[논문]해양 퇴적토전지의 발전 특성에 대한 연구

이은미; 권성현; 이인형; 박병기; 조대철

doi:10.5322/jes.2011.20.5.647

해양 퇴적토전지의 발전 특성에 대한 연구
A Study on Electricity Generation of Marine Sediment Cells 원문보기

한국환경과학회지 = Journal of the environmental sciences, v.20 no.5, 2011년, pp.647 - 653

이은미 (순천향대학교 에너지환경공학과) , 권성현 (경상대학교 해양환경공학과(해양산업연구소)) , 이인형 (순천향대학교 에너지환경공학과) , 박병기 (순천향대학교 에너지환경공학과) , 조대철 (순천향대학교 에너지환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Sediment cell is renewable energy which produces electric energy using immanent ingredients or reducing power of marine sediment as natural resources. Also the cell has an advantage that environmental pollution can be reduced through conversion of organic and inorganic contaminants into inert matter with generation of the energy. In this paper, we compared characteristics of electricity generation of the two different sediment cells, and investigated the regeneration effect of the sediment cells with manipulation of the sediment such as mixing and re-positioning. The results showed that 14.1 $W/m^2$ of power was obtained with the aluminum electrode, and the mixing of the sediment could increase the power by 4 $W/m^2$ compared to the control. Also, mixing the sediment has kept electricity for 4 weeks at a relatively constant level, which implied 'fuel regeneration effect'. Meanwhile, the sediment cell was proved to be effective in reduction of COD, which was up to 28.6%.

주제어

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문제 정의

본 연구는 천연자원인 해양 퇴적물의 내재 성분 및 환원력을 이용하여 전기에너지를 생산하며 더불어 환경오염지표를 저감하는 퇴적토전지에 대한 것으로서 두 다른 특성의 퇴적토를 이용하여 전기 생산 특성을 비교하고 전극 주변의 퇴적토를 재생하여 그 효과를 조사하였다. ORP가 낮고 약알칼리 상태의 퇴적토에, Al전극으로 전지를 운전한 경우 최대 14.
본 연구에서는 전극의 재료로서 전도율 및 이온화 경향이 높은 금속을 사용하고, 산화전극부에 해안 퇴적토를 사용하여 퇴적토전지를 구성하였다. 특성이 다른 퇴적토를 사용한 퇴적토전지의 전기 생산 특성과 금속 전극의 주변의 퇴적토가 전기를 생산하면서 산화력이 시간에 따라 감소하는 현상을 방지하고자 퇴적토를 주기적으로 혼합하거나 전극을 이동시켜 퇴적토의 내부 에너지 재생효과를 연구하였다.

