מבוא

זיהום מים ממזהמים אורגניים מתמשכים (POPs) נשאר אחד האתגרים הסביבתיים הדוחקים ביותר של המאה העשרים ואחת. חומרים תעשייתיים, מפלט חקלאי, ומים פסולת מקומיים נושאים מגוון רחב של כימיקלים סינתטיים - דינים, תרופות, חומרי הדברה, חומרים מפגעים כימיים, ומגבילים את תהליכי הטיפול החמצן שלהם, אשר עומדים בפני תהליכי טיפול ביולוגיים ופיזיים מתקדמים (Aficials) של טכנולוגיות הפעלה של תאים חשמליים, אשר יכולות לזיהומים חשמליים, לעומת תאים חשמליים, לעומת זאת, לעומת זאת, על ידי מינרליים (F) של תאים חשמליים, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, על ידי התחממות חשמלית גבוהה של תאים חשמליים, על ידי אורגניזמים חשמליים, על ידי מינרליים, על ידי אורגניזמים חשמליים, על ידי אטומיים, על ידי אטומיים, על ידי אטומיים, על ידי אטומיים, על ידי התחממות חשמלית גבוהה, על ידי שימושית (Flasticial) על ידי שימוש במולקולות יעילות גבוהה יותר, על ידי שימוש במולקולות יעילות גבוהה יותר, על ידי פולשים חשמליים, על ידי פולשים חשמליים, על ידי מחסנים, על ידי אטמוספירה של תאים חשמליים, על ידי שימוש במולקולות אורגניים,

מאמר זה מספק סקירה סמכותית של העקרונות, הפרמטרים המרכזיים, התצורה של כורים, ויישומים בעולם האמיתי של חמצון אלקטרוכימי להרס זיהום אורגני.זה גם בוחן אתגרים נוכחיים, חידושים מתמשכים, ואת מסלול עתידי של טכנולוגיית התחדשות מבטיחה זו.

עקרונות של חמצון אלקטרוכימי

החמצן האלקטרוני מבוסס על העברת אלקטרונים בין משטח אלקטרודה לבין מולקולות אורגניות המתמוססות באלקטרוליטה אלקטרוליטיתקנית.התהליך יכול להתרחש באמצעות שתי מנגנונים עיקריים: FLT:0:0 העברת אלקטרונים עקפים 1 (DET) על פני השטח של הרוד ו-FLT:2indirected oxidationF: 3 מתווך על ידי אלקטרוגנציה אלקטרואקטיבית של מינים קיצוניים לאחר מכן, אשר עוברים סגסוגת אלקטרוליטית נמוכה של אלקטרוליטורגית, אשר מאבד באופן ישיר אלקטרוליטורגית אלקטרוליטית, ואלקטרומגנטית, אשר לאחר מכן, אשר מאבד את המינרלים נמוכה.

בפוטנציאלים גבוהים יותר ובחומרי אלקטרודה מתאימים, חמצון מים מייצר physisorbed או chemisorbed hydroxyl רדיקלים (OH) שהם בין החמצנים החזקים ביותר הידועים (E °=2.80 V לעומת SHE) רדיקלים אלה לתקוף מולקולות אורגניות שאינן selective, מפשטות אטומי מימן או הוספת אג"ח לא רווי, המוביל ל-Cen של מסלולים משפטיים, כי בסופו של פחמן דו-חמצני, בסופו של ספקטרום רחב יותר, בסופו של דבר, הוא למעשה, באופן כללי, באופן כללי, הוא ספקטרום רחב יותר, הוא ספקטרום של ספקטרום של פחמן, או ספקטרום רחב יותר, כי הוא ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של פחמן, באופן בלתי-חמצני, או ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום רחב יותר, או ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום רחב יותר, או חמצן, באופן בלתי-חמצני, באופן בלתי-חמצני, באופן בלתי-חמצני, באופן מוחלט, באופן בלתי-מסוג של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום רחב יותר, באופן

