Current to clean water: Optimizing the efficiency of electrochemical advanced oxidation process with boron doped diamond electrodes

Pharmaceutical micropollutants, once excreted, enter municipal wastewater and are inadequately removed by conventional wastewater treatment. Electrochemical Advanced Oxidation Processes (EAOP) with boron-doped diamond (BDD) anodes offer a promising route for their degradation. However, large-scale use is still limited. The aim of this thesis is therefore to contribute to the optimization of anodic oxidation with BDD in order to increase the degradation rate, reduce the energy requirement and avoid the formation of oxidation by-products such as chlorate and perchlorate. These optimization challenges are addressed using the persistent X-ray contrast agent diatrizoate (DTZ) as a model compound. Four optimization approaches were developed and investigated: (i) coupling anodic oxidation with the two-electron oxygen reduction reaction at gas diffusion electrodes to reduce cell voltage and generate hydrogen peroxide; (ii) applying modulated current profiles to enhance efficiency and suppress chlorate/perchlorate formation; (iii) introducing solid electrolytes to improve ionic conductivity in low-conductivity media; and (iv) understanding complex matrices through the degradation of synthetic urine, reflecting source-separated wastewater conditions. Batch-scale experiments assessed operating parameters such as current density, temperature, and electrolyte composition. Results demonstrate improved energy efficiency, increases of the degradation rate, and by-product mitigation strategies, while providing novel insights into the degradation of complex wastewater matrices. Overall, this work reveals more interrelationships between individual parameters, providing deeper insights into the electrochemical process on the whole, thereby advancing the practical potential of anodic oxidation with BDD.

Pharmazeutische Mikroschadstoffe, die ausgeschieden werden, gelangen in das kommunale Abwasser und werden in der konventionellen Abwasserbehandlung nur unzureichend entfernt. Elektrochemische Advanced Oxidation Processes (EAOP) mit bor-dotierten Diamantanoden (BDD) bieten einen vielversprechenden Ansatz für deren Abbau. Der großtechnische Einsatz ist jedoch weiterhin begrenzt. Ziel dieser Arbeit ist es daher, zur Optimierung der anodischen Oxidation mit BDD beizutragen, um die Abbaurate zu erhöhen, den Energiebedarf zu senken und die Bildung von Oxidationsnebenprodukten wie Chlorat und Perchlorat zu vermeiden. Diese Herausforderungen werden anhand des persistenten Röntgenkontrastmittels Diatrizoat (DTZ) als Modellsubstanz untersucht. Es wurden vier Optimierungsansätze entwickelt und verfolgt: (i) die Kopplung der anodischen Oxidation mit der zwei-Elektronen-Sauerstoffreduktionsreaktion an Gasdiffusionselektroden zur Senkung der Zellspannung und gleichzeitigen Erzeugung von Wasserstoffperoxid; (ii) der Einsatz modulierten Stromprofils zur Steigerung der Effizienz und Unterdrückung der Chlorat-/Perchloratbildung; (iii) die Einführung fester Elektrolyte zur Verbesserung der Ionenleitfähigkeit in schwach leitfähigen Medien; und (iv) das Verständnis komplexer Matrizes durch den Abbau von synthetischem Urin als Abbild einer quellgetrennten Abwasserbehandlung. Batch-Experimente untersuchten verschiedene Betriebsparameter wie Stromdichte, Temperatur und Elektrolytzusammensetzung. Die Ergebnisse zeigen eine verbesserte Energieeffizienz, einen erhöhten Abbaurate sowie Strategien zur Vermeidung von Nebenprodukten und liefern zugleich neue Erkenntnisse zum Abbau komplexer Abwassermatrizes. Insgesamt wurden dadurch weitere Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Parametern aufgedeckt und ein tieferes Verständnis des elektrochemischen Prozesses als Ganzes erreicht, wodurch das praktische Potenzial der anodischen Oxidation mit BDD weiter gestärkt wird.