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문제 정의
- sulfurreducens를 이용한 MFC가 장기간 효율적으로 운전되기 위해서는 미생물의 적절한 성장환경이 중요하다. 본 연구에서는 미생물 성장과 궁극적으로 미생물 연료전지의 전기 생산에 큰 영향을 주는 음극부의 환경 조절인자에 대해 연구하였다.
제안 방법
- Ar 가스 치환에 의한 혐기 상태에서 전기 생산에 대한 sodium phosphate 5 mM과 50 mM 의 영향을 조사 하였다. 그 결과 MFC의 음극부와 양극 부 배지 모두에 5 mM sodium phosphate를 사용한 경우 18일 동안 전압이 증가하여 평균 102 mV 에서 7일간 안정화 되었고 50 mM sodium phosphate를 사용한 경우 실험초반부터 평균 27 mV에서 안정화 되었다(Fig.
- PEM을 중심으로 가장 안쪽의 두 아크릴판을 통해 전극을 고정하여 전극간 거리를 1.5 cm로유지 하였다. 음극과 양극은 2.
- 일반적으로 미생물의 순수배양 시 고압/고온 또는 에탄올 멸균법을 사용한다. 그러나 본 연구에서는 사용한 MFC 반응 기는 다양한 재질의 실험 재료 (아크릴, viton, PEM, 테프론, 실리콘)로 구성되었으므로, 각 재질별로 멸균 방법을 달리하였다 (자세한 내용은 2.2 MFC 반응기 참조). 특히 아크릴은 재질 특성상 고온 및 에탄올 멸균법을 사용할 수가 없었다.
- 5 cm로유지 하였다. 음극과 양극은 2.5 cm X 3.7 cm (가로 X세로)의 carbon paper(without wet proofing; TGPH-090, E-Tek, USA)에 5 cm의 백금 선을 silver paste (Dotite, Fujikura Kansei Co., Japan) 와 epoxy (Devcon, ITW Performance Polymers Co., USA)를 이용하여 부착하였고, 자연 건조 후 1 N HC1 및 1 N NaOH에 차례로 30 분간 처리하였다. 이후 멸균 증류수에 헹궈 사용하였다.
대상 데이터
- PEM으로는 Nafion 117 (DuPont Co., USA)을사용했고 3 cmx4 cm(가로X세로) 크기로 잘라 0.5 M H2SO4에 30분 전처리 후 멸균한 70-80℃ 증류수에 24시간 이상 헹궈 사용하였다.
- 본 실험에서는 two chamber의 아크릴 반응기가 사용되었고, 사용한 균주는 다양한 퇴적환경에서 Fe(HI) oxide와 같은 물에 녹지 않는 전자 수용체에 전자를 선달하는 G. sulfurreducens6] c}4). 최근 G.
- 5 g, Wolfe's Mineral solution 10 mL, Wolfe's Vitamin solution 10 mL 이며, 고압 증기 멸균(15분) 후 N:/C0(80:20) 혼합가스로 치환하여 보관하였다. 탄소원/전자 공여체와 전자수용체로 각각 20 mM acetate 및 50 mA[의 fumarate를 사용하였다. G.
- 6 g, NaHCO3 2 g, Wolfe's Mineral solution 10 mL, Wolfe's Vitamin solution 10 mL 이 었다. 탄소원/전자공여 체로 20 mM acetate를 사용하였고, 전자수용체로 fumarate 대신 전극 (carbon paper)이 사용되었다. 양극부 배지(1 L) 조성 ae KC1 0.
이론/모형
- 음극과 양극의 전압 차는 멀티미터 (DMM PC 20, Sanwa, Japan)로 측정하였고, 옴 법칙을 이용해 전류와 전력으로 환산하였다.
성능/효과
- 1) 반응기와 PEM의 멸균 및 전처리 후 남아 있는 NaClO, H2SO4는 반응기 내부의 pH와 미생물 수를 낮춰 MFC 초기의 안정화와 전기 생산을 저해하므로 MFC 실험재료의 멸균 및 세척은 MFC에 의한 전기 생산에 중요한 인자 중 하나이다.
- 2) 50 面의 NaCl을 사용한 경우가 5 mM 보다 높은 전류 생산을 나타내었고, 이때 전력 밀도는 각각 20 mW/m2 및 8 mW/n?로 관찰되었다.
- 23.8 mM sodium bicarbonate를 사용한 본 실험은 Ar 가스의 계속적 인 공급에 의해 음극 부에서 생성되는 CO2가 탈기되고 용액과 공기 중의 CQ 평형상태가 깨져 pH가 9.5까지 상승하였다. 균체 배양 실험 시 pH 9.
- 3) Ar 을 이용한 혐기 조건에서 23.8 mM bicarbonate, 5 mM phosphate buffer를 사용할 경우 음극부의 pH는 상승경향을 보이며 25일 이후 pH가 9.5까지 증가하여 전류생산이 중단되었으나 중단되었던 전기 생산은 50 mM phosphate 를 사용할 경우 안정적인 전기 생산이 가능하였다.
- 4) 23.8 mM bicarbonate가 포함된 50 rnM의 phosphate buffer를 사용할 경우 실험 초반부터 pH 6.8과 30-40 mV의 전압 생성을 유지하였고 bicarbonate가 없는 50 mM의 phosphate buffer로 교체하여도 pH와 전기 생산 모두 영향을 받지 않았다.
- Fig. 4와 5를 통해 50 mM의 sodium phosphate buffer는 5 mM의 것보다 buffer capacity가 높아 pH의 안정화가 용이 하였고 G. su寸urreducens에의한 MFC 전기 생산이 phosphate buffer에서도 가능하다는 것을 알 수 있었다. 하지만 외부 회로를 통한 전자의 이동과 동시에 전기적 중성을 유지하기 위해 PEM을 통한 수소이온의 이동이 함께 일어나는 것을 생각해 볼 때 많은 양의 전해질은 양이온의 증가를 유발 할 것으로 생각된다.
- 5 M의 H2SO4을 사용하여 PEM을 전처리/멸균 후 사용한 MFC 실험결과를 나타내고 있다. H2SO4 처리 후 멸균수 세척 없이 바로 실험에 사용한 경우 음극부 배지의 pH가 6.8에서 5.6으로 급격히 감소하였고, 전압도 충분히 멸균수에 세척한 경우보다 낮은 값을 나타내었다. 이는 PEM 의 H2SO4 처리 시 PENH 남은 压$。4이 미생물의 전기 생산 활성에 영향을 미친다는 것을 나타낸다.
- 조사 하였다. 그 결과 MFC의 음극부와 양극 부 배지 모두에 5 mM sodium phosphate를 사용한 경우 18일 동안 전압이 증가하여 평균 102 mV 에서 7일간 안정화 되었고 50 mM sodium phosphate를 사용한 경우 실험초반부터 평균 27 mV에서 안정화 되었다(Fig. 4). 전력 밀도에서 보면 5 mM sodium phosphate# 사용하였을 때세 번째 주기에서 평균 18 mW/m?을 나타낸 반면 50 mM sodium phosphate에서는 평균 ] mW/m2 에서 그쳤다.
- 이는 과도한 pH 상승이 높은 전력 밀도와 효율을 도출하는 데 제한요소임을 나타낸다. 본 실험 조건에서 sodium bicarbonate buffer capacity 저해 현상은 50 mM의 sodium phosphate를 사용함으로써 음극 부의 중성 pH를 유지할 수 있었다.
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