Im weiteren Sinne bezeichnet die elektrochemische Oxidation den gesamten elektrochemischen Prozess, der direkte oder indirekte elektrochemische Reaktionen an der Elektrode nach den Prinzipien der Redoxreaktionen umfasst. Ziel dieser Reaktionen ist die Reduzierung oder Entfernung von Schadstoffen aus Abwässern.
Im engeren Sinne bezeichnet die elektrochemische Oxidation speziell den anodischen Prozess. Dabei wird eine organische Lösung oder Suspension in eine Elektrolysezelle eingebracht. Durch Anlegen von Gleichstrom werden an der Anode Elektronen extrahiert, was zur Oxidation der organischen Verbindungen führt. Alternativ können niedrigvalente Metalle an der Anode zu hochvalenten Metallionen oxidiert werden, die dann an der Oxidation organischer Verbindungen teilnehmen. Typischerweise weisen bestimmte funktionelle Gruppen innerhalb organischer Verbindungen elektrochemische Aktivität auf. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes verändert sich die Struktur dieser funktionellen Gruppen, wodurch sich die chemischen Eigenschaften der organischen Verbindungen verändern, ihre Toxizität verringert und ihre biologische Abbaubarkeit verbessert wird.
Die elektrochemische Oxidation lässt sich in zwei Arten unterteilen: direkte und indirekte Oxidation. Bei der direkten Oxidation (direkte Elektrolyse) werden Schadstoffe direkt aus Abwasser entfernt, indem sie an der Elektrode oxidiert werden. Dieser Prozess umfasst sowohl anodische als auch kathodische Verfahren. Bei der anodischen Oxidation werden die Schadstoffe an der Anodenoberfläche oxidiert und in weniger toxische oder besser biologisch abbaubare Substanzen umgewandelt, wodurch die Schadstoffbelastung reduziert oder beseitigt wird. Die kathodische Reduktion der Schadstoffe an der Kathodenoberfläche wird hauptsächlich zur Reduktion und Entfernung halogenierter Kohlenwasserstoffe sowie zur Rückgewinnung von Schwermetallen eingesetzt.
Der kathodische Prozess kann auch als elektrochemische Reduktion bezeichnet werden. Dabei werden Elektronen übertragen, um Schwermetallionen wie Cr6+ und Hg2+ in ihre niedrigeren Oxidationsstufen zu reduzieren. Zusätzlich können chlorierte organische Verbindungen reduziert und in weniger toxische oder ungiftige Substanzen umgewandelt werden, wodurch letztendlich ihre biologische Abbaubarkeit verbessert wird.
R-Cl + H+ + e → RH + Cl-
Die indirekte Oxidation (indirekte Elektrolyse) nutzt elektrochemisch erzeugte Oxidations- oder Reduktionsmittel als Reaktanten oder Katalysatoren, um Schadstoffe in weniger toxische Substanzen umzuwandeln. Man unterscheidet zwischen reversiblen und irreversiblen Prozessen. Reversible Prozesse (vermittelte elektrochemische Oxidation) beinhalten die Regeneration und das Recycling von Redoxspezies während des elektrochemischen Prozesses. Irreversible Prozesse hingegen nutzen Substanzen, die aus irreversiblen elektrochemischen Reaktionen entstehen, wie z. B. starke Oxidationsmittel wie Cl₂, Chlorate, Hypochlorite, H₂O₂ und O₃, um organische Verbindungen zu oxidieren. Irreversible Prozesse können auch hochoxidative Zwischenprodukte erzeugen, darunter solvatisierte Elektronen, ·HO-Radikale, ·HO₂-Radikale (Hydroperoxylradikale) und ·O₂⁻-Radikale (Superoxidanionen). Diese können zum Abbau und zur Eliminierung von Schadstoffen wie Cyanid, Phenolen, CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) und S²⁻-Ionen verwendet werden und diese letztendlich in harmlose Substanzen umwandeln.
Bei der direkten anodischen Oxidation können niedrige Reaktantenkonzentrationen die elektrochemische Oberflächenreaktion aufgrund von Stofftransportlimitierungen einschränken, während diese Einschränkung bei indirekten Oxidationsprozessen nicht besteht. Sowohl bei direkten als auch bei indirekten Oxidationsprozessen können Nebenreaktionen auftreten, bei denen H₂- oder O₂-Gas gebildet wird. Diese Nebenreaktionen lassen sich jedoch durch die Wahl der Elektrodenmaterialien und die Potentialsteuerung kontrollieren.
Die elektrochemische Oxidation hat sich als wirksames Verfahren zur Behandlung von Abwasser mit hohen organischen Konzentrationen, komplexer Zusammensetzung, einer Vielzahl schwer abbaubarer Substanzen und starker Verfärbung erwiesen. Durch den Einsatz elektrochemisch aktiver Anoden erzeugt diese Technologie effizient hochreaktive Hydroxylradikale. Dieser Prozess führt zum Abbau persistenter organischer Schadstoffe in ungiftige, biologisch abbaubare Substanzen und deren vollständiger Mineralisierung zu Verbindungen wie Kohlendioxid oder Carbonaten.
Veröffentlichungsdatum: 07.09.2023
