Էլեկտրաքիմիական օքսիդացում

Լայն իմաստով, էլեկտրաքիմիական օքսիդացումը վերաբերում է էլեկտրաքիմիայի ողջ գործընթացին, որը ներառում է ուղղակի կամ անուղղակի էլեկտրաքիմիական ռեակցիաներ, որոնք տեղի են ունենում էլեկտրոդում, որոնք հիմնված են օքսիդացում-վերականգնման ռեակցիաների սկզբունքների վրա: Այս ռեակցիաները նպատակ ունեն նվազեցնել կամ հեռացնել աղտոտիչները կեղտաջրերից:

Նեղ սահմանված՝ էլեկտրաքիմիական օքսիդացումը մասնավորապես վերաբերում է անոդային գործընթացին: Այս գործընթացում օրգանական լուծույթը կամ կասեցումը ներմուծվում է էլեկտրոլիտիկ բջիջ, և ուղղակի հոսանքի կիրառման միջոցով էլեկտրոնները արդյունահանվում են անոդում, ինչը հանգեցնում է օրգանական միացությունների օքսիդացմանը: Որպես այլընտրանք, ցածրարժեք մետաղները կարող են անոդում օքսիդացվել բարձրարժեք մետաղի իոնների, որոնք այնուհետև մասնակցում են օրգանական միացությունների օքսիդացմանը: Սովորաբար օրգանական միացությունների մեջ որոշ ֆունկցիոնալ խմբեր ցուցադրում են էլեկտրաքիմիական ակտիվություն: Էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ այս ֆունկցիոնալ խմբերի կառուցվածքը ենթարկվում է փոփոխությունների՝ փոփոխելով օրգանական միացությունների քիմիական հատկությունները, նվազեցնելով դրանց թունավորությունը և մեծացնելով դրանց կենսաքայքայելիությունը։

Էլեկտրաքիմիական օքսիդացումը կարելի է դասակարգել երկու տեսակի՝ ուղղակի օքսիդացում և անուղղակի օքսիդացում: Ուղղակի օքսիդացում (ուղիղ էլեկտրոլիզ) ներառում է աղտոտիչների ուղղակի հեռացում կեղտաջրերից՝ էլեկտրոդի մոտ օքսիդացնելով: Այս գործընթացը ներառում է ինչպես անոդային, այնպես էլ կաթոդիկ գործընթացներ: Անոդային գործընթացը ներառում է աղտոտիչների օքսիդացում անոդի մակերևույթում, դրանք վերածելով ավելի քիչ թունավոր նյութերի կամ նյութերի, որոնք ավելի կենսաքայքայվող են, դրանով իսկ նվազեցնելով կամ վերացնելով աղտոտիչները: Կաթոդիկ գործընթացը ներառում է կաթոդի մակերեսի աղտոտիչների նվազեցում և հիմնականում օգտագործվում է հալոգենացված ածխաջրածինների նվազեցման և հեռացման և ծանր մետաղների վերականգնման համար:

Կաթոդիկ գործընթացը կարելի է անվանել նաև էլեկտրաքիմիական կրճատում: Այն ներառում է էլեկտրոնների փոխանցում՝ ծանր մետաղների իոնները, ինչպիսիք են Cr6+ և Hg2+-ը, իջեցնելու իրենց ցածր օքսիդացման վիճակներին: Բացի այդ, այն կարող է նվազեցնել քլորացված օրգանական միացությունները՝ դրանք վերածելով ավելի քիչ թունավոր կամ ոչ թունավոր նյութերի՝ ի վերջո բարձրացնելով դրանց կենսաքայքայման հնարավորությունը.

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

Անուղղակի օքսիդացում (անուղղակի էլեկտրոլիզ) ներառում է էլեկտրաքիմիապես առաջացած օքսիդացնող կամ վերականգնող նյութերի օգտագործումը որպես ռեակտիվներ կամ կատալիզատորներ՝ աղտոտիչները ավելի քիչ թունավոր նյութերի վերածելու համար: Անուղղակի էլեկտրոլիզը կարող է հետագայում դասակարգվել շրջելի և անշրջելի գործընթացների: Հետադարձելի պրոցեսները (միջնորդված էլեկտրաքիմիական օքսիդացում) ներառում են ռեդոքս տեսակների վերածնում և վերամշակում էլեկտրաքիմիական գործընթացի ընթացքում: Մյուս կողմից, անդառնալի գործընթացները օգտագործում են անդառնալի էլեկտրաքիմիական ռեակցիաներից առաջացած նյութեր, ինչպիսիք են ուժեղ օքսիդացնող նյութերը, ինչպիսիք են Cl2-ը, քլորատները, հիպոքլորիտները, H2O2 և O3-ը, օրգանական միացությունները օքսիդացնելու համար: Անդառնալի գործընթացները կարող են նաև առաջացնել բարձր օքսիդատիվ միջանկյալներ, այդ թվում՝ լուծվող էլեկտրոններ, ·HO ռադիկալներ, ·HO2 ռադիկալներ (հիդրոպերօքսիլ ռադիկալներ) և ·O2- ռադիկալներ (սուպերօքսիդ անիոններ), որոնք կարող են օգտագործվել աղտոտիչները քայքայելու և վերացնելու համար, ինչպիսիք են ցիանիդը, ֆենոլները, COD (Քիմիական թթվածնի պահանջարկ) և S2- իոններ, որոնք, ի վերջո, վերածվում են անվնաս նյութեր.

Ուղղակի անոդային օքսիդացման դեպքում ռեակտիվների ցածր կոնցենտրացիաները կարող են սահմանափակել էլեկտրաքիմիական մակերևութային ռեակցիան զանգվածային փոխանցման սահմանափակումների պատճառով, մինչդեռ այս սահմանափակումը գոյություն չունի անուղղակի օքսիդացման գործընթացների համար: Ե՛վ ուղղակի, և՛ անուղղակի օքսիդացման գործընթացների ժամանակ կարող են առաջանալ կողմնակի ռեակցիաներ, որոնք ներառում են H2 կամ O2 գազի առաջացում, սակայն այդ կողմնակի ռեակցիաները կարող են վերահսկվել էլեկտրոդների նյութերի ընտրության և պոտենցիալ վերահսկման միջոցով:

Պարզվել է, որ էլեկտրաքիմիական օքսիդացումն արդյունավետ է բարձր օրգանական կոնցենտրացիաներով, բարդ բաղադրությամբ, բազմաթիվ հրակայուն նյութերով և բարձր գունավորմամբ կեղտաջրերի մաքրման համար: Օգտագործելով էլեկտրաքիմիական ակտիվությամբ անոդներ՝ այս տեխնոլոգիան կարող է արդյունավետ կերպով առաջացնել բարձր օքսիդատիվ հիդրօքսիլ ռադիկալներ: Այս գործընթացը հանգեցնում է կայուն օրգանական աղտոտիչների տարրալուծմանը ոչ թունավոր, կենսաքայքայվող նյութերի և դրանց ամբողջական հանքայնացմանը՝ ածխածնի երկօքսիդի կամ կարբոնատների նման միացությունների: