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환원전극 DO 농도에 따른 단일 및 직렬연결 미생물연료전지 전기발생량 평가
Evaluation of Single and Stacked MFC Performances under Different Dissolved Oxygen Concentrations in Cathode Chamber 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.31 no.4, 2009년, pp.249 - 255  

유재철 (부산대학교 사회환경시스템공학부) ,  이태호 (부산대학교 사회환경시스템공학부)

초록
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미생물연료전지(Microbial fuel cell, MFC)의 효율은 산화전극부내의 유기물 산화율, 전기활성박테리아에 의한 전자 전달, 수소이온 전달, 환원전극내의 전자수용체의 농도 및 환원율, 내부저항 등 다양한 요소에 영향을 받는다. 특히 산소를 전자수용체로 이용하는 MFC의 경우, 환원전극내 산소농도는 MFC의 제한요소로 작용한다고 알려져 있다. 한편 MFC의 전기발생량을 높이기 위하여 여러 개의 MFC를 직렬 또는 병렬로 연결하여 전기발생량을 높이는 다양한 방법들이 연구되고 있다. 본 연구에서는 acetate를 산화전극부의 기질로 이용하고 산소를 환원전극의 전자수용체로 이용하는 단일 MFC와 직렬연결 MFC에서 환원전극의 용존산소 농도의 변화가 MFC 효율에 미치는 영향을 평가하였다. 단일 MFC의 전력밀도값(W/$m^3$)은 DO 5 > 3 > 7 > 9 mg/L으로 나타났으며, 최대전력밀도값은 42 W/$m^3$으로 나타났다. 직렬연결 MFC의 전력밀도값은 DO 5 > 7 > 9 > 3 mg/L으로 나타났으며, 최 대전력밀도값은 20 W/$m^3$이었다. 이러한 결과로부터 환원전극의 DO 농도는 MFC 설계 및 운전시에 중요한 제어인자로 고려해야 될 것으로 판단되었다. 또한 본 연구에서는 직렬연결 MFC의 운전 시, 일부 MFC에서 염의 축적으로 인한 전위역전 현상이 발생하여 전체 전기발생량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 전기생산량을 높이기 위하여 MFC를 직렬로 연결하는 것보다 병렬로 연결하는 것이 보다 타당한 것으로 사료되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The performance of microbial fuel cell (MFC) can be affected by many factors including the rate of organic matter oxidation, the electron transfer to electrode by electrochemical bacteria, proton diffusion, the concentration of electron acceptor, the rate of electron acceptor reduction and internal ...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • MFC에서 발생하는 전압의 변화는 Data acquisition system (Model 7700, Keithley Instruments Inc., USA)을 이용하여 측정하였다. 산화전극부 유출수의 SCODCr 농도는 AA3 (Bran+Luebbe-Auto Analyzer 3, SPX Corporation, Germany)을 이용하여 측정하였으며, 환원전극에 유입되는 유입수의 DO농도는 DO meter (YSI 550A, YSI Incorporated, USA)를 이용하여 08시부터 8시간 단위로 3회/일 측정하였다.
