ELEKTROKOAGULACIJA KAO ODRŽIVA TEHNOLOGIJA ZA TRETMAN VODE: PRINCIPI, DIZAJN I SAVREMENE PRIMENE

Voda i sanitarna tehnika LV(4) 17-30 (2025) IZVOD Elektrokoagulacija (EK) je održiva tehnologija za tretman voda koja in-situ generiše gvozdene ili aluminijumske koagulantne vrste elektrolitičkim rastvaranjem anoda. Kombinuje neutralizaciju naelektrisanja, flokulaciju, adsorpciju/koprecipitaciju i elektroflotaciju, uz moguće oksidacione efekte reaktivnih vrsta. Dizajn reaktora (geometrija, A/V odnos, tok), izbor i konfiguracija elektroda (Fe/Al; MP-P, MP-S, BP-S), rastojanje između elektroda i gustina struje presudno utiču na efikasnost, potrošnju energije, generisanje mulja i pasivizaciju. EK pouzdano uklanja arsen i druge metale/metaloide, prirodne organske materije i boje, ulja, PFAS, farmaceutike te mikroorganizme/viruse, uz dobru prilagodljivost pilotu i industriji i posebnu pogodnost za decentralizovane/ruralne sisteme. Dalji razvoj obuhvata integraciju obnovljivih izvora i unapređenje kontrole radi energetske optimizacije i produženja veka elektroda. Ključne reči: elektrokoagulacija, tretman vode, elektrode, primenjivost ABSTRACT Electrocoagulation (EC) is a sustainable water-treatment technology that in situ generates ironor aluminum-based coagulant species via electrolytic dissolution of sacrificial anodes. It combines charge neutralization, flocculation, adsorption/co-precipitation, and electroflotation, with possible oxidative effects from reactive species. Reactor design (geometry, electrode area-to-volume ratio, flow regime), electrode selection and configuration (Fe/Al; MP-P, MP-S, BP-S), interelectrode spacing, and current density are critical determinants of removal efficiency, energy consumption, sludge generation, and passivation. EC reliably removes arsenic and other metals/metalloids, natural organic matter and color, oils, PFAS, pharmaceuticals, and microorganisms/viruses, demonstrating strong adaptability from pilot to full scale and particular suitability for decentralized/rural systems. Future development includes integration of renewable energy sources and advanced control to optimize energy use and extend electrode lifetime. Keywords: electrocoagulation, water treatment, electrodes, applicability ELEKTROKOAGULACIJA KAO ODRŽIVA TEHNOLOGIJA ZA TRETMAN VODE: PRINCIPI, DIZAJN I SAVREMENE PRIMENE ELECTROCOAGULATION AS A SUSTAINABLE TECHNOLOGY FOR WATER TREATMENT: PRINCIPLES, DESIGN, AND RECENT APPLICATIONS Kristiana Zrnić Tenodi*1, Emilijan Mohora2, Slaven Tenodi1, Nataša Duduković1, Đorđe Pejin1, Jasmina Agbaba1, Srđan Rončević1 1Univerzitet u Novom Sadu, Prirodno-matematički fakultet, Departman za hemiju, biohemiju i zaštitu životne sredine, 21000 Novi Sad, Trg Dositeja Obradovića 3, e-mail: [email protected] 2Univerzitet Singidunum, 11000 Beograd, Danijelova 32 Pregledni rad UDK: https://zenodo.org/badge/DOI/ 1. ELEKTROKOAGULACIJA, ISTORIJAT I PRIMENA Elektrokoagulacija (EK) ima dugu i dobro dokumentovanu istoriju,pri čemu je prva primena na industrijskom nivou dokumentovana je 1889. u Londonu (Vik i sar., 1984; Mao i sar., 2023), a rani patenti A. E. Dietericha (1906) i J. T. Harriesa (1909) uveli su istovremenu upotrebu (Fe) i aluminijumskih (Al) elektroda, praksu koja se zadržala do danas (U.S. Patent, 1909; Vik i sar., 1984). Značajan korak napred usledio je 1976. godine, kada je opisana EK jedinica za separaciju ulje–voda sa do 99% efikasnosti u 10– 20 min, čime je otvoren put širem industrijskom usvajanju (Kaliniichuk i sar., 1976). Danas se EK smatra tehnologijom velikog potencijala za uklanjanje Kristiana ZRNIĆ TENODI, Emilijan MOHORA, Slaven TENODI, Nataša DUDUKOVIĆ, Đorđe PEJIN, Jasmina AGBABA, Srđan RONČEVIĆ 18 VODA I SANITARNA TEHNIKA zagađujućih materija, posebno arsena u vodi za piće (Zrnić Tenodi i sar.,2023; 2024), pogodnom za male decentralizovane sisteme, ali skalabilnom na >1000 m3/d paralelnim modulima (Holt i sar., 2006; Lu i sar., 2021). Istraživanja dosledno potvrđuju uklanjanje suspendovanih čestica, koloida, organskih materija, boja, ulja i masti, metala i metaloida, fluora, fosfata, bakterija i virusa. EK je naročito efikasna prema hidrofobnim makromolekulima (huminske/ fulvinske kiseline, tanini, boje), dok je učinak na mala hidrofilna organska jedinjenja ograničen (Liu i sar., 2018). U uklanjanju teških metala/metaloida (Cd2+, Pb2+, Cu2+, Zn2+, Ni2+, Cr6+, As5+, As3+), EK pokazuje visok učinak, što je čini privlačnom i za industrijske/ komunalne vode i za pripremu podzemnih voda za piće. Poslednja decenija beleži nagli rast publikacija sa fokusom na podzemnim i površinskim vodama, kao i komunalnim i industrijskim voda, što potvrđuje prilagodljivost tehnologije (Lu i sar., 2021). U kontekstu Četvrte industrijske revolucije integracija solarne, vetro i hidro energije može smanjiti troškove i emisije CO2 i zameniti konvencionalno napajanje EK reaktora (Kumar i Pan, 2020). Dalji razvoj treba da cilja energetsku optimizaciju dizajna reaktora i spajanje sa unapređenim digitalnim alatima (AI, prediktivna kontrola, automatizacija), čime se povećavaju stabilnost, iskorišćenost elektroda i ukupna energetska efikasnost (Lu i sar., 2021). 