미생물 연료전지는 다양한 유기물 혹은 하‧폐수로부터 전기에너지를 생산할 수 있는 지속가능한 기술로, 많은 연구자들로부터 높은 관심을 받고 있다. 실제 하‧폐수에 적용하기 위해서는 미생물 연료전지의 scale-up이 가장 중요하다. 하지만 지금까지 연구된 미생물 연료전지는 대부분 1리터미만의 작은 부피를 가지고 있으며, 몇몇 연구자들이 큰 용량의 미생물 연료전지를 제작하여 연구하였지만, 뚜렷한 성과를 얻지 못하였다. 이에 본 연구에서는 실제 축산폐수를 처리함과 동시에 전기에너지를 생산할 수 있는 5L 미생물 연료전지를 제작하였으며, 루프구조를 반응기 내부에 설치하여 양극반응조와 음극반응조의 ㏗기울기를 저감하고자 하였다. 총 4대의 반응기(R1, ...
미생물 연료전지는 다양한 유기물 혹은 하‧폐수로부터 전기에너지를 생산할 수 있는 지속가능한 기술로, 많은 연구자들로부터 높은 관심을 받고 있다. 실제 하‧폐수에 적용하기 위해서는 미생물 연료전지의 scale-up이 가장 중요하다. 하지만 지금까지 연구된 미생물 연료전지는 대부분 1리터미만의 작은 부피를 가지고 있으며, 몇몇 연구자들이 큰 용량의 미생물 연료전지를 제작하여 연구하였지만, 뚜렷한 성과를 얻지 못하였다. 이에 본 연구에서는 실제 축산폐수를 처리함과 동시에 전기에너지를 생산할 수 있는 5L 미생물 연료전지를 제작하였으며, 루프구조를 반응기 내부에 설치하여 양극반응조와 음극반응조의 ㏗기울기를 저감하고자 하였다. 총 4대의 반응기(R1, R2, R3 and R4)를 운전하여 음극소재 및 양이온 교환막 사용에 따른 전기에너지 생산량을 평가하였다.
양이온 교환막을 사용한 R2의 음극반응조에 공기주입량을 증가시킴에 따라 교환막표면에 두꺼운 생물막이 형성되었다. 이로 인해 음극으로의 수소이온 이동속도가 저감되어 전기에너지 생산량이 감소하였다. 백금 코팅된 흑연펠트를 음극으로 사용한 R4의 유입수에 암모니아성 질소 농도를 증가시킬수록 전기에너지 생산량은 감소하였으며, 모든 암모니아성 질소 농도에서 약 75%의 제거율을 나타내었다. 이 결과는 루프구조에서의 질산화반응 및 음극표면에서의 탈질반응에 의한 것으로 사료된다. 아크릴 판에서 양이온 교환막으로 교체한 R4의 유입수로 축산폐수를 사용하여 최대전력밀도 209.7 ㎿/㎡를 생산하였으며, 인공폐수를 사용하였을 때보다 약 22%정도 감소하였지만, 오히려 최대전류밀도는 약 13% 정도 증가하였다. 하지만 장기간 연속식 운전에 따른 음극표면의 두꺼운 미생물막 형성은 산소소모 및 용존산소이동을 저해하여 전압강하를 유발하였다. 이 미생물 연료전지에서의 유기물 제거율은 0.523 ㎏ COD /㎥·d (TAC)로 안정적이었으며, 축산폐수에 포함되어 있던 암모니아성 질소의 제거율은 약 39.2%였다.