  • 초기 MFC 운전의 start up을 위하여 환원전극에는 DO 농도 9 mg/L인 수돗물을 유입유량 4 mL/min로 공급하였다. MFC의 전기발생량이 안정적으로 되었을 때, DO 농도 변화가 MFC의 효율에 미치는 영향을 평가하기 위하여, 폭기한 수돗물의 유입유량을 4 mL/min으로 유지한 상태에서 폭기량을 조절하여 수돗물의 DO 농도를 9 mg/L에서 7, 5, 3 mg/L 순으로 변화시켰다. 그리고 각 DO 조건에서 저항(10∼5,000 Ω)을 달리하며 전력발생량(전위 및 전력밀도)의 변화를 측정하여 작성한 그래프로부터 최대 전압 및 전류를 측정하였다.
  • 각 DO 조건에서 저항을 달리하여 전류의 변화에 따른 전압 및 전력밀도를 측정하였다(Fig. 3). 단일 MFC는 DO 5 mg/L일 때 전력밀도가 42.
  • 그리고 각 DO 조건에서 저항(10∼5,000 Ω)을 달리하며 전력발생량(전위 및 전력밀도)의 변화를 측정하여 작성한 그래프로부터 최대 전압 및 전류를 측정하였다.
  • 본 연구에서는 용존산소를 전자수용체로 이용하는 직렬연결 MFC에 기질로서 acetate를 연속공급하며 용존산소 농도에 따른 전기생성량의 변화를 단일 MFC의 결과와 비교하였다. 또한 기존의 보고와는 달리 직렬연결 MFC의 산화전극부 표면에 염이 축적됨으로써 전위역전이 발생하고 이로 인하여 직렬연결 MFC의 효율이 감소하는 현상을 확인하였다.
  • 1(b)처럼 직렬로 연결하여 사용하였다. 산화전극과 환원전극의 재질로는 Graphite felt를 사용하였으며, 각 전극은 Pt wire를 이용하여 외부에서 연결할 수 있도록 하였다. 산화전극과 환원전극 사이에는 수소이온교환막(Nafion 117, dupont Co.
  • , USA)을 이용하여 측정하였다. 산화전극부 유출수의 SCODCr 농도는 AA3 (Bran+Luebbe-Auto Analyzer 3, SPX Corporation, Germany)을 이용하여 측정하였으며, 환원전극에 유입되는 유입수의 DO농도는 DO meter (YSI 550A, YSI Incorporated, USA)를 이용하여 08시부터 8시간 단위로 3회/일 측정하였다.
  • 산화전극부에는 부산시 수영하수처리장의 호기조 반송 슬러지를 식종하여, 전자공여체인 acetate (COD 600 mg/L) 를 포함하는 배지를 공급하였으며, 환원전극에는 폭기한 수돗물을 공급함으로써 용존산소가 전자수용체로 이용될 수 있도록 하였다. 배지의 조성은 K2HPO4 3.
  • 산화전극부의 기질로 acetate를 이용하고, 환원전극의 전자수용체로 용존산소를 이용하는 단일 MFC와 직렬연결 MFC에 있어서, 환원전극의 유입수내 용존산소 농도의 변화가 MFC 효율에 미치는 영향을 평가하고, 직렬연결 MFC의 전력발생량 저하의 원인을 조사한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • MFC 운전 60일 경과 후, 단일 MFC의 전력발생량은 안정적으로 유지되었으나, 직렬연결 MFC의 전력발생량은 약 250 mV까지 지속적으로 감소하였다. 이에 직렬연결된 MFC 들을 분리하여 단위 MFC 각각의 전기발생량을 측정하였다(Fig. 4). MFC 1과 MFC 2의 경우, 분리 초기에는 각각 200 mV와 180 mV의 높은 전위를 나타내었으나, 3∼5시간이 경과한 이후에는 발생되는 전위값이 140∼190 mV의 범위에서 큰 폭으로 변동하였다.
  • 전기발생량이 낮았던 MFC 6에 의한 전위역전현상을 확인하기 위하여 MFC 6과 전기발생량이 가장 높고 안정적이었던 MFC 4를 직렬로 연결하여 전기발생량을 관찰하였다. 전기발생량 200 mV의 MFC 4와 20 mV의 MFC 6을 직렬연결하자 전기발생량은 50 mV으로 급격하게 감소하였으며, 두 MFC를 다시 분리하자 원래의 전기발생량으로 회복하는 것을 확인할 수 있었다(Fig.
  • 환원전극내 DO 농도가 MFC 효율에 미치는 영향을 평가하기 위하여 환원전극의 유입수 DO농도를 9, 7, 5, 3 mg/L으로 감소시켜 단일 및 직렬연결 MFC의 전기발생량을 측정하였다. Fig.

