A second life for exhausted electrodes from AEM water electrolysis in wastewater treatment: A feasibility investigation

Abstract

La fine della vita utile primaria di un elettrodo non implica necessariamente la completa perdita della sua funzionalità elettrochimica. Questa tesi indaga la fattibilità del riutilizzo di un elettrodo NiFe2 precedentemente impiegato come anodo nell’elettrolisi dell’acqua con membrana a scambio anionico (AEMWE) per 100 h, incluse 72 h di prove accelerate di stress a diverse temperature e portate. L’elettrodo è costituito da ossido di tipo spinello NiFeCo cresciuto direttamente su feltro poroso di nichel. L’elettrodo è stato valutato per il trattamento elettrochimico di una soluzione modello contenente 50 ppm di Orange II (AO). Prove preliminari con feltro di nichel non rivestito hanno permesso di individuare condizioni elettrolitiche adeguate, selezionando una soluzione contenente circa 10,6 mM di KCl. Gli elettrodi NiFe2 freschi e usati sono stati testati mediante cronopotenziometria a densità di corrente di 5 e 10 mA/cm2 in una cella a tre elettrodi. Le prestazioni sono state valutate mediante spettroscopia UV-Vis, misurando la diminuzione dell’assorbanza a 485 nm come indicatore della decolorazione. Entrambi gli elettrodi hanno raggiunto un’elevata decolorazione nelle condizioni investigate. A 10 mA/cm2, gli elettrodi usato e fresco hanno raggiunto rispettivamente il 98,6% e il 97,7% dopo 30 min. A 5 mA/cm2, i valori sono stati rispettivamente del 97,5% e del 97,8% dopo 60 min. La comparabilità dei risultati supporta la fattibilità del riutilizzo di un elettrodo precedentemente impiegato nell’AEMWE per una seconda applicazione elettrochimica. Tuttavia, la riduzione dell’assorbanza non dimostra la completa degradazione o mineralizzazione dell’AO. Sono necessari ulteriori studi sulla stabilità a lungo termine, sugli intermedi di reazione e sulle modifiche della composizione dell’elettrodo.

The end of an electrode’s primary service life does not necessarily imply the complete loss of its electrochemical functionality. This thesis investigates the feasibility of reusing a NiFe2 electrode previously employed as an anode in anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE) for 100 h, including 72 h of accelerated stress testing under different temperatures and flow rates. The electrode consists of NiFeCo-spinel oxide grown directly on porous Ni felt. The electrode was evaluated for the electrochemical treatment of a model solution containing 50 ppm Orange II (AO). Preliminary tests with bare Ni felt identified suitable electrolyte conditions, leading to the selection of a solution containing approximately 10.6 mM KCl. Fresh and used NiFe2 electrodes were tested by chronopotentiometry at 5 and 10 mA/cm2 in a three-electrode cell. Treatment performance was assessed by UV-Vis spectroscopy through the decrease in absorbance at 485 nm as an indicator of decolorization. Both electrodes achieved high decolorization under the investigated conditions. At 10 mA/cm2, the used and fresh electrodes reached 98.6% and 97.7% decolorization, respectively, after 30 min. At 5 mA/cm2, they achieved 97.5% and 97.8%, respectively, after 60 min. The comparable results support the feasibility of reusing a previously operated AEMWE electrode for a secondary electrochemical application. However, absorbance reduction does not establish complete AO degradation or mineralization. Further studies are needed to investigate long-term stability, reaction intermediates, and changes in electrode composition.