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문제 정의
- 본 연구에서는 두 가지 다른 구조의 MFCs 를 적용 혹은 고안하여 그 효율을 비교 분석하였으며, 양이온 교환막의 유무에 따른 전기 에너지 생산에 대한 영향을 검토하였다. 두 시스템 모두 산소 양극이 적용되었으며, 부분적으로 전자 매개체(electron mediator)가 이용되었다.
가설 설정
- Liu and Logan(2004) 의 연구에 의하면 양전극과 음전극의 거리가 가까울 때 PEM 은 오히려 시스템의 효율을 저하시키는 것으로 나타났다. 따라서 TBE MFC 시스템은 내부의 자연확산에 의한 수소와 전자의 전달 시스템이 PEM 을 포함하는 시스템과 비교할 때 효과적인 전압 생산에 기여할 것이라고 가정되었다. 본 실험을 통하여 위의 가정들이 검토확인되었다.
제안 방법
- 4에 나타내었는데, test1 과 test2로 나뉘어 실험되었다. Test1 은 5 gCOD/L의 수크로스가 주입되었으며, 운전 초기에 긴 적응 기간을 필요로 하였다. 이는 미생물 군집 형성을 위해 소요되는 시간으로 판단되며, 이때 발생된 첨두 전압과 전력량은 각각 0.
- MFC는 반응조 내부의 양쪽 면에 다공성 플라스틱 재질의 방벽이 설치되었는데, 이는 멤브레인 표면의 미생물 막힘과 손실을 최소화하고, 시스템 내부의 laminar flow를 유지하기 위한 것이다. 기본적으로 두 시스템은 혐기성 미생물 기작에 의한 이산화탄소 등과 같은 가스 성 부산물을 배출하기위한 가스포집 장치가 포함되어있었지만 본 연구에서 가스 분석은 수행하지 않았다.
- 두 번째로 고안된 MFC 는 한 반응조에 각각 두 개의 브러쉬타입 음전극과 산소 양전극을 가지는 형태로써 TBE (Twin compartment Brush type anode Electrode) MFC 라명하였다(Fig. 2). 반응조는 앞의 SCME MFC와 같이 긴 원통형으로 제작되었고, 전체 용적은 1.
- V는 전압(V), R은 저항(Q), 그리고 A는 양극전극의 표면 면적(m2)을 가리킨다. 본 연구에서 탄소 섬유 형태의 음전극 면적을 수치화하는데 정확성이 낮음으로 양전극 면적이 계산에 이용되었다.
- 서로 다른 구조의 미생물 연료 전지 공정이 고안되었고, 그에 따른 에너지 효율을 평가하였다. 고안된 두 시스템 SCME와 TBE MFC 모두로부터 전력의 생산이 가능하였다.
- , 2006). 안정화된 상태의 시스템으로부터 일정한 전압이 발생할 때, 여러 종류의 외부 저항(10, 22, 47, 100, 220, 470, 1K, 2.2K, 3.3K, 4.7K, 10K Q)으로부터 변화되는 전압의 양을 기록하였고, 외부 저항은 일차적으로 낮은 저항에서 높은 저항으로, 다시 높은 저항에서 낮은 저항으로 교환하며 전압을 기록하였다. 분석을 위한 데이터는 두 실험의 평균값을 사용하였는데, 변환은 순간적으로 이루어졌으며, 약 15분 정도의 안정화 시간을 거친 후 기록하였다.
- 5(b)의 그래프로 나타내었다. 외부저항에 따라 전압의 변화량은 비례하였으며, 전류는 반비례하였다. 이에 따른 전력은 전류의 흐름이 커짐에 따라 증가하다가 감소하는 경향을 보였으며, 47 Q 의 외부저항에서 115.
대상 데이터
- SCME MFC 실험에서 순수 화학물질인 글루코스가 기질로 사용되었다. 미량 영양물질(AlCl3, H3BO3 10 mg, CaCk 2HQ 600 mg, CoCL・6H2O 30 mg, CuCh^HQ 8 mg, FeCL・4H2O 80 mg, MgCL^HQ 400 mg, MnCL^HQ 100 mg, (NH^MoSMO 10 mg, NiCl/HQ, NaSeO3 10 mg, ZnCL 10 mg, HCl 0.
- 1). SCME MFC는 방수기능의 아크릴 원통형으로 길이 14 cm, 직경 9 cm 로 제작되었으며, 전체 용적은 890 mL이었다. 결합된 형태의 전극과 양 이온 교환막은 E-TEK(#MY022107) 으로부터 구입되었고, 두 전극은 탄소로 이루어진 천 재질이었다(Vulcan XC-72).
- SCME MFC에서 두 종류의 다른 기질을 사용하였는데, 글루코스(SCME1) 와 우분으로부터의 침출액 (SCME2) 이 사용되었고, 회분식으로 운전되었다. 두 실험 모두에서 다른 미생물의 접종은 이루어지지 않았으며, 반응 조건 내에서 자연발생적인 미생물의 활동을 기대하였다.
