การออกซิเดชันทางไฟฟ้าเคมี

โดยทั่วไปแล้ว การออกซิเดชันทางไฟฟ้าเคมีหมายถึงกระบวนการทางไฟฟ้าเคมีทั้งหมด ซึ่งเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมีโดยตรงหรือโดยอ้อมที่เกิดขึ้นที่ขั้วไฟฟ้าโดยอาศัยหลักการของปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน ปฏิกิริยาเหล่านี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อลดหรือกำจัดสารมลพิษออกจากน้ำเสีย

โดยทั่วไปแล้ว การออกซิเดชันทางไฟฟ้าเคมีหมายถึงกระบวนการที่เกิดขึ้นที่ขั้วบวก ในกระบวนการนี้ สารละลายหรือสารแขวนลอยอินทรีย์จะถูกนำเข้าสู่เซลล์อิเล็กโทรไลต์ และด้วยการใช้กระแสตรง อิเล็กตรอนจะถูกดึงออกมาที่ขั้วบวก ทำให้เกิดการออกซิเดชันของสารประกอบอินทรีย์ หรืออีกทางหนึ่ง โลหะที่มีวาเลนซ์ต่ำสามารถถูกออกซิไดซ์เป็นไอออนโลหะที่มีวาเลนซ์สูงที่ขั้วบวก ซึ่งจะเข้าร่วมในการออกซิเดชันของสารประกอบอินทรีย์ โดยทั่วไปแล้ว หมู่ฟังก์ชันบางหมู่ในสารประกอบอินทรีย์จะแสดงกิจกรรมทางไฟฟ้าเคมี ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า โครงสร้างของหมู่ฟังก์ชันเหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงไป ทำให้คุณสมบัติทางเคมีของสารประกอบอินทรีย์เปลี่ยนแปลงไป ลดความเป็นพิษ และเพิ่มความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ

กระบวนการออกซิเดชันทางไฟฟ้าเคมีสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ การออกซิเดชันโดยตรงและการออกซิเดชันโดยอ้อม การออกซิเดชันโดยตรง (การแยกด้วยไฟฟ้าโดยตรง) เกี่ยวข้องกับการกำจัดสารมลพิษออกจากน้ำเสียโดยตรงโดยการออกซิไดซ์สารมลพิษเหล่านั้นที่ขั้วไฟฟ้า กระบวนการนี้รวมถึงกระบวนการแอโนดและแคโทด กระบวนการแอโนดเกี่ยวข้องกับการออกซิไดซ์สารมลพิษที่ผิวแอโนด เปลี่ยนสารมลพิษเหล่านั้นให้เป็นสารที่มีความเป็นพิษน้อยลงหรือสารที่ย่อยสลายได้ง่ายขึ้น จึงช่วยลดหรือกำจัดสารมลพิษได้ ส่วนกระบวนการแคโทดเกี่ยวข้องกับการรีดักชันของสารมลพิษที่ผิวแคโทด และส่วนใหญ่ใช้สำหรับการรีดักชันและการกำจัดไฮโดรคาร์บอนที่มีฮาโลเจน และการกู้คืนโลหะหนัก

กระบวนการแคโทดิกอาจเรียกได้ว่าเป็นการลดทางเคมีไฟฟ้า โดยเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเพื่อลดไอออนโลหะหนัก เช่น Cr6+ และ Hg2+ ให้มีสถานะออกซิเดชันต่ำลง นอกจากนี้ยังสามารถลดสารประกอบอินทรีย์ที่มีคลอรีน ทำให้สารเหล่านั้นกลายเป็นสารที่มีความเป็นพิษน้อยลงหรือไม่เป็นพิษเลย ซึ่งจะช่วยเพิ่มความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพในที่สุด

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

การออกซิเดชันทางอ้อม (การแยกด้วยไฟฟ้าทางอ้อม) เกี่ยวข้องกับการใช้สารออกซิไดซ์หรือสารรีดิวซ์ที่สร้างขึ้นด้วยกระบวนการทางไฟฟ้าเคมีเป็นสารตั้งต้นหรือตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนสารมลพิษให้เป็นสารที่มีความเป็นพิษน้อยลง การแยกด้วยไฟฟ้าทางอ้อมสามารถแบ่งออกเป็นกระบวนการผันกลับได้และผันกลับไม่ได้ กระบวนการผันกลับได้ (การออกซิเดชันทางไฟฟ้าเคมีแบบมีตัวกลาง) เกี่ยวข้องกับการสร้างและการรีไซเคิลสารรีดอกซ์ในระหว่างกระบวนการทางไฟฟ้าเคมี ในทางกลับกัน กระบวนการผันกลับไม่ได้จะใช้สารที่สร้างขึ้นจากปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมีที่ผันกลับไม่ได้ เช่น สารออกซิไดซ์ที่รุนแรง เช่น Cl2, คลอเรต, ไฮโปคลอไรต์, H2O2 และ O3 เพื่อออกซิไดซ์สารประกอบอินทรีย์ กระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ยังสามารถสร้างสารตัวกลางที่มีฤทธิ์ออกซิเดชันสูง ได้แก่ อิเล็กตรอนที่ละลายในตัวทำละลาย อนุมูล ·HO อนุมูล ·HO2 (อนุมูลไฮโดรเปอร์ออกซิล) และอนุมูล ·O2- (แอนไอออนซูเปอร์ออกไซด์) ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการย่อยสลายและกำจัดมลพิษ เช่น ไซยาไนด์ ฟีนอล COD (ความต้องการออกซิเจนทางเคมี) และไอออน S2- จนในที่สุดจะเปลี่ยนสารเหล่านี้ให้กลายเป็นสารที่ไม่เป็นอันตราย

ในกรณีของการออกซิเดชันแบบแอโนดโดยตรง ความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ต่ำอาจจำกัดปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าบนพื้นผิวเนื่องจากข้อจำกัดในการถ่ายโอนมวล ในขณะที่ข้อจำกัดนี้ไม่มีอยู่สำหรับกระบวนการออกซิเดชันแบบทางอ้อม ในระหว่างกระบวนการออกซิเดชันทั้งแบบโดยตรงและทางอ้อม อาจเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงที่เกี่ยวข้องกับการสร้างก๊าซ H2 หรือ O2 แต่ปฏิกิริยาข้างเคียงเหล่านี้สามารถควบคุมได้โดยการเลือกวัสดุอิเล็กโทรดและการควบคุมศักย์ไฟฟ้า

พบว่ากระบวนการออกซิเดชันทางไฟฟ้าเคมีมีประสิทธิภาพในการบำบัดน้ำเสียที่มีสารอินทรีย์เข้มข้นสูง องค์ประกอบซับซ้อน มีสารที่ย่อยสลายยากจำนวนมาก และมีสีเข้ม โดยการใช้ขั้วบวกที่มีกิจกรรมทางไฟฟ้าเคมี เทคโนโลยีนี้สามารถสร้างอนุมูลไฮดรอกซิลที่มีฤทธิ์ออกซิเดชันสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ กระบวนการนี้จะนำไปสู่การย่อยสลายสารมลพิษอินทรีย์ที่ตกค้างให้กลายเป็นสารที่ไม่เป็นพิษ ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และแปรสภาพเป็นสารประกอบต่างๆ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์หรือคาร์บอเนตได้อย่างสมบูรณ์