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문제 정의
- 미생물 연료전지에서 가공형태에 따른 물리적 특성이 다른 탄소재질 전극의 조합 및 구조에 따른 전극소재에 의한 미생물 연료전지의 성능을 평가하기 위해 여러 가지의 탄소재질 전극조합 및 구조를 구성하여 실험을 실시 한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 미생물 연료전지의 효율을 증진시킬 수 있는 최적의 전극조건을 찾고자 하였다. 이에 현재 미생물 연료전지에서 가장 많이 쓰이는 다양한 다공성 탄소재질의 전극을 4가지 조합으로 구성 후 전기 화학적인 성능 및 유기물 제거 효율, 에너지 효율을 통한 셀 성능 평가를 실시하여 각 탄소재질전극 간의 성능을 비교평가 하였다.
- 이에 현재 미생물 연료전지에서 가장 많이 쓰이는 다양한 다공성 탄소재질의 전극을 4가지 조합으로 구성 후 전기 화학적인 성능 및 유기물 제거 효율, 에너지 효율을 통한 셀 성능 평가를 실시하여 각 탄소재질전극 간의 성능을 비교평가 하였다. 최적의 성능을 보인 전극을 두께와 형태를 달리 하였을 때 변화된 구조가 셀 성능에 어떠한 영향을 미치는 지 알아보았다. 또한 미생물이 부착 되는 산화전극 표면의 상태를 알아보기 위해 산화전극 표면의 SEM 촬영을 통해 각 전극표면을 관찰 후 미생물의 순응가능성을 평가하였다.
제안 방법
- 2) 전극조합에 따른 셀 성능평가 실시 후 가장 우수한 성능을 보인 흑연펠트 전극 구조를 변화(5 mm의 구멍이 있는 두께 6 mm 흑연펠트, 두께 3 mm 흑연펠트, 두께 6 mm 흑연펠트)하여 셀 성능평가를 실시를 하였다. 구조가 다른 5 mm구멍이 있는 두께 6 mm 흑연펠트와 구멍이 없는 두께 6 mm 흑연펠트의 성능을 비교하면 구멍이 있는 흑연펠트의 성능이 높음을 알 수 있었다.
- 4가지 전극조합 셀 성능평가의 비교를 통해 우수하다고 판단한 흑연펠트 전극을 두께와 형태를 변화하여 3가지 조합을 구성하였다. Fig.
- 4개의 미생물 연료전지를 SCOD 농도 700 mg/L의 acetate를 기질로 이용하여 0.2 mL/min(부하율 2.97 kg COD/m3 ∙ day)의 유량으로 연속식 운전을 실시하였으며, 안정화 된 상태에서의 평균 전기발생량, 내부저항 및 전력밀도를 평가하였다.
- DGGE 분석을 위한 겔 보존용액은 35%와 60%로 변성제 농도구배(변성제 농도 100%는 7 M Urea와 40% formamide)를 달리하여 조제하였다. 조제 후 각각 얇은 유리판 사이에 주입하여 농도구배가 있는 겔을 제조하였다.
- 미생물 군집 분석을 위해 식종슬러지와 다양한 종류의 탄소 재질 전극으로 운전한 미생물 연료전지의 산화전극 표면의 슬러지를 채취하여 DNA를 추출하였다. DNA 추출은 샘플링된 산화전극에서 생물막을 탈리시킨 후 원심 분리하여 상등액을 제거하고 멸균수 300 ㎕에 0.1 g을 재용해 시켜 DNA 추출키트(Power soil, MoBio Std Co., U.S.A)를 이용하여 추출하였다. 추출한 DNA를 0.
- 3. 다양한 탄소전극조합에 따른 미생물 군집변화 및 PCR-DGGE를 이용한 미생물군집의 분석.
- Potentiostat(Model KST-P1, Kosenteck, Korea)기기를 통해 분극곡선과 전력밀도곡선을 작성하여 반응기의 내부 저항과 최대전력밀도를 계산하였다. 제거된 기질이 에너지 생산을 위해 사용된 효율을 비교하기 위해서 쿨롱효율(columbic efficiency, εC)을 평가하였다.