אוקסידציה ישירה ו-Electronic Transfer

בחמצן ישיר, המולקולה האורגנית חייבת קודם כל להתפוגג אל משטח הרוד, המודעות, ולאחר מכן להעביר אלקטרונים.הקצב נשלט על ידי שטח פני השטח הזמין, צפיפות הנוכחית, ואת מאזן המודעות. אלקטרודות עם שטח גבוה ופעילות קטליטית - כגון פלטינה, תחמוצות מתכת מעורבות (M), או יהלום דו-דו-דו-פעמי (BDD) הוא תהליך אלקטרו-דלקתיאלי יעיל ביותר, אך ורק על ידי ריכוז מבוזר הוא בעל השפעה נמוכה.

דור המינים של Reactive Oxygen Species

המנגנונים החמצן האלקטרוכימיים החזקים ביותר כוללים מינים חמצן תגובתיים (ROS) המיוצרים ב- Aode. על odes עם עודף חמצן גבוה (למשל, BDD, SnO2, PbO2), מים מחומצים לייצר זיהומים שונים של hydroxyl אשר נשארים כבולים באופן רופף אל פני השטח אלקטרודה.

המונחים: key Parameters Influencing Performance

היעילות של חמצון אלקטרוכימי תלוי בין-שיח מורכב של משתנים תפעוליים.אופטימיזציה פרמטרים אלה חיונית להשגת הסרה גבוהה תוך צמצום צריכת האנרגיה וההשפלת אלקטרודה.

חומרים אלקטרודה

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

הכחשת ההווה

צפיפות נוכחית (A m-2) שולטת ישירות בקצב העברת האלקטרונים ודור ROS. גבוה יותר מאשר המשקעים הנוכחיים להגדיל את הייצור של חמצון ולהגדיל את ההסרה המזויעה. עם זאת, מעבר לנקודה מסוימת, תגובות צד כגון אבולוציה חמצן ופירוק אלקטרוליטנטי שולטים, לבזבז אנרגיה ועלולים להזיק האלקטרודה.

pH ואלקטרוניקה

ה- pH של הפתרון משפיע על הספקולציות שלמזהמים, על יציבותו של ROS, ואת התגובות אלקטרוכימיות עצמם.בתקשורת חומצית (pH 2-4, hydroxyl רדיקלים יציבים יותר והיווצרות של מימן peroxide הוא המועדף. בתנאים מורכבים של חנקן, מינים chlorine פעיל להיות חשוב יותר אם chloride הוא נוכח.

טמפרטורה וריכוז זיהום

טמפרטורות גבוהות יותר בדרך כלל מגבירות את הקינטיקה האנרגטית והעברה המונית, אך הן גם מאיצות את האבולוציה של החמצן ולהפחית את הסגולות של גזים כגון חמצן.רוב התהליכים החמצן האלקטרוכימיים מופעלים בטמפרטורות בינוניות (20 עד 60 מעלות צלזיוס) ריכוז זיהום זיהום זיהום זיהום משפיע על התרומה היחסית של חמצון ישיר מול חמצון עקיף (<0 מ"ג"ג"ג ל-1), חמצון ישיר בגובה של אלקטרו-חמצן נמוך, יכול להיות בעל רמת ריכוז נמוך; וגובה של חומר מכניקה נמוכה; וגובה של שפעת; וגובה של שפעת נמוכה; וגובה של שפעת גבוהה.

תגובה והגדרות מערכת

מגוון רחב של עיצובי כור אלקטרוכימי פותח, מתאים קלים למערכות זרימה רצופות.הבחירה תלויה בקנה מידה של טיפול, מאפיינים מזוהמים, ותואר הרצוי של מינרליזציה.

