具有導(dǎo)電泡沫電極的微生物燃料電池的制作方法
【專利說明】具有導(dǎo)電泡沬電極的微生物燃料電池
[0001]早期國家申請的優(yōu)先權(quán)要求
[0002]本申請要求2013年3月5日提交的美國申請N0.61/772，834和2013年9月30日提交的美國申請N0.14/041，230的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]公開的實施方案涉及微生物燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0004]微生物燃料電池(MFC)或生物燃料電池為通過模仿自然界中發(fā)現(xiàn)的細菌相互作用產(chǎn)生電流的生物電化學體系。典型的微生物燃料電池包含由陽離子特異性膜分隔的陽極和陰極隔室(或室)。在陽極隔室中，燃料通過微生物(即細菌)氧化，產(chǎn)生二氧化碳(CO2)、電子和質(zhì)子。電子通過外部電路轉(zhuǎn)移至陰極隔室中，而質(zhì)子通過膜轉(zhuǎn)移至陰極隔室中。電子和質(zhì)子在陰極隔室中被消耗，與氧結(jié)合以形成水，或者在某些條件下形成過氧化氫。
[0005]有機材料可用作用于MFC的燃料，其中細菌將有機材料氧化。常規(guī)MFC主要關(guān)注使用石墨、活性炭或碳纖維的固體碳基電池。另外，非腐蝕性金屬如不銹鋼和金也用作MFC中的陽極，但代表了用于飛行和商業(yè)規(guī)模MFC的高成本發(fā)展。
[0006]發(fā)明概述
[0007]提供該概述以簡化形式介紹所述概念的簡單選擇，其在下文中進一步描述于提供的詳細描述，包括附圖中。該概述不意欲限制所主張主題的范圍。
[0008]公開的實施方案包括用于微生物燃料電池(MFC)的陽極和任選陰極用的生物電極，其與常規(guī)固體生物電極相比包含提供增加的孔隙率的網(wǎng)狀泡沫。作為陽極公開的生物電極容許微生物生物膜更有效地移居在陽極上并有效地將電子通過電路輸送至陰極，從而改進MFC的總效率。
[0009]如本文所用“網(wǎng)狀泡沫”指具有不容易吸收水的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫材料，在特定實施方案中，例如網(wǎng)狀疏水性聚氨酯泡沫。公開的生物電極包含提供流通的聚合物泡沫基質(zhì)，其具有散布于其中的導(dǎo)電材料，或者通過粘合劑粘附在聚合物泡沫基質(zhì)上或化學結(jié)合在聚合物泡沫基質(zhì)上的導(dǎo)電材料。
[0010]附圖簡述
[0011]圖1為根據(jù)一個示例實施方案具有陽極和陰極的示例雙隔室MFC的描述，所述陽極包含提供流通的聚合物泡沫基質(zhì)材料，其具有散布于其中的導(dǎo)電材料，或者通過粘合劑或化學鍵粘附在聚合物泡沫基質(zhì)上的導(dǎo)電材料。
[0012]圖2為根據(jù)一個示例實施方案具有陽極和陰極的示例單一隔室MFC的描述，所述陽極包含提供流通的聚合物泡沫基質(zhì)，其具有散布于其中的導(dǎo)電材料，或者通過粘合劑或化學鍵粘附在聚合物泡沫基質(zhì)上的導(dǎo)電材料。
[0013]發(fā)明詳述
[0014]參考附圖描述所公開的實施方案，其中類似的參考數(shù)字在整個圖中用于表示類似或相同的元件。圖不是按比例繪制的，且它們僅用于闡述某些公開的方面。下面參考示例應(yīng)用描述幾個公開的方面以闡述。應(yīng)當理解描述大量具體細節(jié)、關(guān)系和方法以提供對所公開的實施方案的完全理解。
[0015]然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認識到本文公開的主題可以不用一個或多個細節(jié)或者用其它方法實踐。在其它情況下，不詳細顯示熟知的結(jié)構(gòu)或操作以避免遮蔽某些方面。該公開內(nèi)容不受所述動作或事件順序限制，因為一些動作可以以不同的順序和/或與其它動作或事件同時進行。此外，不需要所有所述動作或事件執(zhí)行根據(jù)本文所述實施方案的方法。