2. MEHANIZAM ELEKTROKOAGULACIJE I FORMIRANJE KOAGULACIONIH VRSTA EK je srodna hemijskoj koagulaciji sa solima gvožđa (Fe) ili aluminijuma (Al), ali se koagulantne katjonske vrste kod EK stvaraju „in situ“ elektrolitičkim rastvaranjem materijala elektrode usled oksidacije, takozvane „žrtvene“ anode (eng. sacrificial electrode). Nastali Fe/Al (monoi polimerni) hidroksikompleksi brzo neutrališu površinska naelektrisanja zagađujućih materija i podstiču aglomeraciju i taloženje. U odnosu na klasičnu koagulaciju, EK često postiže niže rezidualne koncentracije zagađujućih materija potencijalno smanjujući ili potpuno eliminišući potrebu za relativno skupim koagulantima. Tehnologija koristi elektrode od Fe i Al-najčešće zbog povoljne cene i visoke efikasnosti, ali se u ovu svrhu mogu koristiti materijali na bazi Zn, Mg ili Ti (ElGhenimi i sar., 2020). Glavni princip EK zasniva se na prolasku električne struje kroz anode, čime dolazi do aglomeracije nastalih metalnih koagulacionih vrsta, bilo monomernih ili polimernih. U zavisnosti od pH vrednosti rastvora, mogu se formirati nerastvorni amorfni metalni hidroksidi, koji dodatno adsorbuju i koprecipituju zagađujuće materije. Istovremeno, generisani OH  /H + joni pomažu puferovanje, pa se proces najčešće odvija blizu neutralnog pH. Uklanjanje kontaminanata pomoću EK je kombinacija neutralizacije naelektrisanja, “sweep” flokulacije, adsorpcije i koprecipitacije. Ključne elektrodne i hemijske transformacije u ćeliji opisane su odgovarajućim reakcijama (1-3) (Holt i sar., 2006): Anodna reakcija - rastvaranje metala sa anode: (1) Gde M predstavlja metal koji se koristi kao anoda (najčešće Fe ili Al), a n je broj elektrona oslobođenih tokom reakcije. Ova reakcija rezultira stvaranjem metalnih katjona u rastvoru. Anodna i katodna reakcija – oksidacije, odnosno redukcije vode, respektivno dovode do, stvaranje gasovitog kiseonika i protona (H+) na anodi, odnosno stvaranje gasovitog vodonika i hidroksidnih jona na katodi (Hamdan i ElNaas, 2014): (2) (3) Rastvoreni metalni joni iz reakcije (1) mogu da formiraju metalne hidrokside u rastvoru, koji dalje deluju kao koagulati. Reakcija (2) pokazuje oksidaciju vode, koja dovodi do stvaranja kiseonika (O2) na anodi, dok reakcija (3) dovodi do stvaranja vodonika (H2) na katodi. Ovako nastali gasovi stvaraju mehuriće koji imaju važnu ulogu. Mehurići zahvataju mikroflokule i iznose ih na površinu, gde formiraju sloj pene koji se lako može ukloniti. Ovaj proces se naziva elektroflotacija i smatra se jednim od glavnih mehanizama uklanjanja zagađujućih materija u EK procesu naročito prilikom primene Al elektroda (Sahu i sar. 2014). Konkretno za Al i Fe elektrode, sledeće reakcije (4-11) predstavljaju osnovu funkcionisanja sistema EK: Za elektrode od aluminijuma, na anodi se odvijaju: (4) (5) a na katodi: (6) (7) br. 4 • oktobar-decembar • god. LV 19 Za elektrode od gvožđa, na anodi se odvijaju sledeće reakcije: (8) (9) a na katodi: (10) (11) Glavni mehanizmi elektrokoagulacije, uključujući flokulaciju, sorpciju, flotaciju, oksidaciju i redukciju, prikazani su na slici 1 (Holt i sar., 2006). Slika 1. Prikaz EK ćelije sa mehanizmima (prilagođeno iz Holt i sar., 2006) Količina rastvorenih metalnih jona u elektrokoagulacionom procesu je direktno proporcionalna primenjenoj gustini struje i ova veza je definisana Faradejevim zakonom (jednačina 12) (Singh i Ramesh, 2014). [g] (12) gde je: m-masa oslobođenog metala [g], I-primenjena struja [A], t-vreme trajanja tretmana [s], M-molarna masa (Fe - 56g/mol; Al - 27g/mol), F-Faradayeva konstanta [96485 C/mol] i Z-broj elektrona u reakciji. Iz jednačine se vidi da je količina rastvorenog metala direktno proporcionalna primenjenoj struji i vremenu, dok je obrnuto proporcionalna broju elektrona. Jačina struje utiče i na količinu oslobođenih mehuriće, njihova veličina je obrnuto, a broj direktno proporcionalna. Veća gustina struje daje sitnije i brojnije mehuriće, s većom ukupnom površinom, što pojačava adsorpciju i flotaciju zagađujućih materija (Hamdan i El-Naas, 2014). U rastvorima sa Cltokom elektrohemijskog tretmana na Fe elektrodama, anodnom oksidacijom mogu nastati reaktivne vrste hlora kao što su Cl2 i HOCl/ OCl - . (reakcije 13–15). One obezbeđuju jak oksidacioni kapacitet, pa se teško razgradive organske supstance transformišu/modifikuju i lakše uklanjaju (Delaire i sar., 2015). (13) (14) (15) O2 oslobođen sa anode podstiče