In brede zin verwijst elektrochemische oxidatie naar het gehele elektrochemische proces, dat directe of indirecte elektrochemische reacties aan de elektrode omvat, gebaseerd op de principes van oxidatie-reductiereacties. Deze reacties zijn erop gericht verontreinigende stoffen uit afvalwater te verminderen of te verwijderen.
Elektrochemische oxidatie verwijst, strikt genomen, specifiek naar het anodische proces. Bij dit proces wordt een organische oplossing of suspensie in een elektrolytische cel gebracht en worden, door middel van gelijkstroom, elektronen aan de anode onttrokken, wat leidt tot de oxidatie van organische verbindingen. Als alternatief kunnen laagwaardige metalen aan de anode worden geoxideerd tot hoogwaardige metaalionen, die vervolgens deelnemen aan de oxidatie van organische verbindingen. Doorgaans vertonen bepaalde functionele groepen binnen organische verbindingen elektrochemische activiteit. Onder invloed van een elektrisch veld ondergaat de structuur van deze functionele groepen veranderingen, waardoor de chemische eigenschappen van de organische verbindingen veranderen, hun toxiciteit afneemt en hun biologische afbreekbaarheid toeneemt.
Elektrochemische oxidatie kan worden onderverdeeld in twee typen: directe oxidatie en indirecte oxidatie. Directe oxidatie (directe elektrolyse) houdt in dat verontreinigende stoffen rechtstreeks uit afvalwater worden verwijderd door ze aan de elektrode te oxideren. Dit proces omvat zowel anodische als kathodische processen. Het anodische proces omvat de oxidatie van verontreinigende stoffen aan het anodeoppervlak, waarbij ze worden omgezet in minder giftige of beter biologisch afbreekbare stoffen, waardoor de hoeveelheid verontreinigende stoffen wordt verminderd of geëlimineerd. Het kathodische proces omvat de reductie van verontreinigende stoffen aan het kathodeoppervlak en wordt voornamelijk gebruikt voor de reductie en verwijdering van gehalogeneerde koolwaterstoffen en de terugwinning van zware metalen.
Het kathodische proces wordt ook wel elektrochemische reductie genoemd. Het omvat de overdracht van elektronen om zware metaalionen zoals Cr6+ en Hg2+ te reduceren tot lagere oxidatietoestanden. Daarnaast kan het gechloreerde organische verbindingen reduceren, waardoor ze worden omgezet in minder giftige of niet-giftige stoffen en uiteindelijk hun biologische afbreekbaarheid wordt verbeterd.
R-Cl + H+ + e → RH + Cl-
Indirecte oxidatie (indirecte elektrolyse) omvat het gebruik van elektrochemisch gegenereerde oxiderende of reducerende stoffen als reactanten of katalysatoren om verontreinigende stoffen om te zetten in minder giftige stoffen. Indirecte elektrolyse kan verder worden onderverdeeld in omkeerbare en onomkeerbare processen. Omkeerbare processen (gemedieerde elektrochemische oxidatie) omvatten de regeneratie en recycling van redoxsoorten tijdens het elektrochemische proces. Onomkeerbare processen daarentegen maken gebruik van stoffen die worden gegenereerd door onomkeerbare elektrochemische reacties, zoals sterke oxiderende stoffen als Cl2, chloraten, hypochlorieten, H2O2 en O3, om organische verbindingen te oxideren. Onomkeerbare processen kunnen ook sterk oxiderende tussenproducten genereren, waaronder gesolvateerde elektronen, ·HO-radicalen, ·HO2-radicalen (hydroperoxylradicalen) en ·O2--radicalen (superoxide-anionen), die gebruikt kunnen worden om verontreinigende stoffen zoals cyanide, fenolen, CZV (chemische zuurstofbehoefte) en S2--ionen af te breken en te elimineren, waardoor ze uiteindelijk worden omgezet in onschadelijke stoffen.
Bij directe anodische oxidatie kunnen lage reactantconcentraties de elektrochemische oppervlaktereactie beperken als gevolg van massatransportbeperkingen, terwijl deze beperking niet bestaat bij indirecte oxidatieprocessen. Tijdens zowel directe als indirecte oxidatieprocessen kunnen nevenreacties optreden waarbij H2- of O2-gas wordt gevormd, maar deze nevenreacties kunnen worden beheerst door de keuze van elektrodematerialen en potentiaalregeling.
Elektrochemische oxidatie is effectief gebleken voor de behandeling van afvalwater met hoge organische concentraties, complexe samenstellingen, een veelheid aan moeilijk afbreekbare stoffen en een hoge kleurintensiteit. Door gebruik te maken van anodes met elektrochemische activiteit kan deze technologie efficiënt zeer oxiderende hydroxylradicalen genereren. Dit proces leidt tot de afbraak van persistente organische verontreinigende stoffen tot niet-giftige, biologisch afbreekbare stoffen en hun volledige mineralisatie tot verbindingen zoals koolstofdioxide of carbonaten.
Geplaatst op: 7 september 2023
