BRPI0920161A2 - eletrodos para utilização em, células de combustível bacterianas e células de eletrólise bacterianas e células de combustível bacterianas e células de eletrólise bacterianas que empregam tais eletrodos - Google Patents

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Eytan Baruch Levy
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Abstract

ELETRODO PARA UTILIZAÇÃO EM PELO MENOS UMA ENTRE UMA CÉLULA DE COMBUSTÍVEL BACTERIANA E UMA CÉLULA DE ELETRÓLISE. A presente invenção refere-se a uma célula de combustível bacteriana que inclui uma pluralidade de anodos e uma pluralidade de catodos em comunicação de líquido com um líquido a ser purificado, a pluralidade de anodos e a pluralidade catodos, cada um incluindo um condutor elétrico metálico disposto para ser eletricamente acoplado através de uma carga em um circuito elétrico metálico e o líquido a ser purificado, o revestimento eletricamente condutivo sendo operativo para vedar mutuamente o líquido e o condutor elétrico um do outro.

Description

. 7 Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ELETRODO
PARA UTILIZAÇÃO EM PELO MENOS UMA ENTRE UMA CÉLULA DE COMBUSTÍVEL BACTERIANA E UMA CÉLULA DE ELETRÓLISE".
REFERÊNCIA A PEDIDOS RELATIVOS Referência é feita ao Pedido de Patente Provisória Copen- dente U.S. Número de Série 61/198.027 do requerente, depositado em 30 de Outubro de 2008 e intitulado Eletrodo Para Células de Combustí- vel Microbianas e Células de Eletrólise Microbianas, a descrição do qual está por meio disto incorporado por referência e a prioridade do qual está por meio disto reivindicada em conformidade com 37 CFR
1.78(a)(4) e (5)(i). Referência e feita ao Pedido de Patente Provisória Copenden- te U.S. Número de Série 61/182.727 do requerente, depositado em 31 de Maio de 2009 e intitulado Célula de Combustível Microbiana, a descrição do qual está por meio disto incorporado por referência e a prioridade do qual está por meio disto reivindicada em conformidade com 37 CFR
1.78(a)(4) e (5)().
CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a dispositivos químicos bioelétri- cos genericamente e mais especificamente a células de combustível bacteri- anas e células de eletrólise bacterianas.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO As seguintes publicações acredita-se representar o estado cor- rente da técnica: Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology, Bruce E. Lo- gan et al, Environ. Sci. Technol., 40 (17), 5181 -5192, 2006. Microbial Fuel Cells-Challenges and Applications, Bruce E. Lo- gan & John M. Regan, Environ Sci. Tech., Vol. 40, 17 Stefano Freguia, Korneel Rabaey, Zhiguo Yuan, Jug Keller, Non- — catalyzed cathodic oxygen reduction at graphite granules in microbial fuel cells, Electrochimica Acta 53 (2007) 598-603 Hong Liu et al., Quantification of the internal resistance distribu-
no 2117 tion in microbial fuel cells, Environmental Science and Technology 7 Pedido de Patente Publicada US 20070259217
SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção busca prover dispositivos químicos bioelé- tricos aperfeiçoados e mais especificamente prover células de combustível bacterianas e células de eletrólise bacterianas aperfeiçoadas.
Esta assim provida de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção uma célula de combustível bacteriana que inclui uma plu- ralidade de anodos e uma pluralidade de catodos em comunicação de líqui- do com um líquido a ser purificado, a pluralidade de anodos e a pluralidade de catodos cada um incluindo um condutor elétrico metálico disposto para ser eletricamente acoplado através de uma carga em um circuito elétrico e um revestimento eletricamente condutivo pelo menos entre o condutor elétri- co metálico e o líquido a ser purificado, o revestimento eletricamente condu-
2. 15 tivo sendo operativo para vedar mutuamente o líquido e o condutor elétrico um do outro. Está também provida de acordo com outra modalidade preferi- í da da presente invenção uma célula de combustível bacteriana que inclui uma pluralidade de anodos e uma pluralidade de catodos em comunicação de líquido com um líquido a ser purificado, a pluralidade de anodos e a plura- lidade de catodos cada um incluindo um condutor elétrico metálico disposto para ser eletricamente acoplado através de uma carga em um circuito elétri- co e um revestimento eletricamente condutivo pelo menos entre o condutor elétrico metálico e o líquido a ser purificado, o revestimento eletricamente condutivo operativo para vedar mutuamente o líquido e o condutor elétrico umdo outro, pelo menos dois dos catodos estão dispostos adjacentes um ao outro e sendo separados um do outro por uma folga cheia com um gás que contém oxigênio.