위 결과와 같이 양극반응조의 유입수로 축산폐수를 사용하여 안정적인 양극전위를 생산하였지만 장기간 운전시 음극전위가 급감하는 문제가 발생함에 따라 이를 보완하기 위해 음극반응조의 최종전자수용체로 오존을 이용하여 루프구조가 없는 미생물 연료전지를 운전하였다. 외부저항이 1000Ω에서 전압 0.941V를 생성하였으며, 열린회로에서는 최대전압 1.07V를 얻을 수 있었다. 이 값은 최종전자수용체로 산소를 사용하였을 때 이론적으로 얻을 수 있는 최대전압 1.14V에 근접한 값이다. 특히 ㏗ 3의 수돗물을 음극액으로 사용하고 오존을 음극반응조에 주입하였을 때, 최대전력밀도 35.9 W/㎥을 생산하였다. 이 결과는 산소를 최종전자수용체로 사용하였을 때보다 약 8배 높은 결과였다. 지금까지 오존을 최종전자수용체로 사용하는 미생물 연료전지는 전무한 상태이며, 오존에 적합한 전극소재, 양이온교환막, 반응기 구조 등 발전가능성이 남아있기 때문에 앞으로 심도 깊은 연구 필요할 것으로 사료된다.
미생물 연료전지는 다양한 유기물 혹은 하‧폐수로부터 전기에너지를 생산할 수 있는 지속가능한 기술로, 많은 연구자들로부터 높은 관심을 받고 있다. 실제 하‧폐수에 적용하기 위해서는 미생물 연료전지의 scale-up이 가장 중요하다. 하지만 지금까지 연구된 미생물 연료전지는 대부분 1리터미만의 작은 부피를 가지고 있으며, 몇몇 연구자들이 큰 용량의 미생물 연료전지를 제작하여 연구하였지만, 뚜렷한 성과를 얻지 못하였다. 이에 본 연구에서는 실제 축산폐수를 처리함과 동시에 전기에너지를 생산할 수 있는 5L 미생물 연료전지를 제작하였으며, 루프구조를 반응기 내부에 설치하여 양극반응조와 음극반응조의 ㏗기울기를 저감하고자 하였다. 총 4대의 반응기(R1, R2, R3 and R4)를 운전하여 음극소재 및 양이온 교환막 사용에 따른 전기에너지 생산량을 평가하였다.
양이온 교환막을 사용한 R2의 음극반응조에 공기주입량을 증가시킴에 따라 교환막표면에 두꺼운 생물막이 형성되었다. 이로 인해 음극으로의 수소이온 이동속도가 저감되어 전기에너지 생산량이 감소하였다. 백금 코팅된 흑연펠트를 음극으로 사용한 R4의 유입수에 암모니아성 질소 농도를 증가시킬수록 전기에너지 생산량은 감소하였으며, 모든 암모니아성 질소 농도에서 약 75%의 제거율을 나타내었다. 이 결과는 루프구조에서의 질산화반응 및 음극표면에서의 탈질반응에 의한 것으로 사료된다. 아크릴 판에서 양이온 교환막으로 교체한 R4의 유입수로 축산폐수를 사용하여 최대전력밀도 209.7 ㎿/㎡를 생산하였으며, 인공폐수를 사용하였을 때보다 약 22%정도 감소하였지만, 오히려 최대전류밀도는 약 13% 정도 증가하였다. 하지만 장기간 연속식 운전에 따른 음극표면의 두꺼운 미생물막 형성은 산소소모 및 용존산소이동을 저해하여 전압강하를 유발하였다. 이 미생물 연료전지에서의 유기물 제거율은 0.523 ㎏ COD /㎥·d (TAC)로 안정적이었으며, 축산폐수에 포함되어 있던 암모니아성 질소의 제거율은 약 39.2%였다.
위 결과와 같이 양극반응조의 유입수로 축산폐수를 사용하여 안정적인 양극전위를 생산하였지만 장기간 운전시 음극전위가 급감하는 문제가 발생함에 따라 이를 보완하기 위해 음극반응조의 최종전자수용체로 오존을 이용하여 루프구조가 없는 미생물 연료전지를 운전하였다. 외부저항이 1000Ω에서 전압 0.941V를 생성하였으며, 열린회로에서는 최대전압 1.07V를 얻을 수 있었다. 이 값은 최종전자수용체로 산소를 사용하였을 때 이론적으로 얻을 수 있는 최대전압 1.14V에 근접한 값이다. 특히 ㏗ 3의 수돗물을 음극액으로 사용하고 오존을 음극반응조에 주입하였을 때, 최대전력밀도 35.9 W/㎥을 생산하였다. 이 결과는 산소를 최종전자수용체로 사용하였을 때보다 약 8배 높은 결과였다. 지금까지 오존을 최종전자수용체로 사용하는 미생물 연료전지는 전무한 상태이며, 오존에 적합한 전극소재, 양이온교환막, 반응기 구조 등 발전가능성이 남아있기 때문에 앞으로 심도 깊은 연구 필요할 것으로 사료된다.
