Au sens large, l'oxydation électrochimique désigne l'ensemble du processus électrochimique, qui comprend des réactions électrochimiques directes ou indirectes se produisant à l'électrode selon les principes des réactions d'oxydoréduction. Ces réactions visent à réduire ou à éliminer les polluants des eaux usées.
Au sens strict, l'oxydation électrochimique désigne spécifiquement le processus anodique. Dans ce processus, une solution ou une suspension organique est introduite dans une cellule électrolytique et, sous l'effet d'un courant continu, des électrons sont extraits à l'anode, entraînant l'oxydation des composés organiques. Alternativement, des métaux de faible valence peuvent être oxydés en ions métalliques de valence élevée à l'anode, lesquels participent ensuite à l'oxydation des composés organiques. Généralement, certains groupes fonctionnels présents dans les composés organiques présentent une activité électrochimique. Sous l'influence d'un champ électrique, la structure de ces groupes fonctionnels se modifie, altérant les propriétés chimiques des composés organiques, réduisant leur toxicité et améliorant leur biodégradabilité.
L'oxydation électrochimique se divise en deux catégories : l'oxydation directe et l'oxydation indirecte. L'oxydation directe (électrolyse directe) consiste à éliminer directement les polluants des eaux usées par oxydation à l'électrode. Ce procédé comprend les étapes anodique et cathodique. L'étape anodique repose sur l'oxydation des polluants à la surface de l'anode, les transformant en substances moins toxiques ou plus biodégradables, ce qui permet de réduire ou d'éliminer les polluants. L'étape cathodique, quant à elle, consiste en la réduction des polluants à la surface de la cathode et est principalement utilisée pour la réduction et l'élimination des hydrocarbures halogénés ainsi que pour la récupération des métaux lourds.
Le procédé cathodique, également appelé réduction électrochimique, consiste en un transfert d'électrons permettant de réduire les ions de métaux lourds tels que Cr⁶⁺ et Hg²⁺ à leurs états d'oxydation inférieurs. Il permet également de réduire les composés organiques chlorés, les transformant en substances moins toxiques, voire non toxiques, et améliorant ainsi leur biodégradabilité.
R-Cl + H+ + e → RH + Cl-
L'oxydation indirecte (ou électrolyse indirecte) utilise des agents oxydants ou réducteurs générés électrochimiquement comme réactifs ou catalyseurs pour convertir les polluants en substances moins toxiques. L'électrolyse indirecte se divise en deux catégories : les procédés réversibles et les procédés irréversibles. Les procédés réversibles (ou oxydation électrochimique médiée) impliquent la régénération et le recyclage des espèces redox au cours du processus électrochimique. Les procédés irréversibles, quant à eux, utilisent des substances issues de réactions électrochimiques irréversibles, telles que des oxydants puissants comme le chlore (Cl₂), les chlorates, les hypochlorites, le peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) et l'oxygène (O₃), pour oxyder les composés organiques. Les processus irréversibles peuvent également générer des intermédiaires hautement oxydants, notamment des électrons solvatés, des radicaux ·HO, des radicaux ·HO2 (radicaux hydroperoxyles) et des radicaux ·O2- (anions superoxyde), qui peuvent être utilisés pour dégrader et éliminer des polluants tels que le cyanure, les phénols, la DCO (demande chimique en oxygène) et les ions S2-, les transformant finalement en substances inoffensives.
Dans le cas de l'oxydation anodique directe, de faibles concentrations de réactifs peuvent limiter la réaction électrochimique de surface en raison de limitations de transfert de masse, contrairement aux procédés d'oxydation indirecte. Lors des deux types d'oxydation, des réactions secondaires impliquant la production de dihydrogène (H₂) ou d'oxygène (O₂) peuvent se produire, mais elles peuvent être maîtrisées par le choix des matériaux d'électrode et le contrôle du potentiel.
L'oxydation électrochimique s'avère efficace pour le traitement des eaux usées présentant une forte concentration en matières organiques, une composition complexe, une multitude de substances réfractaires et une coloration intense. Grâce à l'utilisation d'anodes électrochimiquement actives, cette technologie génère efficacement des radicaux hydroxyles hautement oxydants. Ce procédé conduit à la décomposition des polluants organiques persistants en substances non toxiques et biodégradables, puis à leur minéralisation complète en composés tels que le dioxyde de carbone ou les carbonates.
Date de publication : 7 septembre 2023