nastanak H2O2, koji kao intermedijer omogućava prevođenje toksičnih u netoksične vrste. „In situ“ formirani oksidi gvožđa ubrzavaju oksidaciju Fe2+ i uz katalizaciju pomoću O 2 doprinose stvaranju hidroksilnih radikala (Qian i sar., 2019). Tokom procesa mogu se formirati i druge reaktivne vrste kiseonika, poput O 2 •  i ferila (Fe(IV)) (jednačine reakcije 16-19). Standardni redukcioni potencijali Fe(IV)/Fe(III) tokom ovog procesa iznose približno 2,0V/SHE, dok za O 2 •⁻/H 2 O 2 iznosi 0,9V/SHE (Qian i sar., 2019). (16) (17) (18) (19) Flokule nastale tokom procesa brzo sedimentiraju, a nedostaci su trošenje žrtvenih anoda, troškovi električne energije i potreba za većom provodljivošću vode. 3. UTICAJ DIZAJNA REAKTORA NA EFIKASNOST TRETMANA Kako kod većine tehnologija, različiti operativni parametri i faktori značajno utiču na efikasnost tretmana pa je u slučaju elektrokoagulacije to pre svega materijal elektroda, dizajn reaktora, tip napajanja i gustina struje, kao i rastojanje, povezivanje i konfiguracija elektroda. 3.1. Materijal elektroda Izbor elektrodnog materijala u praksi predstavlja izbor između Fe, Al, Cu, Mg, Zn, Ti, nerđajući i niskougljenični čelik, kao i legure (Sahu i sar., 2014; Gilhotra i sar., 2018). Zbog dostupnosti, cene i 20 VODA I SANITARNA TEHNIKA elektrohemijskih svojstava, najčešći izbor su Fe i Al elektrode, koje generišu različite metalne hidrokside tokom procesa (Ezechi i sar., 2020). Efikasnost Fe/Al sistema snažno zavisi od pH tretiranog medijuma (Kobya i sar., 2020). Fe anode obično pokazuju veću brzinu oksidacije od Al zbog većeg oksidacionog kapaciteta i postojanja više valentnih stanja Fe (npr. Fe 2+ /Fe 3+ ), što utiče na tip i reaktivnost nastalih hidroksida (Weiss i sar., 2021). U praksi, izbor između Fe i Al zavisi od dostupnosti, redoks uslova, ciljnih zagađujućih materija i željenog pH radnog opsega. Fe elektrode najbolje rade u višem pH (6,5–9), stvarajući Fe(OH)3 koagulante, time su posebno efikasne za arsen, fosfate i teške metale, ali im učinak opada pri jakom kiselom ili iznad 9 pH. Al elektrode pokazuju optimalnu efikasnost oko neutralnog/blago kiselog pH (6–7), formiraju Al(OH)3 i bolje uklanjaju huminske kiseline i teške metale u tom opsegu, uz veću fleksibilnost prema različitim tipovima otpadnih voda. Al elektroda je prirodno pasivna zbog stvaranja površinskog sloja oksida. Mana ovih slojeva jeste mogućnost formiranja debelih filmova i oštećenje i nemogućnosti zaštite od procesa korozije. Prilikom oksidacije Al gubi tri elektrona i stepen oksidacije povezan je sa njenim elektrodnim potencijalom (Ezechi i sar., 2020). Fe elektrode takođe razvijaju pasivni sloj, pri čemu u spoljašnjoj zoni dominira Fe(III), a na metal/oksid granici postoje Fe(II) mesta (Ezechi i sar., 2020). Ako se na površini akumuliraju slabo provodljivi oksihidroksidi (goetit, lepidokrocit), raste otpor prenosa naelektrisanja i pomera se reakcija ka evoluciji O 2 umesto rastvaranja Fe(0) i formiranje Fe(II), što snižava učinak. Zato je uklanjanje pasivnog sloja ključno za šta se može koristiti promena polariteta, uslovi skladištenja, mehanička abrazija elektroda, gde su Bandaru i sar., (2020) i Müller i sar., (2019) potvrdili efikasnost mehaničkog čišćenja, dok se kod Zrnić Tenodi i sar., (2024) hemijski predtretman i promena polariteta pokazala kao bolja. Fe je često povoljniji od Al zbog nižih troškova, niže toksičnost materijala, šireg pH opsega, modularnost i dostupnosti samog materijala i zbog svega navedenog, veče pogodnost za ruralne sredine (Kobya i sar., 2020). Elektrodni tretman sa Ti anodama za uklanjanje huminske kiseline ispitivali su El-Ghenymy i saradnici (2020) i više od 94% uklanjanja ukupnog organskog ugljenika (TOC) i potpuno obezbojenje rastvora od huminskih kiselina je postignuto nakon 90 min. Generalno, EK sa modernim elektrodama postiže >80% uklanjanja većine zagađujućih materija kao što su teški metali, organske materije, nitrati i fosfati pod umerenim uslovima (Lu i sar., 2021). 3.2. Dizajn reaktora Sistematski metod za projektovanje EK reaktora još uvek ne postoji; zato se njihov dizajn zasniva na rezultatima laboratorijskih, pilot i industrijskih ispitivanja. Oblik reaktora direktno određuje performanse, energetsku potrošnju i kapacitet sistema. Najčešće su pravougaoni ili cilindrični, dok se prema orijentaciji protoka dele na tipove sa horizontalnim i vertikalnim tokom (slika 2) (Chen, 2004). Slika 2. Prikaz reaktora sa horizontalnim (a) i vertikalnim (b) tokom (prilagođeno iz Chen, 2004) Radi veće efikasnosti mešanja i prenosa mase razvijeni su EK reaktori sa turbulentnim i serpentinastim tokom (Hakizimana i sar., 2017). Najčešće se koriste pravougaoni i cilindrični šaržni reaktori (slike 3 a, b) pri čemu je cilindrični pogodniji za laboratoriju zbog