חמצון אלקטרוכימי

במובן הרחב, חמצון אלקטרוכימי מתייחס לתהליך האלקטרוכימי כולו, הכולל תגובות אלקטרוכימיות ישירות או עקיפות המתרחשות באלקטרודה על סמך עקרונות של תגובות חמצון-חיזור. תגובות אלו שואפות להפחית או להסיר מזהמים ממי שפכים.

חמצון אלקטרוכימי, בהגדרה צרה, מתייחס ספציפית לתהליך האנודי. בתהליך זה, תמיסה אורגנית או תרחיף מוכנסת לתא אלקטרוליטי, ובאמצעות הפעלת זרם ישר, אלקטרונים מופקים באנודה, מה שמוביל לחמצון של תרכובות אורגניות. לחלופין, מתכות בעלות ערכיות נמוכה יכולות להתחמצן 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. תחת השפעת שדה חשמלי, המבנה של קבוצות פונקציונליות אלו עובר שינויים, ומשנים את התכונות הכימיות של התרכובות האורגניות, מפחיתה את רעילותן ומשפרת את יכולת ההתכלות הביולוגית שלהן.

ניתן לסווג חמצון אלקטרוכימי לשני סוגים: חמצון ישיר וחמצון עקיף. חמצון ישיר (אלקטרוליזה ישירה) כרוך בהסרה ישירה של מזהמים ממי שפכים על ידי חמצונם באלקטרודה. תהליך זה כולל תהליכים אנודיים וקתודיים כאחד. התהליך האנודי כרוך בחמצון מזהמים על פני האנודה, והפיכתם לחומרים פחות רעילים או חומרים מתכלים יותר, ובכך מפחיתים או מסירים מזהמים. התהליך הקתודי כרוך בהפחתת מזהמים על פני הקתודה ומשמש בעיקר להפחתה והסרה של פחמימנים הלוגניים ולהשבת מתכות כבדות.

תהליך הקתודי יכול להיקרא גם חיזור אלקטרוכימי. הוא כרוך בהעברת אלקטרונים כדי לחזר יוני מתכות כבדות כגון Cr6+ ו-Hg2+ למצבי חמצון נמוכים יותר. בנוסף, הוא יכול לחזר תרכובות אורגניות כלוריות, להפוך אותן לחומרים פחות רעילים או לא רעילים, ובסופו של דבר לשפר את יכולת ההתכלות הביולוגית שלהן:

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

חמצון עקיף (אלקטרוליזה עקיפה) כרוך בשימוש בחומרים מחמצנים או מחזרים הנוצרים אלקטרוכימית כמגיבים או זרזים כדי להמיר מזהמים לחומרים פחות רעילים. אלקטרוליזה עקיפה יכולה להיות מסווגת עוד יותר לתהליכים הפיכים ובלתי הפיכים. תהליכים הפיכים (חמצון אלקטרוכימי מתווך) כוללים התחדשות ומחזור של מיני חמצון-חיזור במהלך התהליך האלקטרוכימי. תהליכים בלתי הפיכים, לעומת זאת, משתמשים בחומרים הנוצרים מתגובות אלקטרוכימיות בלתי הפיכות, כגון חומרים מחמצנים חזקים כמו Cl2, כלורטים, היפוכלוריטים, H2O2 ו-O3, כדי לחמצן תרכובות אורגניות. תהליכים בלתי הפיכים יכולים גם לייצר חומרי ביניים מחמצנים ביותר, כולל אלקטרונים מומסים, רדיקלים של HO, רדיקלים של HO2 (רדיקלים של הידרופראוקסיל) ורדיקלים של O2- (אניוני סופראוקסיד), אשר ניתן להשתמש בהם לפירוק וסילוק מזהמים כגון ציאניד, פנולים, COD (דרישת חמצן כימית) ויוני S2-, ובסופו של דבר להפוך אותם לחומרים לא מזיקים.

במקרה של חמצון אנודי ישיר, ריכוזי מגיבים נמוכים יכולים להגביל את התגובה האלקטרוכימית על פני השטח עקב מגבלות העברת מסה, בעוד שמגבלה זו אינה קיימת בתהליכי חמצון עקיפים. במהלך תהליכי חמצון ישירים ועקיפים כאחד, עשויות להתרחש תגובות לוואי הכרוכות ביצירת גז H2 או O2, אך ניתן לשלוט בתגובות לוואי אלו באמצעות בחירת חומרי האלקטרודה ובקרת פוטנציאל.

חמצון אלקטרוכימי נמצא יעיל לטיפול בשפכים בעלי ריכוזים אורגניים גבוהים, הרכבים מורכבים, שפע של חומרים עקשניים וצביעה גבוהה. באמצעות אנודות בעלות פעילות אלקטרוכימית, טכנולוגיה זו יכולה לייצר ביעילות רדיקלים הידרוקסיליים בעלי חמצון גבוה. תהליך זה מוביל לפירוק של מזהמים אורגניים עמידים לחומרים מתכלים לא רעילים ולמינרליזציה מלאה שלהם לתרכובות כמו פחמן דו-חמצני או קרבונטים.