제안 방법

본 연구에서는 전극의 재료로서 전도율 및 이온화 경향이 높은 금속을 사용하고, 산화전극부에 해안 퇴적토를 사용하여 퇴적토전지를 구성하였다. 특성이 다른 퇴적토를 사용한 퇴적토전지의 전기 생산 특성과 금속 전극의 주변의 퇴적토가 전기를 생산하면서 산화력이 시간에 따라 감소하는 현상을 방지하고자 퇴적토를 주기적으로 혼합하거나 전극을 이동시켜 퇴적토의 내부 에너지 재생효과를 연구하였다.
산화전극과 환원전극은 각각 백금선으로 연결하고 외부고정저항(2 Ω)을 연결하여 폐회로 상태를 유지하였고 상온에서 실험하였다.
1 참조). 산화전극부는 약 50 mL의 해안 퇴적물을 채워 넣고 전극을 퇴적물 중앙에 삽입한 다음 다시 100 mL의 해안 퇴적물을 채워 넣었으며, 환원전극부는 인공 해수(2%)를 100 mL 채워 넣고 증발되는 수분을 매일 보충함으로써 항상 일정양이 유지되도록하여 전지를 구성하였다. 산화전극의 탄소전극과 환원전극은 탄소섬유조직으로 연결되어 제작된 다공성의 graphite felt (GF series, Electrosynthesis, Amherst, NY, USA)를 사용하였고, 금속전극은 구리, 알루미늄, 아연, 황동전극(Redpoint, Korea)을 사용하였다.
91^″W) 해안에서 채취하였다. 퇴적토 채취 시간은 만조에서 간조로 바뀌어 퇴적토가 완전히 노출될 때로 하였고, 서로 채취 시기와 위치가 다른 A, B 지점에서 채취하였다. 퇴적토 채취 시 표면의 연갈색 층 아래의 회색의 퇴적토를 채취하였으며, 하상이 고운 입자형태의 특징을 띄었다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 퇴적토 전지는 양성자 교환막 없이 수층에 용해되지 않는 퇴적물의 특성을 이용하여 산화전극부와 환원전극부로 상·하 분리된 가장 기본적인 형태이다(Fig.1 참조).
본 실험에 사용된 퇴적토전지는 250 mL Pyrex 재질의 비커로 산화전극부의 부피는 150 mL이며, 환원전극부의 부피는 100 mL가 되도록 하였다. 본 실험에 사용된 퇴적토 전지는 양성자 교환막 없이 수층에 용해되지 않는 퇴적물의 특성을 이용하여 산화전극부와 환원전극부로 상·하 분리된 가장 기본적인 형태이다(Fig.
산화전극부는 약 50 mL의 해안 퇴적물을 채워 넣고 전극을 퇴적물 중앙에 삽입한 다음 다시 100 mL의 해안 퇴적물을 채워 넣었으며, 환원전극부는 인공 해수(2%)를 100 mL 채워 넣고 증발되는 수분을 매일 보충함으로써 항상 일정양이 유지되도록하여 전지를 구성하였다. 산화전극의 탄소전극과 환원전극은 탄소섬유조직으로 연결되어 제작된 다공성의 graphite felt (GF series, Electrosynthesis, Amherst, NY, USA)를 사용하였고, 금속전극은 구리, 알루미늄, 아연, 황동전극(Redpoint, Korea)을 사용하였다. 산화전극과 환원전극은 각각 백금선으로 연결하고 외부고정저항(2 Ω)을 연결하여 폐회로 상태를 유지하였고 상온에서 실험하였다.
퇴적토 전지(Sediment Cell)에서 사용되는 해양 퇴적물은 충남의 삽교호 국민관광지(36°53′17.93″N, 126°49′29.91″W) 해안에서 채취하였다.

성능/효과

본 연구는 천연자원인 해양 퇴적물의 내재 성분 및 환원력을 이용하여 전기에너지를 생산하며 더불어 환경오염지표를 저감하는 퇴적토전지에 대한 것으로서 두 다른 특성의 퇴적토를 이용하여 전기 생산 특성을 비교하고 전극 주변의 퇴적토를 재생하여 그 효과를 조사하였다. ORP가 낮고 약알칼리 상태의 퇴적토에, Al전극으로 전지를 운전한 경우 최대 14.1 W/m²의 최대전력밀도를 얻었고 아울러 다른 금속보다 장시간 전력이 유지됨을 발견하였다. Al 전극은 높은 이온화경향(고 전기화학 반응성), 국부적 산화박막피막형성, 실험조건에서의 피막의 용해 가능성 측면에서 우수하였다.
다양한 전극을 이용하여 퇴적토전지를 약 8일 동안 운전한 결과 퇴적토의 COD변화를 Table 3에 나타내었다. 단위면적당 전류밀도 및 전력밀도가 클수록 COD제거율이 높았고 Al전극을 사용하였을 때 최대 28.6%의 제거효율을 보였다. 개방성 전기회로(open circuit)로 구성된 전지의 퇴적토(대조구)에서의 자연감소율은 3.
또한 전기를 생산하는 동안 전극 주변 퇴적토의 내재 성분 및 에너지를 복원하는 의미로 퇴적토를 적절히 혼합해준 결과 최대 18 W/m²의 전력밀도를 얻었으며 4주 이상 지속되었다. 더불어 퇴적토전지에서 전극과 퇴적토 사이에서 유기물질 및 무기물질의 전환과 동시에 혐기성세균의 대사활동에 의한 금속염의 환원으로 최대 28.6%의 COD 제거효과가 나타나 환경오염지표 저감에도 효과적임을 입증하였다.
Al 전극은 높은 이온화경향(고 전기화학 반응성), 국부적 산화박막피막형성, 실험조건에서의 피막의 용해 가능성 측면에서 우수하였다. 또한 전기를 생산하는 동안 전극 주변 퇴적토의 내재 성분 및 에너지를 복원하는 의미로 퇴적토를 적절히 혼합해준 결과 최대 18 W/m²의 전력밀도를 얻었으며 4주 이상 지속되었다. 더불어 퇴적토전지에서 전극과 퇴적토 사이에서 유기물질 및 무기물질의 전환과 동시에 혐기성세균의 대사활동에 의한 금속염의 환원으로 최대 28.
1 W/m²의 전력밀도로 퇴적토 B를 사용하였을 때보다 약 28배 높았다. 또한 전체적으로 퇴적토 A를 사용하였을 때 전력이 길게 유지되었다. Cu/Zn 합금전극의 경우는 전기화학적 반응성이 큰 아연이 구리의 부식을 억제하는 효과를 보여 전류가 비교적 오랜 시간 유지되는 것으로 볼 수 있다.
이것은 전극의 종류에 따라 전기발생이 다르고 유·무기물질의 전환에 영향을 끼칠 수 있다는 것으로 사료되며, 큰 비표면적으로 미생물막 형성도 고려되는 graphite felt의 경우에는 낮은 전력밀도에도 불구하고 미생물의 유기물 분해작용에 의거, COD 제거율은 23.3%로 일부 금속전극(황동, 구리)보다 높게 측정되었다.
전력밀도도 금속의 이온화세기와 비례하였으며 퇴적토 A와 Al전극을 사용하였을 때 최대 14.1 W/m²의 전력밀도로 퇴적토 B를 사용하였을 때보다 약 28배 높았다. 또한 전체적으로 퇴적토 A를 사용하였을 때 전력이 길게 유지되었다.
퇴적토를 혼합하거나 전극을 이동시켰을 때 전류가 다시 증가하는 ‘연료주입 효과’가 나타났다.