- SCME MFC는 방수기능의 아크릴 원통형으로 길이 14 cm, 직경 9 cm 로 제작되었으며, 전체 용적은 890 mL이었다. 결합된 형태의 전극과 양 이온 교환막은 E-TEK(#MY022107) 으로부터 구입되었고, 두 전극은 탄소로 이루어진 천 재질이었다(Vulcan XC-72). 음전극과 양전극은 20%의 백금(Pt) 촉매제를 사용하였고(0.
- 13 g/L의 KCl, 미량 영양물질이 첨가되었고, 적정 pH를 위한 200 mM의 인산염인 완충용액이 사용되었다. 경우에 따라 6 mM의 2-hydroxy-1, 4-naphthoquinone (HNQ) 이 전자 매개물질로 사용되었다.
- 5(a)에 나타내었다. 두 MFCs 모두에서 5 g/L 의 수크로스가 기질로 사용되었고, 적정 pH의 유지를 위해 200 mM의 인산염인 완충용액이 사용되었다. 운전 초기에 매개체로써 6 mM의 HNQ가 사용된 MFC에서 약 1일의 적응 기간을 거친 후, 전압이 서서히 증가되기 시작하여 평균 0.
- 두 가지 형태의 미생물 연료 전지가 제작되었다. 첫 번째, 단일반응조의 두 전극(음전극, 양전극)이 양이온 교환막 (PEM, Nafion117) 으로 결합된 형태의 (Single-chamber Combined Membrane Electrode, SCME) MFC 시스템이 제작되었다(Mn and Logan, 2004; Fig.
- 또한 우분 침출액 (8, 210 mgCOD/L)인 액상 폐수가 기질로 사용되었다. 우분은 농가의 세척수로부터 분리되어 스크린된 우분 더미로부터 2일 이내에 수집되었다.
- 결합된 형태의 전극과 양 이온 교환막은 E-TEK(#MY022107) 으로부터 구입되었고, 두 전극은 탄소로 이루어진 천 재질이었다(Vulcan XC-72). 음전극과 양전극은 20%의 백금(Pt) 촉매제를 사용하였고(0.5 mg/cm2), 구리선으로 연결되었으며 1, 000 Q 의외부저항이 사용되었다.
데이터처리
- 7K, 10K Q)으로부터 변화되는 전압의 양을 기록하였고, 외부 저항은 일차적으로 낮은 저항에서 높은 저항으로, 다시 높은 저항에서 낮은 저항으로 교환하며 전압을 기록하였다. 분석을 위한 데이터는 두 실험의 평균값을 사용하였는데, 변환은 순간적으로 이루어졌으며, 약 15분 정도의 안정화 시간을 거친 후 기록하였다. 이때 변화된 전압-전류-전력의 관계를 Fig.
이론/모형
- 이는우분 침출액의 기질 특성에 의한 것으로 혐기성 조건에서발생된 휘발성지방산(아세트산, 프로피오닉산, 그리고 뷰틸 산)의 생성으로 추측된다. SCME MFC 시스템의 운전을 통해 발생된 내부 저항은 각각 446 Q(SCEM1)과 570 요, (SCME2)이었고, 이는 실측된 전압과 전류량으로부터 옴의 법칙(저항=전압/전류)에 의거하여 계산되었다.
- 1) 을 통해분 단위로 기록되었다. 수집된 전압은 옴의 법칙 (P=1000V2/ RA)에 의거하여, 첨두(peak)전력량 혹은 최대(maximum) 전력량(mW/m2) 으로 계산되었다. V는 전압(V), R은 저항(Q), 그리고 A는 양극전극의 표면 면적(m2)을 가리킨다.
성능/효과
- SCME MFC를 실험한 결과, 이 시스템으로부터 전기 생산의 가능성을 확인하였고, 실 폐수(우분 침출액)를 적용한 경우에도 충분한 기질과 자연 발생적인 미생물의 공급으로부터 큰 효율을 보여주었으며, 추후 안정적이며 장기적인 전압 혹은 전력의 생산을 기대할 수 있었다.
- 본 실험을 통하여 위의 가정들이 검토확인되었다. Table 1 은 MFC의 구조와 반응 기질에 따른 타 연구자들의 전력 생산 결과를 정리한 것으로 본 연구에서 실험된 MFC의 구조 역시 전력 생산이 가능하였고, 고농도의 실폐수를 적용할 경우 안정적인 기질의 공급으로부터 효율적인 전력 생산량이 기대되는 것으로 나타났다.