- 가공방법에 따라 다양한 물리적 특성을 가지는 탄소전극을 미생물 연료전지에 적용하였을 때 연료전지에 적합한 물리적 특성을 가진 전극조합을 알아보기 위해 미생물 연료전지에서 많이 쓰이는 흑연섬유(graphite fiber), 민무늬 형태의 탄소 섬유(plain type carbon cloth, GC-14, Electrolytica co. Inc., U.S.A), 니트형태의 탄소섬유(knitted type carbon cloth, GC-12, Electrolytica co. Inc., U.S.A), 3 mm 두께의 흑연펠트(graphite felt, GF-S6-03, Electrolytica co. Inc., U.S.A)를 이용하여 4가지 전극조합(Rx.1, Rx.2, Rx.3, Rx.4)을 구성 후 각각의 면적을 45 cm2으로 동일하게 하여 전기화학적 특성 및 효율을 평가하였다(Table 1 (Experiment Ⅰ)).
- 미생물이 부착되는 산화전극 표면과 미생물의 형태학상 특징을 알아보기 위해서 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscope, S-4700, Hitachi, Japan) 촬영을 실시하였다. 관찰하기 전에 전극의 전처리를 위해 채취된 샘플을 2.5% glutaraldehyde 용액에 1시간 동안 고정시키고, 버퍼용액으로 씻어주었으며, 2% osmium tetroxide 용액으로 1시간 동안 다시 고정시킨 후 50, 70, 90 and 100% ethanol 용액을 이용하여 단계적으로 10분 동안 탈수소화과정을 실시하였다.10)
- A)를 이용하여 두 전극을 분리하였다. 내부 저항을 최소화하기 위하여 전극과 멤브래인 사이의 간격을 0.5 mm 이하로 근접하게 설계하였다. 외부전선으로는 구리전선이 사용되었고, 외부저항으로 51 Ω을 사용하였다.
- 3. 다양한 탄소전극조합에 따른 미생물 군집변화 및 PCR-DGGE를 이용한 미생물군집의 분석.
- 미생물 군집을 해석하기 위해 식종슬러지와 산화전극으로 쓰인 6개의 탄소전극의 표면에 부착되어 있는 미생물을 추출하여 미생물 군집차이를 비교하였다. 또한 기존에 알려진 대표적인 전기화학적 활성박테리아의 종인 Geobacter sulfurreducens, Shewanella oneidensis와 같은 철 환원 혐기성 균과 미생물 연료전지에서 전자운반체인 phenazine -1-carboxamide을 생산하여 전기생산에 긍정적인 영향을 미치는 Pseudomonas 종의 유무에 대해 관찰을 실시하였다12,13). DGGE 분석법을 사용하여 미생물군집의 변화를 분석한 밴드분포 및 염기서열 추정결과는 다음과 같다(Fig.
- 최적의 성능을 보인 전극을 두께와 형태를 달리 하였을 때 변화된 구조가 셀 성능에 어떠한 영향을 미치는 지 알아보았다. 또한 미생물이 부착 되는 산화전극 표면의 상태를 알아보기 위해 산화전극 표면의 SEM 촬영을 통해 각 전극표면을 관찰 후 미생물의 순응가능성을 평가하였다. 마지막으로 전기화학적 박테리아의의 우점화 여부를 규명하기 위해 식종 슬러지와 미생물 연료전지 운전 후 산화전극부에 부착된 슬러지를 추출하여 미생물 군집분석을 실시하였다.
- 또한 미생물이 부착 되는 산화전극 표면의 상태를 알아보기 위해 산화전극 표면의 SEM 촬영을 통해 각 전극표면을 관찰 후 미생물의 순응가능성을 평가하였다. 마지막으로 전기화학적 박테리아의의 우점화 여부를 규명하기 위해 식종 슬러지와 미생물 연료전지 운전 후 산화전극부에 부착된 슬러지를 추출하여 미생물 군집분석을 실시하였다.
- 모든 DNA는 박테리아를 목표로 하는 Eub 341F와 Eub 518F을 사용하여 V3 region(약 200 base pair)을 증폭하였다. 증폭 시 온도는 첫 번째 조건으로 95℃에서 2분간 predenaturation 한 후, 95℃에서 20초간 denaturation, 61℃에서 40초간 annealing, 72℃에서 30초간 extension을 30 cycles 반복 수행한 후, 마지막으로 72℃에서 3분간 finalextension 하였고 첫 번째 온도 조건으로 중합효소 연쇄반응을 실시 할 경우 낮은 온도에서 증폭되는 미생물의 증폭률이 떨어지는 오류를 보완하기 위해 두 번째 온도조건으로 사이클이 반복될 때마다 annealing 온도가 0.