Bch Versus Flow Systems

כור בינץ משמשים בדרך כלל במחקר כדי לחקור קינטיקה השפלה ולקבוע פרמטרים אופטימליים.הם מורכבים מכליה אחת המכילה אלקטרוליטטה, אלקטרודות, ונווט מגנטי. בעוד שפעולה פשוטה, אצווה סובלת ממגבלות תחבורה המונית והוא לא מעשי עבור כרכים גדולים. Flow-באמצעות או ניתוק מתמשך (CSTRs) מאפשר גבוה יותר באמצעות חישובים ועברה המונית יותר בזרימים, אלקטרוליטיקה משמש את התצורה של מקבילה אלקטרוליטית זמן רב.

התפלגות וורס ללא ספק תאים

בתא מחולק, מפריד (למשל, Nafion membrane, קרמיקה diaphragm) מבודד את תא ה- aode ו- Cathode. זה מונע את ההפחתה של ביניים מחמצן בקטודה ומאפשר התאוששות של חומרים שימושיים על ידי מוצרים.עם זאת, ההתנגדות הנוספת מגבירה צריכת אנרגיה ועלויות.

שלושה אלקטרונים ואלקטרודה Arrangements

כדי לשפר את העברת ההמונים ולספק שטח פני השטח גבוה, מערכות אלקטרודה תלת מימדיות כגון אלקטרודות מעוקלות ארוזות או נוזל נחקרו.עיצובים אלה משתמשים חלקיקים (למשל, פחמן מופעל, גרנולים גרפיים) כי הם מקוטבים חשמלית, יצירת מיקרואלקטרוניקה רבים בתוך המיטה. בעוד הם משפרים את קצב התגובה נפח, הם סובלים גם מהתפלגות בלתי אפשרית וקשורה.

יישומים בתעשיות

חמצון אלקטרוכימי הוכח בהצלחה לטיפול במגוון רחב של פסולת תעשייתית והתקשורת הסביבתית מזוהמת.הטכנולוגיה אטרקטיבית במיוחד כאשר טיפול ביולוגי אינו יעיל או כאשר ריכוז המזוין גבוה מדי עבור תהליכי מודעות.

תעשיית טקסטיל

(הגלולים של הטקסטיל מכילים צבעי azo, צבעי תגובת, וסייעות כי הם רעילים וגלויים מאוד.אלקטרוכימיים חמצון, במיוחד באמצעות שרידים BDD, יכול לשנות ולייעל פתרונות צבע סינתטי בתוך דקות. מחקרים אחרונים מראים כי שילוב מערכות אלקטרוכימיות ורפואה ביולוגית להשיג הסרת מוחלט של צבע וביקוש כימי (COD) בעלויות אנרגיה נמוכות יותר מאשר טיפול אלקטרוכימי בלבד.

תרופות ומוצרים אישיים

תרופות, הורמונים ואנטיביוטיקה מזוהים יותר ויותר במים פני השטח וממים קרקעיים, מה שגורם לסיכונים למערכת אקולוגית מימית ובריאות האדם.טבעם האקסטסטנטי הופך טיפול קונבנציונלי לא יעיל.חמצן אלקטרוכימי הראה הבטחה גדולה לתרכובות משפילות כגון diclofenac, carbamazepine, ו-sulfthameoxazole.

פשיסטידס ו-Agricultural Runoff

Pesticides כגון glyphosate, atrazine, chlorpyrifos משמשים נרחב בחקלאות ויכול להימשך באדמה ומים. אלקטרוכימי חמצון שובר את תרכובות אלה למוצרים פחות מזיקים. בנוכחות כלוריד, התהליך מאיץ בשל פעילות גופנית. מחקר השוואתי לאחרונה דיווחו כי חמצון אלקטרוכימי החוצה את פני השטח ושיתוק במונחים של יעילות סוליפטומטית עבור מערכות אנרגיה מופעלת.

טיפול Landfill Leachate

ללפיד (Landfill leachate) הוא תערובת מורכבת של חומר אורגני גבוה, מתכות כבדות, אמוניה ו xenobiotic תרכובות.טיפול ביולוגי בלבד לעתים רחוקות עומד גבולות השחרור. אלקטרוכימי, לעתים קרובות בשילוב עם טיפול טרום טיפול כגון coagulation, הוכח להסיר > 80% של COD ו > 90% של חנקן ammonium LTF:0 U.