jednostavne izrade. Za kontinuirani rad se koriste reaktori sa horizontalnim ili vertikalnim elektrodama (slika 3 c, d), pri čemu se vertikalne češće primenjuju jer se ploče lakše menjaju. Ugradnja perforiranih ulaznih cevi (slika 3c) i pregradnih ploča (slike 3d, e) obezbeđuje ravnomerniji protok i povećava turbulenciju, čime se poboljšava prenos mase i transport koagulanta (Graca i sar., 2019). Cilindrični stubni reaktori (slika 3f) sa koaksijalnim elektrodama (unutrašnja šipka–anoda, spoljašnja mreža–katoda) omogućavaju rad u oba režima i visoku fleksibilnost (Kobia i sar., 2020). Visoki reaktor sa vertikalnim pločama je popularan i lako skalabilan. Otvoren gornji deo olakšava održavanje, a glavni nedostatak je slabo mešanje (Hakizimana i sar., 2017). EK reaktori mogu biti jednokanalni ili višekanalni (slika 4) (Bilgili i sar., 2016). Višekanalni obezbeđuju jednostavnu raspodelu protoka, dok jednokanali omogućavaju veću brzinu strujanja i „ribanje“ površine elektroda, čime se smanjuje pasivizacija. Klasični reaktori sa statičkim elektrodama često pate od slabe difuzije i prenosa mase, pa su razvijene izvedbe sa rotirajućim i vibrirajućim elektrodama koje poboljšavaju mešanje i sprečavaju formiranje br. 4 • oktobar-decembar • god. LV 21 „mrtvih zona“. Savremeni razvoj dizajna EK reaktora usmeren je na povećanje efikasnosti i isplativosti, uz jednostavnu konstrukciju, lako održavanje i mogućnost integracije sa obnovljivim izvorima energije (Hakizimana i sar., 2017; Lu i sar., 2021). Slika 3. Tipovi najčešće korišćenih EK reaktora (prilagođeno iz Lu i sar., 2021) Tokom dizajna EK reaktora ključni su geometrija, odnos površine elektrode i zapremine reaktora (A/V odnos), te optimizacija gustine struje, vremena zadržavanja i režima protoka. A/V ima značajan uticaj na količinu formiranih hidroksida/oksihidroksida i na putanju/dužinu kretanja mehurića. Iako retko istraživan, A/V je najčešće 6,5–45 (m 2 /m 3 ) a njegovo povećanje može skratiti vreme tretmana i smanjiti potrebnu optimalnu gustinu struje (Hakizimana i sar., 2017). Prevelik A/V vodi do nepotrebne potrošnje elektroda što dovodi do većeg generisanja mulja, povećava rizik od pasivizacije elektroda, kao i potrošnju energije, otežavajući automatizaciju i upravljanje (Damaraju i sar., 2019). Slika 4. Prikaz višekanalnog (a) i jednokanalnog (b) toka u zavisnosti od položaja elektroda Kada je površina elektrode dovoljno velika, glavni operativni parametar je trenutna koncentracija (Hakizimana i sar., 2017). Ovaj parametar obuhvata odnos struje (proizvod gustine struje i površine elektrode) i radne zapremine EK ćelije, i omogućava definisanje količine oslobođenog metala u datom vremenu tretmana u šaržnom režimu rada korišćenjem jednačine (20). U kontinualnom režimu, zapremina reaktora omogućava definisanje vremena zadržavanja za razmatranu brzinu protoka vode i tako se može odrediti količina oslobođenog metala. [g/m 3 ] (20) gde je: Cteorijska-teorijska koncentracija oslobođenog metala [g/m3], I-primenjena struja (A), t-vreme trajanja tretmana [s], M-molarna masa [Fe 56g/mol; Al 27g/ mol], F-Faraday-eva konstanta [96485 C/mol], Z-broj elektrona u reakciji., V-radna zapremina reaktora (m3). 3.3. Vrste napajanja i gustina struje Osnovna oprema koja se koristi u EK tehnologiji je izvor-napajanje strujom. Najčešće se koristi jednosmerna struja (DC), ali ona podstiče pasivizaciju elektroda, povećava pad napona i potrošnju energije. Istraživanja predlažu prelazak na naizmeničnu (AC) ili impulsnu struju. AC često povećava efikasnost uklanjanja, smanjuje mulj i potrošnju energije, npr. pri uklanjanju nitrata sa Al elektrodama operativni troškovi su bili 40% niži nego kod DC, a za Cd sa Fe elektrodama ostvarena je veća efikasnost uz manju potrošnju (Karamati-Niaragh i sar., 2019). Gustina struja je definisana kao struja po jedinici površine elektrode, i direktno određuje brzinu nastajanja koagulanta i mehurića, veličinu flokula, mešanje i prenos mase (Sahu i sar., 2014). Prevelika gustina struje ubrzava pasivizaciju elektroda, povećavajući napon i smanjujući efikasnost struje (Ce) (jednačina 21), koja predstavlja odnos stvarne i teoretske proizvodnje metala (Chen i sar., 2020). Ce od 1,0 (100%) ukazuje na potpunu efikasnost anode, a smanjenje Ce kroz vreme označava opadanje učinka EK tretmana. (21) gde je: Δmexp - merena razlika masa elektrode pre i posle tretmana nakon čišćenja, pranja i sušenja elektroda, [g] i Δm t - teorijska masa oslobođenog gvožđa ili aluminijuma sa anode, [g]. Na optimalnu gustinu struje utiču i pH, temperatura i protok. Za dugotrajan rad bez čestog održavanja preporučuje se da gustina struje EK procesa bude u 22 VODA I SANITARNA TEHNIKA opsegu od 20–25A/m2 ako se ne preduzmu efikasne mere za periodično čišćenje površina elektroda (Chen i sar., 