本發(fā)明涉及水處理設備，尤其是涉及一種基于摻硼金剛石電極的智能電化學水處理反應器。

背景技術：

1、水對我們的生命起著重要的作用，它是生命的源泉，是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)資源之一。隨著人類社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市的日益擴展，造成環(huán)境惡化，水資源污染及嚴重浪費，尤其是化工、制藥、印染、石化等行業(yè)產(chǎn)生的廢水呈現(xiàn)出毒性大、濃度高、新型污染物層出不窮的特點，嚴重威脅了水的社會和生態(tài)循環(huán)。水短缺和水污染雙重壓力對于水處理技術提出了越來越高的要求和期望。傳統(tǒng)水處理中的生物法雖然成本較低，但對于一些結構穩(wěn)定、具有生物毒性的持久性有機污染物卻顯得無能為力；化學處理需要外加化學試劑，具有較高成本的同時還存在二次污染的風險。廢水中蘊藏著許多有價物質(zhì)、可以利用的能量和水資源，傳統(tǒng)的水處理技術難以滿足對上述資源能源的回收。因此，能夠強化污染物去除，同時實現(xiàn)能量和資源回收的水處理技術成為本行業(yè)發(fā)展的迫切需求。

2、電化學水處理技術是通過電化學反應來改善水體中的化學組成和性質(zhì)的技術，主要原理是：在直流電的作用下，正、負極板之間水溶液中的正、負離子向極性相反的極板移動，發(fā)生電子得失反應（即放電反應），陽極發(fā)生氧化反應，陰極發(fā)生還原反應，使得水體中的污染物通過一系列直接或間接氧化還原反應被降解去除。由于絕大部分水污染物包括有機物、氨氮、硫化物、氰化物、亞硝酸鹽等均可以被氧化去除，因此電化學催化氧化是電化學水處理過程中最重要的污染物轉(zhuǎn)化過程之一，電化學催化氧化技術也成為最主要的電化學水處理技術之一，受到水生態(tài)保護領域的廣泛的關注。

3、電化學電催化氧化反應可以分為兩種，一種為直接氧化，即污染物在陽極的表面被直接剝奪電子，發(fā)生氧化反應被降解；另一種為間接氧化反應，即在陽極附近的區(qū)域產(chǎn)生較多的強氧化粒子，例如羥基自由基、活性氯、硫酸根自由基等，進而這些強氧化粒子再與污染物發(fā)生氧化還原反應，對污染物進行降解去除。電化學催化氧化水處理技術的核心在于陽極材料，不同的陽極材料所形成的被氧化污染物的降解路徑以及降解效果、效率有很大不同，其中直接氧化反應取決于陽極材料是活性電極還是惰性電極，活性電極相對來說產(chǎn)生直接反應比較弱，而惰性電極則可以就產(chǎn)生較強的直接氧化反應，而間接反應則取決于在水體中產(chǎn)生的強氧化粒子的氧化反應與析氧反應的競爭，產(chǎn)生更多、氧化性更強的氧化粒子則氧化降解污染物的能力就更強。

4、摻硼金剛石材料通過在制備金剛石過程中向金剛石晶體結構中注入硼原子取代部分碳原子，但由于硼原子周圍比碳原子缺少一個電子，而在晶體結構中形成一個電子空穴，因此摻硼金剛石具有p型半導體特性，可用做電極，同時由于金剛石具有超寬的禁帶寬度，因此摻硼金剛石在作為陽極材料時就具備了超強的氧化能力，同時由于金剛石具有極低的附著力，因此無論是電化學直接氧化還是間接氧化，其氧化效果和氧化效率都高于其他材料電極。

5、電化學催化氧化技術除了電極材料不同會導致處理效果、能量效率不同以外，另一個重要因素是陽極表面的電流密度，不同的電流密度，則在電極表面發(fā)生電化學反應以及反應效率、效果是不同的。

