Electrochemical treatment of industry wastewaters by capacitive deionization, electrocoagulation and electrooxidation

Abstract

The present thesis covers a significant part of the research field of processing industrial wastewater by means of electrochemical processes.The under treatment sample of liquid waste is placed in an electrochemical reactor, where several electrochemical processes occur due to transit of electricity and chemical transformations, caused either directly at the interface solution / electrode or indirectly by subsequent physicochemical actions in the main solution.The main purpose of this study was to explore the use of electrochemical processes as basic industrial wastewater treatment methods. Several electrochemical methods were studied for their efficacy, such as capacitive deionization with nano-porous carbon electrodes, electrocoagulation with aluminum and iron electrodes, electrooxidation with different types of electrodes, and the specific electrooxidation electro-Fenton.As target-pollutants were a) heavy metals in plating waste outputs b) dyes in wastewater from paintshops c) hydrogen sulfide and hydrocarbon residues in oily waste derived from petroleum treatment. Additionally, the removal of NaCl in aqueous solutions was studied.Based on the experimental results, was deduced that the employed electrochemical methods constitute a safe and economical way of removing pollutants from both simulated synthetic aqueous solutions as well as from real liquid industrial waste.The waste processing by means of Electrocoagulation achieved rapid and effective reduction of heavy metals and hydrogen sulfide by 99.9%. By using the same method in aqueous solutions containing dyes, the concentration of pigments decreased below the detection limits while in tanker truck wastes the use of surfactants along with electrooxidation led to a 90% abatement of the hydrocarbon concentration.Moreover, the capacitive deionization demonstrated an economical and promising method for the desalination and deionization of water.In addition, for the production of the required electricity in some Electrocoagulation experiments photovoltaic panels were employed. In this way the electrochemical waste purification was achieved via using renewable energy, so as it to become environmentally friendly and autonomous (especially for remote areas and islands).

Η παρούσα διδακτορική διατριβή καλύπτει σημαντικό μέρος του ερευνητικού πεδίου της επεξεργασίας υγρών βιομηχανικών αποβλήτων με χρήση ηλεκτροχημικών διεργασιών. Το προς επεξεργασία δείγμα υγρού αποβλήτου τοποθετείται στον ηλεκτροχημικό αντιδραστήρα, όπου λαμβάνουν χώρα οι διάφορες ηλεκτροχημικές διεργασίες λόγω της διέλευσης του ηλεκτρικού ρεύματος και των χημικών μετατροπών που προκαλούνται είτε άμεσα στην διεπιφάνεια διαλύματος/ηλεκτροδίου είτε έμμεσα με επακόλουθες φυσικοχημικές δράσεις στο κυρίως διάλυμα. Ο βασικός σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση της χρήσης ηλεκτροχημικών διεργασιών ως βασικών μεθόδων στην επεξεργασία υγρών βιομηχανικών αποβλήτων. Γι’ αυτό το σκοπό μελετήθηκε η αποτελεσματικότητα των ηλεκτροχημικών μεθόδων , όπως ο χωρητικός απιονισμός (capacitive deionization) με νανο-πορώδη ηλεκτρόδια άνθρακα, η ηλεκτροκροκίδωση (electrocoagulation) με ηλεκτρόδια αλουμινίου και σιδήρου, η ηλεκτροοξείδωση (electrooxidation) με διάφορα είδη ηλεκτροδίων και η ειδική ηλεκτροοξείδωση ηλεκτρο-Φεντον (electro-Fenton). Ως ρύποι-στόχοι αποτέλεσαν α) τα βαρέα μέταλλα στις εκροές αποβλήτων επιμεταλλώσεων, β) οι χρωστικές στα υγρά απόβλητα βαφείων, γ) το υδρόθειο και τα υπολείμματα υδρογονανθράκων στα ελαιώδη απόβλητα επεξεργασίας πετρελαίου. Επιπρόσθετα μελετήθηκε η απομάκρυνση του NαCl από υδατικά διαλύματα. Από τα αποτελέσματα των πειραμάτων διαπιστώθηκε ότι οι ηλεκτροχημικές μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν αποτελούν ασφαλή και οικονομικό τρόπο απομάκρυνσης των ρυπογόνων ουσιών τόσο από προσομοιωμένα συνθετικά υδατικά διαλύματα όσο και από πραγματικά υγρά βιομηχανικά απόβλητα. Η επεξεργασία αποβλήτων με ηλεκτροκροκίδωση πέτυχε γρήγορη και αποτελεσματική μείωση των βαρέων μετάλλων και του υδρόθειου κατά 99,9%. Με την ίδια μέθοδο σε υδατικά διαλύματα που περιείχαν χρωστικές ουσίες η συγκέντρωση των χρωστικών μειώθηκε κάτω από τα όρια ανίχνευσης ενώ σε απόβλητα πετρελαιοφόρων φορτηγών με την χρήση επιφανειοδραστικών ουσιών και ηλεκτροοξείδωση η συγκέντρωση των υδρογονανθράκων μειώθηκε κατά 90%. Επίσης ο χωρητικός απιονισμός αποδείχθηκε μία οικονομική και πολλά υποσχόμενη μέθοδος για την αφαλάτωση και τον απιονισμό του νερού. Επιπλέον, για την παραγωγή της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας σε ορισμένα πειράματα ηλεκτροκροκίδωσης χρησιμοποιήθηκαν φωτοβολταικά πάνελς. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται ο ηλεκτροχημικός καθαρισμός αποβλήτων με την χρήση ανανεώσιμων μορφών ενέργειας. Έτσι η διαδικασία καθαρισμού γίνεται φιλική προς το περιβάλλον και αυτόνομη (ιδιαίτερα για απομακρυσμένες περιοχές και νησιά).