ניתוח השוואתי עם תהליכי אוקסידציה מתקדמים אחרים

חמצון אלקטרוכימי הוא אחד מכמה AOPs המייצרים רדיקלים הידרוקסיל. חלופות נפוצות כוללות פנטון ו photo-Fenton, אוזון, photocatalysis (TiO2/UV), וחמצן אוויר רטוב לכל אחד יש יתרונות ומגבלות נפרדים.

(FLT:0) תהליכי FentoneurFLT:1 (Fe2+H2O2) יעילים מאוד ב- pH חומצי ועלות נמוכה, אך הם מייצרים כמויות גדולות של מזחל ברזל ודורשים התאמה PH זהירה.אלקטרו-פלנטון משלב את הדור האלקטרוכימי של H2O2 בקטודה עם כימיה פנטון, צמצום צריכת כימית וחילול תוך שמירה על יעילות גבוהה.

(FLT:0) אוזון (OzonationFLT:1) יכול להשיג חמצון מהיר, אבל הדור האוזון הוא אנרגיה-intensive והעברה ההמונית של האוזון למים מוגבלת. Ozonation גם לעתים קרובות מייצרת bromate או רעילים אחרים על ידי האוזון במים המכילים בromide- המכילה חמצון אלקטרוכימי, נמנעים מצורך במגעים נוזלי גז וניתן להפעיל ללא תחבורה מסוכנת ללא תחבורה.

(FLT:0) photocatalysisFLT:1 , מסתמכ על הפעלת אור UV של מוליכים למחצה (בדרך כלל TiO2). זה מוגבל על ידי חדירה קלה, קינטיקה איטית, ואת הצורך של זרז התאוששות.

בסך הכל, חמצון אלקטרוכימי מציע שילוב ייחודי של עוצמה, שליטה, ו שפירות סביבתית. עבור יישומים הדורשים מינרליזציה גבוהה של חומרים מתמשכים, זה לעתים קרובות האפשרות המרבית מעשית כאשר ניתן לנהל עלויות אנרגיה.

אתגרים ומגבלות

למרות היתרונות הרבים שלה, כמה מחסומים מעכבים את אימוץ נרחב של חמצון אלקטרוכימי לטיפול בשפכים בקנה מידה גדול.

אנרגיה

הסגירה העיקרית היא האנרגיה החשמלית הגבוהה הנדרשת.עבור פתרונות dilute, האנרגיה לנפח יחידה שטופלה יכולה להיות תחרותית עם AOPs מבוססי UV, אבל עבור מי שפכים גבוהים, עלויות האנרגיה נשארות הוצאה תפעולית משמעותית.התקדמות בחומרים אלקטרודה ועיצוב כור כדי להוריד את צריכת האנרגיה הספציפית (kWh perkg הסרת COD) ב- התפעולית נמוכה יותר יכולה להפחית את האנרגיה, אך על חשבון זמן טיפול ארוך יותר.

אלקטרודה סטריאנס ו-Fouling

משטחים אלקטרודה יכולים להיות מזוהים על ידי פולימרים אורגניים, דרוג אורגני, או מוצרי חמצון.זה מוביל לירידה בביצוע ודורש ניקוי תקופתי או החלפת. BDD אלקטרודות עמידים יותר למגבלה מאשר אלקטרודות חד חמצני מתכת, אבל הם גם יקרים יותר. מחקר לתוך ציפויים נגד fouling ושיטות ניקוי (למשל, קיטוב, התחדשות), הוא מתמשך.

הגבלות תחבורה

מכיוון שהתגובה מתרחשת על פני השטח אלקטרודה, תחבורה המונית שלמזהמים מהפתרון הגדול לאלקטרודה היא לעתים קרובות כפליים, במיוחד בריכוזים נמוכים של זיהום.זה דורש שימוש בשיעורי זרימה גבוהים, פערים אלקטרודה צרים, או מקדםים סוערים, אשר כולם מגבירים את האנרגיה.

