MES(Microbial Electrochemical Systems)는 폐수 내 유기 오염 물질을 전기화학적으로 분해하는 재생 에너지 생산 및 차세대 폐수 처리 공정을 위해 개발되고 있다. MES는 폐수를 에너지원으로 사용하여 기존의 폐수 처리에 비해 에너지 소비가 적으며 악취 및 슬러지 문제를 해결할 수 있다. MES의 실용화를 위해서는 전극 기술과 전기화학적 ...
MES(Microbial Electrochemical Systems)는 폐수 내 유기 오염 물질을 전기화학적으로 분해하는 재생 에너지 생산 및 차세대 폐수 처리 공정을 위해 개발되고 있다. MES는 폐수를 에너지원으로 사용하여 기존의 폐수 처리에 비해 에너지 소비가 적으며 악취 및 슬러지 문제를 해결할 수 있다. MES의 실용화를 위해서는 전극 기술과 전기화학적 분석법의 개발이 필수적이다. EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)는 시스템의 전기화학적 특성을 정밀하게 측정할 수 있는 비파괴적 전기화학 기술이다. 그러나 EIS를 MES에 적용하는 연구는 대부분 분석을 지나치게 단순화하거나 잘못된 적용에 집중하여 시스템의 내부 저항을 결정하는 데만 사용되었다. 제한적으로 적용된 EIS 분석은 몇 가지 오류와 함께 반복적으로 사용되었다. 본 연구에서는 MES에서 정확한 임피던스 분석을 제안하기 위해 대표적인 3가지 오류 사례를 논의하였다. 1) 전체 주파수 범위 데이터를 분석하지 않아 발생하는 오류, 2) 주파수 범위가 충분하지 않아 발생하는 오류, 3) 확산 저항 인식 오류. 또한 3가지 사례에 따라 효과적이고 정확한 솔루션을 제시하였고, 향후 MES에 적용될 EIS의 전망을 제시하였다. Biofilm은 미생물 연료 전지(MFC)에서 전기 생성 및 유기물 분해에 중요한 역할을 하지만 anode biofilm의 전기화학의 특성은 상대적으로 알려져 있지 않다. 이 연구에서는 탄소 펠트 anode(CF)과 인산염이 도핑된 탄소 펠트 anode(CF-P)의 성능과 전기화학을 연속 모드에서 조사했다. CF-P (1,389mW m-2)는 CF (595mW m-2)보다 최대 전력 밀도가 86% 더 높았다. Anode 임피던스는 편광 곡선의 5개 대표 지점에서 측정되었다. 이전 연구에서 bio-anode의 최적 전위는 약 -400mV (vs Ag/AgCl)로 알려져 있었지만 이번 연구에서는 다른 결과를 보여주었다. 결과는 CF가 가장 높은 전위(5.7mV vs. Ag/AgCl)에서 가장 낮은 임피던스(67.3 Ω)를 갖고 CF-P가 가장 높은 전위(-102mV)에서 가장 낮은 임피던스(19.9 Ω)를 나타냈다. 또한, 본 연구에서는 anode 임피던스의 저주파 영역에서 발생하는 확산 현상을 계산하여 성공적으로 분석하였다. MES에 사용되는 cathode은 촉매 활성이 높을 뿐만 아니라 제조가 쉽고 저렴하며 성능이 좋아야 한다. MFC에서 cathode은 높은 산소 환원 성능이 필요하다. MOF(metal-organic framework)는 금속 이온과 유기 링커로 구성된다. 