De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção uma célula de combustível bacteriana também inclui pelo menos uma super- fície adaptada para o crescimento de biofilme sobre uma sua superfície a qual está em comunicação de líquido com o líquido a ser purificado e está em comunicação elétrica com o condutor elétrico metálico através do reves-
Nr. 317 timento eletricamente condutivo. De preferência, a pelo menos uma superfi- S cie adaptada para o crescimento de biofilme é definida por um tecido sobre- posto a uma superfície do revestimento eletricamente condutivo. De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção o condutor elétrico metálico é um condutor elétrico metálico revestido e o revestimento eletricamente condutivo inclui um revestimento eletricamente condutivo formado por sobre o condutor elétrico metálico. Adicionalmente ou alternativamente, o revestimento eletricamente condutivo inclui uma chapa eletricamente condutiva.
De preferência, o revestimento eletricamente condutivo de pelo menos um da pluralidade de catodos inclui uma chapa eletricamente condu- tiva permeável à água.
De preferência, o condutor elétrico metálico revestido de pelo menos um da pluralidade de catodos é permeável à água. 215 De preferência, o pelo menos um da pluralidade de catodos in- clui uma camada de fixação. Mais de preferência, a camada de fixação é . formada de um tecido plástico. De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção aberturas estão formadas na pluralidade de anodos e catodos e a célula de combustível bacteriana inclui condutos definidos entre os catodos adjacentes e volumes definidos entre os catodos adjacentes e os anodos que proveem uma comunicação do líquido a ser purificado com a pluralidade de anodos e a pluralidade de catodos, as aberturas provendo uma comunicação do líqui- do a ser purificado entre os condutos e os volumes.
De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção a pluralidade de anodos e catodos é formada como elementos estampados. De preferência, a pluralidade de anodos e catodos é vedada junta.
É ainda adicionalmente provida de acordo com ainda outra mo- dalidade preferida da presente invenção uma célula de eletrólise bacteriana que incluiuma pluralidade de anodos e catodos em comunicação de líquido com um líquido a ser purificado localizado dentro de um tanque que inclui uma entrada para o recebimento de água a ser purificada, uma saída para a
ENE. an7 saída de água de purificada e uma saída para o gás hidrogênio, a pluralida- é de de anodos e catodos sendo conectada por meio de um circuito elétrico através de uma fonte de energia elétrica, pelo menos um dos anodos e ca- todos incluindo um condutor elétrico metálico disposto para ser eletricamente acopladoem um circuito elétrico e um revestimento eletricamente condutivo pelo menos entre o condutor elétrico metálico e um líquido dentro da célula, o revestimento eletricamente condutivo operativo para vedar mutuamente o líquido e o condutor elétrico um do outro. De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção a célula de eletrólise bacteriana também inclui pelo menos uma superfície adaptada para o crescimento de biofilme sobre uma sua superfície a qual está em comunicação de líquido com o líquido a ser purificado e está em comunicação elétrica com o condutor elétrico metálico através do revesti- mento eletricamente condutivo.
215 De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção a pluralidade de catodos cada um também inclui uma camada permeável ao r oxigênio, impermeável ao líquido adjacente ao revestimento eletricamente condutivo, onde a camada permeável ao oxigênio, impermeável ao líquido está exposta a um gás contém oxigênio, de preferência, a camada permeá- velao oxigênio, impermeável ao líquido inclui uma chapa eletricamente con- dutiva. Alternativamente, a camada permeável ao oxigênio, impermeável ao líquido é formada de borracha de silicone.
De preferência, o condutor elétrico metálico de pelo menos um da pluralidade de anodos está na forma de uma película.
De preferência, o condutor elétrico metálico está na forma de uma grade de arame. Alternativamente, o condutor elétrico metálico está na forma de um elemento plano perfurado. Alternativamente, o condutor elétrico metálico está na forma de uma rede de arames geralmente paralelos.
Está adicionalmente provido de acordo com ainda outra modali- dade preferida da presente invenção um eletrodo para utilização em pelo menos uma de uma célula de combustível bacteriana e uma célula de eletró- lise, o eletrodo incluindo um condutor elétrico metálico disposto para ser ele-
OS 517 tricamente acoplado em um circuito elétrico e um revestimento eletricamente S condutivo pelo menos entre o condutor elétrico metálico e um líquido dentro da célula, o revestimento eletricamente condutivo operativo para vedar mu- tuamente o líquido e o condutor elétrico um do outro.
De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção o eletrodo inclui pelo menos uma superfície adaptada para o crescimento de biofilme sobre uma sua superfície a qual está em comunicação de líquido com o líquido a ser purificado e está em comunicação elétrica com o condu- tor elétrico metálico através do revestimento eletricamente condutivo.