- 3 mW/m2이었다. Test2의 실험결과로부터 test1 에서보다 짧은 적응 기간과 더 높은 전압 발생량이 관찰되었는데, 이는 test1 에서 보다 활성화된 미생물 군집의 형성과 충분한 기질의 공급에 기인한 것으로 판단된다. 하지만 전압 발생량이 기질의 농도에 비례 한다기보다 일정 농도 이상의 기질이(약 4, 000 mg/L) steady-state 상태를 유지하는데 영향을 미치는 것으로 판단되며, 두 실험에서 모두 COD 는 전체 운전 기간에 걸쳐 서서히 감소되었다(Fig.
- 따른 에너지 효율을 평가하였다. 고안된 두 시스템 SCME와 TBE MFC 모두로부터 전력의 생산이 가능하였다. 안정된 에너지 생산을 위한 일정 농도 이상의 기질이 요구되었으며(약 4, 000 mg/L), 그 이하의 농도에서는 기질의 제한으로부터 전압이 감소되는 경향을 보였다.
- 6 mW/m2의 전력량이 기대된다. 또한 TBE MFC에서 상대적으로 큰 표면적을 가지는 브러쉬 타입의 음전극이 전기 활성적 미생물의 성장과 군집에 효과적으로 작용되어 시스템의 적응 기간 이후 안정적인 에너지 생산 양상을 보였다.
- 이후 발생된 전압도 약 120 mV 이상의 현저한 차이를 보였다. 매개체가 없는 시스템에서 발생된 첨두 전압은 0.26 V였고, 이로부터 계산된 첨두 파워는 18.3 mW/m2로 매개체가 주입된 시스템과 비교하여 약 45%에 해당되는 효율을 보였다.
- 고안된 두 시스템 SCME와 TBE MFC 모두로부터 전력의 생산이 가능하였다. 안정된 에너지 생산을 위한 일정 농도 이상의 기질이 요구되었으며(약 4, 000 mg/L), 그 이하의 농도에서는 기질의 제한으로부터 전압이 감소되는 경향을 보였다. 양이 온 교환 막이 사용되지 않은 TBE MFC 의 경우 SCME MFC 과 비슷한 전력 생산량(23.
- 운전 초기 단계에서 SCME2 MFC 시스템은 SCME1 과 비교하여 높은 전압을 생산하였는데, 이는 고농도의 유입기질(8, 210 mg/L) 과 화학적 인공 기질(글루코스)과 다르게침출수내에 자연발생적으로 존재하는 미생물의 즉각적인 활동으로 판단된다. 운전기간 동안 SCME1 시스템은 초기 적응 시간과 함께 일정 시간 이후 전압 생산량과 유기물질이 감소된 반면, SCME2 시스템은 지속적인 전압 생산을 보였음에도 불구하고 SCOD는 일정하거나 혹은 증가하였다(Fig. 3(b)).
- 위의 실험 결과를 바탕으로 SCME MFC 시스템과의 효율을 비교할 때, 전력발생당(SCME: 28.7 mW/m2 vs. TBE: 23.3 mW/m2) 제작비용 면에서 고가의 백금(Pt)과 멤브레인에 포함된 Nafion117을 포함하지 않은 TBE MFC가 더 효과적인 구조인 것으로 판단된다. 또한 TBE MFC는 각각두 개의 음전극과 양전극을 가지므로, 최종 전력 생산량은발생된 전력량(23.
- 3 mW/m2 (47 ohms 의외부저항)이었다. 이상의 결과로 부터 매개체의 존재가 전자 전달의 효율을 증대시키는 것으로 판단할 수 있다.
- Test2의 실험결과로부터 test1 에서보다 짧은 적응 기간과 더 높은 전압 발생량이 관찰되었는데, 이는 test1 에서 보다 활성화된 미생물 군집의 형성과 충분한 기질의 공급에 기인한 것으로 판단된다. 하지만 전압 발생량이 기질의 농도에 비례 한다기보다 일정 농도 이상의 기질이(약 4, 000 mg/L) steady-state 상태를 유지하는데 영향을 미치는 것으로 판단되며, 두 실험에서 모두 COD 는 전체 운전 기간에 걸쳐 서서히 감소되었다(Fig. 4(b)).
후속연구
- , 2007). 또한 브러쉬 타입의 전극은 백금 (Pt)이 함유된 전극과 비교하여 시스템 용적을 증대할 경우 비용 면에서 더욱 효과적인 재료가 될 것이다. TBE MFC 시스템은 한 반응조 내부에 두 개의 산소 양극 전극을 가지므로 SCME MFC 시스템과 비교하여 더 큰 반응조 용적당 양극 면적율로부터 효과적인 양극 반응이 기대되고, 이와 더불어 TBE MFC는 한 시스템 내에서 각기 다른 두 양전극과 음전극을 통하여 전압 수집이 가능하므로 결과적으로 일반적인 단일 반응조와 비교하여 두 배의 결과물을 산출할 수 있다.
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