電気化学酸化

広い意味では、電気化学的酸化とは、酸化還元反応の原理に基づいて電極で起こる直接的または間接的な電気化学反応を含む電気化学のプロセス全体を指します。これらの反応は、廃水から汚染物質を削減または除去することを目的としています。

狭義の電気化学的酸化とは、特に陽極プロセスを指します。このプロセスでは、有機溶液または懸濁液が電解槽に導入され、直流電流を流すことによって陽極で電子が抽出され、有機化合物の酸化が起こります。あるいは、アノードで低価数金属を酸化して高価数金属イオンにし、有機化合物の酸化に関与させることもできます。通常、有機化合物内の特定の官能基は電気化学的活性を示します。電場の影響下で、これらの官能基の構造が変化し、有機化合物の化学的特性が変化し、毒性が軽減され、生分解性が強化されます。

電気化学的酸化は、直接酸化と間接酸化の 2 種類に分類できます。直接酸化 (直接電気分解) では、電極で汚染物質を酸化することで廃水から汚染物質を直接除去します。このプロセスには、陽極プロセスと陰極プロセスの両方が含まれます。陽極プロセスには、陽極表面での汚染物質の酸化が含まれ、汚染物質は毒性の低い物質またはより生分解性の高い物質に変換され、それによって汚染物質が削減または除去されます。陰極プロセスには、陰極表面での汚染物質の削減が含まれ、主にハロゲン化炭化水素の削減と除去、および重金属の回収に使用されます。

陰極プロセスは、電気化学的還元とも呼ばれます。これには、Cr6+ や Hg2+ などの重金属イオンをより低い酸化状態に還元するための電子の移動が含まれます。さらに、塩素化有機化合物を削減し、毒性の低いまたは無毒な物質に変換し、最終的に生分解性を高めることができます。

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

間接酸化 (間接電気分解) では、電気化学的に生成された酸化剤または還元剤を反応剤または触媒として使用し、汚染物質を毒性の低い物質に変換します。間接電気分解はさらに可逆プロセスと不可逆プロセスに分類できます。可逆プロセス (媒介電気化学酸化) には、電気化学プロセス中の酸化還元種の再生とリサイクルが含まれます。一方、不可逆プロセスでは、Cl2、塩素酸塩、次亜塩素酸塩、H2O2、O3 などの強力な酸化剤など、不可逆的な電気化学反応で生成される物質を利用して有機化合物を酸化します。不可逆プロセスでは、溶媒和電子、・HO ラジカル、・HO2 ラジカル (ヒドロペルオキシル ラジカル)、および・O2- ラジカル (スーパーオキシドアニオン) などの酸化性の高い中間体が生成されることもあります。これらは、シアン化物、フェノール、 COD（化学的酸素要求量）やS2-イオンを分解し、最終的には無害な物質に変換します。

直接陽極酸化の場合、反応物質濃度が低いと物質移動の制限により電気化学的表面反応が制限される可能性がありますが、間接酸化プロセスにはこの制限は存在しません。直接酸化プロセスでも間接酸化プロセスでも、H2 または O2 ガスの発生を伴う副反応が発生する可能性がありますが、これらの副反応は電極材料の選択と電位制御によって制御できます。

電気化学的酸化は、高有機濃度、複雑な組成、多数の耐火性物質、および高度な着色を含む廃水の処理に効果的であることがわかっています。この技術は、電気化学的活性を有するアノードを利用することにより、酸化力の高いヒドロキシルラジカルを効率的に生成することができます。このプロセスにより、残留性有機汚染物質が無毒の生分解性物質に分解され、それらが完全に無機化されて二酸化炭素や炭酸塩などの化合物になります。