여기서 ZIF-67(코발트-질소 프레임워크)은 각각 ZIF-67U 및 ZIF-67H cathode을 만드는 데 사용된 초음파 처리(U) 및 용액 침전(H)을 통해 활성탄과 결합되었다. 최대 전력 밀도 측면에서 ZIF-67U cathode은 4203 mW m-2, ZIF-67H는 3881 mW m-2로 AC cathode (2625 mW m-2) 및 160%보다 60%, 48% 높았다. Pt cathode (1614 mW m-2)보다 각각 140% 더 높다. ZIF-67U 결과는 이 배지 조건(50mM)에서 최고의 기록이다. 촉매표면의 질소원자 함량은 ZIF-67U에서 pyridine-N이 28%, ZIF-67H에서 38%, pyrrole-N이 ZIF-67U에서 56%, ZIF-67H에서 25%, 각기. 이러한 질소 종은 산소 환원 반응(ORR)의 활성 부위를 증가시키고 촉매 표면의 반응 속도를 개선하고 전하 전달 임피던스를 감소시켰다. 미생물 전기분해 전지(MEC) cathode은 높은 수소 발생 성능이 필요하다. 니켈은 수소 생산을 위한 대표적인 촉매이지만 수소 이온에 대한 접착력이 강해 성능이 낮다. 이를 해결하기 위해 여기에서는 Ni-Mo와 Ni-W를 열분해 공법으로 제작하였다. W-ESSM (에칭된 스테인레스 스틸 메쉬에 Ni-W 코팅)은 38.07 mL, Mo-ESSM은 35.12 mL로 에칭된 스테인레스 스틸 메쉬 cathode(ESSM, 11.16 mL)보다 241%, 214% 더 높았다. 각기. 열분해에 의해 Mo-ESSM의 몰리브덴 함량은 124%, W-ESSM의 텅스텐 함량은 ESSM보다 309% 증가했다. 에칭 처리는 cathode 표면의 금속 수산화물을 금속 산화물로 이동시켜 수소 생산 성능을 향상시켰고, 기공 구조를 형성하여 전기화학적 성능을 향상시켰다. 열분해는 SSM 표면의 반응성을 증가시켜 금속 입자가 쉽게 부착되는 조건을 만들고 Mo와 W의 0.1um 크기의 나노입자를 부착시킨다. Ni-W 및 Ni-Mo cathode의 성능을 향상시키기 위해 전착법을 사용하여 cathode을 제작하고 MEC에서 실험했다. 여기서 Ni-Mo와 Ni-W는 1A와 5A의 서로 다른 전류에서 전착법을 통해 직류도금(DC)과 펄스전류도금(PC)으로 제작하였다. 수소가스 생산 측면에서 W-PC- 5A는 38.53 mL, Mo-DC-5A는 34.48 mL로 스테인리스 스틸 메쉬 cathode (SSM, 19.55 mL)보다 97%, 79% 높고, Pt cathode (25.72 mL)보다 각각 49%, 34% 높았다. Cathode 표면의 원자 함량 측면에서 Ni-Mo cathode의 경우 DC 도금이 몰리브덴 함량을 효과적으로 증가시켰고 (4.0~5.0%), Ni-W cathode의 경우 PC 도금이 텅스텐 함량을 효과적으로 증가시켰다 (6.4~8.1%). 높은 도금 전류 밀도는 합금 입자의 접착력을 증가시켜 전기 촉매 활성 영역을 향상시킨다. 그리고 펄스 도금은 합금 형성 과정에서 대량 수송을 촉진하고 DC 도금보다 조밀하고 매끄럽고 큰 활성 영역을 형성하여 MEC의 내구성 및 수소 생산 능력을 향상시켰다.
