Alles auf der Welt hat seine Vor- und Nachteile. Der gesellschaftliche Fortschritt und der steigende Lebensstandard führen unweigerlich zu Umweltverschmutzung. Abwasser ist ein solches Problem. Mit der rasanten Entwicklung von Industrien wie der Petrochemie, der Textil-, Papier-, Pestizid-, Pharma-, Metallurgie- und Lebensmittelindustrie hat die Gesamtmenge des weltweit eingeleiteten Abwassers deutlich zugenommen. Hinzu kommt, dass Abwasser oft hohe Konzentrationen an Schadstoffen, eine hohe Toxizität, einen hohen Salzgehalt und starke Farbstoffe aufweist, was den Abbau und die Aufbereitung erschwert und zu schwerwiegender Wasserverschmutzung führt.
Um die täglich anfallenden großen Mengen an Industrieabwasser zu bewältigen, wurden verschiedene Methoden eingesetzt, die physikalische, chemische und biologische Ansätze kombinieren und Kräfte wie Elektrizität, Schall, Licht und Magnetismus nutzen. Dieser Artikel fasst die Anwendung von Elektrizität in der elektrochemischen Wasseraufbereitungstechnologie zur Lösung dieses Problems zusammen.
Die elektrochemische Wasseraufbereitungstechnologie bezeichnet den Abbau von Schadstoffen in Abwasser durch spezifische elektrochemische Reaktionen, elektrochemische Prozesse oder physikalische Vorgänge in einem speziellen elektrochemischen Reaktor unter dem Einfluss von Elektroden oder eines angelegten elektrischen Feldes. Elektrochemische Systeme und Anlagen sind relativ einfach aufgebaut, platzsparend, kostengünstig im Betrieb und in der Wartung, verhindern effektiv Sekundärverschmutzungen, bieten eine hohe Kontrollierbarkeit der Reaktionen und eignen sich für die industrielle Automatisierung, wodurch sie als umweltfreundliche Technologie gelten.
Die elektrochemische Wasseraufbereitung umfasst verschiedene Verfahren wie Elektrokoagulation-Elektroflotation, Elektrodialyse, Elektroadsorption, Elektro-Fenton-Reaktion und elektrokatalytische Oxidation. Diese Verfahren sind vielfältig und jedes hat seine spezifischen Anwendungsgebiete.
Elektrokoagulation-Elektroflotation
Elektrokoagulation ist im Grunde Elektroflotation, da der Koagulationsprozess gleichzeitig mit der Flotation stattfindet. Daher kann man sie zusammenfassend als „Elektrokoagulation-Elektroflotation“ bezeichnen.
Dieses Verfahren beruht auf der Anlegung einer externen elektrischen Spannung, wodurch an der Anode lösliche Kationen entstehen. Diese Kationen bewirken eine Koagulation kolloidaler Schadstoffe. Gleichzeitig wird an der Kathode unter dem Einfluss der Spannung eine erhebliche Menge Wasserstoffgas erzeugt, das das Ausflockungsmaterial an die Oberfläche transportiert. Auf diese Weise ermöglicht die Elektrokoagulation die Trennung von Schadstoffen und die Wasserreinigung durch Anodenkoagulation und Kathodenflotation.
Bei Verwendung eines Metalls als lösliche Anode (typischerweise Aluminium oder Eisen) dienen die während der Elektrolyse entstehenden Al3+- oder Fe3+-Ionen als elektroaktive Koagulationsmittel. Diese Koagulationsmittel wirken, indem sie die kolloidale Doppelschicht komprimieren, sie destabilisieren und kolloidale Partikel überbrücken und einfangen durch:
Al -3e→ Al3+ oder Fe -3e→ Fe3+
Al3+ + 3H2O → Al(OH)3 + 3H+ oder 4Fe2+ + O2 + 2H2O → 4Fe3+ + 4OH-
Einerseits wird das gebildete elektroaktive Koagulans M(OH)n als löslicher polymerer Hydroxokomplex bezeichnet und dient als Flockungsmittel zur schnellen und effektiven Koagulation kolloidaler Suspensionen (feine Öltröpfchen und mechanische Verunreinigungen) in Abwässern. Gleichzeitig werden diese vernetzt und zu größeren Aggregaten verbunden, wodurch der Trennprozess beschleunigt wird. Andererseits werden Kolloide unter dem Einfluss von Elektrolyten wie Aluminium- oder Eisensalzen komprimiert, was zur Koagulation durch den Coulomb-Effekt oder die Adsorption von Koagulanzien führt.
Obwohl die elektrochemische Aktivität (Lebensdauer) von elektroaktiven Koagulationsmitteln nur wenige Minuten beträgt, beeinflussen sie das Doppelschichtpotenzial signifikant und erzielen dadurch eine starke Koagulationswirkung auf kolloidale oder suspendierte Partikel. Folglich sind ihre Adsorptionskapazität und Aktivität deutlich höher als bei chemischen Verfahren mit Aluminiumsalzen, und sie benötigen geringere Mengen und sind kostengünstiger. Die Elektrokoagulation wird nicht durch Umweltbedingungen, Wassertemperatur oder biologische Verunreinigungen beeinflusst und reagiert nicht mit Aluminiumsalzen oder Wasserhydroxiden. Daher eignet sie sich für die Abwasserbehandlung in einem breiten pH-Bereich.
Zusätzlich beschleunigt die Freisetzung winziger Bläschen an der Kathodenoberfläche die Kollision und Trennung von Kolloiden. Die direkte Elektrooxidation an der Anodenoberfläche und die indirekte Elektrooxidation von Cl⁻ zu aktivem Chlor weisen ein starkes Oxidationsvermögen gegenüber löslichen organischen und reduzierbaren anorganischen Substanzen in Wasser auf. Der neu erzeugte Wasserstoff von der Kathode und der Sauerstoff von der Anode besitzen ein starkes Redoxpotenzial.
Daher sind die chemischen Prozesse im Inneren des elektrochemischen Reaktors äußerst komplex. Im Reaktor laufen Elektrokoagulation, Elektroflotation und Elektrooxidation gleichzeitig ab und wandeln und entfernen gelöste Kolloide sowie suspendierte Schadstoffe im Wasser effektiv durch Koagulation, Flotation und Oxidation.
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Veröffentlichungsdatum: 08.09.2023