Microbial Fuel Cells (MFCs) have been addressed as a new technology for electricity generation accomplishing with wastewater treatment. For the application in wastewater treatment, the scale-up is a very important issue but there was few test of MFC system with relatively large size.
In this study,...
Microbial Fuel Cells (MFCs) have been addressed as a new technology for electricity generation accomplishing with wastewater treatment. For the application in wastewater treatment, the scale-up is a very important issue but there was few test of MFC system with relatively large size.
In this study, a MFC with relatively large size of 5 L was designed and tested for getting scale-up factor. Four MFC reactors were constructed with a loop configuration to eliminate the pH gradient, and the reactor performance was examined with different separators and cathode materials. Loop MFC was operated in batch and continuous mode using synthetic wastewater for enrichment of electrochemically active bacteria. Teats were carried out and results showed that power density decreased when air supply to cathode chamber increased, which could mostly be duo to the forming biofilm on the cation exchange membrane. And higher ammonia nitrogen concentration caused a lower power density.
Results showed that a maximum power density of 209.7 ㎿/㎡ (the projected surface area of cathode) was obtained at a current density of 636.8 ㎿/㎡ with cation exchange membrane as separator and graphite felt (Pt coated) as cathode when piggery wastewater was used for influent. And the highest organic removal rate obtained was approximately 0.523 ㎏ COD/㎥‧d(TAC) with a removal efficiency of ammonia nitrogen at approximately 39.2%.
Non-loop MFC was operated with ozone as electron acceptor and piggery wastewater as substrate. This MFC with 1000Ω could produce a voltage of 0.941 V and the open circuit voltage (OCV) was 1.07 V, which approached to the maximum voltage of 1.14 V that could be obtainde in MFC theoretically. When tap water with pH adjusted to 3 supplied to cathode chamber, a maximum power density of 35.9 W/㎥ was obtained, which is 8 times higher than the one using oxygen as electron acceptor.
Microbial Fuel Cells (MFCs) have been addressed as a new technology for electricity generation accomplishing with wastewater treatment. For the application in wastewater treatment, the scale-up is a very important issue but there was few test of MFC system with relatively large size.
In this study, a MFC with relatively large size of 5 L was designed and tested for getting scale-up factor. Four MFC reactors were constructed with a loop configuration to eliminate the pH gradient, and the reactor performance was examined with different separators and cathode materials. Loop MFC was operated in batch and continuous mode using synthetic wastewater for enrichment of electrochemically active bacteria. Teats were carried out and results showed that power density decreased when air supply to cathode chamber increased, which could mostly be duo to the forming biofilm on the cation exchange membrane. And higher ammonia nitrogen concentration caused a lower power density.
Results showed that a maximum power density of 209.7 ㎿/㎡ (the projected surface area of cathode) was obtained at a current density of 636.8 ㎿/㎡ with cation exchange membrane as separator and graphite felt (Pt coated) as cathode when piggery wastewater was used for influent. And the highest organic removal rate obtained was approximately 0.523 ㎏ COD/㎥‧d(TAC) with a removal efficiency of ammonia nitrogen at approximately 39.2%.
Non-loop MFC was operated with ozone as electron acceptor and piggery wastewater as substrate. This MFC with 1000Ω could produce a voltage of 0.941 V and the open circuit voltage (OCV) was 1.07 V, which approached to the maximum voltage of 1.14 V that could be obtainde in MFC theoretically. When tap water with pH adjusted to 3 supplied to cathode chamber, a maximum power density of 35.9 W/㎥ was obtained, which is 8 times higher than the one using oxygen as electron acceptor.
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