MES(Microbial Electrochemical Systems)는 폐수 내 유기 오염 물질을 전기화학적으로 분해하는 재생 에너지 생산 및 차세대 폐수 처리 공정을 위해 개발되고 있다. MES는 폐수를 에너지원으로 사용하여 기존의 폐수 처리에 비해 에너지 소비가 적으며 악취 및 슬러지 문제를 해결할 수 있다. MES의 실용화를 위해서는 전극 기술과 전기화학적 분석법의 개발이 필수적이다. EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)는 시스템의 전기화학적 특성을 정밀하게 측정할 수 있는 비파괴적 전기화학 기술이다. 그러나 EIS를 MES에 적용하는 연구는 대부분 분석을 지나치게 단순화하거나 잘못된 적용에 집중하여 시스템의 내부 저항을 결정하는 데만 사용되었다. 제한적으로 적용된 EIS 분석은 몇 가지 오류와 함께 반복적으로 사용되었다. 본 연구에서는 MES에서 정확한 임피던스 분석을 제안하기 위해 대표적인 3가지 오류 사례를 논의하였다. 1) 전체 주파수 범위 데이터를 분석하지 않아 발생하는 오류, 2) 주파수 범위가 충분하지 않아 발생하는 오류, 3) 확산 저항 인식 오류. 또한 3가지 사례에 따라 효과적이고 정확한 솔루션을 제시하였고, 향후 MES에 적용될 EIS의 전망을 제시하였다. Biofilm은 미생물 연료 전지(MFC)에서 전기 생성 및 유기물 분해에 중요한 역할을 하지만 anode biofilm의 전기화학의 특성은 상대적으로 알려져 있지 않다. 이 연구에서는 탄소 펠트 anode(CF)과 인산염이 도핑된 탄소 펠트 anode(CF-P)의 성능과 전기화학을 연속 모드에서 조사했다. CF-P (1,389mW m-2)는 CF (595mW m-2)보다 최대 전력 밀도가 86% 더 높았다. Anode 임피던스는 편광 곡선의 5개 대표 지점에서 측정되었다. 이전 연구에서 bio-anode의 최적 전위는 약 -400mV (vs Ag/AgCl)로 알려져 있었지만 이번 연구에서는 다른 결과를 보여주었다. 결과는 CF가 가장 높은 전위(5.7mV vs. Ag/AgCl)에서 가장 낮은 임피던스(67.3 Ω)를 갖고 CF-P가 가장 높은 전위(-102mV)에서 가장 낮은 임피던스(19.9 Ω)를 나타냈다. 또한, 본 연구에서는 anode 임피던스의 저주파 영역에서 발생하는 확산 현상을 계산하여 성공적으로 분석하였다. MES에 사용되는 cathode은 촉매 활성이 높을 뿐만 아니라 제조가 쉽고 저렴하며 성능이 좋아야 한다. MFC에서 cathode은 높은 산소 환원 성능이 필요하다. MOF(metal-organic framework)는 금속 이온과 유기 링커로 구성된다. 여기서 ZIF-67(코발트-질소 프레임워크)은 각각 ZIF-67U 및 ZIF-67H cathode을 만드는 데 사용된 초음파 처리(U) 및 용액 침전(H)을 통해 활성탄과 결합되었다. 최대 전력 밀도 측면에서 ZIF-67U cathode은 4203 mW m-2, ZIF-67H는 3881 mW m-2로 AC cathode (2625 mW m-2) 및 160%보다 60%, 48% 높았다. Pt cathode (1614 mW m-2)보다 각각 140% 더 높다. ZIF-67U 결과는 이 배지 조건(50mM)에서 최고의 기록이다. 촉매표면의 질소원자 함량은 ZIF-67U에서 pyridine-N이 28%, ZIF-67H에서 38%, pyrrole-N이 ZIF-67U에서 56%, ZIF-67H에서 25%, 각기. 이러한 질소 종은 산소 환원 반응(ORR)의 활성 부위를 증가시키고 촉매 표면의 반응 속도를 개선하고 전하 전달 임피던스를 감소시켰다. 미생물 전기분해 전지(MEC) cathode은 높은 수소 발생 성능이 필요하다. 니켈은 수소 생산을 위한 대표적인 촉매이지만 수소 이온에 대한 접착력이 강해 성능이 낮다. 이를 해결하기 위해 여기에서는 Ni-Mo와 Ni-W를 열분해 공법으로 제작하였다. W-ESSM (에칭된 스테인레스 스틸 메쉬에 Ni-W 코팅)은 38.07 mL, Mo-ESSM은 35.12 mL로 에칭된 스테인레스 스틸 메쉬 cathode(ESSM, 11.16 mL)보다 241%, 214% 더 높았다. 각기. 열분해에 의해 Mo-ESSM의 몰리브덴 함량은 124%, W-ESSM의 텅스텐 함량은 ESSM보다 309% 증가했다. 에칭 처리는 cathode 표면의 금속 수산화물을 금속 산화물로 이동시켜 수소 생산 성능을 향상시켰고, 기공 구조를 형성하여 전기화학적 성능을 향상시켰다. 열분해는 SSM 표면의 반응성을 증가시켜 금속 입자가 쉽게 부착되는 조건을 만들고 Mo와 W의 0.1um 크기의 나노입자를 부착시킨다. Ni-W 및 Ni-Mo cathode의 성능을 향상시키기 위해 전착법을 사용하여 cathode을 제작하고 MEC에서 실험했다. 여기서 Ni-Mo와 Ni-W는 1A와 5A의 서로 다른 전류에서 전착법을 통해 직류도금(DC)과 펄스전류도금(PC)으로 제작하였다. 수소가스 생산 측면에서 W-PC- 5A는 38.53 mL, Mo-DC-5A는 34.48 mL로 스테인리스 스틸 메쉬 cathode (SSM, 19.55 mL)보다 97%, 79% 높고, Pt cathode (25.72 mL)보다 각각 49%, 34% 높았다. Cathode 표면의 원자 함량 측면에서 Ni-Mo cathode의 경우 DC 도금이 몰리브덴 함량을 효과적으로 증가시켰고 (4.0~5.0%), Ni-W cathode의 경우 PC 도금이 텅스텐 함량을 효과적으로 증가시켰다 (6.4~8.1%). 높은 도금 전류 밀도는 합금 입자의 접착력을 증가시켜 전기 촉매 활성 영역을 향상시킨다. 그리고 펄스 도금은 합금 형성 과정에서 대량 수송을 촉진하고 DC 도금보다 조밀하고 매끄럽고 큰 활성 영역을 형성하여 MEC의 내구성 및 수소 생산 능력을 향상시켰다.
Microbial Electrochemical Systems (MES) are being developed for renewable energy production and next-generation wastewater treatment processes that electrochemically decompose organic pollutants in wastewater. MES used wastewater as energy source, consumed less energy compared to traditional wastewa...