후속연구

전지의 전체적 저항, 특히 내부저항은 수많은 인자, 예를 들어 수소이온 분극, 물리적 이온 물질전달 지체, 전극주변의 전자공여체의 부족, 전극과의 거리 등의 함수이다. 퇴적토 A가 이들 인자의 영향에 있어서 퇴적토 B보다 우월한 상태인 것은 분명하나 추후 연구를 통해 주 결정인자를 추출해야 할 것으로 보인다. 두 퇴적토전지에 대해 최대 전압, 전류밀도, 전력밀도 값을 Table 2에 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	토양, 침전물 및 폐수로부터 에너지를 생산하는 기술이 각광받는 이유는?	최근 신재생에너지 및 에너지 절감에 대한 관심이 크게 부상함에 따라 토양, 침전물 및 폐수로부터 에너지를 생산하는 기술이 각광받고 있다. 이러한 에너지원은 일반적인 전지를 대체하는 기회요인으로 작용하고 있으며 전력 공급원으로서 지속성을 가지고 있다.
	해양 퇴적물이란?	이러한 에너지원은 일반적인 전지를 대체하는 기회요인으로 작용하고 있으며 전력 공급원으로서 지속성을 가지고 있다. 해양 퇴적물은 표면이 해수와 닿아있는 특별한 토양이다. 아주 고운 입자들로 구성된 퇴적토가 전기 활성을 띈 다양한 미생물뿐 아니라 전자 공여체로 작용할 수 있는 다양한 화합물이 동시에 공존한다.
	해양 퇴적물에 공존하고 있는 것은?	해양 퇴적물은 표면이 해수와 닿아있는 특별한 토양이다. 아주 고운 입자들로 구성된 퇴적토가 전기 활성을 띈 다양한 미생물뿐 아니라 전자 공여체로 작용할 수 있는 다양한 화합물이 동시에 공존한다. 산화작용이 발생하는 적절한 조건에서라면 전자의 발생이 가능하여 이 또한 전극에 전달, 전류 흐름을 발생시킬 수 있다(Reimers 등, 2001; Bond 등, 2002; Tender 등, 2002).

참고문헌 (14)

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Zhang, J., Hou, B., Liu, Y., 2000, Effect of Sulfate Reducing Bacteria on Galvanic Action of A3 Steel in Sea Mud, Oceanol. limnol. Sinica, 31(4), 452-458.

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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