초록 ▼

1. 전기화학적 활성균을 이용하는 미생물연료전지를 개량하여 측정 현장에서 장시간 안정적으로 정확한 측정신호를 생성하는 2개의 형태로 된 BOD/독극물 동시 측정용 sensor를 개발하였다.
1) Membrane Electrode Assembly (MEA) 기법이 적용된 미생물연료전지 형태의 sensor를 개발하여 외부 환경변화에 의존하지 않는 기존대비 100% 이상 증가된 놀은 측정 신호를 얻을 수 있도록 하였다.
2) 미생물연료전지 형태의 sensor가 갖는 cathode의 불안정성을 개선하기 위한 poised pote

1. 전기화학적 활성균을 이용하는 미생물연료전지를 개량하여 측정 현장에서 장시간 안정적으로 정확한 측정신호를 생성하는 2개의 형태로 된 BOD/독극물 동시 측정용 sensor를 개발하였다.
1) Membrane Electrode Assembly (MEA) 기법이 적용된 미생물연료전지 형태의 sensor를 개발하여 외부 환경변화에 의존하지 않는 기존대비 100% 이상 증가된 놀은 측정 신호를 얻을 수 있도록 하였다.
2) 미생물연료전지 형태의 sensor가 갖는 cathode의 불안정성을 개선하기 위한 poised potential을 사용한 three-electrode system을 이용한 electrochemically active bacterial sensor를 개발하여 현장 적용성이 높은 안정된 BOD/독극물 sensor를 개발하였다.
2. 적절한 전처리를 통하여 부유물 흡입 및 흡착 등으로 인한 기기의 오작동 및 고장예방을 할 수 있도록 전처리 장치를 개발하였으며, 이를 특수한 측정현장(콜로이드 등의 미세 부유물이 많은 경우 등)에 장착하여 측정 및 sensor의 유지관리에 편의를 제공하였다.
3. 이러한 독극물 센서에 의한 사전 감시를 통해 각종 수질 계측값의 정확성을 높일 수 있게 되었고 오폐수처리장의 유입단에 독성물질 유입을 빠르게 감지함으로써 후처리 공정의 미생물 보호 및 전체공정의 조절과 운영의 효율성을 증대하는 효과를 발휘하였다.

Abstract ▼

In the present study, construction and application of a novel toxicity detection and BOD monitoring system using bio-electrochemical technique were investigated. The inhibitory action of toxic material on metabolism of electrochemically active bacteria and the reducing action of electrochemically ac

In the present study, construction and application of a novel toxicity detection and BOD monitoring system using bio-electrochemical technique were investigated. The inhibitory action of toxic material on metabolism of electrochemically active bacteria and the reducing action of electrochemically active bacteria (EAB) were used as the basis of a toxicity detection system.
Microbial fuel cell (MFC) is a device that can convert biochemical energy into electrical energy. MFC has many advantages for generating energy from organic matter and it is proposed to be a sustainable core technology. It has been applied to various fields such as wastewater treatment, BOD biosensor and a toxicity detection biosensor. However, the power density of MFCs in comparison with chemical fuel cells is considerably lower. One of the possible solutions for improving performance is the application of a membrane-electrode assembly (MEA) in the construction of the MFC. The MEA is a method of assembling the membrane and the electrode in a MFC. The MEA was used in order to attain high efficiencies and power densities. It was found that MEAs, fabricated by hot-pressing, exhibited a 10-fold increase in performance compared with control samples.
MFCs can be enriched with EAB using synthetic wastewater and activated sludge as an inoculum. After the enrichment step, the MFC generates a current proportional to the concentration of organic material oxidized by the EAB. Based on this principle, the MFC could be successfully applied as a BOD biosensor. It is known that toxic substances, including heavy metals, normally inhibit bacterial metabolism. Therefore, if the toxic substances are contained in the feeding solution, they nay cause current decrease by inhibiting the electron transfer mechanism of the EAB.
A range of sensors including MFC with a MEA and three electrode system was studied. For the construction of the MFC type sensor, EAB which have ability of the direct electrode reduction capability were enriched in the anode compartment of the MFC. For the construction of the three electrode type sensor, a positively poised working electrode was used. In this case, cyclic voltammograms of the EAB enriched at a working electrode produced a conventional oxidation-reduction peak.