2020; Lu i sar., 2021). U EK procesu, pored potrošnje elektroda, drugi relevantni operativni trošak je potrošnja električne energije. Električna energija (E energija kWh/m 3 ) se jednostavno izražava pomoću jednačine 22, kao: (22) gde je: U-primenjeni napon [V]; I-primenjena struja [A]; t-reakciono vreme [h] i VL-zapremina fluida [m3]. Optimalna gustina struje predstavlja kompromis između efikasnosti iskorišećenja i ukupnih troškova procesa. Prevelike vrednosti dovode do prekomernog generisanja mulja i energetskih gubitaka, bez značajnog povećanja učinka. Stoga se optimizacija mora zasnivati na tri kriterijuma, efikasnost uklanjanja, potrošnja energije i količina nastalog mulja. U tom cilju uspešno je primenjen dizajn metode odzivne površine (RSM) za istovremenu optimizaciju gustine struje i vremena tretmana (Song i sar., 2017). Radi smanjenja troškova i povećanja primenljivosti u udaljenim područjima, razvijeni su sistemi koji su napajani iz obnovljivih izvora, poput solarne i energije vetra (Tones i sar., 2020). Takvi sistemi omogućavaju niže operativne troškove i smanjenje emisija gasova staklene bašte, ali su ograničeni promenljivom proizvodnjom i ekološkim otiskom komponenata. Konvencionalni izvori ostaju stabilniji i jednostavniji za upravljanje, ali donose veće troškove i emisije. U celini, obnovljivi izvori energije nude dugoročno povoljnije i održivije rešenje, uz potrebu za prilagođavanjem zahtevima kontinuiranog napajanja (Tones i sar., 2020; Lu i sar., 2021). 3.4. Rastojanje, povezivanje i konfiguracija elektroda Rastojanje između elektroda snažno utiče na performanse EK jer određuje elektrostatičko polje, režim strujanja, prenos mase, dimenzije reaktora i potrošnju energije. Manji razmak povećava polje i brzinu rastvaranja anode, ali može izazvati lom flokula, prezasićenje čvrstim fazama, otežanu cirkulaciju i pasivizaciju. Optimalan razmak stabilizuje flokule i flotaciju mehurićima; prevelik razmak smanjuje prenos mase i usporava reakcije. Razmak direktno utiče i na ohmski pad: bliže elektrode traže niži napon za isti tok struje, pa smanjuju energetske gubitke i operativne troškove što je potkrepljeno jednačinom 23. (23) gde je: I-primenjena struja [A], d-rastojanje između elektroda [m], A-površina elektroda [m2] i k-provodljivost [mS/m] (Song i sar., 2017). Ohmski otpor (R) pokazuje da otpornost zavisi od rastojanja između elektroda (d), površine elektroda (A), i provodljivosti rastvora (k). Dakle, što je manja udaljenost između elektroda, manji je otpor (R) a samim tim i napon IR potreban za prolazak struje. U EK se najčešće primenjuju tri rasporeda vezivanja elektroda, MP-P (monopolarno–paralelno), MP-S (monopolarno–serijski) i BP-S (bipolarno–serijski) (slika 5), a izbor utiče na efikasnost uklanjanja i potrošnju energije (Hakizimana i sar., 2017). U MP-P režimu sve anode su povezane međusobno, kao i sve katode; struja se deli između elektroda pa je potreban niži napon, kod MP-S režimu najudaljenije elektrode su vezane na izvor, a unutrašnje se polarizuju prolaskom struje; ukupni napon je zbir napona svake „ćelije u nizu“, pa je za zadatu struju obično potreban viši napon. U MP-S rasporedu unutrašnje „žrtvene“ elektrode mogu smanjiti potrošnju anode i pasivizaciju katode, dok je struja kroz sve elektrode jednaka (Hakizimana i sar., 2017). U BP-S režimu samo krajnje elektrode su direktno povezane na napajanje, unutrašnje se indukovano polarizuju i svaka deluje istovremeno kao anoda i katoda. Ovaj bipolarni raspored često je energetski povoljniji i efikasniji. Slika 5. Metode povezivanje elektroda :MP-P(a), MP-S (b) i serijski povezane bipolarne elektrode BP–S(c) Standard su paralelne pločaste elektrode, ali su razvijene perforirane, mrežaste, cilindrične, kuglaste i rotirajuće varijante radi jačeg mešanja, boljeg prenosa mase i smanjene pasivizacije (Lu i sar., 2021). Rotirajući diskovi smanjuju pasivizaciju i poboljšavaju performanse povećanjem brzine rotacije. Upotreba otpadnog Fe/Al kao pakovanih anoda dala je 93% uklanjanja As, uz prednost EK-Fe zbog bržeg dostizanja efikasnosti i niže struje. Kod protočnih višeelektrodnih EK reaktora, promene poprečnog preseka toka uzrokuju lokalne fluktuacije brzine i stvaraju turbulentne strukture, što ujednačava raspodelu gustine struje i pojačava prenos mase br. 4 • oktobar-decembar • god. LV 23 uz zadržavanje jednostavnog dizajna (Castañeda i sar., 2024). Brzina proticanja fluida predstavlja ključni hidraulični parametar koji direktno utiče na vreme zadržavanja, mešanje i efikasnost reakcije u elektrokoagulacionim reaktorima, i definiše se kao količina fluida koja protiče kroz jedinicu poprečnog preseka reaktora u jedinici vremena, i izražava se prema jednačini 24: [cm/h] (24) gde je: 𝑣-linearna brzina [cm/h], Q-volumetrijski protok fluida [cm3/h], a Ar-efektivni poprečni presek reaktora [cm2]. U uslovima laminarnog toka, linearna brzina omogućava procenu vremena zadržavanja i kinetike uklanjanja zagađujućih materija. Pravilno dimenzionisanje reaktora prema ovom parametru optimizuje kontakt između fluida i aktivne površine elektroda, posebno kod paralelne ili normalne orijentacije elektroda (Green i Southard, 2019). 