초록 ▼

핵심기술
실용화 가능 수준의 하폐수처리를 위한 세계최초의 미생물연료전지 및 전지를 구성하는 전극 등 요소기술
최종목표
실용화 가능 수준의 하폐수처리를 위한 세계최초의 미생물연료전지 원천기술개발
개발내용 및 결과
본 연구에서는 최종연구목표를 달성하기 위한 세부연구 목표는 세계 최고 수준의 전력수율 달성, 고효율, 저비용의 촉매 및 전극재료개발, 실용화 MFC(microbial fuel cell) 공정의 설계 및 제작기술 확보 등이었으며, 년차별 주요연구내용 및 성과는 다음과 같다.
① 1차년도 연구성과

핵심기술
실용화 가능 수준의 하폐수처리를 위한 세계최초의 미생물연료전지 및 전지를 구성하는 전극 등 요소기술
최종목표
실용화 가능 수준의 하폐수처리를 위한 세계최초의 미생물연료전지 원천기술개발
개발내용 및 결과
본 연구에서는 최종연구목표를 달성하기 위한 세부연구 목표는 세계 최고 수준의 전력수율 달성, 고효율, 저비용의 촉매 및 전극재료개발, 실용화 MFC(microbial fuel cell) 공정의 설계 및 제작기술 확보 등이었으며, 년차별 주요연구내용 및 성과는 다음과 같다.
① 1차년도 연구성과 : 하폐수처리를 위한 MFC의 실용화를 위해 선결하여야 할 핵심기술인 저비용 고효율 MFC의 개발
을 위한 연구를 수행하였다. 주요 연구성과로는 i) 고전도성인 다공성 유리탄소의 자체 제작기술 확보, ii) 전기중합법으로 폴리아닐린을 표면에 코팅한 다공성 산화전극 개발, iii) 저비용 환원촉매인 FePc를 도펀트로 폴리아닐린을 표면에 코팅한 환원전극 개발, iv) 유체흐름과 유지관리를 고려한 수면공기환원전극 MFC 시스템의 구성요소 설계, v) 20개의 단위전지를 적층한 일처리용량 0.25m³의 pilot을 설계 및 제작완료 등이다. 정량적 연구목표는 촉매와 분리막 등에 대한 비용편익 분석치와 시설재료비 목표치를 크게 초과달성하였으며, 전력수율과 유출수의 방류수 수질 목표치는 Lab 실험에서 달성하였다.
② 2차년도 연구성과 : 세계최고 연구그룹의 기술력을 평균120% 추월하는 기술력 확보를 연구목표로 하였다. 주요연구
성과로는 i) MWCNT(multiwall carbon nanotube)를 전극의 기본물질로 활용하고 소수성 PTFE (polytetrafluoroethylene)와 친수성 Nafion 용액을 결합제로 각각 이용하여 높은 산소환원효율을 가지는 소수성-친수성 이중층 구조의 MWCNT 환원전극 개발, ii) 비표면적이 큰 GFF(graphite fiber fabric)를 질산처리함으로서 표면을 친수성으로 전환시켜 미생물의 용이한 부착과 전자전달능을 향상시킨 산화전극개발, iii) 스테인리스 망에 PTFE 막을 형성시킨 분리막 개발, iv) CNT와 혼합한 도전성 하이드로젤을 활용하여 분리막과 환원전극이 결합된 일체형 전극개발, v) 고밀도 적층과 유지관리가 용이한 수직형 전극구조체를 고안, vi) 수직형 전극구조체를 적층한 일처리용량 1.0m³의 pilot 설계 alc 제작등이다. Lab 실험결과를 종합하여 비용편익 분석한 결과 개발된 전극의 재료, 촉매 및 시설재료비에 대한 2차년도의 정량적 연구목표치는 초과달성하였다. 전력수율과 유출수의 방류수 수질 목표치의 경우는 Lab 실험을 통하여 달성하였다.
③ 3차년도 연구성과 : 전체 미생물연료전지 공정을 구성하는 전지, 촉매, 분리판, 공정설계 등의 단위기술을 완성하여, 세계최초로 상업화 가능수준의 미생물연료전지 개발완성을 목표로 연구를 수행하였다. 주요연구 성과로는 i) 스텐망(STS 316L)을 집전체로 이용하고, PTFE를 결합제로 이용한 MWCNT 기본전극개발, ii) 기본전극의 한면에 혼합금속 촉매로 촉매 층을 형성하고, 다른 한 면에 PTFE 또는 PMPS를 이용한 공기호흡 방수층을 생성시킨 저비용 고효율 환원전극개발, iii) CNT에 혼합금속촉매를 열수극초단파법으로 고정화시켜 EG와 혼합한 뒤 스텐망에 스크린 프린팅기법으로 담지시킨 저비용 고효율의 환원전극개발, iv) CNT와 EG 혼합물을 Nafion 용액 및 에폭시를 결합제로 이용하여 스텐망에 담지시킨 생물친화적 저비용 고효율 산화전극 제조기술개발, v) 고밀도로 환원전극의 집적이 가능한 MFC 설계 완성하고, vi) 일처리 용량 2.5m³ 규모의 파일럿플랜트를 설계·제작하여 운전하였으며, HRT 20분, 온도 30℃, 외부저항 10Ω에서 운전하였을때, 전력수율이 약 496.89W/m³의 최종전력수율 목표치 초과 달성, vii) 유기물 제거율은 유입 COD 및 HRT에 의해 크게 영향을 받았으며, 유출수 수질은 COD 13.92mg/L, TN 14.42mg/L 등으로 나타나 방류수 수질기준을 만족하는 것으로 평가되었다.