목차 Contents

• 표 지...1
• 제출문...2
• 보고서 초록...3
• 요약문...4
• SUMMARY...8
• CONTENTS...11
• 목 차...15
• 표 목차...19
• 그림 목차...20
• 제 1 장 연구개발과제의 개요...28
• 제 1 절 연구개발의 필요성...28
• 제 2 절 연구개발의 목적...29
• 제 3 절 연구개발의 내용 및 범위...31
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...33
• 제 1 절 관련기술의 현황...33
• 1. 국외 연구사례 및 동향...33
• 2. 국내 연구사례 및 동향...33
• 제 2 절 유사기술과의 차별성...34
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...37
• 제 1 절 이론적 배경...37
• 제 2 절 연구개발 내용 및 결과...39
• 1. 전기화학적 활성균을 이용하는 미생물 연료전지 센서의 개량...39
• A. Membrane Electrode Assembly 기법을 이용한 미생물 연료전지형 센서의 개발...39
• (1) 연구수행 내용...39
• (A) MEA를 적용한 microbial fuel cell의 개발 및 최적화...39
• (B) MEA가 적용된 독성물질 및 BOD센서의 개선과 성능실험...39
• (C) 시제품제작...40
• (2) 실험재료 및 방법...40
• (A) MEA를 적용한 microbial fuel cell의 개발 및 최적화...40
• (B) MEA가 적용된 BOD센서의 개발 및 성능 test...46
• (C) 현장적용 테스트...48
• (3) 실험결과 및 고찰...48
• (A) MEA를 적용한 microbial fuel cell의 개발 및 최적화...48
• (B) MEA가 적용된 BOD 및 독성물질 센서의 개발 및 성능 test...56
• (C) 시제품제작...70
• B. 3전극계를 적용한 BOD 센서의 개발...76
• (1) 연구 수행 내용...76
• (A) 전극 종류에 따른 전기화학적 특성파악...76
• (B) 3전극계를 적용한 BOD 센서의 성능 실험...76
• (C) 시제품 제작...76
• (D) 3-전극계를 적용한 전기화학적 셀의 구조 및 성능 개선...76
• (E) 현장적용 BOD 센서의 개발 및 적용...77
• (2) 실험 장치의 구성...77
• (A) 실험 재료 및 기기...77
• (3) 결과 및 고찰...85
• (A) 다양한 전극의 전기화학적 특성파악...85
• (B) Working-Counter electrode 간의 크기비율변화에 의한 특성...91
• (C) 3전극계를 이용한 전기화학적 활성미생물의 농화배양...94
• (D) 3전극계를 이용한 전기화학적 활성미생물의 농화배양...125
• (E) 시제품 제작...135
• (F) 현장적용 BOD 센서의 개발...145
• (G) 현장적용 BOD 센서의 설치 및 적용...157
• (H) 현장적용 BOD 센서의 안정성 확인 및 보완...161
• (4) 결론...162
• 2. 폐수 전처리 장치의 개발...163
• A. 전처리 장치 전체구조...163
• B. 각 구조별 세부구성 및 기능...165
• C. 작동순서 및 원리...169
• D. 고안된 다른 폐수 전처리장치...169
• 3. 기기 관련 부품 개랑 및 신호 분석용 software 개발...170
• A. 기기 관련 부품 개량...170
• (1) MEA센서와 항온장치 개량...170
• (A) MEA센서의 설계...171
• (B) MEA센서가 적용된 항온장치의 설계...174
• (2) 3-way valve 개량...181
• (A) Three-way 밸브 개발 배경...181
• (B) 기존의 개발된 DC 서보 모터 제어 Three-way 밸브의 문제점...183
• (C) 개발된 DC 서보 모터 제어 Three-way 밸브의 개량 설계...184
• (D) DC 서보 모터 제어...185
• B. 신호 분석용 software 개발...187
• (1) 1차 BOD/TOX 통합시스템 software 개발...187
• (A) 운용 프로그램의 구성...187
• (2) 2차 BOD/TOX통합시스템 software 개발...201
• (A) 운영 프로그램의 구성...201
• C. 소프트웨어 화면 구성...208
• (1) 초기 화면...208
• (2) 기본 화면...209
• (A) 각 단계별 화면구성...210
• (3) 농화 배양...212
• (4) 검정 단계...213
• (5) 측정 단계...214
• (6) 유지 단계...216
• (7) 환경 설정...217
• D. 시스템 구성 및 관련 platform 시제품 제작...218
• (1) 시스템 구성...218
• (2) 하드웨어의 구성...220
• (A) 제어부 전면...221
• (B) 제어부 후면...221
• 제 4 장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도...223
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...228
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...234
• 제 8 장 참고문헌...236