6、本技術人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術至少存在以下技術問題：傳統(tǒng)電化學反應裝置往往采用電解槽方式，即將電極片直接插入電解槽內(nèi)，多組正負電極并聯(lián)，相當于形成了一對更大面積的陰陽極板，但是由于結構方面的原因，尤其是極板間間距的差異，或者在運行過程中的各種因素引起的擾動，往往會導致在極板表面的電流分布并不均勻。傳統(tǒng)電解槽式的電化學水處理設備，因為沒有流道設計，對于水力流動控制差，水無法均勻流過電極表面，容易出現(xiàn)死水區(qū)域。傳統(tǒng)的并聯(lián)電極組在運行時為大電流低電壓的恒流工作模式，大電流在傳輸過程中能量損耗較大。另外，現(xiàn)有的電化學水處理設備智能化程度很低，無法提供電流電壓控制及監(jiān)測，無法實現(xiàn)遠程精確控制，無法實現(xiàn)故障報警及自動處置等。傳統(tǒng)電化學反應裝置需要根據(jù)所處理的水的水質(zhì)、水量進行定制化設計，周期長，費用高，存在設計缺陷的風險，且傳統(tǒng)設備的電解槽及支撐部件均為固定結構，在進行安裝、維修和更換時需要整體拆設備，導致維護更換復雜。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于摻硼金剛石電極的智能電化學水處理反應器，以解決現(xiàn)有技術中的電化學反應器無法實現(xiàn)智能控制的技術問題。本發(fā)明提供的諸多技術方案中的優(yōu)選技術方案所能產(chǎn)生的諸多技術效果詳見下文闡述。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供的一種智能電化學水處理反應器，包括至少一個水處理模塊、位于所有所述水處理模塊一側(cè)的前部端蓋以及位于所有所述水處理模塊另一側(cè)的后部端蓋；其中，所述前部端蓋和與其相鄰的水處理模塊之間、所述后部端蓋和與其相鄰的水處理模塊之間以及相鄰兩個所述水處理模塊之間均可拆卸連接，且在所有水處理模塊內(nèi)形成并聯(lián)且密封的水處理通道；每個所述水處理模塊均包括電極組件，每個所述電極組件均連接有電極插接件，相鄰兩個所述水處理模塊之間的所述電極插接件相互插接并使相鄰兩個水處理模塊的電極組件形成串聯(lián)電連接；在所述前部端蓋內(nèi)封裝有驅(qū)動電路板，所述驅(qū)動電路板與所有所述水處理模塊的所述電極插接件電連接，用以基于系統(tǒng)控制指令調(diào)節(jié)所有水處理模塊的電流電壓并監(jiān)測所有水處理模塊的電流電壓運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)并反饋至系統(tǒng)。

4、根據(jù)一種優(yōu)選實施方式，每個所述水處理模塊還包括用于封裝所述電極組件的封裝外殼和封裝內(nèi)殼，所述電極組件包括密封封裝于封裝外殼和封裝內(nèi)殼之間的第一陽極、陰極以及第二陽極，且所述陰極密封于所述第一陽極和所述第二陽極之間并在所述第一陽極、陰極和所述第二陽極的相對面之間形成水處理通道；所述第一陽極和所述第二陽極朝向所述陰極的一面具有摻硼金剛石薄膜涂層；在所述封裝外殼和所述封裝內(nèi)殼的上部和下部均設有允許水流流進或流出所述水處理通道的水流通道口。

5、根據(jù)一種優(yōu)選實施方式，每組所述電極插接件包括陽極連接片、陰極連接片和直插彈片，其中，所述陽極連接片與所述水處理模塊中的第一陽極和第二陽極相連接，并能夠插接至下一個所述水處理模塊的負極，所述陰極連接片與所述水處理模塊中的陰極相連接，并能夠插接至上一個水處理模塊的負極，所述直插彈片串聯(lián)連接每個水處理模塊的正極，在終端水處理模塊的所述直插彈片與所述陽極連接片的終端之間通過連接彈片相連接。