De preferência, o revestimento eletricamente condutivo está a- daptado para o crescimento de biofilme sobre uma sua superfície.
De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção a pelo menos uma superfície adaptada para o crescimento de biofilme é de- finida por superfícies cilíndricas de uma multiplicidade de elementos alonga- - 15 dos formados de plástico condutivo e que estendem geralmente radialmente para fora do condutor elétrico metálico revestido. " De preferência, o condutor elétrico metálico revestido está torci- do para reter múltiplos da multiplicidade de elementos alongados em feixes ao longo de uma sua extensão alongada.
De preferência, os elementos a- longados são condutores elétricos não metálicos que têm uma condutividade elétrica menor do que aquela do condutor elétrico metálico revestido.
De pre- ferência os elementos alongados são formados de plástico condutivo.
Alter- nativamente os elementos alongados são formados de fibras de grafite.
De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção apelomenos uma superfície adaptada para o crescimento de biofilme está definida por um elemento de múltiplos vãos circundados por um elemento helicoidal frouxamente enrolado formado de plástico condutivo e que esten- de geralmente radialmente para fora do condutor elétrico metálico revestido.
De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção amenos uma superfície adaptada para o crescimento de biofilme está defi- nida por um elemento cilíndrico formado de plástico condutivo ao redor do condutor elétrico metálico revestido.
OS 6117 De preferência, o condutor elétrico metálico revestido está na i forma de um arame. Alternativamente, o condutor elétrico metálico revestido está na forma de um cabo. Alternativamente, o condutor elétrico metálico revestido está na forma de uma haste. De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção a pelo menos uma superfície adaptada para o crescimento de biofilme está definida por um tecido que sobrepõe uma superfície do revestimento eletri- camente condutivo.
De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção oditorevestimento eletricamente condutivo inclui uma chapa eletricamente condutiva.
De preferência, o condutor elétrico metálico está na forma de uma película. Alternativamente, o condutor elétrico metálico está na forma de uma grade de arame. Alternativamente, o condutor elétrico metálico está - 15 naformade um elemento plano perfurado. Alternativamente, o condutor elé- trico metálico está na forma de uma rede de arames geralmente paralelos.
7 De preferência, o condutor elétrico metálico é formado de cobre ou alumínio. De preferência, o revestimento eletricamente condutivo é for- mado de um plástico condutivo.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A presente invenção será compreendida e apreciada mais com- pletamente da descrição detalhada seguinte, tomada em conjunto com os desenhos nos quais: Figura 1 é uma ilustração simplificada de uma célula de combus- tível bacteriana construída e operativa de acordo com uma modalidade pre- ferida da presente invenção; Figuras 2A, 2B, 2C e 2D são ilustrações simplificadas de quatro modalidades alternativas de eletrodos construídos e operativos de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção útil em uma célula de — combustível bacteriana e uma célula de eletrólise bacteriana; Figuras 3A, 3B e 3C são ilustrações simplificadas de três moda- lidades alternativas de catodos construídos e operativos de acordo com uma
OS 717 modalidade preferida da presente invenção útil em uma célula de combustí- À vel bacteriana; Figuras 4A, 4B e 4C são ilustrações simplificadas de três moda- lidades alternativas de catodos construídos e operativos de acordo com ou- tramodalidade preferida da presente invenção útil em uma célula de com- bustível bacteriana; Figuras 5A e 5B são respectivas ilustrações de vista lateral e de topo simplificadas de uma célula de combustível bacteriana construída e o- perativa de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção; Figura 6 e uma ilustração pictórica simplificada de um eletrodo construído e operativo de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção útil em uma célula de combustível bacteriana e uma célula de ele- trólise bacteriana; Figura 7 e uma ilustração pictórica simplificada de um eletrodo - 15 construído e operativo de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção útil em uma célula de combustível bacteriana; fl Figura 8 e uma ilustração simplificada de um catodo construído e operativo de acordo com outra modalidade preferida da presente invenção útil em uma célula de combustível bacteriana; e Figuras 9A e 9B são respectivas ilustrações de vista lateral e de topo simplificadas de uma célula de eletrólise bacteriana construída e opera- tiva de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES PREFERIDAS Referência é agora feita à figura 1, a qual é uma ilustração sim- plificadade uma célula de combustível bacteriana construída e operativa de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção e que inclui uma pluralidade de anodos 100, cada um designado pela letra A e uma plu- ralidade de catodos 102, cada um designado pela letra C em comunicação de líquido com um líquido 104 a ser purificado, tal como água de refugo in- dustrial Na modalidade da figura 1, a água a ser purificada é suprida em uma entrada 105 a qual comunica com aberturas formadas nos anodos 100 e no catodo 102 e condutos 106 definidos entre os catodos adjacentes com
