具有導(dǎo)電泡沫電極的微生物燃料電池的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有導(dǎo)電泡沬電極的微生物燃料電池
[0001]早期國(guó)家申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)要求
[0002]本申請(qǐng)要求2013年3月5日提交的美國(guó)申請(qǐng)N0.61/772，834和2013年9月30日提交的美國(guó)申請(qǐng)N0.14/041，230的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]公開(kāi)的實(shí)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(guò)模仿自然界中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌相互作用產(chǎn)生電流的生物電化學(xué)體系。典型的微生物燃料電池包含由陽(yáng)離子特異性膜分隔的陽(yáng)極和陰極隔室(或室)。在陽(yáng)極隔室中，燃料通過(guò)微生物(即細(xì)菌)氧化，產(chǎn)生二氧化碳(CO2)、電子和質(zhì)子。電子通過(guò)外部電路轉(zhuǎn)移至陰極隔室中，而質(zhì)子通過(guò)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(guò)氧化氫。
[0005]有機(jī)材料可用作用于MFC的燃料，其中細(xì)菌將有機(jī)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(yáng)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(jiǎn)化形式介紹所述概念的簡(jiǎn)單選擇，其在下文中進(jìn)一步描述于提供的詳細(xì)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(kāi)的實(shí)施方案包括用于微生物燃料電池(MFC)的陽(yáng)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(yáng)極公開(kāi)的生物電極容許微生物生物膜更有效地移居在陽(yáng)極上并有效地將電子通過(guò)電路輸送至陰極，從而改進(jìn)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(shí)施方案中，例如網(wǎng)狀疏水性聚氨酯泡沫。公開(kāi)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(guò)粘合劑粘附在聚合物泡沫基質(zhì)上或化學(xué)結(jié)合在聚合物泡沫基質(zhì)上的導(dǎo)電材料。
[0010]附圖簡(jiǎn)述
[0011]圖1為根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施方案具有陽(yáng)極和陰極的示例雙隔室MFC的描述，所述陽(yáng)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(guò)粘合劑或化學(xué)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(gè)示例實(shí)施方案具有陽(yáng)極和陰極的示例單一隔室MFC的描述，所述陽(yáng)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(guò)粘合劑或化學(xué)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(kāi)的實(shí)施方案，其中類(lèi)似的參考數(shù)字在整個(gè)圖中用于表示類(lèi)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(kāi)的方面。下面參考示例應(yīng)用描述幾個(gè)公開(kāi)的方面以闡述。應(yīng)當(dāng)理解描述大量具體細(xì)節(jié)、關(guān)系和方法以提供對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施方案的完全理解。
[0015]然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認(rèn)識(shí)到本文公開(kāi)的主題可以不用一個(gè)或多個(gè)細(xì)節(jié)或者用其它方法實(shí)踐。在其它情況下，不詳細(xì)顯示熟知的結(jié)構(gòu)或操作以避免遮蔽某些方面。該公開(kāi)內(nèi)容不受所述動(dòng)作或事件順序限制，因?yàn)橐恍﹦?dòng)作可以以不同的順序和/或與其它動(dòng)作或事件同時(shí)進(jìn)行。此外，不需要所有所述動(dòng)作或事件執(zhí)行根據(jù)本文所述實(shí)施方案的方法。
[0016]圖1為根據(jù)一個(gè)示例實(shí)施方案具有所公開(kāi)的生物電極作為所示陽(yáng)極Illa的示例雙隔室MFC 100的描述，所述陽(yáng)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(guò)粘合劑或化學(xué)鍵粘附在聚合物泡沫基質(zhì)上的導(dǎo)電材料。陽(yáng)極Illa在陽(yáng)極隔室(或室)111中，其中與陽(yáng)極Illa接觸的顯示為生物膜116的微生物如細(xì)菌和/或海藻在陽(yáng)極Illa的開(kāi)孔區(qū)上和開(kāi)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(kāi)生物電極。
[0017]開(kāi)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(dá)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(xì)菌拓殖方面的效率。
[0018]然而，通常開(kāi)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(yáng)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(shí)施方案中，陰極隔室112中的陰極112a通過(guò)陽(yáng)離子特異性膜/隔片與陽(yáng)極隔室111中的陽(yáng)極Illa分隔。隔片119還防止微生物和生物降解性材料從陽(yáng)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(yáng)極隔室111與陰極隔室112之間流動(dòng)。用于傳導(dǎo)電流的導(dǎo)電電路(例如金屬絲)117通過(guò)外部電路(負(fù)載)118將陽(yáng)極Illa與陰極112a連接。
[0020]圖1顯示由廢水入口 131引入陽(yáng)極室111中的來(lái)自輸入燃料廢水130的有機(jī)物質(zhì)通過(guò)生物膜116的微生物(例如細(xì)菌)分解到陽(yáng)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(yáng)極出口 132中流出，并產(chǎn)生通過(guò)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(jìn)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(lái)自空氣)154或其它電子受體還原成流通過(guò)隔片119進(jìn)入陽(yáng)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(guò)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(duì)于其中導(dǎo)電材料散布于聚合物泡沫基質(zhì)內(nèi)的實(shí)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(duì)于其中聚合物泡沫基質(zhì)具有通過(guò)粘合劑或化學(xué)鍵粘附在其上的導(dǎo)電材料的實(shí)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(kāi)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(zhǎng)的功能壽命跨度。市售的疏水性聚氨酯泡沫包括以商標(biāo)Crest Foam 和 FoamEx 出售的那些并且可由 Crest Foam,Moonachie,N.J.，美國(guó)和 FoamEx，Eddystone，Pa.，美國(guó)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(kāi)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(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)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(lèi)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(duì)于PUF，疏水度可通過(guò)提高多元醇混合物中氧化丙烯(PO)相對(duì)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(lái)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(dāng)一英寸高的水柱在泡沫上施加壓力至少60分鐘時(shí)，它抵抗水流入或流過(guò)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(guò)泡沫至少90分鐘至24小時(shí)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(xué)反應(yīng)形成化學(xué)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(jī)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(lèi)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(jí)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(guò)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(qiáng)電極在所述MFC中的導(dǎo)電性能。當(dāng)用于具有專(zhuān)用陽(yáng)極還原細(xì)菌(ARB)的MFC中的陽(yáng)極時(shí)，所述導(dǎo)電泡沫基陽(yáng)極和/或陰極明顯增強(qiáng)MFC的性能。
[0028]Honeywell Internat1nal公開(kāi)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(shí)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(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利5，580，770&6，395，522)。美國(guó)專(zhuān)利N0.6，395，522，Defilippi公開(kāi)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(lèi)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(yáng)極和/或陰極)。這類(lèi)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(lái)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(gè)上。