[논문]미생물연료전지의 재료 : 전극 및 분리막, 집전체

송영채; 우정희; 유규선

[국내논문] 미생물연료전지의 재료 : 전극 및 분리막, 집전체
Materials for microbial fuel cell : electrodes, separator and current collector 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.31 no.9, 2009년, pp.693 - 704

송영채 (한국해양대학교 건설환경공학부) , 우정희 (한국해양대학교 녹색에너지환경연구센터) , 유규선 (전주대학교 토목환경공학과)

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문제 정의

^3,10,12,13) 미생물연료전지의 재료는 음극과 양극재료, 분리막, 집전체, 양극전해질 및 촉매 등으로 대별된다. 본 논문에서는 지금까지의 연구결과들을 바탕으로 미생물연료전지에 사용되는 상기한 재료들의 종류와 특성에 대하여 조사하고 분석하였다.

가설 설정

먼저, 탄소 또는 흑연 평판의 경우 비교적 강도가 큰 경성이며 부서지기 쉽지만 회로용 전선을 접속하기 쉽다.¹⁵⁾ 미생물연료전지에서 회로를 구성하기 위하여 구리선을 음극에 연결할 때는 피복이 벗겨진 구리선이 연결부위 부근에서 음극용액에 직접 노출되지 않도록 피복하여야 한다.^1,17) 에폭시는 연결부위에서 구리가 음극용액에 노출되는 것을 막기 위하여 널리 사용하는 피복제이다.
5 μm 정도로 매우 가늘기 때문에 흑연섬유를 이용하여 음극을 브러쉬 형태로 만들 경우 공극과 표면적을 극대화할 수 있다.¹⁵⁾ 흑연섬유 브러쉬 음극에서 집전체 역할을 하는 심으로는 부식성이 없는 스테인리스 선이나 티타늄 선 등과 같은 물질을 사용하면 좋다.¹⁵⁾ 흑연섬유 브러쉬 음극의 일례로서 Logan 등(2007)이 사용한 직경이 5 cm, 길이가 7 cm인 브러쉬의 비표면적과 공극율은 각각 7,170 m²/m³ 및 98%로서 대단히 컸다.
쌍극자 분리막을 사용하는 미생물연료전지에서는 전하수지를 맞추기 위하여 물이 분해되어 생성된 수산화기(OH^-)는음극반응조로 양성자 이온(H⁺)은 양극반응조로 이동한다.³⁶⁾ 물이 수산화 이온과 양성자로 분해되는데 필요한 에너지는 크지 않다. 1몰의 산-염기용액에서 쌍극분리막이 100% 선택작용을 가지도록 하기 위해서 필요한 전위차는 0.

제안 방법

^11,12,13) 따라서, 어떤 물질의 전도성은 미생물연료전지의 음극재료로서의 적합성을 우선적으로 평가하는 중요한 지표의 한가지이다. Table 1에서는 미생물 연료전지에서 음극이나 집전체, 촉매 등의 음극재료로서의 활용가능성이 있는 여러 가지 물질들의 전도성을 비교하였다.