No 8nn7 uma série de volumes 107 definidos entre os anodos 100 e catodos 102 ad- S jacentes, os quais estão vedados juntos, como por vedações elastoméricas (não mostradas) e com uma saída 108. De acordo com uma modalidade da presente invenção, os ano- doseoscatodos podem ser formados como elementos estampados simila- res em forma àqueles utilizados em trocadores de calor de placa convencio- nais. Exemplos de tal estrutura estão mostrados nas Patentes US 4.104.385;
3.792.730; 3.371.737; 2.787.446 e 2.550.339, as descrições das quais estão por meio disto aqui incorporadas por referência. De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção, a pluralidade de anodos 100 e a pluralidade de catodos 102 cada uma inclui um condutor elétrico metálico circundado por um revestimento eletricamente condutivo. A construção de cada anodo 100 está ilustrada em uma amplia- - 15 ção109. É visto que um condutor metálico, de preferência de cobre ou alu- mínio, aqui designado pelo número de referência 110, está circundado por f um revestimento eletricamente condutivo. Na modalidade ilustrada, o revestimento eletricamente condutivo é realizado pela laminação de um par de chapas plásticas condutivas im- permeáveis ao líquido 112 de modo a encerrar o condutor metálico 110. De preferência as chapas 112 são formadas de um plástico tal como o polietile- no, polipropileno e PET, o qual está composto com um pó condutivo, tal co- mo carbono o grafite, para produzir uma chapa de plástico condutivo. O crescimento de biofilme está de preferência suportado sobre as superfícies externas das chapas 112. Opcionalmente, um suporte de crescimento de biofilme 116 está provido sobre pelo menos uma superfície externa das chapas 112. O suporte de crescimento de biofilme 116 pode ser um tecido de preferência formado de poliéster ou outro material adequado. As espessuras típicas dos vários elementos do anodo 100 são como segue: condutor 110 - 20 - 200 mícrons chapa 112 - 50 - 400 mícrons ar 917 suporte de crescimento de biofilme 116 -10-50 mícrons À Quatro modalidades alternativas de anodo 100 estão ilustradas nas figuras 2A-2D. Na figura 2A, o condutor 110 está na forma de uma pelí- cula e está designado pelo número de referência 120. Na figura 2B, o condu- tor110estánaformade uma grade de arame e está designado pelo número de referência 122. Na figura 2C, o condutor 110 está na forma de elemento plano perfurado e está designado pelo número de referência 124. Na figura 2D, o condutor 110 está na forma de uma rede de arames geralmente para- lelos e está designado pelo número de referência 126.
Uma modalidade da construção de cada catodo 102 está ilustra- da em uma ampliação 128. É visto que um condutor metálico perfurado 130, de preferência de cobre ou alumínio, está circundado por um revestimento eletricamente condutivo.
Na modalidade ilustrada, o revestimento eletricamente condutivo - 15 é de preferência realizado revestindo o condutor metálico 130 com um plás- tico eletricamente condutivo impermeável ao líquido e encerrando o condutor | metálico revestido sobre um seu lado que faceia o líquido com uma chapa perfurada 132 formada de um plástico eletricamente condutivo. De preferên- cia o plástico eletricamente condutivo é formado pela composição de um plástico tal como o polietileno, polipropileno e PET com um pó condutivo, tal como carbono o grafite.
O crescimento de biofilme está de preferência suportado sobre as superfícies externas do condutor revestido 130 e da chapa 132. Opcio- nalmente, um suporte de crescimento de biofime 136 está provido sobre pelomenos uma superfície externa da chapa 132. O suporte de crescimento de biofilme 136 pode ser um tecido, de preferência formado de poliéster ou outro material adequado.
Sobre um lado oposto, que faceia o ar do condutor metálico re- vestido condutivo perfurado 130 está de preferência provida uma camada de fixação 138 opcional que compreende tipicamente um tecido trançado ou não trançado formado de plástico, tal como um poliéster. Para fora da cama- da de fixação 138 está de preferência provida uma camada impermeável ao
DOS 10/17 líquido, permeável ao oxigênio 140, de preferência formada de borracha de ph silicone.
A camada de fixação 130 ajuda a fixação da camada permeável ao oxigênio 140 no condutor revestido 130. Opcionalmente para fora da cama- da permeável ao oxigênio 140 está provida uma camada de suporte mecâni- co142,de preferência uma grade de plástico relativamente rígido.