Microbial Electrochemical Systems (MES) are being developed for renewable energy production and next-generation wastewater treatment processes that electrochemically decompose organic pollutants in wastewater. MES used wastewater as energy source, consumed less energy compared to traditional wastewater processes, and can solve odor and sludge problems. For the practical use of MES, the development of electrode technology and electrochemical analysis method is essential. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) is a non-destructive electrochemical technique that can precisely measure the electrochemical properties of the system. However, most studies on the application of EIS to MES either oversimplified the analysis or focused on incorrect application and were only used to determine the internal resistance of the system. The limitedly applied EIS analysis has been used repeatedly with several errors. In order to propose an accurate impedance analysis in MES, this study discussed three representative cases of errors; 1) errors caused by not analyzing the full frequency range data, 2) errors due to insufficient frequency range, and 3) errors in recognition of diffusion resistance. In addition, we have recommended effective and accurate solutions according to three cases and presented the prospect of EIS applied to MES in the future. Anodic biofilm plays a key role in electricity generation and organic degradation in the microbial fuel cells (MFC), but the electrochemistry of anodic biofilm remains relatively unknown. In this study, the performance and the electrochemistry of carbon-felt anode (CF) and phosphate-doped carbon-felt anode (CF-P) were investigated in a continuous mode. CF-P (1,389 mW m-2) produced 86% higher maximum power density than CF (595 mW m-2). Anodic impedance was measured at the five representative points in a polarization curve. In previous studies, the optimal potential of the bio-anode was known to be around -400 mV (vs Ag/AgCl), but this study showed different results. The results showed that CF had the lowest impedance (67.3 Ω) at its highest potential (5.7 mV vs. Ag/AgCl) and CF-P had the lowest impedance (19.9 Ω) at its highest potential (-102 mV). In addition, this study calculated and successfully analyzed the diffusion phenomenon occurring in the low-frequency region of the anode impedance. Cathodes used in MES must not only have high catalytic activity, and must be easy to manufacture, inexpensive, and have good performance. In MFC, cathode needs high oxygen reduction performance. The metal-organic framework (MOF) is composed of a metal ion and an organic linker. Herein, ZIF-67 (cobalt-nitrogen framework) was combined with activated carbon through ultrasonication (U) and solution precipitation (H), which was used to make ZIF-67U and ZIF-67H cathodes, respectively. In terms of maximum power density, ZIF-67U cathode produced 4203 mW m-2, and ZIF-67H did 3881 mW m-2, which is 60% and 48% higher than AC cathode (2625 mW m-2) and 160% and 140% higher than Pt cathode (1614 mW m-2), respectively. ZIF-67U result is the best record in this medium condition (50 mM). In terms of atomic nitrogen contents of the catalyst surface, pyridine-N was 28% in ZIF-67U and 38% in ZIF-67H, respectively, and pyrrole-N was 56% in ZIF-67U and 25% in ZIF-67H, respectively. These nitrogen species increased the active site of the oxygen reduction reaction (ORR) and improved the reaction rate on the catalyst surface and decreased charge transfer impedance. Microbial electrolysis cells (MEC) cathode needs to high hydrogen evolution performance. Nickel is a typical catalyst for hydrogen production, but its performance is low due to its strong adhesion to hydrogen ions. To solve this, herein, Ni-Mo and Ni-W were fabricated through the thermal decomposition method. W-ESSM (Ni-W coated on the etched stainless-steel mesh) produced 38.07 mL, and Mo-ESSM did 35.12 mL, which is 241% and 214% higher than etched stainless-steel mesh cathode (ESSM, 11.16 mL), respectively. By thermal decomposition, the molybdenum contents of Mo-ESSM increased by 124%, and the tungsten contents of W-ESSM increased by 309% than ESSM. Etching treatment improved hydrogen production performance by shifting