Trzeba powiedzieć, że wszędzie na świecie, gdzie żyje człowiek i gdzie znajdują się firmy produkcyjne, występują problemy z oczyszczaniem ścieków bytowych i przemysłowych.
Obecnie główną metodą usuwania substancji organicznych w oczyszczaniu ścieków jest oczyszczanie biologiczne, które charakteryzuje się dużą skutecznością usuwania i niskimi kosztami oczyszczania. Jednakże zanieczyszczenia usuwane biologicznymi metodami oczyszczania są substancjami łatwo ulegającymi biodegradacji (lub biodegradowalności) w wodzie i nie mają prawie żadnego wpływu na usuwanie substancji ulegających biodegradacji. Niektóre substancje organiczne są toksyczne dla mikroorganizmów. W takich przypadkach metody biologiczne nie są odpowiednie.
Elektroliza to metoda oczyszczania wykorzystująca reakcję elektrochemiczną procesu elektrolizy w celu usunięcia szkodliwych zanieczyszczeń z różnych ścieków. Nazywa się ją również metodą utleniania elektrokatalitycznego lub metodą elektrochemiczną. Uzdatnia wodę, w tym ścieki bytowe i ścieki zakładowe. Ponieważ nie powoduje wtórnych zanieczyszczeń i dlatego nazywany jest przyjazną dla środowiska technologią uzdatniania wody lub technologią uzdatniania zielonej wody.
Z profesjonalnego punktu widzenia tzw. technologia elektrochemicznego uzdatniania wody wykorzystuje zewnętrzne pole elektryczne w celu osiągnięcia oczekiwanego usunięcia zanieczyszczeń ze ścieków poprzez szereg zaprojektowanych reakcji chemicznych, procesów elektrochemicznych lub procesów fizycznych w konkretnym reaktorze elektrochemicznym. lub w celu recyklingu użytecznych materiałów.
Już w latach trzydziestych i czterdziestych XX wieku zagraniczni uczeni zaproponowali zastosowanie elektrolizy do oczyszczania ścieków. W tamtym czasie stosowano go głównie do oczyszczania jonów metali ciężkich w ściekach. Jednak ze względu na duże zużycie energii, brak prądu i ograniczenia teorii elektrochemicznej rozwój tej metody był powolny. W latach 60. i 70. XX w. nastąpił szybki rozwój elektroenergetyki. Badania nad powlekanymi anodami tytanowymi zakończyły się sukcesem i zostały uprzemysłowione. Ciągłe pogłębianie elektrochemicznych badań teoretycznych potwierdziło, że reakcje redoks, reakcje addycji lub reakcje rozkładu wielu związków organicznych mogą być prowadzone na elektrodach, co stanowi teoretyczną podstawę do degradacji zanieczyszczeń organicznych poprzez utlenianie elektrokatalityczne, promując w ten sposób zastosowanie technologii elektrolizy w uzdatnianiu wody.
Zaletami technologii elektrochemicznego uzdatniania wody są:
1. Transfer elektronów odbywa się wyłącznie pomiędzy elektrodą a elementami ścieków, bez konieczności dodawania dodatkowych środków redoks, co pozwala uniknąć problemów związanych z wtórnym zanieczyszczeniem powodowanym przez dodatkowe dodatki.
2. Warunki reakcji można regulować w dowolnym momencie, zmieniając przyłożony prąd i napięcie, a sterowność jest duża.
3. Wolne rodniki, które mogą powstać w trakcie procesu, bezpośrednio i bezkrytycznie reagują z zanieczyszczeniami organicznymi zawartymi w ściekach, rozkładając je na dwutlenek węgla, wodę i prostą materię organiczną, bez żadnych lub niewielkich zanieczyszczeń wtórnych.
4. Warunki reakcji są łagodne, a proces elektrochemiczny można na ogół prowadzić w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem.
5. Wyposażenie reaktora i jego obsługa są na ogół stosunkowo proste i, jeśli są odpowiednio zaprojektowane, nie drogie.
6. Jeżeli skala zrzutu ścieków jest niewielka, można zastosować oczyszczanie na miejscu.
7. Gdy ścieki zawierają jony metali, katoda i anoda mogą pracować jednocześnie (katoda redukuje jony metali, a anoda utlenia materię organiczną), aby zmaksymalizować skuteczność oczyszczania podczas odzyskiwania i ponownego wykorzystania cennych substancji chemicznych lub metali.
8. Można go stosować jako samodzielny zabieg lub łączyć z innymi zabiegami. Na przykład jako obróbka wstępna może poprawić biodegradowalność ścieków.
9. Posiada funkcje flotacji powietrza, flokulacji i dezynfekcji.
10. Jako proces czyszczenia jego sprzęt zajmuje niewielką powierzchnię i szczególnie nadaje się do oczyszczania ścieków w zatłoczonych miastach.
Metoda utleniania elektrokatalitycznego ma zalety silniejszych możliwości utleniania i redukcji niż zwykłe reakcje chemiczne, mniejszego zużycia środków chemicznych, dużych zdolności adaptacyjnych, możliwości recyklingu przydatnych substancji, takich jak metale, oraz łatwego sterowania automatyzacją. Dlatego nadaje się do stosowania w zastosowaniach zawierających węglowodory, aldehydy i alkohole. Jest stopniowo stosowany w oczyszczaniu ścieków zanieczyszczających organiczne, takie jak eter, fenol i barwniki.
W przypadku chloru organicznego, fosforu, siarki i innych syntetycznych ścieków farmaceutycznych, papierniczych i drukarskich, które są trudne do oczyszczenia metodami biologicznymi, zadowalające wyniki można uzyskać poprzez oczyszczanie elektrochemiczne.
Zasady elektrochemicznego oczyszczania ścieków
Teoretycznie całą materię organiczną w roztworze wodnym można utlenić elektrycznie przed reakcją wydzielania tlenu, ale ze względu na uwarunkowania kinetyczne szybkość tego procesu jest bardzo niska, a bezpośrednie utlenianie do CO2 jest jeszcze trudniejsze.
Łatwość elektrochemicznego utleniania substancji organicznych można ocenić za pomocą tzw. wskaźnika elektrochemicznej utlenialności (EOI). Im większa wartość, tym łatwiej jest utlenić. EOI odzwierciedla również średnią wydajność prądową, jaką można osiągnąć podczas elektrolizy. Innym wskaźnikiem oceny jest elektrochemiczne zużycie tlenu (EOD), które odnosi się do ilości energii elektrycznej wymaganej do elektrochemicznego utlenienia każdego grama materii organicznej, co odpowiada liczbie gramów tlenu wytworzonego podczas elektrolizy. EOD można obliczyć za pomocą następującego wzoru
EOD=Wo2/WOrg=(It/4F) (EOI) (32/Worg)(10-1)
We wzorze I,t - prąd elektrolizy i czas elektrolizy (w tym momencie chwilowa wydajność prądowa spada do zera);
Worg – masa przetworzonej materii organicznej;
F--Stała Faradaya.
Elektrochemiczne oczyszczanie ścieków można podzielić na dwie kategorie: elektrolizę bezpośrednią i elektrolizę pośrednią.