As espessuras típicas dos vários elementos do catodo 102 mos- trado na ampliação 128 são como segue: condutor revestido perfurado 130 - 100 - 600 mícrons chapa perfurada 132 - 50 - 400 mícrons suporte de crescimento de biofilme 136 - 10-50 mícrons camada de fixação 138 - 10 - 50 mícrons camada impermeável ao líquido, permeável ao oxigênio 140 - 50 - 500 mícrons camada de suporte mecânico 142 - 100 - 2000 mícrons 215 Três modalidades alternativas da modalidade do catodo mostra- do na ampliação 128 estão ilustradas nas figuras 3A-3C.
Na figura 3A, o 7 condutor perfurado 130 está na forma de uma grade de arame que compre- ende os arames 144, todos os quais estão revestidos por um revestimento eletricamente condutivo impermeável ao líquido 146, como visto na amplia- ção148. Na figura 3B, o condutor perfurado 130 inclui um elemento metálico plano perfurado 150, todas estas superfícies estão revestidas por um reves- timento eletricamente condutivo impermeável ao líquido 152 como visto na ampliação 154. Na figura 3C, o condutor perfurado 130 está na forma de uma rede de arames geralmente paralelos 156, todos os quais estão reves- tidos por um revestimento eletricamente condutivo impermeável ao líquido 158 como visto na ampliação 160. Outra modalidade da construção de cada catodo 102 está ilus- trada em uma ampliação 168. É visto que um condutor metálico perfurado 170, de preferência de cobre ou alumínio, está circundado por um revesti- mento eletricamente condutivo.
Na modalidade ilustrada, o revestimento eletricamente condutivo é de preferência realizado revestindo o condutor metálico 170 com um plás-
La 1117 tico eletricamente condutivo impermeável ao líquido e encerrando o condutor ' metálico revestido sobre um seu lado que faceia o líquido com uma chapa permeável ao oxigênio, impermeável ao líquido 172 formada de um plástico eletricamente condutivo. De preferência o plástico eletricamente condutivo é formado pela composição de um plástico tal como o polietileno, polipropileno e PET com um pó condutivo, tal como carbono o grafite.
O crescimento de biofilme está de preferência suportado sobre a superfície externa da chapa condutiva 172. Opcionalmente um suporte de crescimento de biofilme 176 está provido sobre pelo menos uma superfície externa da chapa 172. O suporte de crescimento de biofilme 176 pode ser um tecido, de preferência formado de poliéster ou outro material adequado.
Sobre um lado oposto, que faceia o ar do condutor metálico re- vestido condutivo perfurado 170 está opcionalmente provida uma camada de suporte mecânico 178, de preferência uma grade de plástico relativamente rígido. As espessuras típicas dos vários elementos do catodo 102 mos- f trado na ampliação 168 são como segue: condutor revestido perfurado 170 - 100 - 600 mícrons chapa permeável ao oxigênio 172 - 50 - 400 mícrons suporte de crescimento de biofilme 176 - 10 - 50 mícrons camada de suporte mecânico 178 - 100 - 2000 mícrons Três modalidades alternativas da modalidade do catodo mostra- do na ampliação 168 estão ilustradas nas figuras 4A4C. Na figura 4A, o condutor perfurado 170 está na forma de uma grade de arame que compre- ende os arames 180, todos os quais estão revestidos por um revestimento eletricamente condutivo impermeável ao líquido 182, como visto na amplia- ção 184. Na figura 4B, o condutor perfurado 170 inclui um elemento metálico plano perfurado 186, todas estas superfícies estão revestidas por um reves- timento eletricamente condutivo impermeável ao líquido 188 como visto na ampliação 190. Na figura 4C, o condutor perfurado 170 está na forma de uma rede de arames geralmente paralelos 192, todos os quais estão reves- tidos por um revestimento eletricamente condutivo impermeável ao líquido
Ns. 12/17 | 198 como visto na ampliação 196.
Ô Como visto na figura 1, todos os anodos 100 e todos os catodos 102 estão eletricamente acoplados em um circuito elétrico através de uma carga 197. Na célula de combustível bacteriana na figura 1, a matéria orgâã- nica dentro do líquido 104, indicada como COD é oxidada por bactérias ele- trogênicas, tais como a Geobacter e a Shewanella, as quais tipicamente re- sidem em um biofilme 198, o qual de preferência está suportado pelo supor- te de crescimento de biofilme 116 (ampliação 109) o qual está provido sobre os anodos 100.
Esta oxidação gera CO,, prótons e elétrons. Os prótons difun- dem através do líquido 104 na direção dos catodos 102 e os elétrons são supridos pelas bactérias para os anodos 100 e se deslocam dos anodos a- través do circuito elétrico para os catodos 102.
