Napięcie redoks, często używane synonimicznie z potencjałem redoks, jest istotnym parametrem w przemysłowym oczyszczaniu wody i ścieków. Opisuje ono stan elektrochemiczny systemu w odniesieniu do reakcji transferu elektronów pomiędzy substancjami utleniającymi i redukującymi. W przeciwieństwie do potencjału redoks, który jest mierzony w kontekście elektrody odniesienia, napięcie redoks często odnosi się do różnicy między procesami utleniania i redukcji w systemie. Jest ono mierzone w miliwoltach (mV ) i jest bezpośrednią miarą zdolności medium do uwalniania lub przyjmowania elektronów.

Podstawy napięcia redoks

Procesy utleniania i redukcji

Napięcie redoks opiera się na reakcjach redoks, w których elektrony są przenoszone między cząsteczkami lub jonami. Zawsze zachodzą dwie częściowe reakcje:

• Utlenianie: uwalniane są elektrony.
• Redukcja: Elektrony są absorbowane.

Napięcie redoks jest miarą równowagi elektrochemicznej tych procesów. Opisuje ono siłę napędową, z jaką elektrony przepływają od czynnika redukującego (donora elektronów) do czynnika utleniającego (akceptora elektronów). Im wyższe napięcie redoks, tym silniejsza siła utleniająca medium; jeśli napięcie redoks jest niskie, dominuje siła redukująca.

Pomiar elektrochemiczny

Napięcie redoks jest mierzone zgodnie z zasadami elektrochemii. Elektroda pomiarowa (np. wykonana z platyny lub złota) jest wprowadzana do medium. Elektroda ta oddziałuje z parami redoks w wodzie. Do pomiaru używana jest elektroda odniesienia (np. elektroda srebrna/chlorek srebra lub elektroda kalomelowa) w celu zapewnienia stabilnego potencjału porównawczego.

Potencjał redoks zależy od takich czynników jak stężenie par redoks, temperatura i wartość pH. Pomiar musi być zatem przeprowadzony w kontrolowanych warunkach w celu uzyskania porównywalnych wartości.

Praktyczne znaczenie napięcia redoks w technologii wody i ścieków

1. dezynfekcja

W uzdatnianiu wody potencjał redoks jest często wykorzystywany do monitorowania dezynfekcji, szczególnie w przypadku stosowania chloru, ozonu lub nadtlenku wodoru. Wysoki potencjał redoks (np. > 650 mV) wskazuje na wystarczającą moc utleniania, która jest niezbędna do zabijania zarazków i patogenów.

• Przykład chloru:
  W przypadku stosowania chloru potencjał redoks jest wskaźnikiem skuteczności dezynfekcji. Chlor utlenia związki organiczne i mikroorganizmy, co zwiększa potencjał redoks.

2. utlenianie zanieczyszczeń

Potencjał redoks jest wykorzystywany w reakcji Fentona, w której sole żelaza(II) i nadtlenek wodoru reagują, tworząc rodniki hydroksylowe (OH-). Rodniki te bardzo skutecznie utleniają zanieczyszczenia organiczne.

• Typowy cel: Degradacja substancji organicznych, które są trudne do rozkładu (np. w ściekach farmaceutycznych lub chemicznych).

3) wytrącanie i redukcja chromu(VI) do chromu(III) za pomocą wodorosiarczynu sodu

Redukcja chromu(VI) do chromu(III) w ściekach przemysłowych jest szczególnym obszarem zastosowania napięcia redoks. Chrom(VI) jest wysoce toksycznym i rakotwórczym metalem ciężkim, który występuje w wielu procesach, na przykład w obróbce metali lub obróbce powierzchni. Aby zachować zgodność z limitami prawnymi, chrom(VI) jest często redukowany za pomocą wodorosiarczynu sodu (NaHSO₃).

Mechanizm reakcji:
Wodorosiarczyn sodu działa jako środek redukujący, który przekształca chrom(VI) w kwaśnym roztworze w mniej toksyczną i łatwiejszą do wytrącenia formę chromu(III).

• Jony chromianowe (Cr₂O₇²-) są przekształcane w jony chromu(III) (Cr³⁺) poprzez transfer elektronów.
• Protony (H⁺) z kwaśnego roztworu wspomagają redukcję.
• Powstały chrom(III) można następnie usunąć z wody przez wytrącenie w postaci wodorotlenku chromu (Cr(OH)₃).

Monitorowanie potencjału redoks:
Potencjał redoks jest kluczowym parametrem w tym procesie, ponieważ odzwierciedla skuteczność redukcji:

• Ein niedriges Redoxpotential (< +200 mV) zeigt an, dass genügend Reduktionsmittel vorhanden ist und die Reaktion in Richtung Chrom(III) verläuft.
• Rosnące wartości redoks wskazują, że redukcja jest niekompletna lub że wymagane jest dodatkowe dozowanie wodorosiarczynu sodu.

Praktyczne zastosowanie:
W praktyce wodorosiarczyn sodu jest dozowany w pozbawionym tlenu, silnie kwaśnym środowisku (pH 2-3), aby zapewnić skuteczną i całkowitą redukcję. Powstały chrom(III) jest wytrącany jako nierozpuszczalny wodorotlenek chromu poprzez podniesienie pH do 7-9 i może być usunięty przez sedymentację lub filtrację.

Proces ten łączy dozowanie chemikaliów, monitorowanie potencjału redoks i procesy strącania, zapewniając bezpieczne i zgodne z przepisami oczyszczanie ścieków.

4. biologiczne oczyszczanie ścieków

Potencjał redoks jest ważnym parametrem w biologicznym oczyszczaniu ścieków, ponieważ odzwierciedla aktywność mikroorganizmów:

• Procesy tlenowe: Wysokie wartości redoks (> 200 mV).
• Anaerobe Prozesse: Niedrige Redoxwerte (< -200 mV).

Ukierunkowane monitorowanie napięcia redoks pomaga zoptymalizować procesy i chronić system przed niepożądanymi reakcjami biologicznymi (np. redukcją siarczanów lub tworzeniem się metanu).