الأكسدة الكهروكيميائية

بالمعنى الواسع، تشير الأكسدة الكهروكيميائية إلى العملية الكاملة للكيمياء الكهروكيميائية، والتي تتضمن تفاعلات كهروكيميائية مباشرة أو غير مباشرة تحدث عند القطب بناءً على مبادئ تفاعلات الأكسدة والاختزال. تهدف هذه التفاعلات إلى تقليل أو إزالة الملوثات من مياه الصرف الصحي.

تشير الأكسدة الكهروكيميائية المحددة بدقة إلى عملية الأنوديك. في هذه العملية، يتم إدخال محلول عضوي أو معلق إلى خلية التحليل الكهربائي، ومن خلال تطبيق التيار المباشر، يتم استخلاص الإلكترونات عند القطب الموجب، مما يؤدي إلى أكسدة المركبات العضوية. وبدلاً من ذلك، يمكن أكسدة المعادن منخفضة التكافؤ إلى أيونات فلزية عالية التكافؤ عند الأنود، والتي تشارك بعد ذلك في أكسدة المركبات العضوية. عادة، تظهر مجموعات وظيفية معينة داخل المركبات العضوية نشاطًا كهروكيميائيًا. وتحت تأثير المجال الكهربائي، يخضع هيكل هذه المجموعات الوظيفية للتغييرات، مما يؤدي إلى تغيير الخواص الكيميائية للمركبات العضوية، وتقليل سميتها، وتعزيز قابليتها للتحلل الحيوي.

يمكن تصنيف الأكسدة الكهروكيميائية إلى نوعين: الأكسدة المباشرة والأكسدة غير المباشرة. تتضمن الأكسدة المباشرة (التحليل الكهربائي المباشر) الإزالة المباشرة للملوثات من مياه الصرف الصحي عن طريق أكسدتها عند القطب الكهربائي. تتضمن هذه العملية كلا من العمليات الأنودية والكاثودية. تتضمن العملية الأنودية أكسدة الملوثات الموجودة على سطح الأنود، وتحويلها إلى مواد أقل سمية أو مواد أكثر قابلية للتحلل الحيوي، وبالتالي تقليل الملوثات أو إزالتها. تتضمن العملية الكاثودية تقليل الملوثات على سطح الكاثود وتستخدم بشكل أساسي لتقليل وإزالة الهيدروكربونات المهلجنة واستعادة المعادن الثقيلة.

يمكن أيضًا الإشارة إلى العملية الكاثودية باسم الاختزال الكهروكيميائي. وهو يتضمن نقل الإلكترونات لتقليل أيونات المعادن الثقيلة مثل Cr6+ وHg2+ إلى حالات الأكسدة المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يقلل من المركبات العضوية المكلورة، ويحولها 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 مولدة كهروكيميائيًا كمواد متفاعلة أو محفزات لتحويل الملوثات إلى مواد أقل سمية. يمكن تصنيف التحليل الكهربائي غير المباشر إلى عمليات عكسية وغير قابلة للعكس. تتضمن العمليات العكسية (الأكسدة الكهروكيميائية بوساطة) تجديد وإعادة تدوير أنواع الأكسدة والاختزال أثناء العملية الكهروكيميائية. من ناحية أخرى، تستخدم العمليات التي لا رجعة فيها المواد الناتجة عن التفاعلات الكهروكيميائية التي لا رجعة فيها، مثل عوامل الأكسدة القوية مثل Cl2، والكلورات، وهيبوكلوريت، وH2O2، وO3، لأكسدة المركبات العضوية. يمكن للعمليات التي لا رجعة فيها أن تولد أيضًا وسائط عالية الأكسدة، بما في ذلك الإلكترونات الذائبة، · جذور H O، · جذور HO2 (جذور الهيدروكسيل)، و · جذور O2 (أنيونات الأكسيد الفائق)، والتي يمكن استخدامها لتحلل وإزالة الملوثات مثل السيانيد، والفينولات، COD (الطلب على الأكسجين الكيميائي)، وأيونات S2، تحولها في النهاية إلى مواد غير ضارة.

في حالة الأكسدة الأنودية المباشرة، يمكن لتركيزات المواد المتفاعلة المنخفضة أن تحد من تفاعل السطح الكهروكيميائي بسبب قيود نقل الكتلة، في حين أن هذا القيد غير موجود لعمليات الأكسدة غير المباشرة. خلال كل من عمليات الأكسدة المباشرة وغير المباشرة، قد تحدث تفاعلات جانبية تتضمن توليد غاز H2 أو O2، ولكن يمكن التحكم في هذه التفاعلات الجانبية من خلال اختيار مواد القطب والتحكم المحتمل.

لقد وجد أن الأكسدة الكهروكيميائية فعالة في معالجة مياه الصرف الصحي ذات التركيزات العضوية العالية، والتركيبات المعقدة، والعديد من المواد المقاومة للحرارة، والألوان العالية. ومن خلال استخدام الأنودات ذات النشاط الكهروكيميائي، يمكن لهذه التكنولوجيا أن تولد بكفاءة جذور الهيدروكسيل عالية الأكسدة. تؤدي هذه العملية إلى تحلل الملوثات العضوية الثابتة إلى مواد غير سامة وقابلة للتحلل الحيوي وتمعدنها الكامل إلى مركبات مثل ثاني أكسيد الكربون أو الكربونات.