ออกซิเดชันทางไฟฟ้าเคมี

ในความหมายกว้างๆ ออกซิเดชันทางไฟฟ้าเคมีหมายถึงกระบวนการทั้งหมดของเคมีไฟฟ้า ซึ่งเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าโดยตรงหรือโดยอ้อมที่เกิดขึ้นที่อิเล็กโทรดตามหลักการของปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน ปฏิกิริยาเหล่านี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อลดหรือกำจัดมลพิษออกจากน้ำเสีย

การออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าเคมีนั้นหมายความถึงกระบวนการแอโนดิกโดยเฉพาะ ในกระบวนการนี้ จะมีการนำสารละลายอินทรีย์หรือสารแขวนลอยเข้าไปในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ และผ่านการใช้ไฟฟ้ากระแสตรง อิเล็กตรอนจะถูกสกัดออกจากแอโนด ทำให้เกิดการออกซิเดชันของสารประกอบอินทรีย์ หรืออีกทางหนึ่ง โลหะที่มีเวเลนซ์ต่ำสามารถถูกออกซิไดซ์เป็นไอออนโลหะที่มีเวเลนซ์สูงที่แอโนด ซึ่งจะเข้าไปมีส่วนร่วมในการออกซิเดชันของสารประกอบอินทรีย์ โดยทั่วไป กลุ่มฟังก์ชันบางกลุ่มภายในสารประกอบอินทรีย์จะแสดงกิจกรรมทางเคมีไฟฟ้า ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า โครงสร้างของกลุ่มฟังก์ชันเหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงไป ทำให้คุณสมบัติทางเคมีของสารประกอบอินทรีย์เปลี่ยนแปลง ลดความเป็นพิษ และเพิ่มความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพของสารประกอบอินทรีย์

การออกซิเดชันทางเคมีไฟฟ้าสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ การออกซิเดชันโดยตรงและการออกซิเดชันโดยอ้อม การออกซิเดชันโดยตรง (อิเล็กโทรไลซิสโดยตรง) เกี่ยวข้องกับการกำจัดสารมลพิษออกจากน้ำเสียโดยตรงโดยการออกซิไดซ์ที่อิเล็กโทรด กระบวนการนี้รวมถึงกระบวนการทั้งแบบอะโนดิกและแคโทดิก กระบวนการอะโนดิกเกี่ยวข้องกับการออกซิไดซ์สารมลพิษที่พื้นผิวของแอโนด โดยเปลี่ยนสารมลพิษให้เป็นสารพิษน้อยลงหรือสารที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพมากขึ้น จึงลดหรือกำจัดสารมลพิษได้ กระบวนการแคโทดิกเกี่ยวข้องกับการลดสารมลพิษที่พื้นผิวของแคโทด และใช้เป็นหลักในการลดและกำจัดไฮโดรคาร์บอนฮาโลเจนและการกู้คืนโลหะหนัก

กระบวนการแคโทดิกอาจเรียกอีกอย่างว่ากระบวนการรีดักชันด้วยไฟฟ้าเคมี ซึ่งเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเพื่อลดไอออนของโลหะหนัก เช่น Cr6+ และ Hg2+ ให้อยู่ในสถานะออกซิเดชันที่ต่ำกว่า นอกจากนี้ กระบวนการนี้ยังสามารถลดสารประกอบอินทรีย์ที่มีคลอรีนได้ โดยเปลี่ยนให้เป็นสารพิษน้อยลงหรือไม่มีพิษ ซึ่งในที่สุดจะช่วยเพิ่มความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพของสารเหล่านี้:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

การออกซิเดชันทางอ้อม (อิเล็กโทรไลซิสทางอ้อม) เกี่ยวข้องกับการใช้สารออกซิไดซ์หรือตัวรีดิวซ์ที่เกิดขึ้นจากไฟฟ้าเคมีเป็นสารตั้งต้นหรือตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนสารมลพิษให้เป็นสารที่มีพิษน้อยลง การอิเล็กโทรไลซิสทางอ้อมสามารถจำแนกได้เพิ่มเติมเป็นกระบวนการที่กลับคืนสู่สภาพเดิมและไม่สามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้ กระบวนการที่กลับคืนสู่สภาพเดิม (การออกซิเดชันทางไฟฟ้าเคมีที่มีตัวกลาง) เกี่ยวข้องกับการสร้างใหม่และรีไซเคิลสารรีดอกซ์ระหว่างกระบวนการทางไฟฟ้าเคมี ในทางกลับกัน กระบวนการที่ไม่สามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้ใช้สารที่เกิดจากปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมีที่ไม่สามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้ เช่น ตัวออกซิไดซ์ที่แรง เช่น Cl2 คลอเรต ไฮโปคลอไรต์ H2O2 และ O3 เพื่อออกซิไดซ์สารประกอบอินทรีย์ กระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ยังสามารถสร้างสารตัวกลางที่มีออกซิเดชันในระดับสูงได้ รวมถึงอิเล็กตรอนในตัวทำละลาย อนุมูลอิสระ ·H2O อนุมูลอิสระ ·HO2 (อนุมูลอิสระไฮโดรเปอร์ออกซิล) และอนุมูลอิสระ ·O2- (แอนไอออนซูเปอร์ออกไซด์) ซึ่งสามารถนำไปใช้ย่อยสลายและกำจัดสารมลพิษ เช่น ไซยาไนด์ ฟีนอล COD (ความต้องการออกซิเจนทางเคมี) และไอออน S2- สุดท้ายจะเปลี่ยนสารเหล่านี้ให้กลายเป็นสารที่ไม่เป็นอันตราย

ในกรณีของออกซิเดชันแบบแอโนดิกโดยตรง ความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ต่ำสามารถจำกัดปฏิกิริยาพื้นผิวทางเคมีไฟฟ้าได้เนื่องจากข้อจำกัดในการถ่ายเทมวล ในขณะที่ข้อจำกัดนี้ไม่มีอยู่ในกระบวนการออกซิเดชันทางอ้อม ในระหว่างกระบวนการออกซิเดชันทั้งแบบโดยตรงและโดยอ้อม ปฏิกิริยาข้างเคียงที่เกี่ยวข้องกับการสร้างก๊าซ H2 หรือ O2 อาจเกิดขึ้นได้ แต่ปฏิกิริยาข้างเคียงเหล่านี้สามารถควบคุมได้โดยการเลือกวัสดุอิเล็กโทรดและการควบคุมศักย์ไฟฟ้า

พบว่ากระบวนการออกซิเดชันด้วยไฟฟ้าเคมีมีประสิทธิผลในการบำบัดน้ำเสียที่มีสารอินทรีย์เข้มข้น มีองค์ประกอบที่ซับซ้อน มีสารที่ทนไฟหลายชนิด และมีสีสันสูง โดยการใช้ขั้วบวกที่มีกิจกรรมทางไฟฟ้าเคมี เทคโนโลยีนี้สามารถสร้างอนุมูลไฮดรอกซิลที่มีออกซิเดชันสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ กระบวนการนี้ทำให้สารมลพิษอินทรีย์ที่คงอยู่สลายตัวเป็นสารที่ไม่เป็นพิษและย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และแร่ธาตุทั้งหมดจะกลายเป็นสารประกอบ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์หรือคาร์บอเนต