بالمعنى الواسع، تشير الأكسدة الكهروكيميائية إلى عملية الكيمياء الكهربائية بأكملها، والتي تتضمن تفاعلات كهروكيميائية مباشرة أو غير مباشرة تحدث عند القطب الكهربائي، استنادًا إلى مبادئ تفاعلات الأكسدة والاختزال. تهدف هذه التفاعلات إلى تقليل الملوثات من مياه الصرف الصحي أو إزالتها.
بتعريفٍ دقيق، تشير الأكسدة الكهروكيميائية تحديدًا إلى العملية الأنودية. في هذه العملية، يُدخل محلول عضوي أو معلق في خلية تحليل كهربائي، ومن خلال تطبيق تيار مستمر، تُستخرج الإلكترونات من القطب الموجب، مما يؤدي إلى أكسدة المركبات العضوية. كبديل، يمكن أكسدة المعادن منخفضة التكافؤ إلى أيونات معدنية عالية التكافؤ عند القطب الموجب، والتي بدورها تشارك في أكسدة المركبات العضوية. عادةً، تُظهر مجموعات وظيفية معينة 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 البيولوجي.
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. تشمل هذه العملية كلاً من العمليتين الأنوديتين والكاثوديتين. تتضمن العملية الأنوديتين أكسدة الملوثات عند سطح الأنود، وتحويلها إلى مواد أقل سمية أو مواد أكثر قابلية للتحلل البيولوجي، مما يؤدي إلى تقليل الملوثات أو إزالتها. تتضمن العملية الكاثودية تقليل الملوثات عند سطح الكاثود، وتُستخدم بشكل أساسي لاختزال وإزالة الهيدروكربونات المهلجنة واستعادة المعادن الثقيلة.
يمكن أيضًا الإشارة إلى العملية الكاثودية بالاختزال الكهروكيميائي. وهي تتضمن نقل الإلكترونات لاختزال أيونات المعادن الثقيلة، مثل Cr6+ وHg2+، إلى حالات أكسدة منخفضة. بالإضافة إلى ذلك، يمكنها اختزال المركبات العضوية المكلورة، وتحويلها إلى مواد أقل سمية أو غير سامة، مما يعزز قابليتها للتحلل البيولوجي.
R-Cl + H+ + e → RH + Cl-
تتضمن الأكسدة غير المباشرة (التحليل الكهربائي غير المباشر) استخدام عوامل مؤكسدة أو مختزلة مُولّدة كهروكيميائيًا كمتفاعلات أو محفزات لتحويل الملوثات إلى مواد أقل سمية. ويمكن تصنيف التحليل الكهربائي غير المباشر إلى عمليات عكسية وغير عكسية. تتضمن العمليات العكسية (الأكسدة الكهروكيميائية الوسيطة) تجديد وإعادة تدوير أنواع الأكسدة والاختزال أثناء العملية الكهروكيميائية. من ناحية أخرى، تستخدم العمليات غير العكسية مواد ناتجة عن تفاعلات كهروكيميائية غير عكسية، مثل عوامل مؤكسدة قوية مثل Cl2، والكلورات، والهيبوكلوريت، وH2O2، وO3، لأكسدة المركبات العضوية. يمكن للعمليات غير القابلة للعكس أيضًا أن تولد وسيطات شديدة الأكسدة، بما في ذلك الإلكترونات المذابة، وجذور ·HO، وجذور ·HO2 (جذور الهيدروبيروكسيل)، وجذور ·O2- (أنيونات فوق أكسيد)، والتي يمكن استخدامها لتحلل وإزالة الملوثات مثل السيانيد، والفينولات، وCOD (الطلب الكيميائي للأكسجين)، وأيونات S2-، وتحويلها في النهاية إلى مواد غير ضارة.
في حالة الأكسدة الأنودية المباشرة، قد تُحدّ تراكيز المواد المتفاعلة المنخفضة من التفاعل السطحي الكهروكيميائي بسبب قيود نقل الكتلة، بينما لا يوجد هذا القيد في عمليات الأكسدة غير المباشرة. خلال كلٍّ من عمليات 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.
وُجد أن الأكسدة الكهروكيميائية فعالة في معالجة مياه الصرف الصحي ذات التركيزات العضوية العالية، والتركيبات المعقدة، والعديد من المواد المقاومة للحرارة، والألوان العالية. باستخدام الأقطاب الموجبة ذات النشاط الكهروكيميائي، يمكن لهذه التقنية توليد جذور هيدروكسيل عالية الأكسدة بكفاءة. تؤدي هذه العملية إلى تحلل الملوثات العضوية الثابتة إلى مواد غير سامة وقابلة للتحلل الحيوي، وتحويلها بالكامل إلى مركبات مثل ثاني أكسيد الكربون أو الكربونات.
وقت النشر: ٧ سبتمبر ٢٠٢٣