[0016]圖1為根據(jù)一個示例實施方案具有所公開的生物電極作為所示陽極Illa的示例雙隔室MFC 100的描述，所述陽極包含提供流通的聚合物泡沫基質(zhì)材料，其具有散布于其中的導(dǎo)電材料，或者通過粘合劑或化學鍵粘附在聚合物泡沫基質(zhì)上的導(dǎo)電材料。陽極Illa在陽極隔室(或室)111中，其中與陽極Illa接觸的顯示為生物膜116的微生物如細菌和/或海藻在陽極Illa的開孔區(qū)上和開孔區(qū)內(nèi)。陰極112a顯示為常規(guī)陰極。然而，陰極112a可以為包含提供流通且具有導(dǎo)電材料的聚合物泡沫基質(zhì)材料的所公開生物電極。
[0017]開孔聚合物泡沫結(jié)構(gòu)可以以包含至少50%至98%的空隙體積和高達2，OOOft2/ft3的單位體積表面積的受控孔徑大小提供。高孔隙率降低流通電阻并提供微生物如細菌拓殖方面的效率。
[0018]然而，通常開孔聚合物泡沫以至多200_300ft7ft3的相應(yīng)較低表面積具有較少的孔/英寸(10-15ppi ;因此較大的孔)。一般而言，用于包含生物膜的所述陽極具有200-300ft2/ft3的表面積，其中所述流通式陰極(通常不包含生物膜)具有300ft 2/ft3至2，OOOftVft3的表面積。
[0019]在圖1所示雙隔室實施方案中，陰極隔室112中的陰極112a通過陽離子特異性膜/隔片與陽極隔室111中的陽極Illa分隔。隔片119還防止微生物和生物降解性材料從陽極隔室111流入陰極隔室112中。隔片119還可限制或防止氣體或液體在陽極隔室111與陰極隔室112之間流動。用于傳導(dǎo)電流的導(dǎo)電電路(例如金屬絲)117通過外部電路(負載)118將陽極Illa與陰極112a連接。
[0020]圖1顯示由廢水入口 131引入陽極室111中的來自輸入燃料廢水130的有機物質(zhì)通過生物膜116的微生物(例如細菌)分解到陽極流出物經(jīng)處理廢水150中(其例如包含二氧化碳(CO2))，其從陽極出口 132中流出，并產(chǎn)生通過隔片119輸送至陰極室112中的質(zhì)子(H+) 160和與外部電路118結(jié)合的電子。在陰極隔室112中，經(jīng)由外部電路118進入的電子使由陰極隔室112中的電子受體入口 141提供的氧氣(O2，例如來自空氣)154或其它電子受體還原成流通過隔片119進入陽極隔室111中的氫氧根離子(OH) 162并且產(chǎn)生從陰極出口 142流出的水和/或過氧化氫152。
[0021]如本文所用，用于所述生物電極的導(dǎo)電材料指具有至少10 2S/cm，通常至少10 1S/cm的25°C導(dǎo)電率的材料。對于其中導(dǎo)電材料散布于聚合物泡沫基質(zhì)內(nèi)的實施方案，至少10_2S/cm的導(dǎo)電率為體積導(dǎo)電率(bulk electrical conductivity)值。對于其中聚合物泡沫基質(zhì)具有通過粘合劑或化學鍵粘附在其上的導(dǎo)電材料的實施方案，聚合物泡沫基質(zhì)通常為電介質(zhì)，其中粘附的導(dǎo)電材料提供操作用導(dǎo)電表面作為提供至少10 2S/cm的導(dǎo)電率的生物電極。
[0022]聚合物通常為電介質(zhì)(具有〈10 8S/cm的25°C導(dǎo)電率)并且可以為疏水性聚合物或疏水性聚合物復(fù)合物。一種示例電介質(zhì)聚合物為開放網(wǎng)狀疏水性聚氨酯泡沫(PUF)。疏水性泡沫如聚醚泡沫(例如疏水性聚醚交聯(lián)聚氨酯)為水穩(wěn)定的，因此在水環(huán)境，例如通常溶于水中的親水性泡沫，包括聚酯泡沫中不降解。因此，疏水性聚合物泡沫與親水性泡沫相比在水環(huán)境中具有明顯更長的功能壽命跨度。市售的疏水性聚氨酯泡沫包括以商標Crest Foam 和 FoamEx 出售的那些并且可由 Crest Foam,Moonachie,N.J.，美國和 FoamEx，Eddystone，Pa.，美國制備。
