Im weitesten Sinne bezeichnet die elektrochemische Oxidation den gesamten Prozess der Elektrochemie. Dabei handelt es sich um direkte oder indirekte elektrochemische Reaktionen an der Elektrode, die auf dem Prinzip der Oxidations-Reduktions-Reaktionen basieren. Ziel dieser Reaktionen ist die Reduzierung oder Entfernung von Schadstoffen aus dem Abwasser.
Im engeren Sinne bezeichnet die elektrochemische Oxidation den anodischen Prozess. Dabei wird eine organische Lösung oder Suspension in eine Elektrolysezelle eingebracht. Durch Anlegen von Gleichstrom werden an der Anode Elektronen freigesetzt, die zur Oxidation organischer Verbindungen führen. Alternativ können niedervalente Metalle an der Anode zu hochvalenten Metallionen oxidiert werden, die dann an der Oxidation organischer Verbindungen beteiligt sind. Typischerweise zeigen bestimmte funktionelle Gruppen in organischen Verbindungen elektrochemische Aktivität. Unter dem Einfluss eines elektrischen Felds 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 dem Abwasser entfernt, indem sie an der Elektrode oxidiert werden. Dieser Prozess umfasst sowohl anodische als auch kathodische Prozesse. Beim anodischen Prozess werden Schadstoffe an der Anodenoberfläche oxidiert und in weniger giftige oder besser biologisch abbaubare Substanzen umgewandelt, wodurch die Schadstoffe reduziert oder eliminiert werden. Beim kathodischen Prozess werden Schadstoffe an der Kathodenoberfläche reduziert und dienen hauptsächlich der Reduzierung und Entfernung halogenierter Kohlenwasserstoffe sowie der Rückgewinnung von Schwermetallen.
Der kathodische Prozess wird auch als elektrochemische Reduktion bezeichnet. Dabei werden Elektronen übertragen, um Schwermetallionen wie Cr6+ und Hg2+ in ihre niedrigeren Oxidationsstufen zu reduzieren. Darüber hinaus können chlorierte organische Verbindungen reduziert und in weniger giftige oder ungiftige Substanzen umgewandelt werden, was letztlich ihre biologische Abbaubarkeit verbessert:
R-Cl + H+ + e → RH + Cl-
Bei der indirekten Oxidation (indirekte Elektrolyse) werden elektrochemisch erzeugte Oxidations- oder Reduktionsmittel als Reaktanten oder Katalysatoren verwendet, um Schadstoffe in weniger giftige Substanzen umzuwandeln. Indirekte Elektrolyse lässt sich weiter in reversible und irreversible Prozesse unterteilen. Bei reversiblen Prozessen (vermittelte elektrochemische Oxidation) werden Redoxspezies während des elektrochemischen Prozesses regeneriert und recycelt. Irreversible Prozesse hingegen nutzen Substanzen, die aus irreversiblen elektrochemischen Reaktionen entstehen, wie starke Oxidationsmittel wie Cl2, Chlorate, Hypochlorite, H2O2 und O3, um organische Verbindungen zu oxidieren. Irreversible Prozesse können auch stark oxidative Zwischenprodukte erzeugen, darunter solvatisierte Elektronen, HO-Radikale, HO2-Radikale (Hydroperoxylradikale) und O2-Radikale (Superoxidanionen), die zum Abbau und zur Beseitigung von Schadstoffen wie Cyanid, Phenolen, COD (Chemischer Sauerstoffbedarf) und S2-Ionen verwendet werden können, um sie letztendlich in unschädliche Substanzen umzuwandeln.
Bei der direkten anodischen Oxidation können niedrige Reaktantenkonzentrationen die elektrochemische Oberflächenreaktion aufgrund von Stofftransportbeschränkungen einschränken, während diese Einschränkung bei indirekten Oxidationsprozessen nicht besteht. Sowohl bei direkten als auch bei indirekten Oxidationsprozessen können Nebenreaktionen mit der Bildung von H2- oder O2-Gas auftreten. Diese Nebenreaktionen lassen sich jedoch durch die Wahl des Elektrodenmaterials und die Potenzialkontrolle kontrollieren.
Die elektrochemische Oxidation hat sich als effektiv zur Behandlung von Abwässern mit hohen organischen Konzentrationen, komplexen Zusammensetzungen, einer Vielzahl feuerfester Substanzen und starker Färbung erwiesen. Durch den Einsatz elektrochemisch aktiver Anoden kann diese Technologie effizient hochoxidative Hydroxylradikale erzeugen. Dieser Prozess führt zur Zersetzung persistenter organischer Schadstoffe in ungiftige, biologisch abbaubare Substanzen und deren vollständiger Mineralisierung zu Verbindungen wie Kohlendioxid oder Carbonaten.
Beitragszeit: 07.09.2023
