전기화학적 산화

넓은 의미에서 전기화학적 산화는 산화-환원 반응의 원리를 바탕으로 전극에서 일어나는 직접 또는 간접적인 전기화학 반응을 수반하는 전기화학의 전 과정을 말한다. 이러한 반응은 폐수에서 오염물질을 줄이거나 제거하는 것을 목표로 합니다.

좁게 정의하면 전기화학적 산화는 구체적으로 양극 공정을 의미합니다. 이 공정에서는 유기용액이나 현탁액을 전해조에 투입하고 직류를 가해 양극에서 전자가 추출되어 유기화합물이 산화됩니다. 대안적으로, 낮은 원자가 금속은 양극에서 높은 원자가 금속 이온으로 산화되어 유기 화합물의 산화에 참여할 수 있습니다. 일반적으로 유기 화합물 내의 특정 기능 그룹은 전기화학적 활성을 나타냅니다. 전기장의 영향으로 이러한 작용기의 구조가 변화되어 유기 화합물의 화학적 특성이 변경되고 독성이 감소하며 생분해성이 향상됩니다.

전기화학적 산화는 직접 산화와 간접 산화의 두 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 직접 산화(직접 전기분해)는 폐수에서 오염 물질을 전극에서 산화시켜 직접 제거하는 것을 포함합니다. 이 공정에는 양극 공정과 음극 공정이 모두 포함됩니다. 양극 공정에는 양극 표면의 오염 물질이 산화되어 독성이 덜한 물질이나 생분해성이 더 높은 물질로 전환되어 오염 물질을 줄이거 나 제거하는 과정이 포함됩니다. 음극 공정은 음극 표면의 오염 물질 감소를 포함하며 주로 할로겐화 탄화수소의 환원 및 제거와 중금속 회수에 사용됩니다.

음극 공정은 전기화학적 환원이라고도 합니다. 이는 Cr6+ 및 Hg2+와 같은 중금속 이온을 더 낮은 산화 상태로 환원시키기 위해 전자를 이동시키는 것과 관련됩니다. 또한 염소화 유기 화합물을 줄여 독성이 덜하거나 독성이 없는 물질로 변환하여 궁극적으로 생분해성을 향상시킬 수 있습니다.

R-Cl + H+ + e → RH + Cl-

간접 산화(간접 전기분해)는 전기화학적으로 생성된 산화제 또는 환원제를 반응물 또는 촉매로 사용하여 오염 물질을 독성이 덜한 물질로 변환하는 것을 포함합니다. 간접 전기분해는 가역적 공정과 비가역적 공정으로 더 분류될 수 있습니다. 가역적 공정(매개 전기화학적 산화)에는 전기화학적 공정 중 산화환원 종의 재생 및 재활용이 포함됩니다. 반면, 비가역적 공정은 Cl2, 염소산염, 차아염소산염, H2O2, O3와 같은 강력한 산화제와 같은 비가역적 전기화학 반응에서 생성된 물질을 활용하여 유기 화합물을 산화시킵니다. 비가역적 공정은 또한 용매화된 전자, ·HO 라디칼, ·HO2 라디칼(하이드로퍼옥실 라디칼) 및 ·O2- 라디칼(과산화물 음이온)을 포함하여 고도로 산화적인 중간체를 생성할 수 있으며, 이는 시안화물, 페놀, COD(화학적 산소 요구량) 및 S2- 이온은 궁극적으로 무해한 물질로 변환됩니다.

직접 양극 산화의 경우 낮은 반응물 농도는 물질 이동 제한으로 인해 전기화학적 표면 반응을 제한할 수 있지만 간접 산화 공정에서는 이러한 제한이 존재하지 않습니다. 직접 및 간접 산화 공정 중에 H2 또는 O2 가스 생성과 관련된 부반응이 발생할 수 있지만 이러한 부반응은 전극 재료 선택 및 전위 제어를 통해 제어할 수 있습니다.

전기화학적 산화는 유기 농도가 높고, 조성이 복잡하고, 내화 물질이 많고, 착색이 심한 폐수를 처리하는 데 효과적인 것으로 밝혀졌습니다. 전기화학적 활성을 갖는 양극을 활용함으로써 이 기술은 산화성이 높은 수산기 라디칼을 효율적으로 생성할 수 있습니다. 이 과정은 잔류성 유기 오염 물질을 무독성, 생분해성 물질로 분해하고 이산화탄소나 탄산염과 같은 화합물로 완전한 무기화를 유도합니다.