기술개발배경
미생물연료전지(Microbial fuel cell)는 녹색식물의 광합성작용에 의해 화학에너지의 형태로 유기물에 저장된 에너지를 전기적 활성을 가지는 미생물을 이용하여 전기에너지 형태로 전환시키는 기술로서 폐수 및 폐기물을 처리하는 동시에 전기에너지를 생산할 수 있는 녹색환경기술이며, 현재 수질환경공학문제 해결을 위해 응용, 발전시키는 새로운 기술 분야이다. 본 연구과제는 하폐수를 처리하는 동안 폭기가 전혀필요하지 않고 과잉슬러지의 발생이 재래식 공정의 20~30%에 불과하며, 부산물로서 전력을 생산할 수 있는 미생물 연료전지 기술개발에 대한 연구이며, 이러한 측면에서 미생물 연료전지 기술은 수질환경공학 분야에서 가히 혁명적인 기술이라 할 수 있다. 그 동안 국내외 연구자들이 이룩한 가장 큰 연구성과는 미생물연료전지로부터 얻을 수 있는 전력수율을 10여년전 2~3μW/m²에 불과하던 것을 최근 약
3,000mW/m²로 크게 증가시켰다는 점이다. 그동안의 연구성과에 의해 하폐수처리 분야에서 미생물연료전지의 상업적 응용가능성이 높아졌지만 아직까지 미생물연료전지 기술을 하폐수처리분야에 활용하기 위한 공학적 연구는 거의 진행되지 않은 상황이며, 지금까지 진행된 미생물연료전지 연구에서 관심사는 대부분 전력수율 향상이었다. 그러나, 미생물연료전지 기술을 하폐수처리를 위해서 실용화 가능한가라는 물음에는 여전히 많은 의문점을 남기고 있는 상황이다. 미생물연료 전지를 이용하여 하폐수를 처리하고 전력을 생산하기 위해서 물리화학적 성상과 발생량이 크게 변하는 하폐수의 독특한 발생특성에 대응할 수 있는 공정이어야 하고, 하폐수의 발생량이 대량인 점을 감안하여 규모확대(Scale-up)가 용이하며, 연속 또는 반연속, 회분식 처리가 모두 가능하여야 한다. 미생물연료전지를 이용하여 하폐수를 처리하고 전력을 생산하기 위해서는 저렴한 시설비가 매우 중요한 인자이므로 미생물에 의한 유기물 분해 및 전자전달을 촉진할 수 있는 산화전극물질 연구와 환원전극의 백금(Pt)촉매를 대체할 수 있는 재료연구가 실용화를 위해서 반드시 선결되어야 한다.
핵심개발기술의 의의
기존 하폐수처리기술은 하폐수에 함유된 유기오염물을 안정화시키기 위하여 하폐수처리 과정에 많은 양의 에너지가 필요하고 이산화탄소를 발생시키게 되지만, 미생물연료전지기술은 하폐수로부터 에너지를 생산함과 동시에 발생하는 깨끗한 처리수를 얻을 수 있는 청정기술개발사업이다. 본 연구로 개발된 기술은 하폐수처리를 위한 미생물연료전지 기술의 공학적 응용에 중점을 두고 진행되었기 때문에 최대전력수율에 대한 기술력은 현재 세계 최고에 도달한 것으로 자체평가하고 있으며, 법적인 방류수 기준을 만족시키는 처리수와 높은 전력수율을 달성이 가능한 공정기술 및 설계의 최적화를 위한 기술력 또한 최고 수준에 있는 것으로 자체 평가하고 있다. 특히, 실용화를 위해 규모확대가 가능한 MFC 공정을 개발한 것은 세계최초이며, 확보한 산화전극과 환원전극 제조 기술은 순수국산 기술개발이며, 공정 및 제품수출이 가능함과 동시에 기술인력지원 및 기술수출이 가능하다.
적용분야
미생물연료전지는 유기물을 원료로 이용하기 때문에 본 기술의 주요 적용분야는 유기성 하폐수의 처리 및 바이오 신
재생에너지 개발분야이다.