4. PRIMENA ELEKTROKOAGULACIJE U UKLANJANJU RAZLIČITIH ZAGAĐUJUĆIH MATERIJA IZ VODA Tradicionalno, EK se uspešno primenjuje za efikasno uklanjanje različitih tipova zagađujućih materija iz voda, uključuju prirodne organske materije (eng. natural organic matter-NOM), fosfate (PO 4 3- ), kao i metalne i metaloidne zagađujuće supstance poput arsenata (AsO4 3-) i jone metala (Cd2+, Pb2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, CrO4 2-) (McBeath i sar., 2018; Zrnić Tenodi i sar., 2024). Usled intenzivne industrijalizacije, pored već poznatih zagađujućih materija, mnoštvo emergentnih hazardnih zagađujućih materija je prisutno i detektovano u vodenim sredinama. Neki od njih su izazvali veliku zabrinutost i stoga predstavljaju fokus mnogih istraživanja. Različite istraživačke grupe su ispitivale primenjivost elektrokoagulacije u uklanjanju ovih zagađujućih materija u koje spadaju ulja, hlorovana organska jedinjenja, PFAS, farmaceutici, mikroorganizmi, i drugih. Ova široka primenljivost potvrđuje potencijal EK kao univerzalne tehnologije za tretman kompleksno zagađenih voda, što je čini posebno značajnom u eri rastuće pojave emergentnih zagađujućih materija. 4.1. Uklanjanje arsena EK se tradicionalno uspešno primenjuje za efikasno uklanjanje različitih zagađujućih materija, koje, pored prethodno navedenih, uključuju prirodne organske meterije, boje, fosfate (PO4 3-), kao i metalne i metaloidne zagađujuće supstance poput arsenat (AsO4 3-) i jone metala (Cd2+, Pb2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, CrO4 2- ). Uklanjanje metala i metaloida u EK procesu odvija se kombinacijom precipitacije i ko-precipitacije sa Fe ili Al jonima, adsorpcije putem kompleksiranja i elektrostatičkog privlačenja, te formiranjem metalnih hidroksida i oksihidroksida koji vezuju zagađujuće materije. Brojna istraživanja potvrđuju da je EK izuzetno efikasna i pouzdana metoda za uklanjanje As(V), dok je postignut značajan napredak i u tretmanu As(III). U poređenju sa aluminijumskim, gvozdene elektrode (EK-Fe) pokazuju veću efikasnost u uklanjanju As(III) i manju sklonost pasivizaciji. Novi pristupi uključuju EK sisteme sa katodama koje koriste atmosferski vazduh, čime se poboljšava oksidacija As(III), ali i povećava rizik od pasivizacije elektroda i smanjenja efikasnosti (Şik i sar., 2017; Si i sar., 2018; Bandaru i sar., 2020; Zhang i sar., 2024). Dodatni izazov predstavljaju konkurentni joni poput fosfata i silikata, koji inhibiraju oksidaciju i adsorpciju arsena. Zbog jednostavnosti, pouzdanosti i niskih troškova, konvencionalni EK sistemi sa Fe ili Al elektrodama ostaju najpraktičniji izbor, posebno u ruralnim i infrastrukturno ograničenim područjima (Zrnić Tenodi i sar., 2023). Ipak, prednosti elektroda sa aeracijom, poput bolje oksidacije i potencijalno niže potrošnje energije, opravdavaju njihovo dalje istraživanje, pod uslovom da ekonomski i operativni parametri budu povoljni (Bandaru i sar., 2020; Meng i sar., 2025). 4.2. Uklanjanje prirodnih organskih materija Elektrokoagulacija se pokazala kao efikasna metoda za uklanjanje prirodnih organskih materija, posebno huminskih i fulvinskih kiselina koje doprinose boji i UV apsorbanciji vode. Ulu i saradnici (2014) su došli do optimalnih uslova za gvozdene elektrode pri pH 4, gde se postiže do 87% (do 2 mg/l) uklanjanja rastvorenog organskog ugljenika (eng. dissolved organic carbon-DOC). Aluminijumske elektrode daju slične rezultate, ali pri nižoj gustini struje (1,2 mA/cm2 u odnosu na 3 mA/cm2). Al-elektrode su pokazale bolji učinak u uklanjanju boje. Slični rezultati potvrđuju da je elektrokoagulacija veoma pogodna za smanjenje rastvorenih i koloidnih organskih materija koje utiču na optička svojstva i kvalitet vode. De Oliveira i saradnici (2020) postigli su uklanjanje boje od oko 96% uz nisku potrošnju energije (0,39 kWh/ m3), dok su McBeath i saradnici (2020) na pilot-nivou potvrdili da povećanje doze metala ima ključan uticaj na uklanjanje NOM-a, pri čemu je potrošnja energije iznosila 0,48–0,60 kWh/m 3 . Pored toga, kombinovano uklanjanje NOM-a i arsena elektrokoagulacijom u kontinuiranom ECF reaktoru pokazalo je da se istovremeno može postići 71–77% smanjenja DOC/ UV254 i 85% uklanjanja arsena (konačna koncentracija 𝑣 24 VODA I SANITARNA TEHNIKA 6,2 μg/l), uz zadovoljenje standarda vode za piće (Mohora i sar., 2012). Ovi rezultati potvrđuju potencijal elektrokoagulacije kao održive, energetski efikasne i ekonomične tehnologije za uklanjanje prirodnih organskih materija i metaloida iz voda, posebno u sistemima manjih kapaciteta (Zrnić Tenodi i sar., 2024). 