Nos catodos 102 o oxigênio atmosférico O, permeia através das camadas permeáveis ao oxigênio, tal como a camada 140 (Ampliação 128) i ou 172 (Ampliação 168), para uma camada plástica condutiva sobre o cato- - do tal como a camada 132 (Ampliação 128) ou 172 (Ampliação 168). No lado que faceia a água da camada plástica condutiva o oxigênio O, reage com os prótons e os elétrons para produzir água HO. Esta reação tipicamente re- quer uma catálise a qual é de preferência provida por um biofilme 199, o qual de preferência está suportado pelo suporte de crescimento de biofilme 136 (ampliação 128) ou 176 (ampliação 168), de preferência provido sobre os catodos 102.
A operação da célula de combustível bacteriana da figura 1 pode assim ser apreciada prover tanto energia elétrica quanto purificação de líqui- dos que têm material orgânico nos mesmos.
Referência é agora feita as figuras 5A e 5B, as quais são ilustra- ções de vista lateral e de topo simplificadas de uma célula de combustível bacteriana construída e operativa de acordo com ainda outra modalidade preferida da presente invenção e que inclui uma multiplicidade de anodos 300, interdispersos entre uma multiplicidade de catodos 302 em comunica- ção de líquido com um líquido 304 a ser purificado, tal como água de refugo
NE. 1317 : industrial. Os anodos 300 e os catodos 302 estão localizados dentro de um " tanque 306 que tem uma entrada 308 para o recebimento de água a ser pu- rificada e uma saída 309 para a saída de água purificada. A circulação da água 304 dentro do tanque 306 está de preferência provida por um agitador ou bomba adequado (não mostrado). O oxigênio atmosférico O, de baixa pressão é de preferência soprado através do interior dos catodos 302 por um ventilador (não mostrado). Referência é também feita à figura 6 a qual ilustra uma modali- dade preferida de um anodo 300 útil na célula de combustível bacteriana das figuras 5SAe 5B. Como visto na figura 6, um condutor metálico alongado cen- tral 310, de preferência um arame um cabo ou uma haste formado de cobre ou alumínio está moldado dentro e estende para fora de um elemento de múltiplos vãos que estende radialmente 312 de modo que tal elemento 312 provenha um revestimento eletricamente condutivo impermeávei ao líquido
310. Opcionalmente condutores alongados 314 adicionais podem ser mol- i dados dentro e estender para fora de extremidades radialmente para fora de - um ou mais vãos 316 do elemento 312 de modo que o elemento 312 prove- nha um revestimento eletricamente condutivo impermeável ao líquido para os condutores 314. O elemento 312 é de preferência formado de um plástico condutivo impermeável ao líquido, tal como o polietileno, polipropileno e PET, o qual está composto com um pó condutivo, tal como carbono ou grafi- te.
Uma porção de eletrodo circunferencial 318 está de preferência localizada ao redor das extremidades radialmente para fora dos vãos 316 e estáde preferência formada como um elemento helicoidal frouxamente enro- lado, de plástico condutivo, o qual permite uma comunicação de líquido rela- tivamente livre com as superfícies do elemento 312. De preferência, o ele- mento 312 e a porção de eletrodo circunferencial 318 são formados como um elemento unitário por um processo de extrusão. Opcionalmente algumas outodas das superfícies do elemento 312 e da porção de eletrodo 318 estão revestidas com um pó condutivo ou fibras condutivas (não mostrado) forma- das de carbono ou grafite. As superfícies do elemento 312 e da porção de ne 14117 eletrodo 318 de preferência todas servem para suportar o crescimento de ' biofilme e permitir a geração de eletricidade e a purificação de líquido 304. Referência é agora feita à figura 7, a qual ilustra um conjunto de eletrodo o qual é útil, entre outros, como um anodo 300 na célula de com- —bustível bacteriana das figuras 5A e 5B. Como visto na figura 7, o conjunto de eletrodo de preferência compreende uma estrutura como escova em que uma multiplicidade de elementos condutivos alongados 350 está retida por e estende geralmente radialmente para fora de um condutor elétrico metálico torcido 352 o qual está revestido com um revestimento eletricamente condu- tivo impermeável ao líquido 354, de preferência um plástico eletricamente condutivo. De preferência, o plástico eletricamente condutivo é formado compondo um plástico tal como o polietileno, polipropileno e PET com um pó condutivo, tal como carbono ou grafite.
