Technologie pro recyklaci vody

Typ procesu

Fyzikálně chemické procesy

Skupina technologií

Oxidačně redukční procesy

Název procesu

Elektrochemická oxidace

Popis technologie

Elektrochemická oxidace probíhá při elektrolýze. Elektrolýza je proces, kdy průchod proudu odpadní vodou o dostatečné vodivosti vyvolává chemické reakce na elektrodách, což vede ke změnám ve složení vody. Na anodě dochází k oxidačním dějům, na katodě k redukčním.
Elektrochemická oxidace je použitelná k oxidaci organických (nejpravděpodobnější varianta) i anorganických polutantů, i pro hygienické zabezpečení vody.
Elektrochemickou oxidaci lze podle reakčního mechanismu rozdělit na dva typy: nepřímou a přímou.
Nepřímá spočívá v elektrochemickém generování oxidačního činidla, které pak reaguje s polutanty. Typickými příklady jsou tvorba ozonu nebo aktivního chloru (Cl₂, ClO^-, ...) na anodě, případně produkce H₂O₂ na katodě.
Nepřímá elektrooxidace, označovaná také jako anodická, je založena buď na přímém transferu elektronů mezi oxidovanou látkou a anodou (nepříliš rozšířená situace), nebo na reakci látek s hydroxylovými radikály či tzv. aktivním kyslíkem, adsorbovanými na povrchu elektrody.

Aktuálnost

ve vývoji

Vhodné pro srážkové vody

Ano

Typické reaktory a jejich uspořádání

Elektrochemické reaktory nejrůznějšího uspořádání (stále ve vývoji), včetně systémů s oddělením  katodového a anodového prostoru membránou.
Stěžejním prvkem jsou použité elektrody. Katody mohou být např. ocelové nebo grafitové. Anody se volí tzv. prostorově stabilní (Dimensionally Stable Anodes - DSA): na titanovém podkladu je tenká vrstva oxidů ušlechtilých kovů (např. Ti/RuO₂). Slibné výsledky poskytují anody potažené diamantovým filmem dopovaným borem (Boron-Doped Diamond - BDD).

Typické schéma

Cílené znečištění

Především organické rozpuštěné látky, které jsou toxické a/nebo obtížně biologicky rozložitelné.
V případě hygienického zabezpečení jsou cílovým znečištěním mikroorganismy.

Typické koncentrace cílového znečištění

V širokém rozmezí obvykle od jednotek po stovky  mg/l, v některých případech i vyšší. Aplikace na vyšší koncentrace obvykle předpokládá následné biologické dočištění,  ale elektrochemickou oxidaci lze použít i pro eliminaci koncentrací příliš nízkých pro biologické čištění.

Kritické parametry

konduktivita - pro elektrochemické procesy musí být voda schopna vést el. proud.
Kyslíkové přepětí použitých elektrod, tj. hodnota napětí, při které na anodě dochází k vývoji kyslíku. Čím vyšší hodnota, tím lepší předpoklady pro oxidaci organických látek na elektrodě.
Potenciál procesu pro tvorbu nežádoucích (toxických) vedlejších produktů:  Produkty částečného rozkladu některých látek mohou být rizikovější než původní polutant.

Inhibiční vlivy

Přítomost dalších látek (např. uhličitanů), které by vytvářely úsady na elektrodách a tím je pasivovaly.

Další relevantní parametry

teplota, pH vody
vložené napětí (jednotky V), proudová hustota (obvykle desítky až stovky A/m²), proudová účinnost

Dosažitelné koncentrace cílového znečištění

Podle parametrů procesu a typu oxidované látky jsou uváděny účinnosti odstranění ChSK v širokém rozmezí 50 - 100 %.

Hygienizační funkce

Ano, vznikající oxidační činidla mají desinfekční účinky.
V některých případech je proces vysloveně koncipován jako elektrochemická desinfekce.

Investiční náklady

Do značné míry závisí na typu použitých elektrod.

Prostorová náročnost

Elektrolyzéry jsou kompaktní zažízení.

Energetická náročnost

Spojena především se spotřebou elektrické energie pro vlastní elektrolýzu.
Stejně jako u ostatních elektrochemických procesů je v současnosti zvažováno využití obnovitelných zdrojů energie.

Náročnost na obsluhu

Technologie umožňuje vysokou míru automatizace, nicméně vyžaduje kvalifikovanou obsluhu (v podstatě jde o řízení chemického procesu).

Provozní náklady

Spojené především se spotřebou el. energie.
Další položkou může být případná výměna elektrod.

Chemikálie

V některých případech kyseliny či zásady pro úpravu pH.
U nepřímé elektrooxidace někdy vstupní chemikálie pro tvorbu vlastního činidla (např. chloridy pro výrobu aktivního chloru).

Měření a regulace

průtok, pH, prošlý proud, napětí, konduktivita , ORP 
u nepřímé elektrooxidace zbytková koncentrace oxidačního činidla

Vyžadovaná předúprava

Obvykle separace nerozpuštěných látek.
V případě obsahu biologicky rozložitelných látek možné biologické předčištění pro snížení spotřeby oxidačního činidla.

Vyžadované dočištění

Někdy je nezbytností odstranění zbytkových koncentrací oxidačního činidla. Např. přídavkem vhodného redukčního činidla.
V případě oxidace organických látek jsou často konečným produktem jednodušší, snáze rozložitelné látky. Pak je nutné biologické dočištění.
Další alternativou může být odstranění nízkých koncentrací reziduálních látek adsorpcí.

Typická průmyslová odvětví

Chemický průmysl Farmaceutický průmysl Textilní průmysl

Chen, G. (2004). "Electrochemical technologies in wastewater treatment." Separation and Purification Technology 38(1): 11-41.
Martinez-Huitle, C. A. and S. Ferro (2006). "Electrochemical oxidation of organic pollutants for the wastewater treatment: direct and indirect processes." Chem Soc Rev 35(12): 1324-1340.
Mook, W. T., et al. (2014). "Prospective applications of renewable energy based electrochemical systems in wastewater treatment: A review." Renewable and Sustainable Energy Reviews 38: 36-46.
Ganiyu, S. O., et al. (2020). "Renewable energies driven electrochemical wastewater/soil decontamination technologies: A critical review of fundamental concepts and applications." Applied Catalysis B: Environmental 270: 118857.
Liu, Y., et al. (2021). "Overview of recent developments of resource recovery from wastewater via electrochemistry-based technologies." Science of The Total Environment 757: 143901.