具有导电泡沫电极的微生物燃料电池的制作方法
【专利说明】具有导电泡沬电极的微生物燃料电池
[0001]早期国家申请的优先权要求
[0002]本申请要求2013年3月5日提交的美国申请N0.61/772，834和2013年9月30日提交的美国申请N0.14/041，230的优先权。
技术领域
[0003]公开的实施方案涉及微生物燃料电池。
【背景技术】
[0004]微生物燃料电池(MFC)或生物燃料电池为通过模仿自然界中发现的细菌相互作用产生电流的生物电化学体系。典型的微生物燃料电池包含由阳离子特异性膜分隔的阳极和阴极隔室(或室)。在阳极隔室中，燃料通过微生物(即细菌)氧化，产生二氧化碳(CO2)、电子和质子。电子通过外部电路转移至阴极隔室中，而质子通过膜转移至阴极隔室中。电子和质子在阴极隔室中被消耗，与氧结合以形成水，或者在某些条件下形成过氧化氢。
[0005]有机材料可用作用于MFC的燃料，其中细菌将有机材料氧化。常规MFC主要关注使用石墨、活性炭或碳纤维的固体碳基电池。另外，非腐蚀性金属如不锈钢和金也用作MFC中的阳极，但代表了用于飞行和商业规模MFC的高成本发展。
[0006]发明概述
[0007]提供该概述以简化形式介绍所述概念的简单选择，其在下文中进一步描述于提供的详细描述，包括附图中。该概述不意欲限制所主张主题的范围。
[0008]公开的实施方案包括用于微生物燃料电池(MFC)的阳极和任选阴极用的生物电极，其与常规固体生物电极相比包含提供增加的孔隙率的网状泡沫。作为阳极公开的生物电极容许微生物生物膜更有效地移居在阳极上并有效地将电子通过电路输送至阴极，从而改进MFC的总效率。
[0009]如本文所用“网状泡沫”指具有不容易吸收水的网状结构的泡沫材料，在特定实施方案中，例如网状疏水性聚氨酯泡沫。公开的生物电极包含提供流通的聚合物泡沫基质，其具有散布于其中的导电材料，或者通过粘合剂粘附在聚合物泡沫基质上或化学结合在聚合物泡沫基质上的导电材料。
[0010]附图简述
[0011]图1为根据一个示例实施方案具有阳极和阴极的示例双隔室MFC的描述，所述阳极包含提供流通的聚合物泡沫基质材料，其具有散布于其中的导电材料，或者通过粘合剂或化学键粘附在聚合物泡沫基质上的导电材料。
[0012]图2为根据一个示例实施方案具有阳极和阴极的示例单一隔室MFC的描述，所述阳极包含提供流通的聚合物泡沫基质，其具有散布于其中的导电材料，或者通过粘合剂或化学键粘附在聚合物泡沫基质上的导电材料。
[0013]发明详述
[0014]参考附图描述所公开的实施方案，其中类似的参考数字在整个图中用于表示类似或相同的元件。图不是按比例绘制的，且它们仅用于阐述某些公开的方面。下面参考示例应用描述几个公开的方面以阐述。应当理解描述大量具体细节、关系和方法以提供对所公开的实施方案的完全理解。
[0015]然而，本领域技术人员容易认识到本文公开的主题可以不用一个或多个细节或者用其它方法实践。在其它情况下，不详细显示熟知的结构或操作以避免遮蔽某些方面。该公开内容不受所述动作或事件顺序限制，因为一些动作可以以不同的顺序和/或与其它动作或事件同时进行。此外，不需要所有所述动作或事件执行根据本文所述实施方案的方法。
[0016]图1为根据一个示例实施方案具有所公开的生物电极作为所示阳极Illa的示例双隔室MFC 100的描述，所述阳极包含提供流通的聚合物泡沫基质材料，其具有散布于其中的导电材料，或者通过粘合剂或化学键粘附在聚合物泡沫基质上的导电材料。阳极Illa在阳极隔室(或室)111中，其中与阳极Illa接触的显示为生物膜116的微生物如细菌和/或海藻在阳极Illa的开孔区上和开孔区内。阴极112a显示为常规阴极。然而，阴极112a可以为包含提供流通且具有导电材料的聚合物泡沫基质材料的所公开生物电极。
[0017]开孔聚合物泡沫结构可以以包含至少50%至98%的空隙体积和高达2，OOOft2/ft3的单位体积表面积的受控孔径大小提供。高孔隙率降低流通电阻并提供微生物如细菌拓殖方面的效率。
[0018]然而，通常开孔聚合物泡沫以至多200_300ft7ft3的相应较低表面积具有较少的孔/英寸(10-15ppi ;因此较大的孔)。一般而言，用于包含生物膜的所述阳极具有200-300ft2/ft3的表面积，其中所述流通式阴极(通常不包含生物膜)具有300ft 2/ft3至2，OOOftVft3的表面积。
[0019]在图1所示双隔室实施方案中，阴极隔室112中的阴极112a通过阳离子特异性膜/隔片与阳极隔室111中的阳极Illa分隔。隔片119还防止微生物和生物降解性材料从阳极隔室111流入阴极隔室112中。隔片119还可限制或防止气体或液体在阳极隔室111与阴极隔室112之间流动。用于传导电流的导电电路(例如金属丝)117通过外部电路(负载)118将阳极Illa与阴极112a连接。
[0020]图1显示由废水入口 131引入阳极室111中的来自输入燃料废水130的有机物质通过生物膜116的微生物(例如细菌)分解到阳极流出物经处理废水150中(其例如包含二氧化碳(CO2))，其从阳极出口 132中流出，并产生通过隔片119输送至阴极室112中的质子(H+) 160和与外部电路118结合的电子。在阴极隔室112中，经由外部电路118进入的电子使由阴极隔室112中的电子受体入口 141提供的氧气(O2，例如来自空气)154或其它电子受体还原成流通过隔片119进入阳极隔室111中的氢氧根离子(OH) 162并且产生从阴极出口 142流出的水和/或过氧化氢152。
