초록 ▼

본 연구는 소화조에 미생물연료전지를 적용하기 위한 목적으로 실시되었다. 미생물 농도에 따른 전력발생 및 유기물제거 특성을 보면 개방회로 전압(1.0 V) 특성은 식종미생물의 농도가 TS 1.10%인 Type B가 가장 긴 시간(150 h)동안 일정하였으며, TS 1.70%와 TS 0.57%인 Type A와 Type C는 부착미생물이 많고 부유미생물이 Type B보다 적은 이유로 안정화된 Voc가 Type B에 비하여 길게 유지되지 않았다. 500Ω 부하저항을 가진 폐회로의 방전곡선은 부착미생물이 상대적으로 많은 Type B가 개방회

본 연구는 소화조에 미생물연료전지를 적용하기 위한 목적으로 실시되었다. 미생물 농도에 따른 전력발생 및 유기물제거 특성을 보면 개방회로 전압(1.0 V) 특성은 식종미생물의 농도가 TS 1.10%인 Type B가 가장 긴 시간(150 h)동안 일정하였으며, TS 1.70%와 TS 0.57%인 Type A와 Type C는 부착미생물이 많고 부유미생물이 Type B보다 적은 이유로 안정화된 Voc가 Type B에 비하여 길게 유지되지 않았다. 500Ω 부하저항을 가진 폐회로의 방전곡선은 부착미생물이 상대적으로 많은 Type B가 개방회로와 비슷하게 장시간 안정한 방전전압(0.8 V)이 발생하였다.
식종미생물의 농도에 따른 MFC 실험에서 250 h의 반응후 COD 제거율은 Type A, B, C에서 각각 98, 91, 94%로 나타났다. COD 제거량을 이용하여 쿨롱효율(CE)을 비교해 보면 A type 9%, B type 16%, C type 3%를 나타내고 있다. 본 연구의 쿨롱효율은 타 연구에 비해 매우 낮은 수치로 나타났다. 이는 쿨롱효율은 미생물에 의한 유기물의 산화로부터 발생하는 전자를 전기에너지로 전환시키는 효율을 의미하며, 본 연구와 같이 높은 식종미생물농도를 유지할 경우 전기 생산 외 이들 과정의 증가로 인한 낮은 쿨롱효율을 나타낼 수 있을 것으로 판단된다. 각각의 Type 별 F.F는 0.127, 0.092, 0.077로 전력발생 효율이 매우 낮은 것으로 나타났다. 이는 낮은 전압발생과 낮은 전류밀도에 의한 것으로 판단된다.
기질 주입농도에 따른 특성을 보면 Type C가 높은 방전전압(0.9 V)을 발생하는 것으로 나타났다. 기질 주입농도는 1,000 mg/L 이상을 유지하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 기질농도에 따른 MFC 실험에서 250 h의 반응후 COD 제거율은 Type A, B, C에서 각각 97, 91, 90%로 나타났다. COD 제거량을 이용하여 쿨롱효율(CE)을 비교해 보면 A type 11%, B type 6%, C type 4%를 나타내고 있다. 전체 Type의 폐회로에서 시간에 따른 COD의 감소량은 다소 불안정하고 낮은 작동전압이 발생했다. 기질 주입농도가 1,000 mgCOD/L인 Type B가 가장 높은 전력밀도 $258 mW/m^2$와 0.147의 분극 특성을 나타냈다.
선택적 이온교환막에 따른 특성을 보면 Type A(Nafion)가 장시간 안정적인 방전전압(0.7 V)를 발생하고 있으며, Type C는 매우 불안한 전압발생을 나타내고 있어 Nafion 117을 사용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 하지만 비용이 높은 단점이 있어 단순히 전압발생의 목적이 아닌 유기물질 처리를 동시에 달성하고자 할 경우에는 다소 전압이 감소하는 결과를 나타내고 있는 비교적 저렴한 CEM을 사용하는 것도 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다. 250 h의 반응후 COD 제거율은 Type A, B, C에서 각각 91, 94, 90%로 나타났다. COD 제거량을 이용하여 쿨롱효율(CE)을 비교해 보면 A type 8%, B type 6%, C type 6%를 나타내고 있다. polarization curve 실험 결과를 보면 산화전극의 표면적은 Type A, B, C 모두 26 cm2 이었다. Nafion 117을 사용한 Type A에서 가장 높은 전력밀도($227 mW/m^2$)가 발생되었고, Type B의 F․F가 0.116으로 가장 높은 효율을 나타내고 있다. 따라서 CEM을 선택적 이온교환막으로 사용하는 것도 고려해 볼 수 있을 것으로 판단된다.
전극재질에 따른 전압발생 특성은 Type A(carbon cloth)가 Type B(carbon cloth with Pt)보다 낮은 전압이 발생하였으나 안정적인 결과를 나타내고 있으며, Type B는 안정적이지 못한 결과를 나타내고 있는데 이는 백금 촉매에 환원반응이 일어나는데 있어서 산소의 고른 공급과 전자소비가 원활하게 이루어지지 않은 결과라 판단된다. 따라서 전압발생 측면에서는 Type B가 우수할 것으로 판단되나 Air-Cathode 방식에서는 고른 산소 공급이 고려되어야할 것으로 판단된다. 250 h의 반응후 COD 제거율은 Type A, B에서 각각 84, 88%로 나타났다. COD 제거량을 이용하여 쿨롱효율(CE)을 비교해 보면 A type 7%, B type 8%를 나타내고 있다. polarization curve 실험 결과를 보면 Pt 촉매가 도포된 carbon cloth를 사용한 Type B가 Type A보다 높은 전력밀도($333 mW/m^2$)를 나타내고 있으며, Type B의 F․F가 0.116으로 가장 높은 효율을 나타내고 있다. 따라서 CEM을 선택적 이온교환막으로 사용하는 것도 고려해 볼 수 있을 것으로 판단된다.
소화조에 적용하기 위하여 설계한 MFC의 전압발생 특성은 유기물 제거가 비교적 완만하게 이루어지고 있으며 전압발생은 조금식 증가하다가 250 h정도에 최고 값을 나타내고 있다. 250 h이후에는 잔존하고 있는 기질이 부족함에 따라 전압이 강하하는 현상을 나타내고 있다. 250 h의 반응후 COD 제거율은 85%로 나타났다. COD 제거량을 이용하여 쿨롱효율(CE)을 비교해 보면 3%를 나타내고 있다.
polarization curve 실험 결과를 보면 전력밀도는 $277 mW/m^2$를 나타내고 있으며, F․F가 0.138로 낮은 효율의 분극특성을 나타내고 있다. 이는 미생물을 이용하여 운전하는 연료전지이기 때문에 타 일반 연료전지와 전력발생 효율로 비교하는 것은 어려움이 있다. 따라서 유기물 제거를 포함하여 다양한 측면에서 비교하고 오염물질 제거와 전력발생을 극대화 할 수 있는 추가적인 연구가 시급하며, 본 연구과제 종료후에도 지속적인 성능개선 연구를 진행할 계획이다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• I. 연구결과 요약문 ... 4
• II. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 6
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 7
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 17
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 18
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 18
• III. 연구성과 ... 20