성능/효과

^{1,5,11,14,48~50)} 6 시안화철이온과 과망간산이온 및 제 2철이온 등은 일종의 전자전달 매개체로서 전자를 받아 빠르게 환원된 뒤 최종 전자수용체인 산소로 전달하는 역할을 한다.¹⁾ 특히, 6 시안화철 이온은 과전위가 낮아 개회로전위에 가까운 높은 구동전위에서 미생물연료전지의 운전이 가능한 것으로 평가되고 있다.^1,5) 전자수용체로 6 시안화철 이온은 별도의 촉매 없 생물연료양극반응 효율을 율을할 수 있는 물질로서 양극반응을 위해 액상에서 양성자와 전자수용체가 공급되고 고체인 양극에서 전자가 공급되는 2상 반응로 단순화되기 때문에 양극의 설계가 쉬어진다.
^1,5,10) 또한, 미생물연료전지 공정은 pH, 온도 등의 환경 및 유입수질 특성 변화에 대하여 완충력이 있어야 하며^,10) 처리수의 수질은 방류수기준 이하로 청정하여야 한다.¹⁴⁾ 미생물연료전지 시스템을 구성하는 시설 및 재료비가 기존의 하폐수 처리시설에 비해 과하지 않아야 하며, 운영비가 적게 소요되어야 한다.^3,11~14) 미생물연료전지 기술의 실용화를 위해 필요한 이와 같은 기술들은 효율적이며 경제적인 미생물연료전지용 재료의 개발과 직접 관련된다.
흑연펠트의 경우 비표면적이 넓은 물질로서 연성과 경성으로 구분된다.¹⁵⁾ 연성의 흑연펠트의 경우 강도가 약하며, 도전율이 0.87~2.78 S/m로서 다소 작다. 경성의 경우 연성에 비해 강도가 크고 전기전도도와 내구성이 약간 개선되었지만 부서지기 쉽다는 단점이 있다.
15) 이와 같은 음극 표면의 반응성을 개선하기 위하여 사용하는 물질은 미생물에 독성이 없고 생체적합성이 우수하여야하며, 다양한 생물학적인 대사산물들에 대하여 10-40℃의 낮은 온도 및 pH 5-8의 영역에서도 전기화학적 촉매작용을 할 수 있어야하며, 음극용액 및 생물학적 작용에 안정하여야하며 가격이 저렴하여야 한다. Fig.
²²⁾ 그러나, 흑연입자로 충진된 층은 흑연입자들의 불규칙한 형상과 공극으로 인하여 음극에서 실제 전도성은 입자간의 접촉정도에 따라 달라진다.¹⁵⁾ 탄소나노튜브는 표면적이 다른 탄소기반 물질들에 비하여 대단히 크고 전도성은 구리의 1,000배 이상인 것으로 알려지고 있다. 또한, 강도와 내구성이 대단히 우수하여 고효율의 새로운 전극재료로 인식되고 있지만^,23) 아직까지는 그램당 500달러 가량의 고가의 물질로서 널리 사용되지는 못하고 있다.
경성의 경우 연성에 비해 강도가 크고 전기전도도와 내구성이 약간 개선되었지만 부서지기 쉽다는 단점이 있다.¹⁵⁾ 탄소폼은 탄소헝겊보다 두꺼우며 다공성으로서 미생물이 부착 성장할 수 있는 비표면적이 넓으며, 전도성이 우수하다.¹⁵⁾ 망상유리탄소(Reticualted vitrified carbon, RVC)의 경우 폴리우레탄폼을 열분해하여 제조한 것으로서 단위부피당 비표면적이 넓고 전도성이 대단히 우수한 물질이다.
2) 그러나, 원료의 구입을 위하여 별도의 비용이 필요한 유기물을 원료로 이용하여 미생물연료전지로부터 전기를 생산하는 것은 화력발전이나 원자력발전 등의 기존 발전기술과 비교할 때 경제적인 측면에서 경쟁력이 높지 않다.³⁾ 하폐수처리를 위한 미생물연료전지 기술에 대한 연구는 Kim 등 (1999)이 철환원균인 Shewanella putrefaciens가 별도의 매개체 없이 전자를 무생물인 전극으로 전달할 수 있다고 보고한 이후 본격적으로 연구되기 시작하였다.
99 meq/m²까지 증가하였으며, 전극의 표면에 생물막을 형성하는 순응기를 감소시켰다.²⁴⁾ 이들은 암모니아 처리한 음극을 사용하여 1,970 mW/m²의 높은 전력밀도를 달성하였으며, 암모니아를 처리하지 않은 일반 탄소헝겊을 음극으로 사용한 경우에 비해 약 20%의 전력밀도 증가가 가능함을 보였다(Fig. 2). 이것은 음극재료의 생체적합성을 개선한 예로서 음극의 표면을 암모니아로 처리하여 양으로 하전되도록 만듬으로서 미생물이 보다 쉽고 견고하게 부착할 수 있기 때문에 높은 전력밀도의 달성이 가능하였던 것으로 평가하고 있다.
그러나, Nafion 117의 가장 큰 단점은 m²당 약 780달러를 상회하는 정도로 고가라는 점과 양극용액으로부터 산소가 확산되어 음극의 전위를 높일 수 있다는 점이다.³⁸⁾ 미생물연료전지에 사용되고 있는 양이온교환막은 Nafion 117 이외에도 그 종류가 다양하지만 비교적 저렴하여 비용대비 효율이 우수한 막은 CMI-7000 (Membrane International InC., NJ)으로서, 이막은 Nafion 117에 비하여 좀더 두껍고 구조적으로 견고하다는 특징을 지니고 있다.^14,15,38)
²²⁾ 따라서, 분리막은 이중반응조 미생물연료전지 시스템에서는 중요한 구성요소 중의 하나이다.⁵⁾ 분리막이 가져야할 특성으로서는 선택적 양성자 전도성이 우수하여야 하며, 양성자를 제외한 유기물, 산소, 전자 등과 같은 음극 및 양극에서 일어나는 반응의 반응물 또는 생성물이 서로 혼합되지 않도록 분리하는 기능이 있어야한다. 또한, 음극 및 양극용액에서 화학적으로 안정하여 부식성이 없어야 하며, 내구성이 있는 재료로서 저렴하여야 한다.