[0021]如本文所用，用于所述生物电极的导电材料指具有至少10 2S/cm，通常至少10 1S/cm的25°C导电率的材料。对于其中导电材料散布于聚合物泡沫基质内的实施方案，至少10_2S/cm的导电率为体积导电率(bulk electrical conductivity)值。对于其中聚合物泡沫基质具有通过粘合剂或化学键粘附在其上的导电材料的实施方案，聚合物泡沫基质通常为电介质，其中粘附的导电材料提供操作用导电表面作为提供至少10 2S/cm的导电率的生物电极。
[0022]聚合物通常为电介质(具有〈10 8S/cm的25°C导电率)并且可以为疏水性聚合物或疏水性聚合物复合物。一种示例电介质聚合物为开放网状疏水性聚氨酯泡沫(PUF)。疏水性泡沫如聚醚泡沫(例如疏水性聚醚交联聚氨酯)为水稳定的，因此在水环境，例如通常溶于水中的亲水性泡沫，包括聚酯泡沫中不降解。因此，疏水性聚合物泡沫与亲水性泡沫相比在水环境中具有明显更长的功能寿命跨度。市售的疏水性聚氨酯泡沫包括以商标Crest Foam 和 FoamEx 出售的那些并且可由 Crest Foam,Moonachie,N.J.，美国和 FoamEx，Eddystone，Pa.，美国制备。
[0023]聚氨酯(包括聚氨酯泡沫)通常为亲水的。如本领域中所知，开放网状疏水性PUF可使用表面活性剂如疏水性诱发表面活性剂由聚醚多元醇制备(参见例如美国专利N0.6，747，068，Kelly)。通常，疏水性诱发表面活性剂为聚硅氧烷-聚氧化烯共聚物，通常为不可水解聚硅氧烷-聚氧化烯共聚物类型。疏水性诱发表面活性剂包括:作为B8110、B8229、B8232、B8240、B8870、B8418、B8462 出售的 Goldschmidt Chemical Corp.0fHopewell, Va.产品；作为 L6164、L600 和 L626 出售的 Organo Silicons of Greenwich,Conn.产品；和作为 DC5604 和 DC5598 出售的 Air Products and Chemicals, Inc.产品。多异氰酸酯可以以75-125的多异氰酸酯指数加入。甲苯二异氰酸酯为示例的多异氰酸酯，例如以100的TDI指数。
[0024]对于PUF，疏水度可通过提高多元醇混合物中氧化丙烯(PO)相对于氧化乙烯(EO)的含量而提高。将PO:EO重量％比提高至50:50、60:40或70:30产生越来越大的疏水度，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指为不可透水的泡沫材料，即当一英寸高的水柱在泡沫上施加压力至少60分钟时，它抵抗水流入或流过固体泡沫材料。例如，所述疏水性聚合物泡沫材料可抵抗水流入或流过泡沫至少90分钟至24小时或更久。
[0026]如上文所指出的，可将泡沫材料用导电材料涂覆或浸渍或者化学反应形成化学键。一般而言，可使用还与生物膜116中的微生物相容的任何导电材料。与微生物相容指不杀死微生物或者干扰微生物的材料，所述微生物催化输入燃料废水130中的有机物质分解。
[0027]导电材料可以为导电金属或金属合金，或者非金属，例如导电碳组合物或导电聚合物。一种示例的金属为钛。通常可使用任何导电的碳。导电碳的类别包括炭黑、石墨、石墨烯、氧化石墨、碳纳米管、珠粒碳、颗粒粉状级碳材料和导电合成碳材料。导电碳的另一形式包括具有穿过碳基体的孔的膨胀石墨基体。关于导电聚合物，可使用共轭聚合物，例如聚噻吩或聚(3，4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)增强电极在所述MFC中的导电性能。当用于具有专用阳极还原细菌(ARB)的MFC中的阳极时，所述导电泡沫基阳极和/或阴极明显增强MFC的性能。
[0028]Honeywell Internat1nal公开了使用聚合物粘合剂将PUF用吸附剂材料涂覆使得粉状活性碳(PAC)不被生产时用于将PAC固定在PUF上的粘合剂掩蔽(使其较不具吸附性)的有效方法(参见美国专利5，580，770&6，395，522)。美国专利N0.6，395，522，Defilippi公开了制备用于常规生物废水处理系统如连续搅拌反应器、固定床反应器和流化床反应器中的生物活性碳涂覆聚氨酯载体的方法。
[0029]类似的粘合方法可用于生产用于MFC中以从废料流中除去污染物并产生电的所述生物电极(阳极和/或阴极)。这类粘合方法包括:(i)将一层聚合物粘合剂的可固化分散体施加在聚合物泡沫基质的表面上；(ii)将一种或多种导电材料施加在聚合物泡沫基质上的未固化聚合物粘合剂上，其中导电材料接受来自生物膜116中的微生物的电子，其将废水130中的燃料污染物氧化；(iii)使粘合剂固化，其中粘合剂将导电材料粘合在基质表面上且具有低于或等于25°C的Tg;和(iv)使(iii)的粘合剂涂覆基质暴露于污染物降解微生物上以使微生物粘附在基质、粘合剂或吸附剂中的至少一个上。