עלויות של חומרים אלקטרודה

אלקטרודות BDD, בעוד יעיל מאוד, יקרים לייצור. MMO אלקטרודות זול יותר אבל יש פעילות נמוכה ויציבות.פיתוח של חומרים אלקטרודה זולים, יציבים ופעילים מאוד (למשל, פחמן דמוי יהלום, קרמיקה התנהגותית) הוא עדיפות במחקר הנוכחי.

כיוונים עתידיים והתקדמות

תחום החמצן האלקטרוכימי מתקדם במהירות, מונע על ידי חומרים מדע, הנדסת תהליכים, ואת הצורך הגובר בטיפול במים מבוזרים.

ננודור ו- Composite Electrodes

ננו-חומרים כגון צינורות פחמן, תחמוצת גרפן ומסגרות אורגניות מתכת (MOFs) משולבים במבנים אלקטרודה כדי להגדיל את שטח פני השטח, פעילות קטליטית, וסלקטיביות. Composite אלקטרודות המשלבות פולימרים מוליכים עם חלקיקים להראות הבטחה עבור דור ROS משופר.

מערכות אלקטרו-כימיקליות מבוססות השמש

חמצון אלקטרוכימי עם לוחות פוטו-וולטאיים או מערכות תרמיות סולאריות יכול להפחית עלויות אנרגיה חשמליות, מה שהופך את התהליך בר קיימא עבור יישומים מחוץ לריד. פרויקטים של טייס באזורים מרוחקים הראו כי אלקטרו-חמצן מונע השמש יכול לטפל במי קרקע המזוהם עם חומרי הדברה ופתרון תעשייתי ביעילות.

תהליכים היברידיים

שילוב של חמצון אלקטרוכימי עם טכנולוגיות אחרות - כגון סינון אלקטרו-כימי (אלקטרוניקה + אולטרה-חדירה), אולטרסאונד או טיפול ביולוגי - יכול להתגבר על מגבלות אישיות. אלקטרו-חמצן יכול לשמש צעד מלוטש להסרת אורגנים מחדש לאחר טיפול ביולוגי, או כטיפול מקדים לפרק את ה-Recitalrant לפני מנגנונים ביולוגיים אלה לעתים קרובות להשיג יעילות גבוהה יותר מאשר כל תהליך מופחת.

Scale-Up ו- Commercial Application

כמה חברות מציעות כיום מערכות חמצון אלקטרוכימיות מסחריות לטיפול במי פסולת תעשייתית.המגמה היא לעבר יחידות מודולריות, מקוטבות שניתן לפרוס באתר עם תשתיות מינימליות.כפי לחץ רגולטורי על עלייה של פערים תעשייתיים ומחסור במים מניעים את השימוש במים, השוק עבור חמצון אלקטרוכימי צפוי לגדול באופן משמעותי.

מסקנה

חמצון אלקטרוכימי התבגר ככלי אמין ורב עוצמה להרס של אבקות אורגניים במים ומשפכים.היכולת שלו לייצר רדיקלים הידרוקסיל שבשבו ללא תוספת של רטינים כימיים הופכת אותה לאופציה אטרקטיבית לטיפול בתרכובות מתמשך שמזיקות טיפול קונבנציונלי.התקדמות בחומרי אלקטרודה - במיוחד יהלום מוטבע ומתעוררות קרמיקה - יעילות דרמטית ויעילות כמו אופטימיזציה של תהליכים ספציפיים ל- pH.

בעוד צריכת אנרגיה גבוהה ועלויות אלקטרודה נותרו חסימים, מחקר מתמשך nanomaterials, שילוב סולארי ותצורה של תהליך היברידית הוא צמצום בהתמדה של המכשולים האלה.הטכנולוגיה כבר פרוס בקנה מידה מלא במספר יישומים נישה, ואימוץ שלה צפוי להרחיב כתקני איכות מים והצורך של פתרונות טיפול מבוזר, חזק גדל.