- 미생물 군집 분석을 위해 식종슬러지와 다양한 종류의 탄소 재질 전극으로 운전한 미생물 연료전지의 산화전극 표면의 슬러지를 채취하여 DNA를 추출하였다. DNA 추출은 샘플링된 산화전극에서 생물막을 탈리시킨 후 원심 분리하여 상등액을 제거하고 멸균수 300 ㎕에 0.
- 미생물 군집을 해석하기 위해 식종슬러지와 산화전극으로 쓰인 6개의 탄소전극의 표면에 부착되어 있는 미생물을 추출하여 미생물 군집차이를 비교하였다. 또한 기존에 알려진 대표적인 전기화학적 활성박테리아의 종인 Geobacter sulfurreducens, Shewanella oneidensis와 같은 철 환원 혐기성 균과 미생물 연료전지에서 전자운반체인 phenazine -1-carboxamide을 생산하여 전기생산에 긍정적인 영향을 미치는 Pseudomonas 종의 유무에 대해 관찰을 실시하였다12,13).
- 미생물 연료전지가 폐수처리 시설에 접목 가능성을 위해 반응기가 안정화 되었을 때 유입된 기질과 유출된 기질의 SCOD를 분석하여 유기물 제거효율을 평가하였다. 유기물 제거효율을 보면 Rx.
- 미생물이 부착되는 산화전극 표면과 미생물의 형태학상 특징을 알아보기 위해서 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscope, S-4700, Hitachi, Japan) 촬영을 실시하였다. 관찰하기 전에 전극의 전처리를 위해 채취된 샘플을 2.
- 5 mL tube에 옮긴 후 30 ㎕의 TE buffer를 첨가하여 겔에서 DNA를 분리시켰다. 분리시킨 DNA를 중합요소 연쇄반응 산물과 동일한 primer(Eub 340F, Eub 518R)를 이용하여 동일한 반응조건에서 재 증폭 후 정제를 하였다. 얻어진 산물의 염기서열을 결정 후 NCBI의 BLAST (http://ncbi.
- 서로 다른 종류의 탄소재질 산화전극을 동일한 조건에서 운전을 하였을 경우 식종슬러지의 미생물과 반응기 운 전 후각 산화전극에 우점화된 미생물의 군집을 비교하고 전기활성 박테리아의 우점화 정도를 알아보기 위해 PCR-DGGE를 통한 미생물 군집해석을 실시하였다.
- , Korea)를 이용하였다. 실험 방법은 분석용 키트에 유입 및 유출수 2 mL를 분취하여 150℃에서 2시간 강열 후 실온에 방냉시켜 수질분석기를 이용하여 COD농도를 측정하는 방법으로 유입수와 유출수의 COD 농도를 분석하였다.
- 전극의 두께와 형태에 따른 구조의 변화가 미생물 연료전지의 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 4가지 전극 조합평가에서 성능이 가장 우수한 흑연펠트를 미생물 연료전지의 전극으로 채택하여 셀 성능을 비교하였다. 실험방법은 3 mm, 6 mm 두께의 흑연펠트(GF-20-5F, Electrolytica co. Inc., U.S.A)를 전극으로 선정하여 두께에 따른 미생물 연료전지의 전기화학적 특성을 확인하였으며 임의적으로 전극 표면에 1 cm 간격으로 지름 0.5 cm의 구멍을 뚫은 흑연펠트(두께 6 mm)와 구멍을 뚫지 않은 흑연펠트(두께 6 mm)를 미생물 연료전지에 적용하여 전극의 형태에 따른 미생물 연료전지의 전기화학적 특성 및 효율을 평가하였다(Table 1 (Experiment Ⅱ)).
- 분리시킨 DNA를 중합요소 연쇄반응 산물과 동일한 primer(Eub 340F, Eub 518R)를 이용하여 동일한 반응조건에서 재 증폭 후 정제를 하였다. 얻어진 산물의 염기서열을 결정 후 NCBI의 BLAST (http://ncbi.nlm.nih.gov)를 이용하여 16S rDNA의 염기서열을 분석하였다.
- 측정된 전압과 전류 값을 곱하여 최종적으로 미생물 연료전지에 의해서 생산될 수 있는 전력(P = V × I)을 계산하였다. 여기서 계산된 전류와 전력을 산화전극부의 단위 부피로 나누어 주어 각각 전력밀도를 계산하여 미생물 연료전지의 전기적 성능을 평가하였다.