Os elementos 350 estão de preferência formados de um plástico condutivo ou alternativamente podem ser fibras de grafite. O condutor torci- i do 352 está de preferência formado de um metal tal como o cobre ou o alu- 7 mínio. As superfícies do condutor revestido 352 e dos elementos 350 de pre- ferência todas servem para suportar o crescimento de biofilme e permitir a geração de eletricidade e purificação de líquido 304 quando o condutor 352 está conectado a uma carga elétrica como ilustrado.
De preferência, as pontas radialmente externas dos elementos 350 podem ser revestidas com um material eletricamente isolante (não mos- trado), tal como um material de borracha de silicone, de modo a impedir um curto circuito inadvertido entre os eletrodos adjacentes.
Referência é agora feita à figura 8, a qual ilustra um catodo 302 preferido útil na célula de combustível bacteriana das figuras 5A e 5B. O ca- todo 302 de preferência compreende um cilindro 306 formado de um plástico eletricamente condutivo perfurado ou poroso tal como polietileno, polipropi- leno e PET, o qual e está composto com um pó condutivo, tal como carbono ou grafite. Opcionalmente, parte ou toda a superfície do cilindro 360 está revestida com um pó condutivo ou fibras condutivas (não mostradas) forma- das de carbono ou grafite. A superfície do cilindro 360 de preferência serve sas 1517 i para suportar o crescimento de biofilme e permitir a geração de eletricidade É e a purificação de líquido 304. À Uma superfície externa do catodo 302 é permeada pelo líquido 304 e uma superfície interna do catodo 302 é vedada do contato com o lí- quido 304 por um revestimento permeável ao oxigênio, impermeável ao lí- quido 362 formado ao longo de uma superfície interna do cilindro 360. O re- vestimento 362 está de preferência formado de borracha de silicone. Um ou mais condutores metálicos alongados 364, de preferência um arame, um cabo ou uma haste formados de cobre ou alumínio estão de preferência moldados dentro e estendem para fora do cilindro 360 de modo que o cilin- dro 360 provenha um revestimento eletricamente condutivo impermeável ao líquido para os condutores 364.
Como visto nas figuras 5A e 5B, todos os anodos 300 e todos os catodos 302 estão eletricamente acoplados em um circuito elétrico através deuma carga 320. Na célula de combustível bacteriana das figuras 5A e 5B, i a matéria orgânica dentro do líquido 304, indicada como COD é oxidada por . bactérias eletrogênicas, tais como a Geobacter e a Shewanella, as quais tipicamente residem em um biofilme 370, o qual está suportado sobre os anodos 300.
Esta oxidação gera CO,, prótons e elétrons. Os prótons difun- dem através do líquido 304 na direção dos catodos 302 e os elétrons são supridos pelas bactérias para os anodos 300 e se deslocam dos anodos 300 através do circuito elétrico para os catodos 302.
Nos catodos 302 o oxigênio atmosférico O, permeia através da camada permeável ao oxigênio, tal como a camada 362 (Figura 8), para uma camada plástica condutiva sobre o catodo tal como a camada 360. No lado que faceia a água da camada plástica condutiva 360, o oxigênio O, re- age com os prótons e os elétrons para produzir água H2O. Esta reação tipi- camente requer uma catálise a qual é de preferência provida por um biofilme 372,de preferência residindo no catodo 302.
A operação da célula de combustível bacteriana da figura 1 pode assim ser apreciada prover tanto energia elétrica quanto purificação de líqui-
e 16/17 | dos que têm material orgânico nos mesmos. á Será apreciado que múltiplas das células de combustível bacte- rianas dos tipos aqui acima mostrados e descritos com referência as figuras 1-8 podem ser interconectadas tanto hidraulicamente quanto eletricamente emsérie e/ou paralelo. A interconexão paralela aumenta o volume de água o qual é purificado e provê uma saída de corrente aumentada, enquanto que a interconexão em série aumenta a extensão de purificação e provê uma saída de voltagem aumentada. Várias combinações de conexões paralelas e em série podem ser vantajosamente utilizadas para prover um tratamento de águaótimae uma produção de energia elétrica.
Referência é agora feita as figuras 9A e 9B, as quais são respec- tivas ilustrações de vista lateral e de topo de uma célula de eletrólise bacte- riana construída e operativa de acordo com uma modalidade preferida da presente invenção.
A célula de eletrólise bacteriana das figuras 9A e 9B inclui uma i multiplicidade de anodos 400, interdispersos entre uma multiplicidade de - catodos 402 em comunicação de líquido com um líquido 404 a ser purifica- do, tal como água de refugo industrial. Os anodos 400 e os catodos 402 es- tão localizados dentro de um tanque 406 que tem uma entrada 408 para o recebimento de água a ser purificada e uma saída 409 para a saída de água purificada. A circulação da água 404 dentro do tanque 406 está de preferên- cia provida por um agitador ou bomba adequado (não mostrado).