4.3. Uklanjanje ulja Ulja su ključni ugljovodonici u industriji, a otpadne vode s uljem nastaju u rafinerijama, klanicama, metalurgiji i prehrambenoj industriji. Prisustvo ulja u vodi narušava ekosisteme (zasenčenje svetlosti, toksičnost) i zdravlje ljudi (Khalifa i sar., 2020). Pored biodegradacije, gravitacione separacije, adsorpcije i hemijske oksidacije, elektrokoagulacija se poslednjih godina ističe kao obećavajuća metoda. EK se od 1976. koristi za uklanjanje ulja, a hibridni sistemi sa sa membranama (mikrofiltracija, RO) dodatno pospešuju proces prečišćavanja i kvalitet vode. Takođe, aeracija poboljšava EK uklanje hemijske potrošnje kiseonika (HPK) na 93,3% u odnosu na 84% bez aeracije, zbog ravnomernije potrošnje anoda (Khalifa i sar., 2020), a pulsna struja smanjuje energetsku potrošnju uz povećanje efikasnosti uklanjanja HPK, ulja i masti do 98,3% (Zheng, 2017). U brodskim otpadnim vodama, kontinuirani EK tretmani postižu oko 90% uklanjanja ulja i masti (Bilgili i sar., 2016). Uklanjanja ulja zasniva se na četiri povezana procesa: (1) flokulacija – kompresija dvosloja i neutralizacija naelektrisanja uz „sweep“ taloženje koje hvata kapljice ulja, (2) oksidacija – direktna/indirektna razgradnja ulja do manjih molekula (masne kiseline, CO2 H2O); (3) elektroflotacija – vezivanje mehurića H2 za kapljice i njihovo izdizanje; (4) elektroforeza i elektrodepozicija – usmeravanje i hvatanje kapljica na katodi (Bennett & Peters, 1988). 4.4. Uklanjanje hlorovanih organskih jedinjenja Vinilhlorid (VC), trihloroetilen (TCE), tetrahoroetilen (PCE) i njihovi delimično hlorisani derivati, predstavljaju jednu od najproblematičnijih grupa organskih zagađujućih materija u vodi zbog svoje toksičnosti, postojanosti i bioakumulativnog potencijala. Njihovo prisustvo u podzemnim i industrijskim vodama povezuje se sa ozbiljnim zdravstvenim rizicima, uključujući kancerogeni potencijal i neurotoksične efekte (Tang i sar., 2022). Pokazalo se da elektrohemijski procesi mogu efikasno ukloniti ova jedinjenja. Tang i sar. (2024) ispitali su je upotrebu Fe-Ni/rGO/Ni (kompozitne elektorde od Fe, Ni i grafen oksida) za kontrolisanu elektrokatalitičku dehlorinaciju vodenih sistema, sa ciljem da se izbegne formiranje izrazito toksičnih intermedijera poput vinilhlorida. Postignut je visok stepen uklanjnaja TCE od 78%. Ovaj pristup ukazuje da je u budućim istraživanjima potrebno posvetiti pažnju kontroli elektrohemijskih uslova u elektrokoagulacionim ili kombinovanim (EK-EO) sistemima, kako bi se izbegla akumulacija toksičnih intermedijera i povećala efikasnost (Tang i sar., 2024). 4.5. Uklanjanje PFAS Perfluorovana jedinjanja predstavljaju grupu novih postojanih organskih zagađujućih materija koji se sastoje od potpuno fluorisanog hidrofobnog alkil lanca povezanog sa hidrofilnom krajnjom grupom. Zbog snažne veze ugljenik-fluor (C-F), koja je najjača u organskoj hemiji, ovi spojevi su otporni na mnoge tehnologije za tretman vode, uključujući tradicionalne i biološke i fizičke metode. U poslednje vreme postignuto je određeno unapređenje u razvoju elektrohemijske koagulacije (EK) za uklanjanje PFAS. Na primer, Kim i saradnici (2020) su koristili Fe EK za uklanjanje perfluorooktanske kiseline (PFOA), postigavši 60% uklanjanja ukupnog organskog ugljenika tokom 6 sati, dok je Liu i saradnici (2018) razvili reverzibilni EK proces koristeći kombinaciju šest elektroda, uključujući Fe, Al i Zn, i postigli optimalnu stopu konverzije od 99.6% uz Al-Zn elektrode. 4.6. Uklanjanje farmaceutika Farmaceutski proizvodi predstavljaju značajnu grupu emergentnih zagađujućih materija zbog svoje postojanosti u vodenim sredinama i potencijala da izazovu endokrine i druge toksične efekte (Charuaud i sar., 2019). U ovu grupu spadaju antibiotici, hormoni, analgetici, antiinflamatorni lekovi, regulatori lipida, β-blokatori i citostatici, koji se u vodi javljaju u koncentracijama od ng/l do μg/l. Elektrokoagulacija se pokazala kao efikasna metoda za njihovo uklanjanje, posebno za antibiotike poput ampicilina, doksiciklina, sulfatiazola i tilozina Dodatno, hibridni procesi poput peroksi-EK i EK-flotacije (EKF) razvijeni su u cilju poboljšanja efikasnosti uklanjanja farmaceutika. Na primer, proces EK u sprezi sa persulfatom je bio uspešan u degradaciji okskarbazepina, pri čemu se Fe 2+ iz anode koristio za aktivaciju persulfata, proizvodeći radikale sulfata i hidroksila, što je značajno doprinelo degradaciji farmaceutskih jedinjenja (Bu i sar., 2017). 