- 2. 유기물 제거 효율평가 및 에너지 효율평가.
- 본 연구에서는 미생물 연료전지의 효율을 증진시킬 수 있는 최적의 전극조건을 찾고자 하였다. 이에 현재 미생물 연료전지에서 가장 많이 쓰이는 다양한 다공성 탄소재질의 전극을 4가지 조합으로 구성 후 전기 화학적인 성능 및 유기물 제거 효율, 에너지 효율을 통한 셀 성능 평가를 실시하여 각 탄소재질전극 간의 성능을 비교평가 하였다. 최적의 성능을 보인 전극을 두께와 형태를 달리 하였을 때 변화된 구조가 셀 성능에 어떠한 영향을 미치는 지 알아보았다.
- 전극 소재 별 성능 평가를 동일한 조건에서 진행하기 위해 동일한 환원전극부에 4개의 반응기가 동시에 침지될 수 있는 침지형 미생물 연료전지를 제작하였다(Fig. 1). 온도나 수소이온농도 등이 급격하게 변화하는 것을 방지하기 위하여 18 L의 큰 용적의 아크릴 재질로 제작하였다.
- 전극의 두께와 형태에 따른 구조의 변화가 미생물 연료전지의 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 4가지 전극 조합평가에서 성능이 가장 우수한 흑연펠트를 미생물 연료전지의 전극으로 채택하여 셀 성능을 비교하였다. 실험방법은 3 mm, 6 mm 두께의 흑연펠트(GF-20-5F, Electrolytica co.
- 11) 여기에 DGGE 실험을 위해 정제 된 중합요소 연쇄반응 산물 30 mL에 염료(dye solution) 10 mL를 혼합하여 겔에 주입한 뒤 60℃에서 처음 10분간 20 V로 전기영동을 하였고, 10분 후 200 V에서 6시간 동안 전기영동을 실시하였다. 전기영동 한 겔은 ethidium bromide으로 30 분간 염색시킨 후 UV transilluminator(Uvitec gel documentation system, Uvitec Cambridge, U.K)를 사용하여 밴드를 확인하였다.
- 전처리가 끝난 전극은 주사전자 현미경 기기를 이용하여 전극표면의 촬영을 통해 각각의 산화전극에 부착되어 있는 미생물의 양 및 형태학상 특징을 비교분석 하였다.
- 제거된 기질이 에너지 생산을 위해 사용된 효율을 비교하기 위해서 쿨롱효율(columbic efficiency, εC)을 평가하였다.
- 제거된 기질이 에너지 생산을 위해 사용된 효율을 알아보기 위해서 쿨롱효율(εC)을 평가하였다.
- DGGE 분석을 위한 겔 보존용액은 35%와 60%로 변성제 농도구배(변성제 농도 100%는 7 M Urea와 40% formamide)를 달리하여 조제하였다. 조제 후 각각 얇은 유리판 사이에 주입하여 농도구배가 있는 겔을 제조하였다.11) 여기에 DGGE 실험을 위해 정제 된 중합요소 연쇄반응 산물 30 mL에 염료(dye solution) 10 mL를 혼합하여 겔에 주입한 뒤 60℃에서 처음 10분간 20 V로 전기영동을 하였고, 10분 후 200 V에서 6시간 동안 전기영동을 실시하였다.
- 주사전자 현미경을 이용하여 각각의 전극소재로 이루어진 산화전극의 미생물 연료전지 가동 전 전극표면과 가동 후 전극표면을 관찰하였다(Fig. 7). Fig.
- 중합효소 연쇄반응 실시 후 DGGE(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis) 밴드 분포해석을 위해 GC-Clamp를 부착 후 GC Eub 341F와 Eub 518R을 이용하여 다시 중합효소 연쇄반응을 수행하였다.
- 모든 DNA는 박테리아를 목표로 하는 Eub 341F와 Eub 518F을 사용하여 V3 region(약 200 base pair)을 증폭하였다. 증폭 시 온도는 첫 번째 조건으로 95℃에서 2분간 predenaturation 한 후, 95℃에서 20초간 denaturation, 61℃에서 40초간 annealing, 72℃에서 30초간 extension을 30 cycles 반복 수행한 후, 마지막으로 72℃에서 3분간 finalextension 하였고 첫 번째 온도 조건으로 중합효소 연쇄반응을 실시 할 경우 낮은 온도에서 증폭되는 미생물의 증폭률이 떨어지는 오류를 보완하기 위해 두 번째 온도조건으로 사이클이 반복될 때마다 annealing 온도가 0.5℃씩 떨어지는 touch-down 방식을 이용하여 증폭하였다.
