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Single-cathode와 Dual-cathode 미생물연료전지의 탄소원과 질산성질소의 전류발생 특성
Electricity Production Performance of Single- and Dual-cathode Microbial Fuel Cells Coupled to Carbon Source and Nitrate 원문보기

한국미생물·생명공학회지 = Korean journal of microbiology and biotechnology, v.39 no.4, 2011년, pp.382 - 386  

장재경 (국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과) ,  이은영 (수원대학교 환경에너지공학과) ,  유영선 (국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과) ,  이성현 (국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과) ,  황지환 (국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과) ,  이형모 (국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과) ,  김종구 (국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과) ,  강연구 (국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과) ,  김영화 (국립농업과학원 농업공학부 에너지환경공학과)

초록
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이 연구에서는 일반적인 음극부 한 개에 양극부 한 개로 구성된 single-cathode 미생물연료전지(SCMFC)와 음극부 한 개에 양극부 두 개로 이루어진 dual-cathode 미생물연료전지(DCMFC)를 이용하여 전류발생에 비치는 영향을 확인하였다. 이 결과 dual-cathode 미생물연료전지에서 single-cathode 미생물연료전지 보다 전류발생이 약 40% 높았으며 COD 제거율도 약 13% 더 높은 것으로 확인되었다. 이것은 양극부와 음극부의 접촉면적이 증가하여 양극반응속도가 향상된 것에 의한 것으로 판단되며 dual-cathode 미생물연료전지가 single-cathode보다 전류발생과 COD제거 측면서 더 효율이 높은것으로 나타났다. 음극부 전자수용체에 대한 영향 실험에서는 전자수용체로 사용된 질산성질소의 농도가 높아질수록 급격히 전류발생이 감소하는 것을 확인 할 수 있었으며, 이에 대한 적절한 처리가 필요한 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Microbial fuel cells (MFC), devices that use bacteria as a catalyst to generate electricity, can utilize a variety of organic wastes as electron donors. The current generated may differ depending on the organic matter concentrations used, when other conditions, such as oxidant supply, proton transfe...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 특히, 가축분뇨에는 질소 이온 종류(NH4+, NO2, 그리고 NO3)가 높은 농도로 함유되어 있어 이들의 저해현상을 제어하기 위해서는 이들 전자 수용체가 전류에 미치는 영향을 알아볼 필요가 있다. 따라서 이 연구에서는 질산산질소의 농도 변화에 따른 전류 발생에 미치는 영향을 확인하고 single-cathode와 dual-cathode 미생물연료전지에서는 어떤 양상으로 나타나는지를 확인하기 위한 것이다. 250 mg L-1 탄소원에 0, 2, 4 그리고 8 mM KNO3이 되도록 조제한 인공폐수를 이용하여 전류발생에 미치는 영향을 관찰하였다(Fig.
  • 따라서 이 연구에서는 미생물연료전지의 구조변경을 하여, 일반적인 음극부와 양극부 각 한 개로 구성된 것(Single-cathode microbial fuel cell; SCMFC)와 음극부 한 개에 양극부 두 개로 이루어진 미생물연료전지(Dual-cathode microbial fuel cell; DCMFC) 를 이용해서 전류발생에 비치는 영향을 확인하였다. 또한 탄소원뿐 만 아니라 전자수용체가 포함되어 있을 때 전류발생에 미치는 영향과 유기오염물질과 질산성질소의 저감 효과를 알아보고자 하였다.
  • 양극부에서 확산된 산소는 전류감소에 영향을 미친다는 결과에 따라 산소 이 외의 다른 전자수용체가 음극부에 존재하는 경우, 전자가 전극으로 전달되어 외부 회로를 거쳐 양극부로 전달되는 것 대신 우선적으로 음극부에 포함된 전자수용체를 이용할 것이기 때문에 질산성질소 농도에 따른 영향을 알아본 것이다. 0과 2 mM KNO3를 포함하는 인공 폐수를 공급하였을 때, single_cathode 미생물연료전지에서는 각각 5.
  • 이 연구는 인공폐수를 공급하면서 안정된 전류가 발생될 때, KNO3를 이용하여 최종 농도로 2 mM이 되도록 첨가하여 KNO3에 의한 전류 발생은 없는지 알아보았다. Fig.
  • 접종은 저항을 10 ohm으로 연결한 상태에서 접종액을 유입한 후 전압의 변화가 발생되는 것을 확인한 후 약 1시간 정도 더 접종액을 공급한 후 인공폐수로 교체하여 연속공급 하였다. 이때 전압을 측정하여 발생 전압이 S자 모양으로 증가하는 것으로 농화 배양이 되었는지의 여부를 판단하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
미생물연료전지란 무엇인가? 미생물연료전지는 전자공여체(electron donor)로 다양한 탄소원을 이용할 수 있으며, 이들을 이용할 수 있는 미생물에 의해 발생하는 전자와 수소이온을 외부회로와 양이온교환막을 통해 양극부로 전달하고 양극부에서 산소와 반응하여 최종적으로 전기에너지와 물이 생성되는 장치이다[2-4, 6, 7, 10]. 매개체 없이 대사과정에서 생성된 전자를 직접 전극으로 전달 할 수 있는 미생물이 있다는 것이 밝혀지면서 미생물연료전지에 대한 연구가 활발하게 진행되었다.
매개체 없이 대사과정에서 생성된 전자를 직접 전극으로 전달 할 수 있는 미생물은 어떤 미생물이라 하며 어떻게 이용되는가? 매개체 없이 대사과정에서 생성된 전자를 직접 전극으로 전달 할 수 있는 미생물이 있다는 것이 밝혀지면서 미생물연료전지에 대한 연구가 활발하게 진행되었다. 이러한 미생물을 전기화학적으로 활성이 있는 미생물이라고 하며[7, 8]. 이들 미생물을 혐기조건에서 다양한 탄소원을 공급하면서 농화 배양하여 이용한다. 미생물연료전지의 운전은 미생물 대사과정에서 생성된 전자와 수소이온을 원활하게 양극부로 전달, 양극반응속도(4H++4e-+O2 → H2O)에 저해되지 않도록 하는 것이 전류발생 효율 향상을 위해서는 중요하다.
미생물연료전지의 운전에서 전류 발생 효율 향상을 위해 중요한 것은 무엇인가? 이들 미생물을 혐기조건에서 다양한 탄소원을 공급하면서 농화 배양하여 이용한다. 미생물연료전지의 운전은 미생물 대사과정에서 생성된 전자와 수소이온을 원활하게 양극부로 전달, 양극반응속도(4H++4e-+O2 → H2O)에 저해되지 않도록 하는 것이 전류발생 효율 향상을 위해서는 중요하다. 이와 더불어 양극부 반응속도에 영향을 미치지 않도록 전자수용체로 사용되는 산소의 적절한 공급과 이것의 친화도를 높이는 일이다.
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참고문헌 (14)