4.7. Uklanjanje bakterija i virusa Prisustvo bakterija, virusa i protozoa može izazvati bolesti koje predstavljaju ozbiljan rizik za zdravlje ljudi. Dezinfekcija je ključna za sigurnost vode za piće, pri čemu je hlorisanje najčešća metoda, ali ono ima nedostatke zbog stvaranja toksičnih nusprodukata, poput trihalometana (THM). EK tehnologija sve više dobija pažnju kao efikasan metod za uklanjanje br. 4 • oktobar-decembar • god. LV 25 širokog spektra mikroorganizama iz različitih sistema, poput vode za piće i reciklirane vode (Bicudo i sar., 2021; Delaire i sar., 2015). Escherichia coli (E. coli) se najčešće koristi kao indikator uspešnosti dezinfekcije dok su drugi indikatori patogeni, poput ukupnih koliformnih bakterija, enterokoka i spora Clostridium perfringens, takođe ispitani u svrhu pročišćavanja vode (Delaire i sar., 2015; Bicudo i sar., 2021). Uklanjanje mikroorganizama pomoću EK odvija se: (1) direktna oksidacija na anodiOvaj proces direktno oštećuje ćelijsku membranu mikroorganizama, (2) Indirektna oksidacija pomoću reaktivnih vrsta kao što su reaktivne vrste hlora i reaktivne vrste kiseonika koje doprinose oštećenju ćelijske membrane (Qian i sar., 2019), (3) Migracija ka žrtvenim anodama izazvana elektroforezom-Mikroorganizmi se kreću ka žrtvenim anodama usled elektroforeze, što pomaže u njihovom uklanjanju, (4) flokulacija, adsorpcija i precipitacijaOvaj mehanizam uključuje hvatanje mikroorganizama u flokulantima, gde se vezuju i povezuju talozima, (5)Vezivanje virusa za flokulante usled neutralizacije naelektrisanja i hidrofobnih interakcija (Heffron i sar., 2019; Tanneru i sar., 2014), (6) pri pH iznad 7, fizičko uklanjanje virusa postaje dominantno, dok je pri pH 6 inaktivacija virusa češća. Ovi procesi zajednički dovode do efikasnog uklanjanja mikroorganizama i virusa, uglavnom putem oštećenja ćelijske membrane, agregacije i taloženja (Heffron i sar., 2019). Delaire i sar. (2015) su utvrdili da EK sa Fe elektrodama i prisustvom HCO3 - favorizuje enkapitulaciju bakterija u flokulama, dok su Tanneru i sar. (2014) pokazali da EK sa Al elektrodama efikasno uklanja MS2 bakteriofage putem flokulacije. Bicudo i saradnici (2021) uspešno uklonio antibiotikrezistentne bakterije i viruse. Hashim i sar. (2020) su ispitivali EK reaktor sa Al elektrodama za uklanjanje E. coli i postigali 96% uklanjanja pri niskim troškovima od 0.11 USD/m3. EC tehnologija pokazuje visok potencijal za uklanjanje mikroorganizama u tretmanu vode, često pružajući efikasnost uklanjanja od 96%, što je čini obećavajućom alternativom i za dezinfekciju. 5. ZAKLJUČAK Elektrokoagulacija se pokazala kao pouzdana, efikasna i fleksibilna tehnologija za uklanjanje različitih zagađujućih materija iz vode. Zahvaljujući jednostavnom dizajnu, niskoj potrošnji hemikalija i mogućnosti automatizacije, EK predstavlja konkurentnu alternativu konvencionalnim metodama koagulacije i unapređenim oksidacionim procesima. Optimalna gustina struje, geometrija reaktora, razmak i konfiguracija elektroda presudno utiču na energetsku efikasnost i stabilnost procesa, dok izbor materijala (Fe, Al) određuje selektivnost prema različitim zagađujućim materijama. Primena EK u uklanjanju zagađujućih materija iz podzemnih voda posebno je značajna za ruralne i udaljene oblasti, gde konvencionalne tehnologije zahtevaju visoke troškove i složeno održavanje, kao i to što je tehnologija podložna integrisanju sa alternativnim izvorima električne energije, kao što je solarna ili energija vetra. Istovremeno, uspešna primena EK u tretmanu farmaceutika, perfluorovanih jedinjenja i hlorovanih etilena potvrđuje njenu sposobnost da odgovori na savremene izazove emergentnih zagagađujućih materija, iz svih tipova voda. Dalji razvoj tehnologije treba da bude usmeren ka unapređenju energetske efikasnosti, produženju radnog veka elektroda i integraciji sa obnovljivim izvorima energije i digitalnim upravljanjem procesa. Time elektrokoagulacija ima potencijal da postane jedan od ključnih stubova održivog upravljanja vodnim resursima u budućnosti. Zahvalnica: Istraživanja je finansiralo Ministarstvo nauke, tehnološkog razvoja i inovacija Republike Srbije (Ev.br. 451-03-137/2025-03/200125 i 451-03136/2025-03/200125) i Eureka projekat SAFEWAT (broj 17243) LITERATURA 1. Bandaru, S. R. S., Roy, A., Gadgil, A. J., Van Genuchten, C. M (2020). Long-term electrode behavior during treatment of arsenic contaminated groundwater by a pilot-scale iron electrocoagulation system. Water Research, 175, 115668. 2. Bennett, G. F., Peters, R. W. (1988). The removal of oil from wastewater by air flotation: A review. Critical Reviews in Environmental Control, 18(3), 189–253. 3. Bicudo, B., van Halem, D., Trikannad, S. A., Ferrero, G., Medema, G. (2021). Low voltage iron electrocoagulation as a tertiary treatment of municipal wastewater: Removal of enteric pathogen indicators and antibiotic-resistant bacteria. Water Research, 188, 116500.