電気化学的酸化

広義には、電気化学的酸化とは電気化学のプロセス全体を指し、酸化還元反応の原理に基づいて電極で直接的または間接的に起こる電気化学反応を含みます。これらの反応は、廃水中の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。

狭義には、電気化学的酸化は特に陽極酸化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を電解セルに導入し、直流電流を印加することで陽極から電子を抽出し、有機化合物の酸化反応を引き起こします。あるいは、低原子価金属を陽極で高原子価金属イオンに酸化し、これが有機化合物の酸化反応に関与することもあります。通常、有機化合物中の特定の官能基は電気化学的活性を示します。電界の影響下では、これらの官能基の構造が変化し、有機化合物の化学的性質が変化し、毒性が低下し、生分解性が向上します。

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）は、電極で汚染物質を酸化することにより、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。陽極プロセスでは、陽極表面で汚染物質が酸化され、毒性の低い物質、または生分解性の高い物質に変換されます。これにより、汚染物質が削減または除去されます。陰極プロセスでは、陰極表面で汚染物質が還元され、主にハロゲン化炭化水素の還元・除去、および重金属の回収に使用されます。

陰極反応は電気化学的還元とも呼ばれます。電子の移動によってCr6+やHg2+などの重金属イオンを低酸化状態へと還元します。さらに、塩素化有機化合物を還元し、毒性の低い、あるいは無毒性の物質に変換することで、最終的に生分解性を高めます。

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

間接酸化（間接電気分解）は、電気化学的に生成された酸化剤または還元剤を反応物または触媒として用いて、汚染物質を毒性の低い物質に変換するプロセスです。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（媒介電気化学的酸化）では、電気化学プロセス中に酸化還元種の再生と再利用が行われます。一方、不可逆プロセスでは、Cl₂、塩素酸塩、次亜塩素酸塩、H₂O₂、O₂などの強力な酸化剤など、不可逆な電気化学反応によって生成される物質を用いて有機化合物を酸化します。不可逆的なプロセスでは、溶媒和電子、·HOラジカル、·HO2ラジカル（ヒドロペルオキシラジカル）、·O2-ラジカル（スーパーオキシドアニオン）などの高度な酸化中間体も生成されます。これらの中間体を使用して、シアン化物、フェノール、COD（化学的酸素要求量）、S2-イオンなどの汚染物質を分解して除去し、最終的に無害な物質に変換することができます。

直接陽極酸化の場合、反応物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、間接酸化プロセスではこの制限は存在しません。直接酸化プロセスと間接酸化プロセスのいずれにおいても、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、有機物濃度が高く、組成が複雑で、難分解性物質が多く、着色度の高い廃水の処理に効果的であることが分かっています。電気化学的活性を持つ陽極を用いることで、この技術は酸化力の高いヒドロキシルラジカルを効率的に生成します。このプロセスにより、残留性有機汚染物質は無毒で生分解性の物質に分解され、二酸化炭素や炭酸塩などの化合物に完全に無機化されます。