metal hydroxide on the cathode surface with metal oxide and improved electrochemical performance by forming a pore structure. Thermal decomposition increases the reactivity of the SSM surface and creates a condition where metal particles are easily attached, and nanoparticles of 0.1 um in Mo and W were attached. In order to improve the performance of Ni-W and Ni-Mo cathodes, cathodes were fabricated using the electrodeposition method and tested in MEC. Herein, Ni-Mo and Ni-W were fabricated by direct current plating (DC) and pulse current plating (PC) through the electrodeposition method in different currents of 1 A and 5 A. In terms of hydrogen gas production, W-PC-5A produced 38.53 mL, and Mo-DC-5A did 34.48 mL, which is 97% and 79% higher than stainless-steel mesh cathode (SSM, 19.55 mL) and 49% and 34% higher than Pt cathode (25.72 mL), respectively. In terms of atomic contents of cathode surface, for Ni-Mo cathodes, DC plating effectively increased molybdenum contents (4.0 to 5.0%), and for Ni-W cathodes, PC plating effectively increased tungsten contents (6.4 to 8.1%). High plating current density improves the electro-catalytic activity area by increasing the adhesion of alloy particles. And pulse plating facilitates mass transport in the alloy formation process and forms a dense, smooth, and large active area than DC plating, thereby improving the durability and hydrogen production ability in MEC.
Microbial Electrochemical Systems (MES) are being developed for renewable energy production and next-generation wastewater treatment processes that electrochemically decompose organic pollutants in wastewater. MES used wastewater as energy source, consumed less energy compared to traditional wastewater processes, and can solve odor and sludge problems. For the practical use of MES, the development of electrode technology and electrochemical analysis method is essential. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) is a non-destructive electrochemical technique that can precisely measure the electrochemical properties of the system. However, most studies on the application of EIS to MES either oversimplified the analysis or focused on incorrect application and were only used to determine the internal resistance of the system. The limitedly applied EIS analysis has been used repeatedly with several errors. In order to propose an accurate impedance analysis in MES, this study discussed three representative cases of errors; 1) errors caused by not analyzing the full frequency range data, 2) errors due to insufficient frequency range, and 3) errors in recognition of diffusion resistance. In addition, we have recommended effective and accurate solutions according to three cases and presented the prospect of EIS applied to MES in the future. Anodic biofilm plays a key role in electricity generation and organic degradation in the microbial fuel cells (MFC), but the electrochemistry of anodic biofilm remains relatively unknown. In this study, the performance and the electrochemistry of carbon-felt anode (CF) and phosphate-doped carbon-felt anode (CF-P) were investigated in a continuous mode. CF-P (1,389 mW m-2) produced 86% higher maximum power density than CF (595 mW m-2). Anodic impedance was measured at the five representative points in a polarization curve. In previous studies, the optimal potential of the bio-anode was known to be around -400 mV (vs Ag/AgCl), but this study showed different results. The results showed that CF had the lowest impedance (67.3 Ω) at its highest potential (5.7 mV vs. Ag/AgCl) and CF-P had the lowest impedance (19.9 Ω) at its highest potential (-102 mV). In addition, this study calculated and successfully analyzed