É apreciado que os anodos 400 e os catodos 402 podem ser es- truturalmente idênticos, como mostrado. Em tal caso, os anodos 400 e os —catodos 402 são diferenciados uns dos outros somente em virtude de sua conexão elétrica. Consequentemente, os anodos 400 e os catodos 402 po- dem cada um ser do tipo mostrado nas figuras 2A-2D ou do tipo mostrado na figura 6 ou do tipo mostrado na figura 7, ou de qualquer outra construção adequada. De preferência, os anodos 400 são do tipo mostrado na figura 6 e oscatodos são do tipo mostrado na figura 7 ou vice versa.
Como visto nas figuras 9A e 9B, todos os anodos 400 e todos os catodos 402 estão eletricamente acoplados em um circuito elétrico através
=> 17117 de uma fonte de energia elétrica 420. Na célula de eletrólise bacteriana das ' figuras 9A e 9B, a matéria orgânica dentro do líquido 404, indicada como COD é oxidada por bactérias eletrogênicas, tais como a Geobacter e a She- wanella, as quais tipicamente residem em um biofilme 430, o qual está su- —portado sobre os anodos 400.
Esta oxidação gera CO,, prótons e elétrons. Os prótons difun- dem através do líquido 404 na direção dos catodos 402 e os elétrons são supridos pelas bactérias para os anodos 400 e se deslocam dos anodos a- través do circuito elétrico para os catodos 402.
Nos catodos 402 os prótons são reduzidos para gás hidrogênio H2 pelos elétrons acionados pela fonte de energia elétrica 420 através do circuito elétrico. O gás hidrogênio e o CO, são acumulados dentro de um espaço superior definido por uma cobertura 440 sobreposta ao tanque 406 e são aspirados para fora em uma saída 442 e separados em um modo ade- quado.
E A operação da célula de eletrólise bacteriana das figuras 9A e - 9B pode assim ser apreciada prover a produção de gás hidrogênio em níveis de consumo de eletricidade mais baixos do que os processo convencionais assim como a purificação de líquidos que têm materiais orgânicos nos mes- mos.
Será apreciado por pessoas versados na técnica que a presente invenção não está limitada ao que foi especificamente aqui acima mostrado e descrito. Ao contrário, o escopo da invenção inclui tanto combinações quanto subcombinações das várias características aqui acima descritas as- sim como suas modificações e variações as quais ocorreriam às pessoas versadas na técnica quando da leitura da descrição acima as quais não es- tão na técnica anterior.

Claims (7)

. 12 REIVINDICAÇÕES
1. Eletrodo para utilização em pelo menos uma entre uma célula de combustível bacteriana e uma célula de eletrólise, caracterizado pelo fato de que o eletrodo compreende: um condutor elétrico metálico disposto para ser eletricamente acoplado em um circuito elétrico; um revestimento eletricamente condutivo pelo menos entre o di- to condutor elétrico metálico e um líquido dentro da dita célula, o dito reves- timento eletricamente condutivo operativo para vedar mutuamente o dito li- quidoeodito condutor elétrico um do outro.
2. Eletrodo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma superfície adaptada para o cres- cimento de biofilme sobre uma sua superfície a qual está em comunicação de líquido com o dito líquido na dita célula e está em comunicação elétrica como dito condutor elétrico metálico através do dito revestimento eletrica- mente condutivo.
3. Eletrodo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que: a dita pelo menos uma superfície adaptada para o crescimento de biofime é definida por superfícies cilíndricas de uma multiplicidade de elementos alongados e que estendem geralmente radialmente para fora do dito condutor elétrico metálico; o dito condutor elétrico metálico, revestido pelo dito revestimento eletricamente condutivo, está torcido para reter múltiplos da dita multiplicida- dede elementos alongados em feixes ao longo de uma sua extensão alon- gada; e a dita multiplicidade de elementos alongados compreende fibras e as ditas fibras são formadas de grafite ou de um plástico condutivo.
4. Eletrodo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fatode que a dita pelo menos uma superfície adaptada para o crescimento de biofilme está definida por um tecido que cobre uma superfície do dito revestimento eletricamente condutivo.
. 2/2
5. Eletrodo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito condutor elétrico metálico está na forma de uma grade de arame, um elemento plano perfurado, ou uma rede de arames geralmente paralelos.
6. Eletrodo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o dito condutor elétrico metálico é formado de cobre ou alumínio.
7. Eletrodo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 6, caracterizado pelo fato de que o dito revestimento eletricamente condutivo é formado de um plástico condutivo.
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