6、根據(jù)一種優(yōu)選實施方式，在首個水處理模塊的所述直插彈片的端部連接正極插座，所述正極插座連接至所述驅(qū)動電路板的正極，在首個水處理模塊中的所述陰極連接片連接負極插座，所述負極插座連接至所述驅(qū)動電路板的負極；用以基于系統(tǒng)控制指令通過所述驅(qū)動電路板調(diào)節(jié)所有水處理模塊的電流電壓并監(jiān)測所述水處理模塊的電流電壓運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)并反饋至系統(tǒng)。

7、根據(jù)一種優(yōu)選實施方式，所述驅(qū)動電路板包括mcu模塊、dc-dc可調(diào)電源模塊、電流采樣電阻模塊和液晶屏信息顯示模塊，其中，所述mcu模塊的dac接口連接所述dc-dc可調(diào)電源模塊的輸入端，所述dc-dc可調(diào)電源模塊的輸出端連接所述電流采樣電阻模塊的輸入端，所述電流采樣電阻模塊的輸出端通過電極插接件與水處理模塊的電極組件相連接，所述電流采樣電阻模塊的輸出端還通過差分運算放大器連接至所述mcu模塊的adc接口；所述液晶屏信息顯示模塊與所述mcu模塊的iic接口相連接；在所述前部端蓋上設有與所述液晶屏信息顯示模塊相連接的顯示屏。

8、根據(jù)一種優(yōu)選實施方式，所述驅(qū)動電路板還包括通信模塊，所述通信模塊與所述mcu模塊的uart接口相連接，所述通信模塊包括工業(yè)總線或無線通信模塊。

9、根據(jù)一種優(yōu)選實施方式，在所述封裝外殼和所述封裝內(nèi)殼上設有電極供電插拔接口，每組所述電極插接件的端部限位于所述電極供電插拔接口內(nèi)，且所述封裝外殼上的電極供電插拔接口和所述封裝內(nèi)殼上的電極供電插拔接口能夠相互插接。

10、根據(jù)一種優(yōu)選實施方式，當所述水處理模塊包括兩個或兩個以上時，相鄰兩個所述水處理模塊的水口通過水路連接結構密封連接，相鄰兩個水處理模塊的所述封裝外殼通過插接方式相連接，在所述封裝外殼的殼體邊緣設有卡扣，以通過卡扣旋鈕將相鄰兩個水處理模塊的封裝外殼鎖緊，和/或通過卡扣旋鈕將前部端蓋和后部端蓋和與其相鄰的水處理模塊的封裝外殼鎖緊。

11、根據(jù)一種優(yōu)選實施方式，所述第一陽極定位于第一陽極框上，在所述第一陽極框和所述第一陽極的縫隙處設置有第一支撐密封圈，且所述第一支撐密封圈支撐在所述封裝外殼和所述第一陽極框之間以密封所述第一陽極框和所述第一陽極的縫隙處以及所述封裝外殼和所述第一陽極框之間的水流通道口；

12、所述第二陽極定位于第二陽極框上，在所述第二陽極框和所述第二陽極的縫隙處設有第二支撐密封圈，且所述第二支撐密封圈支撐在所述第二陽極框和所述封裝內(nèi)殼之間以密封所述第二陽極框和所述第二陽極的縫隙處以及所述第二陽極框和所述封裝內(nèi)殼之間的水流通道口。

13、根據(jù)一種優(yōu)選實施方式，在所述第一陽極框和所述第二陽極框朝向所述陰極的一側(cè)均設置有密封槽，所述密封槽為圍繞所述第一陽極和所述第一陽極框的水流通道口的外邊緣或第二陽極和所述第二陽極框的水流通道口的外邊緣設置的凸起結構，在所述密封槽內(nèi)安裝有水道密封圈，以便通過所述水道密封圈在所述第一陽極、所述陰極和所述第二陽極的相對面之間形成所述水處理通道。