- 추출한 DNA를 0.5 ㎖ PCR 튜브에 주입 후 10 × taq PCR buffer 2.5 ㎕, 10 mM dNTP 1.0 ㎕, 각각의 primer 1 ㎕ (20 pmol), DNA template 2 ㎕, Taq DNA polymerase(Tag 16 R500, SolGent Co., Korea) 0.125 ㎕첨가하고 나머지는 멸균수를 첨가하여 총 부피가 27 ㎕가 되도록 stock solution을 제조하였다.
- 측정된 전압과 전류 값을 곱하여 최종적으로 미생물 연료전지에 의해서 생산될 수 있는 전력(P = V × I)을 계산하였다.
- 환원 전극부의 전자 수용체로는 용존 산소를 사용하였으며 송풍기를 통해 원활한 산소공급이 이루어지게 하였다. 환원 전극부의 수소이온농도는 미생물 연료전지의 성능에 영향을 미치므로 이를 중성으로 유지시켜 주기 위해 0.1 M의 인산염 완충용액을 사용하였으며, 환원 전극부의 용존산소는 8.5 mg/L, 온도는 21 ℃로 유지하였다.
- 흑연펠트 전극조합에서도 각각 조합간 의 유기물 제거효율을 비교하기 위해 기질의 유입수와 유출수의 SCOD를 분석하여 유기물제거 효율평가를 실시하였다. Fig.
대상 데이터
- 반응기의 산화 전극부 전자 공여체는 acetate(CH3COONa 1 g/L)를 사용하였다. 기타 영양 염류의 조성은 다음과 같다 (KH2PO4 6.
- 2 g/L, 그 외 mineral solution9) 1 mL/L). 산화 전극부에는 부산 S 하수처리장 반송 슬러지를 식종하였다. 운전기간 동안 유입 유량을 0.
- 1). 온도나 수소이온농도 등이 급격하게 변화하는 것을 방지하기 위하여 18 L의 큰 용적의 아크릴 재질로 제작하였다. 산화 전극부는 단일 전극부 형태로 총 부피는 67.
- 외부전선으로는 구리전선이 사용되었고, 외부저항으로 51 Ω을 사용하였다.
이론/모형
- 측정한 전압과 외부도선에 연결한 저항(51 Ω)을 이용하여 옴의 법칙(V= I × R)을 통해 전류 값을 산출하였다.
- 쿨롱효율은 반응기가 안정화 상태가 되었을 때 평가했으며 계산방법은 εC = M ∙ I/F ∙ b ∙ q ∙ ΔCOD 의 식을 이용하였다.
성능/효과
- 1) 4가지 탄소재질전극(흑연섬유, 민무늬 타입의 탄소섬유, 니트타입의 탄소섬유, 흑연펠트)을 이용하여 4가지 조합을 구성 후 셀 성능평가를 실시 한 결과 흑연펠트 재질의 전극조합이 가장 우수한 성능을 보임을 알 수 있었다. 흑연펠트를 이용한 산화전극의 SEM 사진에서 보면 전극 표면의 거칠기가 거칠고, 공극의 크기도 다른 전극에 비해 큼을 알 수 있는데 이는 미생물이 전극에 부착되어 산화반응을 안정적으로 수행할 수 있기 때문이라고 추측할 수 있다.
- 지금과 같이‘에너지 다소비 체제’가 지속될 경우 지구촌이 치러야 할 경제적 손실이 매년 세계 GDP의 5~20%에 달할 것이란 전망이 나올 정도다.1) 여기에 신흥 개발도상국의 경제개발과 세계인구의 지속적인 증가는 에너지 ∙ 자원 부족 현상을 부추기게 되고 이에 따라 에너지의 가격상승이 가속화 되고 있다. 이에 선진국들은 이미 자원의 효율적 ∙ 환경 친화적 이용에 국력을 집중하고 있는데, 우리나라의 경우 현 정부에서 실시하고 있는‘녹색산업’, ‘녹색기술’이 새로운 성장엔진으로 자리 잡아 가는 것도 이와 같은 맥락이라 할 수 있다.