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• <기술개발사업 주요 연구성과> ... 21
• 목차 ... 36
• 그림목차 ... 39
• 표차례 ... 46
• 제 1 장 서론 ... 49
• 1절 연구개발의 필요성 ... 49
• 1. 개발 대상 기술·제품의 개요 ... 49
• 2. 미생물연료전지를 이용한 하폐수처리 및 전력생산 ... 51
• 2절 기술개발의 목표 및 내용 ... 53
• 1. 최종목표 ... 53
• 2. 연차별 개발목표 및 내용 ... 54
• 제 2 장 연구개발방법 및 결과 ... 59
• 1절 전극 및 집전체 개발 ... 59
• 1. 고효율 산화전극 개발 ... 59
• 1.1 흑연섬유직물(Graphite fiber fabric : GFF) ... 59
• 1.2 하이드로젤 및 다중벽 탄소나노튜브를 이용한 산화전극의 표면개질 ... 63
• 1.3 탄소기반 산화전극 재료에 따른 미생물연료전지의 성능비교 ... 84
• 1.4 Nafion 용액과 에폭시를 결합제로 사용한 산화전극 연구 ... 96
• 1.5 PTFE를 결합제로 사용한 산화전극 연구 ... 105
• 1.6 팽창흑연 및 탄소나노튜브를 이용한 산화전극 개발 ... 109
• 2. 고성능 환원전극 개발 ... 120
• 2.1. 고전도성 RVC 전극소재 개발 ... 120
• 2.2 MWCNT와 스텐망을 이용한 환원전극 개발 ... 125
• 2.3 환원전극 재료의 질산처리 효과 ... 133
• 2.4 RVC 및 CNT 환원전극의 성능비교 ... 136
• 3. 집전체 연구 ... 140
• 2절 경제적인 촉매기술 ... 143
• 1. 산화전극 촉매 ... 143
• 1.1 메틸렌블루염색 스폰지 산화전극을 이용한 미생물 연료전지 ... 143
• 1.2 망상형 유리탄소 촉매 코팅 ... 151
• 1.3 망상형 유리탄소 복합 촉매 코팅 ... 157
• 2. 환원전극 촉매 ... 161
• 2.1 RVC 촉매(PANI, FePc) 코팅 ... 161
• 2.2 RVC 촉매(PANI, FePc/PANI, CuPc/PANI) 코팅 ... 164
• 2.3 산소환원 촉매의 고정화 방법에 따른 환원전극 성능 비교 ... 175
• 2.4 극초단파와 열수합성법을 이용한 공기호흡 환원전극의 촉매고정 ... 188
• 3절 미생물연료전지 공정기술 연구 ... 200
• 1. 수평흐름 공기환원전극 미생물연료전지 ... 200
• 2. 수리학적 체류시간에 따른 미생물 연료전지 ... 205
• 3. 수리학적 체류시간 및 반송비에 따른 미생물 연료전지의 연속운전 ... 208
• 4. 수평흐름을 가진 표면부유 공기환원전극 미생물연료전지의 반송률 영향 ... 212
• 5. 반송비에 따른 미생물 연료전지 ... 215
• 6. 수평흐름을 가진 표면부유 공기환원전극 미생물연료전지 적층 ... 218
• 7. 미생물연료전지 성능에 미치는 유량 및 전극 면적비의 영향 ... 221
• 8. 표면부유 공기환원전극 미생물 연료전지의 실폐수 적용성 평가 ... 234
• 9. 수평흐름 표면부유 공기환원전극 미생물 연료전지의 유체 흐름 ... 237
• 10. 이실형 반응기를 이용한 영향인자 연구 ... 244
• 11. 공기환원전극의 촉매에 따른 COD 제거 및 쿨롱효율 ... 256
• 12. 회분식 큐브형 미생물연료전지를 이용한 운전변수 연구 ... 261
• 13. 상단개방형 수직구조체 미생물연료전지의 운전변수에 따른 성능 ... 278
• 14. 공기환원전극 수위변동형 미생물연료전지 성능평가 ... 287
• 15. 공기환원전극 수위변동형 미생물연료전지의 성능에 대한 소수성 환원 전극의 영향 ... 291
• 16. 공기환원전극 수위변동형 미생물연료전지의 환원전극 면적 영향 ... 295
• 17. K-BEC 공기환원전극 미생물연료전지의 좌,우 분리막 영향 ... 299
• 18. 질소 제거 ... 302
• 19. 저강도 유기물 처리를 위한 생물전기화학전지 ... 305
• 4절 미생물연료전지의 실용화를 위한 규모확대 연구 ... 311
• 1. 미생물연료전지의 규모확대를 위한 연구 ... 311
• 1.1 (수평흐름을 가진) 표면부유 공기환원전극 미생물연료전지 ... 311
• 1.2 상단개방형 수직전극구조체 미생물연료전지 ... 320
• 1.3 양단 개방형 수직전극구조체 미생물연료전지 ... 328
• 1.4 모듈형 공기환원전극 미생물연료전지 ... 334
• 2. 실용화 가능한 미생물연료전지 파일럿 ... 338
• 2.1 K-BEC 형 미생물연료전지 ... 338
• 제 3 장 연구개발목표 달성도 ... 351
• 1절 최종연구개발 목표의 달성도 ... 351
• 참고문헌 ... 352
• 최종보고서 요약서 ... 362