JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Jätevesien puhtausvaatimusten tiukentumisen seurauksena perinteisten puhdistusmenetelmien teho ei usein riitä vaatimusten täyttämiseen. Tämän vuoksi tulee etsiä uusia tehokkaita menetelmiä perinteisten menetelmien rinnalle. Tässä työssä tutustutaan kirjallisuuskatsauksen avulla sähkökemiallisen hapetuksen eli EO:n (electro-oxidation) mahdollisuuksiin jätevesien puhdistuksessa. Tiukentuneiden puhdistusmenetelmien myötä kiinnostus EO:ta kohtaan on viime vuosina kasvanut, joka näkyy tutkimuksien määrässä. Tutkimustietoa EO:sta siis löytyy hyvin, mutta menetelmä ei ole vielä vakiintunut käyttöön. Tämän vuoksi tutkielma on hyvin ajankohtainen. Tutkimuksen tavoitteena on antaa riittävät tiedot, jotta sen pohjalta voidaan suunnitella laboratoriomittakaavan EO-laitteisto.

EO:n avulla saadaan jätevesistä puhdistettua orgaanisia epäpuhtauksia elektrolyyttisesti. Puhdistuminen voi tapahtua, joko suoraan anodin pinnassa, jota kutsutaan suoraksi sähkökemialliseksi hapetukseksi tai epäsuoran sähkökemiallisen hapettumisen avulla liuoksessa. EO:ssa on monia tekijöitä, jotka vaikuttavat vesien puhdistuksen lopputulokseen. Keskeisimpiä ovat olosuhteiden optimointi ja oikea elektrodimateriaalin valinta. Olosuhteiden optimoinnissa keskeisimpiä tekijöitä ovat pH, virrantiheys sekä reaktioaika. Hapetus aloitetaan usein neutraaleista tai happamista olosuhteista. Parhaisiin puhdistustuloksiin pääsy suhteellisen lyhyessä ajassa vaatii korkean virrantiheyden. Tästä seuraa suuri energiankulutus, joka on yksi EO-menetelmän haasteista. Yleisesti käytetty puhdistusaika laboratoriomittakaavan laitteistolle on kaksi tuntia.

Elektrodimateriaaleja on tutkittu useita erialaisia. Näistä keskeisimpiä ovat boorilla seostettu timantti (engl. boron-dobed diamond, BDD), sekoitetut metallioksidit (engl. mixed metal oxide, MMO), jalometallit kuten platina, lyijyoksidi elektrodit sekä hiili- ja grafiitti elektrodit. Tässä työssä läpikäytyjen tutkimusten perusteella parhaita ovat BDD- ja MMO-materiaalit. Molempien avulla on saatu hyviä tuloksia väriaineiden poistossa sekä orgaanisen aineen hajottamisessa. Joissain tutkimuksissa BDD-materiaalit osoittivat myös hyviä tuloksia typpiyhdisteiden poistumiseen jätevesistä.

Electrode materials in electrochemical oxidation of wastewaters

Abstract

As a result of the tightening quality requirements for wastewater, the efficiency of traditional treatment methods will not be sufficient. Therefore, new effective methods must be sought alongside traditional methods. This work will explore the possibilities of electrochemical oxidation in wastewater purification. Along with the tightened cleaning requirements, interest in EO has grown in recent years, which can be seen in the number of published studies. Research information on the electrochemical oxidation method is therefore well founded, but the method has not yet been established in large-scale use. Consequently, this literary survey is very topical. The target of the study is to provide sufficient data to build an experimental scale EO hardware.

Organic compounds in wastewaters can be removed electrolytically by electrochemical oxidation. Removing can occur either directly on anode surface, which is called direct anodic oxidation, or by indirect electrochemical oxidation in solution. There are many factors in EO that influence the outcome of water purification. The most important are the optimization of conditions and the correct choice of electrode material. The central factors in optimizing conditions are pH, current density, and reaction time. Oxidation often begins from neutral or acidic conditions. To achieve good treatment results in a relatively short time requires a high current density. This causes high energy consumption, which is one of the EO method challenges. Treatment time for EO is typically two hours.

Different kind of electrode materials have been researched. Among these the most central are boron dropped diamond (BDD), mixed metal oxide (MMO), noble metal like platinum, lead oxide electrode, and carbon or graphite electrodes. Materials, which give the best results based on this thesis, are BDD and MMO. Both give good results in colour removal and removal of organic compounds. Some research shows also good results in nitrogen removal by BDD material.