد، سمیت آنها را کاهش می‌دهد و تجزیه‌پذیری زیستی آنها را افزایش می‌دهد.

اکسیداسیون الکتروشیمیایی را می‌توان به دو نوع طبقه‌بندی کرد: اکسیداسیون مستقیم و اکسیداسیون غیرمستقیم. اکسیداسیون مستقیم (الکترولیز مستقیم) شامل حذف مستقیم آلاینده‌ها از فاضلاب با اکسیداسیون آنها در الکترود است. این فرآیند شامل فرآیندهای آندی و کاتدی است. فرآیند آندی شامل اکسیداسیون آلاینده‌ها در سطح آند و تبدیل آنها به مواد با سمیت کمتر یا موادی است که زیست تخریب‌پذیرتر هستند و در نتیجه آلاینده‌ها را کاهش یا حذف می‌کنند. فرآیند کاتدی شامل کاهش آلاینده‌ها در سطح کاتد است و در درجه اول برای کاهش و حذف هیدروکربن‌های هالوژنه و بازیابی فلزات سنگین استفاده می‌شود.

فرآیند کاتدی را می‌توان به عنوان کاهش الکتروشیمیایی نیز نامید. این فرآیند شامل انتقال الکترون‌ها برای کاهش یون‌های فلزات سنگین مانند Cr6+ و Hg2+ به حالت‌های اکسیداسیون پایین‌تر آنها است. علاوه بر این، می‌تواند ترکیبات آلی کلردار را کاهش داده و آنها را به مواد کمتر سمی یا غیرسمی تبدیل کند و در نهایت تجزیه‌پذیری زیستی آنها را افزایش دهد:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

اکسیداسیون غیرمستقیم (الکترولیز غیرمستقیم) شامل استفاده از عوامل اکسیدکننده یا کاهنده تولید شده به صورت الکتروشیمیایی به عنوان واکنش‌دهنده یا کاتالیزور برای تبدیل آلاینده‌ها به مواد کمتر سمی است. الکترولیز غیرمستقیم را می‌توان بیشتر به فرآیندهای برگشت‌پذیر و برگشت‌ناپذیر طبقه‌بندی کرد. فرآیندهای برگشت‌پذیر (اکسیداسیون الکتروشیمیایی واسطه‌ای) شامل بازسازی و بازیافت گونه‌های اکسایش-کاهش در طول فرآیند الکتروشیمیایی است. از سوی دیگر، فرآیندهای برگشت‌ناپذیر از موادی که از واکنش‌های الکتروشیمیایی برگشت‌ناپذیر تولید می‌شوند، مانند عوامل اکسیدکننده قوی مانند Cl2، کلرات‌ها، هیپوکلریت‌ها، H2O2 و O3، برای اکسیداسیون ترکیبات آلی استفاده می‌کنند. فرآیندهای برگشت‌ناپذیر همچنین می‌توانند واسطه‌های بسیار اکسیداتیو، از جمله الکترون‌های حل‌شده، رادیکال‌های ·HO، رادیکال‌های ·HO2 (رادیکال‌های هیدروپروکسیل) و رادیکال‌های ·O2- (آنیون‌های سوپراکسید) تولید کنند که می‌توانند برای تخریب و حذف آلاینده‌هایی مانند سیانید، فنول‌ها، COD (تقاضای اکسیژن شیمیایی) و یون‌های S2- استفاده شوند و در نهایت آنها را به مواد بی‌ضرر تبدیل کنند.

در مورد اکسیداسیون آندی مستقیم، غلظت کم واکنش‌دهنده می‌تواند واکنش سطحی الکتروشیمیایی را به دلیل محدودیت‌های انتقال جرم محدود کند، در حالی که این محدودیت برای فرآیندهای اکسیداسیون غیرمستقیم وجود ندارد. در طول هر دو فرآیند اکسیداسیون مستقیم و غیرمستقیم، واکنش‌های جانبی شامل تولید گاز H2 یا O2 ممکن است رخ دهد، اما این واکنش‌های جانبی را می‌توان از طریق انتخاب مواد الکترود و کنترل پتانسیل کنترل کرد.

اکسیداسیون الکتروشیمیایی برای تصفیه فاضلاب با غلظت بالای مواد آلی، ترکیبات پیچیده، مواد نسوز فراوان و رنگ زیاد، مؤثر شناخته شده است. با استفاده از آندهایی با فعالیت الکتروشیمیایی، این فناوری می‌تواند به طور مؤثر رادیکال‌های هیدروکسیل با اکسیداسیون بالا تولید کند. این فرآیند منجر به تجزیه آلاینده‌های آلی پایدار به مواد غیرسمی و زیست‌تخریب‌پذیر و معدنی شدن کامل آنها به ترکیباتی مانند دی‌اکسید کربن یا کربنات‌ها می‌شود.