[0023]聚氨酯(包括聚氨酯泡沫)通常為親水的。如本領(lǐng)域中所知，開放網(wǎng)狀疏水性PUF可使用表面活性劑如疏水性誘發(fā)表面活性劑由聚醚多元醇制備(參見例如美國專利N0.6，747，068，Kelly)。通常，疏水性誘發(fā)表面活性劑為聚硅氧烷-聚氧化烯共聚物，通常為不可水解聚硅氧烷-聚氧化烯共聚物類型。疏水性誘發(fā)表面活性劑包括:作為B8110、B8229、B8232、B8240、B8870、B8418、B8462 出售的 Goldschmidt Chemical Corp.0fHopewell, Va.產(chǎn)品；作為 L6164、L600 和 L626 出售的 Organo Silicons of Greenwich,Conn.產(chǎn)品；和作為 DC5604 和 DC5598 出售的 Air Products and Chemicals, Inc.產(chǎn)品。多異氰酸酯可以以75-125的多異氰酸酯指數(shù)加入。甲苯二異氰酸酯為示例的多異氰酸酯，例如以100的TDI指數(shù)。
[0024]對于PUF，疏水度可通過提高多元醇混合物中氧化丙烯(PO)相對于氧化乙烯(EO)的含量而提高。將PO:EO重量％比提高至50:50、60:40或70:30產(chǎn)生越來越大的疏水度，但可能使泡沫更脆，因此更加可能撕裂。
[0025]如本文所用，“疏水性”聚合物泡沫如疏水性PUF指為不可透水的泡沫材料，即當一英寸高的水柱在泡沫上施加壓力至少60分鐘時，它抵抗水流入或流過固體泡沫材料。例如，所述疏水性聚合物泡沫材料可抵抗水流入或流過泡沫至少90分鐘至24小時或更久。
[0026]如上文所指出的，可將泡沫材料用導(dǎo)電材料涂覆或浸漬或者化學反應(yīng)形成化學鍵。一般而言，可使用還與生物膜116中的微生物相容的任何導(dǎo)電材料。與微生物相容指不殺死微生物或者干擾微生物的材料，所述微生物催化輸入燃料廢水130中的有機物質(zhì)分解。
[0027]導(dǎo)電材料可以為導(dǎo)電金屬或金屬合金，或者非金屬，例如導(dǎo)電碳組合物或?qū)щ娋酆衔?。一種示例的金屬為鈦。通?？墒褂萌魏螌?dǎo)電的碳。導(dǎo)電碳的類別包括炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨、碳納米管、珠粒碳、顆粒粉狀級碳材料和導(dǎo)電合成碳材料。導(dǎo)電碳的另一形式包括具有穿過碳基體的孔的膨脹石墨基體。關(guān)于導(dǎo)電聚合物，可使用共軛聚合物，例如聚噻吩或聚(3，4-亞乙基二氧噻吩)(PEDOT)增強電極在所述MFC中的導(dǎo)電性能。當用于具有專用陽極還原細菌(ARB)的MFC中的陽極時，所述導(dǎo)電泡沫基陽極和/或陰極明顯增強MFC的性能。
[0028]Honeywell Internat1nal公開了使用聚合物粘合劑將PUF用吸附劑材料涂覆使得粉狀活性碳(PAC)不被生產(chǎn)時用于將PAC固定在PUF上的粘合劑掩蔽(使其較不具吸附性)的有效方法(參見美國專利5，580，770&6，395，522)。美國專利N0.6，395，522，Defilippi公開了制備用于常規(guī)生物廢水處理系統(tǒng)如連續(xù)攪拌反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器中的生物活性碳涂覆聚氨酯載體的方法。
[0029]類似的粘合方法可用于生產(chǎn)用于MFC中以從廢料流中除去污染物并產(chǎn)生電的所述生物電極(陽極和/或陰極)。這類粘合方法包括:(i)將一層聚合物粘合劑的可固化分散體施加在聚合物泡沫基質(zhì)的表面上；(ii)將一種或多種導(dǎo)電材料施加在聚合物泡沫基質(zhì)上的未固化聚合物粘合劑上，其中導(dǎo)電材料接受來自生物膜116中的微生物的電子，其將廢水130中的燃料污染物氧化；(iii)使粘合劑固化，其中粘合劑將導(dǎo)電材料粘合在基質(zhì)表面上且具有低于或等于25°C的Tg;和(iv)使(iii)的粘合劑涂覆基質(zhì)暴露于污染物降解微生物上以使微生物粘附在基質(zhì)、粘合劑或吸附劑中的至少一個上。