- 3) 다양한 종류의 탄소재질 전극을 산화전극으로 이용 후 전극표면의 미생물을 추출하여 군집을 분석한 결과 식종 슬러지와 운전 후 산화전극에 부착된 미생물의 군집에 차이가 있음을 알 수 있었으며 우점화 된 미생물 군집을 보면 Pseudomonas, Geobacter sulfurreducens등 전기화학적 활성 박테리아로 알려진 미생물 군집을 확인할 수 있었다. 특히 흑연펠트에 우점화 된 A밴드의 Geobacter sulfurreducens는 대표적인 전기활성 박테리아로써 흑연펠트를 이용한 미생물 연료전지의 전기화학적 특성 및 유기물 제거효율 그리고 에너지 효율이 실험에 사용된 탄소전극 중 가장 우수한 성능을 보임을 감안한다면 이는 미생물 연료전지에서 Geobacter종이 전기화학적 반응이 원활하게 진행되는데 많은 영향을 미치는 미생물 군집이라 사료된다.
- 현재 미생물 연료전지의 궁극적인 목표는 실험실 규모로 운전되는 반응기 형태의 연료전지를 현장에 적용할 수 있는 큰 규모로 확장하여 오랜 기간 운전을 했을 때 안정된 전력을 생산하는 것이다.3) 초기단계인 미생물 연료전지의 기술에 있어서 미생물 연료전지에 사용되는 재료(산화 ∙ 환원전극, 멤브래인), 사용되는 기질, 미생물 연료전지에서 일어나는 여러 가지 현상(수소이온의 이동, 산소 및 기질의 역확산)등이 셀 성능을 결정하는 중요한 요소로 작용한다.4) 위의 영향인자 중 전극의 역할은 산화전극부에서는 미생물이 기질을 분해 후 전자를 환원전극부로 이동시키는 데 있어 미생물의 안정된 농화배양과 전자의 이동에 영향을 미치며, 환원전극부에서는 산화전극부에서 전달된 전자와 수소이온 그리고 환원전극부 내의 전자수용체가 만나 원활한 환원반응을 진행하게 하는 역할을 한다.
- 3) 초기단계인 미생물 연료전지의 기술에 있어서 미생물 연료전지에 사용되는 재료(산화 ∙ 환원전극, 멤브래인), 사용되는 기질, 미생물 연료전지에서 일어나는 여러 가지 현상(수소이온의 이동, 산소 및 기질의 역확산)등이 셀 성능을 결정하는 중요한 요소로 작용한다.4) 위의 영향인자 중 전극의 역할은 산화전극부에서는 미생물이 기질을 분해 후 전자를 환원전극부로 이동시키는 데 있어 미생물의 안정된 농화배양과 전자의 이동에 영향을 미치며, 환원전극부에서는 산화전극부에서 전달된 전자와 수소이온 그리고 환원전극부 내의 전자수용체가 만나 원활한 환원반응을 진행하게 하는 역할을 한다.5) 즉 전극재료는 미생물 연료전지의 성능을 결정하는데 매우 중요한 인자라 볼 수 있다.
- 마지막으로 재료는 시중에서 쉽게 구할 수 있어야 하며 가격적인 측면에서 너무 비싸지 않아야 한다.6) 단지 전기화학적인 측면에서 접근하여 구리, 철과 같은 고전도성 금속과 같은 물질을 미생물 연료전지의 전극으로 사용할 경우 고비용의 가격적인 측면과 미생물에 영향을 미칠 수 있는 재료적 특징 때문에 미생물 연료전지의 전극재료에는 적합하지 않다7). 비록 전도성과 같은 전기화학적인 측면에서는 금속 재질 전극의 성능에 비해 많이 낮지만 위에서 언급한 미생물 연료전지에 이용할 수 있는 성질을 지닌 탄소재질의 전극재료에 관한 많은 연구가 진행되었다.
- 4의 평균 전기값은 228 mV로서 비슷한 성능을 보였다. Rx.3, Rx.4의 평균 전기값과 Rx.1, Rx.2의 평균 전기값(56 mV, 59 mV)과 비교하였을 때 Rx.3, Rx.4의 전기발생량이 약 4배 높은 수준을 유지함을 알 수 있었다.
- )을 평가하였다. Rx.3과 Rx.4의 쿨롱 효율은 각각 24%와 26 %로써 16%와 21%의 Rx.1과 Rx.2보다 3~10%정도 높은 효율을 보였다. 비록 Rx.
