الأكسدة الكهروكيميائية

بمعناها الواسع، تشير الأكسدة الكهروكيميائية إلى مجمل عملية الكيمياء الكهربائية، والتي تتضمن تفاعلات كهروكيميائية مباشرة أو غير مباشرة تحدث عند القطب الكهربائي بناءً على مبادئ تفاعلات الأكسدة والاختزال. وتهدف هذه التفاعلات إلى تقليل الملوثات أو إزالتها من مياه الصرف الصحي.

يُشير مصطلح الأكسدة الكهروكيميائية، بتعريفه الدقيق، إلى العملية الأنودية. في هذه العملية، يُضاف محلول أو معلق عضوي إلى خلية إلكتروليتية، وبتطبيق تيار مباشر، تُستخلص الإلكترونات عند المصعد، مما يؤدي إلى أكسدة المركبات العضوية. وبدلاً من ذلك، يمكن أكسدة المعادن منخفضة التكافؤ إلى أيونات معدنية عالية التكافؤ عند المصعد، والتي بدورها تُشارك في أكسدة المركبات العضوية. عادةً، تُظهر بعض المجموعات الوظيفية داخل المركبات العضوية نشاطًا كهروكيميائيًا. تحت تأثير المجال الكهربائي، تتغير بنية هذه المجموعات الوظيفية، مما يُغير الخصائص الكيميائية للمركبات العضوية، ويُقلل من سميتها، ويُعزز قابليتها للتحلل الحيوي.

يمكن تصنيف الأكسدة الكهروكيميائية إلى نوعين: الأكسدة المباشرة والأكسدة غير المباشرة. تتضمن الأكسدة المباشرة (التحليل الكهربائي المباشر) إزالة الملوثات من مياه الصرف الصحي مباشرةً عن طريق أكسدتها عند القطب الكهربائي. تشمل هذه العملية كلاً من العمليات الأنودية والكاثودية. تتضمن العملية الأنودية أكسدة الملوثات على سطح المصعد، وتحويلها إلى مواد أقل سمية أو مواد قابلة للتحلل الحيوي بشكل أكبر، مما يقلل من الملوثات أو يزيلها تمامًا. أما العملية الكاثودية، فتتضمن اختزال الملوثات على سطح المهبط، وتُستخدم بشكل أساسي لاختزال وإزالة الهيدروكربونات المهلجنة واستخلاص المعادن الثقيلة.

يمكن الإشارة إلى العملية الكاثودية أيضًا باسم الاختزال الكهروكيميائي. وهي تتضمن نقل الإلكترونات لاختزال أيونات المعادن الثقيلة مثل الكروم سداسي التكافؤ (Cr6+) والزئبق ثنائي التكافؤ (Hg2+) إلى حالات الأكسدة الأدنى. بالإضافة إلى ذلك، يمكنها اختزال المركبات العضوية المكلورة، وتحويلها إلى مواد أقل سمية أو غير سامة، مما يعزز في النهاية قابليتها للتحلل البيولوجي.

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

تتضمن الأكسدة غير المباشرة (التحليل الكهربائي غير المباشر) استخدام عوامل مؤكسدة أو مختزلة مُولَّدة كهروكيميائيًا كمتفاعلات أو محفزات لتحويل الملوثات إلى مواد أقل سمية. ويمكن تصنيف التحليل الكهربائي غير المباشر إلى عمليات قابلة للانعكاس وأخرى غير قابلة للانعكاس. تتضمن العمليات القابلة للانعكاس (الأكسدة الكهروكيميائية الوسيطة) إعادة توليد وإعادة تدوير أنواع الأكسدة والاختزال أثناء العملية الكهروكيميائية. أما العمليات غير القابلة للانعكاس، فتستخدم موادًا مُولَّدة من تفاعلات كهروكيميائية غير قابلة للانعكاس، مثل عوامل مؤكسدة قوية كالكلور (Cl2) والكلورات والهيبوكلوريت وبيروكسيد الهيدروجين (H2O2) والأوزون (O3)، لأكسدة المركبات العضوية. يمكن أن تؤدي العمليات غير القابلة للانعكاس أيضًا إلى توليد وسائط مؤكسدة للغاية، بما في ذلك الإلكترونات المذابة، وجذور ·HO، وجذور ·HO2 (جذور الهيدروبروكسيل)، وجذور ·O2- (أنيونات فوق الأكسيد)، والتي يمكن استخدامها لتحليل وإزالة الملوثات مثل السيانيد والفينولات وCOD (الطلب الكيميائي على الأكسجين) وأيونات S2-، مما يؤدي في النهاية إلى تحويلها إلى مواد غير ضارة.

في حالة الأكسدة الأنودية المباشرة، قد تحدّ التركيزات المنخفضة للمتفاعلات من التفاعل الكهروكيميائي السطحي بسبب قيود انتقال الكتلة، بينما لا يوجد هذا القيد في عمليات الأكسدة غير المباشرة. خلال كلتا عمليتي الأكسدة المباشرة وغير المباشرة، قد تحدث تفاعلات جانبية تتضمن توليد غاز الهيدروجين أو الأكسجين، ولكن يمكن التحكم في هذه التفاعلات الجانبية من خلال اختيار مواد الأقطاب الكهربائية والتحكم في الجهد.

أثبتت الأكسدة الكهروكيميائية فعاليتها في معالجة مياه الصرف الصحي ذات التركيزات العضوية العالية، والتركيبات المعقدة، والعديد من المواد المقاومة، واللون الشديد. وباستخدام مصاعد ذات نشاط كهروكيميائي، تُنتج هذه التقنية بكفاءة جذور الهيدروكسيل المؤكسدة. وتؤدي هذه العملية إلى تحلل الملوثات العضوية المستعصية إلى مواد غير سامة وقابلة للتحلل الحيوي، وتحويلها بالكامل إلى مركبات مثل ثاني أكسيد الكربون أو الكربونات.