후속연구

^{1,12,48,61,62)} 전자와 양성자 및 산소가 반응하여 물을 형성하는 양극반응에서는 충분한 농도의 산소가 필요하지만 미생물에 의해서 산소환원 반응이 진행되는 경우 용존산소 농도가 1~2 mg/L 정도이면 충분하기 때문에 액상 양극인 경우에도 폭기량을 줄일 수 있는 장점이 있다.^14,15) 그러나, 아직은 생물양극의 경우 산소환원속도가 Pt 촉매를 담지한 양극에 비해 z,게 낮아 추가적인 연구가 필요한 실정이다. 생물양극의 성능개선과 더불어 장기간 운전에 따른 성능이 검증된다면 하폐수처리를 위한 미생물연료전지의 실용화에 새로운 가능성을 열수도 있을 것으로 기대된다.
^59,60) 아직까지 탄소나노튜브의 경우 고가이기 때문에 당장은 활용하기 어려울 것으로 여겨지지만 탄소나노튜브의 제조기술이 발전하고 있어 가까운 장래에는 대량으로 사용하는데 문제가 없을 만큼 가격이 저렴해 질것으로 예측된다. 따라서, 탄소나노튜브를 대량으로 사용하여 양극재료 또는 촉매로 활용하게 될 경우 미생물연료전지의 성능개선과 더불어 실용화하는데 큰 도움이 될수 있을 것으로 평가된다. 미생물연료전지에서 새롭게 연구되고 있는 분야가 양극촉매로서 박테리아를 사용하는 생물양극에 대한 것이다.
^14,15) 그러나, 아직은 생물양극의 경우 산소환원속도가 Pt 촉매를 담지한 양극에 비해 z,게 낮아 추가적인 연구가 필요한 실정이다. 생물양극의 성능개선과 더불어 장기간 운전에 따른 성능이 검증된다면 하폐수처리를 위한 미생물연료전지의 실용화에 새로운 가능성을 열수도 있을 것으로 기대된다.
분리막의 경우 양극용액과 음극용액을 공간적으로 분리하면서 음극으로부터 양성자를 양극으로 효율적으로 전달하기 위하여 필요한 것으로 상용의 Nafion 막이 주로 사용되어 왔으나 최근에는 분리막이 필요 없거나, 가격이 저렴한 부직포 등으로 대체할 수 있는 새로운 형상의 미생물 연료전지들이 설계되고 있다. 전도성 고분자와 탄소나노튜브 등으로 전극의 전도성을 개선하고 전이금속, 염료 등의 저렴한 비귀금속 물질을 이용하여 Pt을 대신할 수 있는 양극 촉매를 개발한다면 하폐수처리를 위한 미생물연료전지 기술의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미생물연료전지는 어떻게 구성됩니까?	미생물연료전지는 유기물에 함유된 화학에너지를 전기적으로 활성을 가진 미생물의 촉매작용을 이용하여 전기에너지로 직접 변환시키는 새로운 형태의 에너지 변환장치이다. 미생물연료전지는 음극과 양극을 각각 담지하고 있는 음극 반응조와 양극반응조 그리고 이들을 공간적으로 분리하여 구분시키는 분리막, 음극과 양극을 도선으로 연결한 회로로 구성된다. 유기물은 미생물연료전지의 음극반응조로 유입하며, 음극의 표면에 생물막 형태로 존재하는 미생물에 의하여 분해되어 전자와 양성자 및 이산화탄소를 생성한다.
	하폐수처리를 위한 미생물연료전지 기술은 무엇을 의미하며 이것의 장점은 어떠합니까?	3) 하폐수처리를 위한 미생물연료전지 기술에 대한 연구는 Kim 등 (1999)이 철환원균인 Shewanella putrefaciens가 별도의 매개체 없이 전자를 무생물인 전극으로 전달할 수 있다고 보고한 이후 본격적으로 연구되기 시작하였다.4~7) 미생물연료전지기술은 하폐수처리를 위한 미래의 2P3L (2P : Production of clean water and electric power, 3L : Low operation cost, Low sludge production and Low carbon dioxide emission)기술이라 할 수 있다. 이것은 미생물연료전지의 원료로 하폐수에 함유된 유기물을 이용한다면 하폐수를 처리하여 청정한 처리수를 생산함과 동시에 원료에 대한 대가 지불 없이 전기를 생산할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 미생물연료전지에서 유기물은 혐기성상태에서 분해되기 때문에 폭기 등을 위한 별도의 운전비용이 필요하지 않으며,7) 음극표면의 전기적으로 활성을 가진 미생물은 수율이 낮아 슬러지 생산량이 상대적으로 크지 않으며,8,14) 혐기성공정이기 때문에 발생하는 이산화탄소는 쉽게 포집하여 방출을 막을 수 있음을 나타낸다. 지난 10여년 동안 미생물연료전지 연구의 주요 관심사는 하폐수에 함유된 유기물로부터 생산하는 전력을 극대화하는 것이었으며, 최근 들어 괄목할 만한 연구성과들이 보고되고 있다.
	미생물연료전지란 무엇입니까?	미생물연료전지는 유기물에 함유된 화학에너지를 전기적으로 활성을 가진 미생물의 촉매작용을 이용하여 전기에너지로 직접 변환시키는 새로운 형태의 에너지 변환장치이다. 미생물연료전지는 음극과 양극을 각각 담지하고 있는 음극 반응조와 양극반응조 그리고 이들을 공간적으로 분리하여 구분시키는 분리막, 음극과 양극을 도선으로 연결한 회로로 구성된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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