- 결과를 보면 Rx.3의 내부저항이 약 34 Ω 그리고 Rx.4의 내부저항이 33 Ω으로 관찰되었으며 이는 155 Ω과 175 Ω의 Rx.1와 Rx.2 내부저항보다 약 5배 낮음을 알 수 있었다.
- 이는 앞선 결과와 마찬가지로 산화전극에서 환원전극으로의 수소이온 전달이 얇은 두께가 훨씬 용이하여 셀 성능이 높다고 사료된다. 결론적으로 위의 실험결과를 통해 전극을 선정함에 있어서 전극 종류뿐만 아니라 두께 및 형상 역시 중요한 인자가 될 수 있다는 것을 판단 할 수 있다.
- 2) 전극조합에 따른 셀 성능평가 실시 후 가장 우수한 성능을 보인 흑연펠트 전극 구조를 변화(5 mm의 구멍이 있는 두께 6 mm 흑연펠트, 두께 3 mm 흑연펠트, 두께 6 mm 흑연펠트)하여 셀 성능평가를 실시를 하였다. 구조가 다른 5 mm구멍이 있는 두께 6 mm 흑연펠트와 구멍이 없는 두께 6 mm 흑연펠트의 성능을 비교하면 구멍이 있는 흑연펠트의 성능이 높음을 알 수 있었다. 이는 전극의 구멍으로 수소이온이 빠르게 환원전극부로 전달 되어 원활한 산화/환원 반응이 진행되기 때문이라 추측된다.
- 또한 원활한 수소이온의 이동으로 산화전극부내의 수소이온농도 저하를 막아 미생물의 활동이 저해되지 않고 활발하게 기질과의 반응을 할 수 있어서 셀 성능이 높다고 판단된다. 구조적 변화에서 두께가 다른 Rx.6과 Rx.7을 비교하였을 때, 3 mm의 얇은 두께를 가진 전극의 성능이 6 mm의 두꺼운 전극보다 높음을 알 수 있었다. 이는 전극의 두께가 얇을수록 수소이온의 이동거리가 짧아져서 수소이온 이동에서 발생하는 내부저항이 줄어들기 때문이라 사료된다.
- 구조적 변화에서 형태가 다른 Rx.5와 Rx.7을 비교하였을 때 같은 전극 재료를 사용했음에도 구멍의 유무에 따라 셀 성능차이를 보였으며, 구멍이 있는 경우가 없는 경우보다 더 높은 셀 성능을 보였다. 이러한 원인은 미생물이 기질을 산화시켜 생성해낸 수소이온을 환원전극부로 이동시키는 데 있어서 구멍이 있는 경우가 없는 경우보다 빠른 시간 내에 전달이 가능하여 환원전극부에서의 환원반응이 원활하게 진행되었다고 판단된다.
- 2 내부저항보다 약 5배 낮음을 알 수 있었다. 낮은 내부저항으로 인해 Rx.3이 31.03 W/m3, Rx.4가 38.14 W/m3의 최대 전력밀도를 보임을 확인하였다(Fig.3b). 이는 Rx.
- 이는 전극의 구멍으로 수소이온이 빠르게 환원전극부로 전달 되어 원활한 산화/환원 반응이 진행되기 때문이라 추측된다. 두께 6 mm 흑연펠트와 두께 3 mm 흑연펠트의 성능을 비교 하였을 때 두께 3 mm 흑연펠트의 성능이 높았다. 이는 앞선 결과와 마찬가지로 산화전극에서 환원전극으로의 수소이온 전달이 얇은 두께가 훨씬 용이하여 셀 성능이 높다고 사료된다.
- 이러한 원인은 미생물이 기질을 산화시켜 생성해낸 수소이온을 환원전극부로 이동시키는 데 있어서 구멍이 있는 경우가 없는 경우보다 빠른 시간 내에 전달이 가능하여 환원전극부에서의 환원반응이 원활하게 진행되었다고 판단된다. 또한 원활한 수소이온의 이동으로 산화전극부내의 수소이온농도 저하를 막아 미생물의 활동이 저해되지 않고 활발하게 기질과의 반응을 할 수 있어서 셀 성능이 높다고 판단된다. 구조적 변화에서 두께가 다른 Rx.