the diffusion phenomenon occurring in the low-frequency region of the anode impedance. Cathodes used in MES must not only have high catalytic activity, and must be easy to manufacture, inexpensive, and have good performance. In MFC, cathode needs high oxygen reduction performance. The metal-organic framework (MOF) is composed of a metal ion and an organic linker. Herein, ZIF-67 (cobalt-nitrogen framework) was combined with activated carbon through ultrasonication (U) and solution precipitation (H), which was used to make ZIF-67U and ZIF-67H cathodes, respectively. In terms of maximum power density, ZIF-67U cathode produced 4203 mW m-2, and ZIF-67H did 3881 mW m-2, which is 60% and 48% higher than AC cathode (2625 mW m-2) and 160% and 140% higher than Pt cathode (1614 mW m-2), respectively. ZIF-67U result is the best record in this medium condition (50 mM). In terms of atomic nitrogen contents of the catalyst surface, pyridine-N was 28% in ZIF-67U and 38% in ZIF-67H, respectively, and pyrrole-N was 56% in ZIF-67U and 25% in ZIF-67H, respectively. These nitrogen species increased the active site of the oxygen reduction reaction (ORR) and improved the reaction rate on the catalyst surface and decreased charge transfer impedance. Microbial electrolysis cells (MEC) cathode needs to high hydrogen evolution performance. Nickel is a typical catalyst for hydrogen production, but its performance is low due to its strong adhesion to hydrogen ions. To solve this, herein, Ni-Mo and Ni-W were fabricated through the thermal decomposition method. W-ESSM (Ni-W coated on the etched stainless-steel mesh) produced 38.07 mL, and Mo-ESSM did 35.12 mL, which is 241% and 214% higher than etched stainless-steel mesh cathode (ESSM, 11.16 mL), respectively. By thermal decomposition, the molybdenum contents of Mo-ESSM increased by 124%, and the tungsten contents of W-ESSM increased by 309% than ESSM. Etching treatment improved hydrogen production performance by shifting metal hydroxide on the cathode surface with metal oxide and improved electrochemical performance by forming a pore structure. Thermal decomposition increases the reactivity of the SSM surface and creates a condition where metal particles are easily attached, and nanoparticles of 0.1 um in Mo and W were attached. In order to improve the performance of Ni-W and Ni-Mo cathodes, cathodes were fabricated using the electrodeposition method and tested in MEC. Herein, Ni-Mo and Ni-W were fabricated by direct current plating (DC) and pulse current plating (PC) through the electrodeposition method in different currents of 1 A and 5 A. In terms of hydrogen gas production, W-PC-5A produced 38.53 mL, and Mo-DC-5A did 34.48 mL, which is 97% and 79% higher than stainless-steel mesh cathode (SSM, 19.55 mL) and 49% and 34% higher than Pt cathode (25.72 mL), respectively. In terms of atomic contents of cathode surface, for Ni-Mo cathodes, DC plating effectively increased molybdenum contents (4.0 to 5.0%), and for Ni-W cathodes, PC plating effectively increased tungsten contents (6.4 to 8.1%). High plating current density improves the electro-catalytic activity area by increasing the adhesion of alloy particles. And pulse plating facilitates mass transport in the alloy formation process and forms a dense, smooth, and large active area than DC plating, thereby improving the durability and hydrogen production ability in MEC.
주제어
#Microbial electrochemical system Microbial fuel cells Microbial electrolysis cells
학위논문 정보
저자
구본영
학위수여기관
전남대학교
학위구분
국내박사
학과
환경에너지공학과
지도교수
정석희
발행연도
2022
총페이지
190
키워드
Microbial electrochemical system Microbial fuel cells Microbial electrolysis cells
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