[논문]수처리용 미세조류의 수확을 위한 전기응집기술의 적용

이석민; 조재형; 노경호; 장산; 황현정; 남귀숙; 황선진

doi:10.11001/jksww.2015.29.6.643

수처리용 미세조류의 수확을 위한 전기응집기술의 적용
Feasibility Study on Electro Coagulation Flocculation for Microalgae Harvesting 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.29 no.6, 2015년, pp.643 - 649

이석민 (경희대학교 공과대학 환경공학과.환경연구센터) , 조재형 (경희대학교 공과대학 환경공학과.환경연구센터) , 노경호 (경희대학교 공과대학 환경공학과.환경연구센터) , 장산 (경희대학교 공과대학 환경공학과.환경연구센터) , 황현정 (경희대학교 공과대학 환경공학과.환경연구센터) , 남귀숙 (경희대학교 공과대학 환경공학과.환경연구센터) , 황선진 (경희대학교 공과대학 환경공학과.환경연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Although microalgae are considered as a promising feedstock for biofuels, cost-efficient harvesting of microalgae needs to be significantly improved. In this study, the use of electro coagulation as a more rapid flocculation method for harvesting a freshwater (Scenedesmus dimorphus) microalgae species was evaluated. The results showed that, electro coagulation was shown to be more efficient using an aluminum anode than using an iron anode. And optimum conditions of electro coagulation for harvesting Scenedesmus dimorphus were found. The optimum stirring speed was 100 rpm and optimum pH was 5. Furthermore, the current density which the fastest and highest recovery efficiency is achieved at $30A/m^2$, while the highest energy efficiency was achieved at $10A/m^2$. A the rapid and high recovery efficiency indicate that electro coagulation is a particularly attractive technology for harvesting microalgae.

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문제 정의

전기응집 반응 시 교반은 반응기 내의 흐름을 원활하게 만들어 주어 양이온 전극에서 용출된 금속이온과 음이온에서 발생된 미세기포의 접촉성을 향상시켜 응집효율에 긍정적 영향을 줄 수 있다. 따라서 교반 유무를 통한 응집효율 평가에 대한 실험을 진행하였다. 실험조건은 pH 7, 전류밀도는 20 A/m^2, 전극간격 6 cm로 설정했으며, 교반을 실시한 조건만 100 rpm의 속도로 교반을 해주었다.
본 연구에서는 미세조류 응집을 위해 전기응집을 이용한 미세조류 응집기술에 대한 연구를 진행하였다. 전기응집에서는 일반적으로 철 또는 알루미늄 등의 전기적 가용성 전극을 양극으로 사용하는 것이 일반적인데, 이러한 양극에서는 전해반응 중에 금속이온이 산화되어 용출이 일어나게 되고, 전해반응에 의해 생성된 금속 양이온은 전기장의 힘에 의해 확산되며, 이때 미세조류와 전기적으로 결합하여 중성화된 후 응집되어 부유상태가 되어 서서히 침전하게 되는데, 이때 침전에 소요되는 시간이 너무 길어 침전효율이 저조하다는 문제점이 있다.
전기응집에 사용되는 전극은 양극과 음극을 서로 동일한 재료로 할 수도 있고 서로 다른 전극으로 설정할 수 있는데, 일반적으로 양극과 음극을 다른 재료로 구성하는 경우가 많다. 본 연구에서는 양극과 음극을 동일하게 설정하는 전제로, 알루미늄 전극(순도 99.5%)과 철 전극(순도 95.5%)을 비교하여 미세조류 전기응집에 보다 적합한 전극을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 하폐수처리에 대한 미세조류 적용에 있어 중요한 수확방법으로서 기존 수처리 공정에서 실용화되어 사용하고 있는 전기응집반응을 적용하여, 타당성을 검토하고, 더 나아가 효과적이고 경제적인 미세조류 최적응집조건을 제안하기 위한 기초연구를 진행하였다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 본 연구에서는 일반적으로 많이 연구되고 있는 Scenedesmus dimorphus를 대상으로 전기응집 시 물의 전기분해에 의해 생성 되는 O₂ 및 H₂ 미세기포가 적당한 교반에 의해 수중에서 응집된 미세조류 플록(floc)을 포집(trap)하여 수면으로 동반부상시킴으로 효과적으로 수확할 수 있게 하는 최적조건에 대해 실험연구를 진행하였다.