14、根據(jù)一種優(yōu)選實施方式，所述陰極上預留有能夠與封裝外殼、封裝內(nèi)殼、第一陽極框和第二陽極框上的水流通道口相連通的水流通道；所述陰極上預留有與一組電極接插件相連接的引腳，在所述第一陽極框和所述第二陽極框上且與所述引腳對應的位置設有允許所述電極插接件穿過的讓位孔。根據(jù)一種優(yōu)選實施方式，在所述前部端蓋上還設有與所有所述水處理模塊的上部水流通道口相連通的第一進出水管，在所述后部端蓋上設有與所有所述水處理模塊的下部水流通道口相連通的第二進出水管。

15、基于上述技術方案，本發(fā)明的智能電化學水處理反應器至少具有如下技術效果：

16、本發(fā)明的電化學水處理反應器包括至少一個水處理模塊、位于所有水處理模塊一側(cè)的前部端蓋以及位于所有水處理模塊另一側(cè)的后部端蓋；其中，前部端蓋和與其相鄰的水處理模塊之間、后部端蓋和與其相鄰的水處理模塊之間以及相鄰兩個水處理模塊之間均可拆卸連接，且在所有水處理模塊內(nèi)形成并聯(lián)且密封的水處理通道。每個水處理模塊均包括電極組件，每個電極組件均連接有電極插接件，相鄰兩個水處理模塊之間的電極插接件相互插接并使相鄰兩個水處理模塊的電極組件形成串聯(lián)電連接。在前部端蓋內(nèi)封裝有驅(qū)動電路板，驅(qū)動電路板與所有水處理模塊的電極插接件電連接，用以基于系統(tǒng)控制指令調(diào)節(jié)所有水處理模塊的電流電壓并監(jiān)測所有水處理模塊的電流電壓運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)并反饋至系統(tǒng)。

17、本技術的智能電化學水處理反應器設置有驅(qū)動電路板，驅(qū)動電路板與所有水處理模塊電連接，用以基于系統(tǒng)控制指令對水處理模塊進行精確供電并監(jiān)測水處理模塊的運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)并反饋至系統(tǒng)。從而可以通過驅(qū)動電路板的調(diào)節(jié)為電極提供可調(diào)恒流恒壓供電，系統(tǒng)通過通信模塊向驅(qū)動電路板下發(fā)啟停、以及輸出電壓電流指令，驅(qū)動電路板根據(jù)指令，對電極進行供電；驅(qū)動電路板通過通信模塊，將反應器信息（采集的電壓、電流）上報系統(tǒng)。驅(qū)動電路板還可以根據(jù)預設算法判斷反應器運行狀態(tài)，可以通過通信模塊上報報警信息，工作人員可根據(jù)預設程序采取及時策略（暫停供電），從而實現(xiàn)對電化學水處理反應器的精準檢測運行狀態(tài)以及精準控制的目的。

18、另一方面，本技術的電化學水處理反應器將每個水處理模塊的電極組件通過電極插接件進行串聯(lián)電連接，相比較傳統(tǒng)電化學反應器的正負電極并聯(lián)方式，本技術可以使得電極板的電流分布更加平均，相比于傳統(tǒng)并聯(lián)方式的大電流低電壓的模式，本技術的電化學水處理反應器的供電電流更小，因此對導線的損耗更低，能量效率更高，對電壓的提高更加容易控制調(diào)節(jié)。

19、另一方面，本技術實施例的電化學水處理反應器可以在反應器內(nèi)部形成串聯(lián)且密封的水流通道，使得水可以均勻的流過每個電極表面，提高了水的處理效果，避免出現(xiàn)死水區(qū)域的問題。本發(fā)明的水處理模塊采用模塊化設計，每個水處理模塊均包括兩個陽極和一個陰極組成的最小單元，第一陽極和第二陽極具有摻硼金剛石薄膜涂層的正面與陰極相對設置，通過封裝外殼和封裝內(nèi)殼將最小單元獨立密封封裝，每個水處理模塊之間進行插接連接，可以根據(jù)實際情況選擇一定數(shù)量的水處理模塊組成一個反應器，并在所有水處理模塊的前端安裝前部端蓋，在所有水處理模塊的后端安裝后部端蓋，從而使得安裝、維修和更換操作方便。