חמצון אלקטרוכימי

במובן הרחב, חמצון אלקטרוכימי מתייחס לכל תהליך האלקטרוכימיה, הכולל תגובות אלקטרוכימיות ישירות או עקיפות המתרחשות באלקטרודה על בסיס עקרונות של תגובות חמצון-הפחתה. תגובות אלו מטרתן להפחית או להסיר מזהמים ממי שפכים.

בהגדרה צרה, חמצון אלקטרוכימי מתייחס ספציפית לתהליך האנודי. בתהליך זה מכניסים תמיסה או תרחיף אורגניים לתא אלקטרוליטי, ובאמצעות הפעלת זרם ישר מוציאים אלקטרונים באנודה, מה שמוביל לחמצון של תרכובות אורגניות. לחלופין, ניתן לחמצן מתכות בעלי ערכיות נמוכה ליוני מתכת בעלי ערכיות גבוהה באנודה, אשר לאחר מכן משתתפים בחמצון של תרכובות אורגניות. בדרך כלל, קבוצות פונקציונליות מסוימות בתוך תרכובות אורגניות מפגינות פעילות אלקטרוכימית. בהשפעת שדה חשמלי, המבנה של קבוצות תפקודיות אלו עובר שינויים, משנה את התכונות הכימיות של התרכובות האורגניות, מפחית את הרעילות שלהן ומשפר את הפירוק הביולוגי שלהן.

ניתן לסווג חמצון אלקטרוכימי לשני סוגים: חמצון ישיר וחמצון עקיף. חמצון ישיר (אלקטרוליזה ישירה) כרוך בסילוק ישיר של מזהמים ממי שפכים על ידי חמצונם באלקטרודה. תהליך זה כולל הן תהליכים אנודיים והן תהליכים קתודיים. התהליך האנודי כולל חמצון של מזהמים על פני האנודה, הפיכתם לחומרים פחות רעילים או חומרים מתכלים יותר, ובכך מפחיתים או מסלקים מזהמים. התהליך הקתודי כרוך בהפחתת מזהמים על פני הקתודה ומשמש בעיקר להפחתה והסרה של פחמימנים הלוגנים ולהשבת מתכות כבדות.

התהליך הקתודי יכול להיקרא גם הפחתה אלקטרוכימית. זה כרוך בהעברת אלקטרונים להפחתת יוני מתכות כבדות כגון Cr6+ ו-Hg2+ למצבי החמצון התחתונים שלהם. בנוסף, זה יכול להפחית תרכובות אורגניות עם כלור, להפוך אותן לחומרים פחות רעילים או לא רעילים, ובסופו של דבר לשפר את הפירוק הביולוגי שלהן:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

חמצון עקיף (אלקטרוליזה עקיפה) כרוך בשימוש בחומרים מחמצנים או מפחיתים הנוצרים אלקטרוכימית כמגיבים או כזרזים להמרת מזהמים לחומרים רעילים פחות. ניתן לסווג אלקטרוליזה עקיפה לתהליכים הפיכים ובלתי הפיכים. תהליכים הפיכים (חמצון אלקטרוכימי מתווך) כוללים התחדשות ומיחזור של מיני חיזור במהלך התהליך האלקטרוכימי. תהליכים בלתי הפיכים, לעומת זאת, מנצלים חומרים הנוצרים מתגובות אלקטרוכימיות בלתי הפיכות, כגון חומרי חמצון חזקים כמו Cl2, כלורטים, היפוכלוריטים, H2O2 ו-O3, כדי לחמצן תרכובות אורגניות. תהליכים בלתי הפיכים יכולים גם ליצור תוצרי ביניים בעלי חמצון גבוהים, כולל אלקטרונים מומסים, רדיקלים ·HO, רדיקלים ·HO2 (רדיקלים הידרופרוקסיל), ו-O2- רדיקלים (אניונים סופראוקסיד), אשר יכולים לשמש לפירוק וסילוק מזהמים כגון ציאניד, פנולים, COD (Chemical Oxygen Demand), ויוני S2, הופכים אותם בסופו של דבר לחומרים בלתי מזיקים.

במקרה של חמצון אנודי ישיר, ריכוזי מגיבים נמוכים יכולים להגביל את תגובת פני השטח האלקטרוכימיים עקב מגבלות העברת מסה, בעוד שהגבלה זו אינה קיימת עבור תהליכי חמצון עקיפים. במהלך תהליכי חמצון ישירים ועקיפים, עשויות להתרחש תגובות לוואי הכרוכות ביצירת גז H2 או O2, אך ניתן לשלוט בתגובות לוואי אלו באמצעות בחירת חומרי אלקטרודה ושליטה בפוטנציאל.

חמצון אלקטרוכימי נמצא יעיל לטיפול בשפכים בעלי ריכוזים אורגניים גבוהים, קומפוזיציות מורכבות, ריבוי של חומרים עקשנים וצבעוניות גבוהה. על ידי ניצול אנודות בעלות פעילות אלקטרוכימית, טכנולוגיה זו יכולה ליצור ביעילות רדיקלים הידרוקסיל חמצוני ביותר. תהליך זה מוביל לפירוק של מזהמים אורגניים מתמשכים לחומרים לא רעילים ומתכלים ולמינרליזציה מלאה שלהם לתרכובות כמו פחמן דו חמצני או קרבונטים.