- 2보다 3~10%정도 높은 효율을 보였다. 비록 Rx.4의 쿨롱효율이 26%로 가장 높은 효율을 보였지만 사용되는 기질의 26%만 에너지 생성을 위해 사용되었고 나머지 74%는 전기활성박테리아 외 다른 종류의 박테리아가 미생물의 호흡 및 신진대사 활동 등 다양한 경로로 에너지를 소모하였다고 사료된다. 이는 미생물 연료전지에서 효과적인 에너지 효율을 얻기 위해 전기활성 박테리아의 선택적인 식종이 필요함을 보여준다.
- 에너지 효율평가를 위해 쿨롱효율(εC)를 평가한 결과를 보면 Rx.5가 37%의 효율을 보였으며 이는 26%와 23%를 보인 Rx.6과 Rx.7 보다 높은 효율을 보임을 알 수 있었다.
- 흑연펠트를 이용한 산화전극의 SEM 사진에서 보면 전극 표면의 거칠기가 거칠고, 공극의 크기도 다른 전극에 비해 큼을 알 수 있는데 이는 미생물이 전극에 부착되어 산화반응을 안정적으로 수행할 수 있기 때문이라고 추측할 수 있다. 위의 결과를 통해 같은 미생물 연료전지에서 쓰이는 탄소전극은 같은 재질이라도 가공방법에 따라 나타낼 수 있는 성능의 차이가 다름을 판단할 수 있다.
- 2의 유기물 제거효율보다 6~14% 정도 높은 효율을 보였다. 유기물 제거효율과 전기 생산량을 비교해 보았을 때, 전기 생산 능력이 좋은 전극이 유기물 제거 효율도 높다는 것을 확인 할 수 있다.
- 미생물 연료전지가 폐수처리 시설에 접목 가능성을 위해 반응기가 안정화 되었을 때 유입된 기질과 유출된 기질의 SCOD를 분석하여 유기물 제거효율을 평가하였다. 유기물 제거효율을 보면 Rx.3와 Rx.4의 제거효율이 각각 45%, 49%의 효율로 비슷한 수준을 유지하였으며 이는 35%와 39%의 Rx.1과 Rx.2의 유기물 제거효율보다 6~14% 정도 높은 효율을 보였다. 유기물 제거효율과 전기 생산량을 비교해 보았을 때, 전기 생산 능력이 좋은 전극이 유기물 제거 효율도 높다는 것을 확인 할 수 있다.
- 이것은 니트형태의 탄소섬유와 흑연펠트를 사용한 미생물 연료전지의 전기발생량이 흑연섬유와 민무늬 형태의 탄소섬유를 이용한 미생물 연료전지의 전기발생량보다 약 4배정도 높다는 것을 간접적으로 뒷받침하는 근거이다. 이를 통해 미생물 연료전지에서 전극에 부착되어 있는 미생물이 셀 성능에 직접적인 영향을 미치며, 같은 재질의 탄소전극이라도 가공 방법에 따라 차이가 나는 물리적 특징이 미생물 연료전지 성능을 좌우할 수 있다는 것을 확인하였다.
- 전기발생량, 내부저항 및 최대전력밀도의 모든 평가항목에서 4개의 전극조합 반응기 중 흑연펠트 전극조합을 이용한 Rx.4의 성능이 가장 우수하였다. 이는 가공방법에 따라 물리적 특성이 달라지는 탄소재질 전극이 미생물 연료전지의 성능에 많은 영향을 미칠 수 있다는 결과로 사료된다.
- 5가 가장 높은 평균 전기발생량을 보여주고 있다. 최대 전력밀도는 Rx.5가 62.2 W/m3, Rx.6 38.1 W/m3 Rx.727.6 W/m3으로 Rx.5의 최대 전력밀도가 가장 높음을 알 수 있었다.
- . 흑연펠트를 이용한 미생물 연료전지의 성능이 탄소전극의 종류 별 성능평가에서 가장 우수한 성능을 나타내었으며 이는 Geobacter종에 의한 원활한 전기화학적 반응이 흑연펠트의 성능향상에 직접적으로 영향을 미쳤을 것이라 사료된다.
후속연구
- 2) 이는 차후 지속적인 연구가 수행된다면 에너지 생산효율 증대를 가능하게 하는 신개념의 획기적인 환경오염 저감기술이다. 현재 미생물 연료전지의 궁극적인 목표는 실험실 규모로 운전되는 반응기 형태의 연료전지를 현장에 적용할 수 있는 큰 규모로 확장하여 오랜 기간 운전을 했을 때 안정된 전력을 생산하는 것이다.
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