대상 데이터

  • (a)에 나타낸 바와 같이 각 전극부의 유효부피가 18 mL (3 cm × 6 cm × 1 cm)인 사각형의 MFC를 사용하였다.
  • 산화전극과 환원전극의 재질로는 Graphite felt를 사용하였으며, 각 전극은 Pt wire를 이용하여 외부에서 연결할 수 있도록 하였다. 산화전극과 환원전극 사이에는 수소이온교환막(Nafion 117, dupont Co., USA)을 설치하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
미생물연료전지의 효율은 무엇에 영향을 받는가? 미생물연료전지(Microbial fuel cell, MFC)의 효율은 산화전극부내의 유기물 산화율, 전기활성박테리아에 의한 전자 전달, 수소이온 전달, 환원전극내의 전자수용체의 농도 및 환원율, 내부저항 등 다양한 요소에 영향을 받는다. 특히 산소를 전자수용체로 이용하는 MFC의 경우, 환원전극내 산소농도는 MFC의 제한요소로 작용한다고 알려져 있다.
MFC는 어떻게 구분되는가? MFC는 크게 산화전극부와 환원전극으로 나누어지며, 두 개의 전극부 사이에는 이온교환막이 놓여있다. 혐기성 조건의 산화전극에서는 전기활성미생물들에 의해서 glucose, acetate와 같은 유기물들이 산화되며, 전자와 수소이온이 발생하게 된다.
산소를 전자수용체로 이용하는 미생물연료전지의 경우 환원 전극 내 산소농도는 무엇으로 작용한다고 알려져 있는가? 미생물연료전지(Microbial fuel cell, MFC)의 효율은 산화전극부내의 유기물 산화율, 전기활성박테리아에 의한 전자 전달, 수소이온 전달, 환원전극내의 전자수용체의 농도 및 환원율, 내부저항 등 다양한 요소에 영향을 받는다. 특히 산소를 전자수용체로 이용하는 MFC의 경우, 환원전극내 산소농도는 MFC의 제한요소로 작용한다고 알려져 있다. 한편 MFC의 전기발생량을 높이기 위하여 여러 개의 MFC를 직렬 또는 병렬로 연결하여 전기발생량을 높이는 다양한 방법들이 연구되고 있다.
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참고문헌 (13)

  1. 산업자원부, 에너지 백서(2007) 

  2. Logan B. E., “Microbial Fuel Cells,” WILEY-InterScicence (2007) 

  3. Hamid, R. Y., Carver, S. M., Christy, A. D., and Tuovinen, O. H., “Cathodic limitations in microbial fuel cells: An overview,” J. Power Sources, 180, 683-694 (2008) 

  4. Du, Z., Li, H., and Gu, T., “A state of the art review on microbial fuel cells: A promising technology for wastewater treatment and bioenergy,” Biotechnol. Advances, 25, 464-482(2007) 

  5. He, Z. and Angenent, L. T., “Appliacation of bacterial biocathode in microbial fuel cells,” Electroanalysis, 18(19-20), 2009-2015(2006) 

  6. Aelterman, P., Rabaey, K., Pham, H. T., Boon, N., and Verstraete, W., “Continous electricity generation at high voltages and currents using stacked microbial fuel cells,” Environ. Sci. Technol., 40(10), 3388-3394(2006) 

  7. Oh, S. E. and Logan, B. E., “Voltage reversal during microbial fuel cell stack operation,” J. Power Sources, 167, 11-17(2007) 

  8. Chae, K. J., Choil, M., Ajayi, F. F., Park, W., Chang, I. S., and Kim, I. S., “Mass transport through a proton exchange membrane (Nafion) in microbial fuel cells,” Energy Fuels, 22(1), 169-176(2008) 

  9. Gil, G. C., Chang, I. S., Kim, B. H., Kim, M., Jang, J. K., Park, H. S., and Kim, H. J., “Operational parameters affecting the performance of a mediator-less microbial fuel cell,” Biosens. Bioelectron., 18(4), 327-334(2003) 

  10. Pham, T. H., Jang, J. K., Chang, I. S., and Kim, B. H., “Improvement of cathode reaction of a mediatorless microbial fuel cell,” J. Microb. Biotechnol., 14(2), 324-329(2004) 

  11. Wang, B. and Han, J. I., “A single chamber stackable microbial fuel cell with air cathode,” Biotechnol. Lett. (2008) 

  12. Liu, H., Cheng, S., and Logan, B. E., “Production of electricity from acetate or butyrate using a single-chamber microbial fuel cell,” Environ. Sci. Technol., 39(2), 658-662(2005) 

  13. Tartakovsky, B. and Guiot, S. R., “A comparison of air hydrogen oxygenated microbial fuel cell reactors,” Biotechnol. Prog., 22(1), 241-246(2006) 

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