제안 방법

기본적인 실험조건은 초기 pH 7.0, 전류밀도 20 A/m² , 전극면적 100 cm², 전극간격 6 cm로 설정하였으며, 교반속도는 앞선 실험에서 도출된 교반속도인 100 rpm으로 설정해 주었다.
따라서 교반속도에 따른 미세조류 응집효율 평가를 진행하였는데, 기본적인 실험조건은 앞서 진행한 교반 유무에 따른 실험의 조건과 동일하게 설정해 주었으며, 교반속도를 100∼200 rpm 범위에서 설정하여 최적의 교반조건을 조사하였다.
시료채취는 5분 간격으로 반응기 중앙에서 수면으로부터 5 cm지점에서 채취하였으며, 미세조류의 응집효율을 알아보기 위해 분광광도계(Optizen POP, Mecasys Co.)를 이용하여 OD_660nm를 측정하였다. 미세조류의 응집효율을 구하기 위해 다음과 같은 식을 이용하여 계산하였다.
실험은 상온(25˚C ±2)에서 진행하였으며, 20 L 광생물 반응기에서 배양된 S. dimorphus를 1.5 L의 전기 응집 반응기에 주입하였다.
초기 pH가 미세조류 응집효율에 미치는 영향에 대해 알아보기 위해 전극간격 6 cm, 전류밀도 20 A/m², 전극반응 면적 100 cm², 그리고 알루미늄 전극을 사용한 조건에서, 초기 pH 조건을 5, 7, 9로 설정하여 25분간 실험을 진행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 미세조류(Scenedesmus dimorphus)는 KIOST(Korea Institute of Ocean Science & Technology)로부터 분양받았으며, 미세조류 배양을 위해 사용된 배지는 BBM (Bold‘s Basal Medium)이용하였다. S. dimorphus는 OD(optical density at 660nm)가 1.0 OD가 될 때까지 20 L 광생물 반응기를 이용하여 배양한 후 실험에 사용하였다. S.
본 실험에 사용된 전기응집장치는 1.5 L 장방형으로 아크릴 재질로 제작하였으며, 장치는 마그네틱 교반기 위에 놓아 응집장치의 바닥에서 마그네틱 바에 의한 교반이 가능하도록 설계하였다. 장치내의 전극은 0.
본 연구에서 사용한 미세조류(Scenedesmus dimorphus)는 KIOST(Korea Institute of Ocean Science & Technology)로부터 분양받았으며, 미세조류 배양을 위해 사용된 배지는 BBM (Bold‘s Basal Medium)이용하였다.
장치내의 전극은 0.2 cm × 5 cm × 13.5 cm 규격으로 제작하였으며, 이때 전극의 반응면적은 100 cm2이었다.
5 cm 규격으로 제작하였으며, 이때 전극의 반응면적은 100 cm²이었다. 전원은 30V, 3A 용량의 정전류 방식의 DC power supply(Gw Instek, GPD-2303S, Taiwan)를 사용하였다.

이론/모형

용출된 전극의 양은 전기반응 전후의 전극무게를 측정하여 구했으며, 수중으로 용출된 전극성분의 양을 측정하기 위해서 시료를 GF/C 여지를 사용하여 여과한 뒤 여액을 Al 및 Fe kit법에 의해 UV spectrometer (HS 3300, Humas Co., Korea)를 이용하여 측정하였다.