  1. Chang, I. S., H. Moon, J. K. Jang, and B. H. Kim. 2005.Improvement of a microbial fuel cell performance as a BOD sensor using respiratory inhibitors. Biosensors and Bioelectronics 20: 1856-1859. 

  2. Gil, G. C., I. S. Chang, B. H. Kim, M. Kim, J. K. Jang, H. S. Park, and H. J. Kim. 2003. Operational parameters affecting the performance of a mediator-less microbial fuel cell. Biosens. Bioelectron. 18: 327-324. 

  3. Jang, J. K., T. H. Pham, I. S. Chang, K. H. Kang, H. Moon, K. S. Cho, and B. H. Kim. 2004. Construction and operation of a novel mediator- and membrane-less microbial fuel cell. Process Biochem. 39: 1007-1012. 

  4. Jang, J. K., I. S. Chang, H. W. Hwang, Y. F. Choo, J. Lee, K. S. Cho, B. H. Kim, and K. H. Nealson. 2010. Electricity generation coupled to oxidation of propionate in a microbial fuel cell. Biotechnology letters. 32: 79-85. 

  5. Jang, J. K., J. E. Choi, Y. S. Ryou, S. H. Lee, E. and Y. Lee. 2012. Effect of ammonium and nitrate on the current generation using dual-cathode microbial fuel cells. J. Microbiol. Biotechnol. Doi: 10.4014/jmb.1110.10040 

  6. Kim, B. H., H. J. Kim, M. S. Hyun, and D. H. Park. 1999(B). Direct electrode reaction of Fe (III) reducing bacterium, Shewanella putrefacience. J. Microbiol. Biotechnol. 9: 127- 131. 

  7. Kim, B. H., T. Ikeda, H. S. Park, H. J. Kim, M. S. Hyun, K. Kano, K. Takagi, and H. Tatsumi. 1999(A). Electrochemical activity of a Fe (III)-reducing bacterium, Shewanella putrefaci- ens IR-1, in the presence of alternative electron acceptors. Biotechnol. Tech. 13: 475-478. 

  8. Larminie, J and A. Dicks. 2000. Fuel cell systems explained. pp. 66-68. 1st Ed. John wiley and Sons, West Sussex, England. 

  9. Li, J., Q. Fu, X. Zhu, Q. Liao, L. Zhang, and H. Wang. 2010. A solar regenrable cathodic electron acceptor for microbial fuel cells. Electrochimica Acta. 55: 2332-2337. 

  10. Logan, B. E., B. Hamelers, R. Rozendal, U. Schroder, J. Keller, S. Freguia, P. Aelterman, and K. Rabaey. 2006. Microbial fuel cells: Methodology and technology. Environ. Sci. Technol. 40: 5181-5192. 

  11. Morris, J. M., S.Jin. 2009. Influence of $NO_{3}$ and $SO_{4}$ on power generation from microbial fuel cells. Chemical Engineering Journal. 153: 127-130. 

  12. Pham, T. H., J. K. Jang, I. S. Chang, and B. H. Kim. 2004. Improvement of cathode reaction of a mediatorless microbial fuel cell. J. Microbiol. Biotechnol. 14: 324-329. 

  13. You, S., Q. Zhao, J. Zhang, J. Jiang, and S. Zhao. 2006. A microbial fuel cell using permanganate as the cathodic electron acceptor. Jouranl of Power Source. 162: 1409-1415. 

  14. Zhao, F., F. Harnisch, U. Schroder, F. Scholz, P. Bogdanoff, and I. Herrmann. 2005. Application of pyrolysed iron (II) phthalocyanine and CoTMPP based oxygen reduction catalysts as cathode materials in microbial fuel cells. Electrochemistry Communications. 7: 1405-1410. 

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