성능/효과

각 조건별로 95%의 미세조류가 응집되는 시간 동안 사용된 전력량을 평가한 결과, 전류밀도가 가장 낮았던 10 A/m²에서 다른 조건들에 비해 3~5배 낮은 전력 사용만으로도 95%의 미세조류 응집이 가능하여, 현실적인 경제성 등을 고려하면 전류밀도 10 A/m² 조건이 본 연구의 설정조건에 대한 최적조건이라 판단하였다.
그 결과, 100rpm의 속도로 교반을 실시해 줄 때 가장 높은 응집효율을 나타냈고, 이 때 대부분의 조류는 발생하는 전기분해 미세기포에 포집되어 효과적으로 부상함을 확인하였다. 또한, 전기응집반응을 위한 전극의 재질은 알루미늄이 철에 비해 상대적으로 양호한 결과가 얻어졌고, 반응 pH에 대한 검토에서는 pH 5일 때 가장 높은 응집효율이 얻어졌다.
3에 나타낸 바와 같이 100 rpm으로 교반한 조건에서는 20분만에 95%의 응집효율을 나타냈으며, 150 rpm의 경우에서는 25분간 반응해 주었을 때 93 %의 응집효율을 나타내었다. 또한, 가장 빠른 200 rpm의 속도로 교반한 조건에서는 25분간 교반하였을 경우 64% 수준의 응집효율 밖에 얻을 수가 없었다.
그 결과, 100rpm의 속도로 교반을 실시해 줄 때 가장 높은 응집효율을 나타냈고, 이 때 대부분의 조류는 발생하는 전기분해 미세기포에 포집되어 효과적으로 부상함을 확인하였다. 또한, 전기응집반응을 위한 전극의 재질은 알루미늄이 철에 비해 상대적으로 양호한 결과가 얻어졌고, 반응 pH에 대한 검토에서는 pH 5일 때 가장 높은 응집효율이 얻어졌다. 최적의 전류 밀도는 경제성 등을 종합적으로 고려한 결과, 본 연구에서는 10 A/m²이라는 결과가 얻어졌다.
실험결과 Fig. 1.에서 나타낸 바와 같이, 100 rpm의 속도로 교반한 조건의 경우 15분간 전기응집을 해 주었을 때 95%의 응집효율을 나타냈으며, 교반을 하지 않은 조건에서는 20분간 반응 후 95%의 응집효율을 나타냈다. 이는 교반을 하게 되면 +전극에서 용출되는 금속염과 미세조류 세포와의 접촉율이 향상 (Mollah et al.
실험결과 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 100 rpm으로 교반한 조건에서는 20분만에 95%의 응집효율을 나타냈으며, 150 rpm의 경우에서는 25분간 반응해 주었을 때 93 %의 응집효율을 나타내었다. 또한, 가장 빠른 200 rpm의 속도로 교반한 조건에서는 25분간 교반하였을 경우 64% 수준의 응집효율 밖에 얻을 수가 없었다.
실험결과 Fig. 4.에서와 같이, 알루미늄 전극을 사용한 조건에선 15분만에 약 95%의 높은 응집효율을 나타낸 반면, 철 전극을 사용한 조건에서는 25분간 전기 응집 후에도 응집효율이 약 40%로 낮은 응집효율을 나타내, 미세조류를 응집시킬 경우에서는 알루미늄 전극이 보다 효율적인 것으로 확인되었다.
이상의 결과로부터 침전속도가 기존의 활성슬러지에 비해 상대적으로 매우 느려 자연침강에 의한 고액 분리가 어려운 미세조류의 수확에 있어, 전기응집에 이은 부상분리 공정은 기본적으로 매우 효과적인 대안이 될 수 있다는 기술적 근거가 제시되었다.
이상의 결과로부터, 교반을 포함한 전기응집반응에 있어 100 rpm 보다 높은 과다한 교반강도는 오히려 미세조류의 응집(플럭화) 및 미세기포에 의한 플럭 포집 효율에 현저한 저해를 야기하는 것이 확인되었으며, 이로부터 부상분리에 의해 미세조류를 수확하려는 경우, 최적의 교반속도로 설정해 주면 매우 효과적으로 단시간 내에 부상분리가 가능할 것으로 판단된다.
또한, 전기응집반응을 위한 전극의 재질은 알루미늄이 철에 비해 상대적으로 양호한 결과가 얻어졌고, 반응 pH에 대한 검토에서는 pH 5일 때 가장 높은 응집효율이 얻어졌다. 최적의 전류 밀도는 경제성 등을 종합적으로 고려한 결과, 본 연구에서는 10 A/m²이라는 결과가 얻어졌다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미세조류 수확 방식으로 전기응집에 이은 부상분리 공정이 효과적이라는 기술적 근거는 무엇인가?	이상의 결과로부터 침전속도가 기존의 활성슬러지에 비해 상대적으로 매우 느려 자연침강에 의한 고액 분리가 어려운 미세조류의 수확에 있어, 전기응집에 이은 부상분리 공정은 기본적으로 매우 효과적인 대안이 될 수 있다는 기술적 근거가 제시되었다.
	미세조류 수확 방법 중 전기응집 방식의 문제점은 무엇인가?	본 연구에서는 미세조류 응집을 위해 전기응집을 이용한 미세조류 응집기술에 대한 연구를 진행하였다. 전기응집에서는 일반적으로 철 또는 알루미늄 등의 전기적 가용성 전극을 양극으로 사용하는 것이 일반적인데, 이러한 양극에서는 전해반응 중에 금속이 온이 산화되어 용출이 일어나게 되고, 전해반응에 의해 생성된 금속 양이온은 전기장의 힘에 의해 확산되며, 이때 미세조류와 전기적으로 결합하여 중성화된후 응집되어 부유상태가 되어 서서히 침전하게 되는데, 이때 침전에 소요되는 시간이 너무 길어 침전효율이 저조하다는 문제점이 있다.
	전기응집을 이용한 미세조류 응집기술을 연구하게 된 기존 미세조류 수확기술의 단점은 무엇인가?	미세조류를 바이오 연료로 전환하기 위해선 미세조류를 배양한 후, 필연적으로 배양액에서 미세조류만을 수확해야 한다. 일반적으로 적용되고 있는 미세조류 수확기술에는 원심분리기를 이용한 미세조류 수확 법이 있는데, 회수효율은 좋으나 설치 및 운영비용이 높은 단점이 있으며(U.S. DOE 2010), 여과법은 시간경과에 따라 필터의 막힘현상이 생겨 주기적으로 막을 교체해 주어야 하는 단점이 있다. 또한, 침전법의 경우에는 소요되는 에너지 비용은 적으나 침전에 시간이 오래 소요되어 반응기 사이즈가 커지게 되며 (Udman et al., 2010) DAF(dissolved air flotation)의 경우는 미세조류에 적용하기 위해서는 추가적인 응집제 주입이 필요하다는 단점이 있다(Greenwell et al., 2010).

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표제어: PCR

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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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