초록 ▼

□ 연구개요
반도체산업을 중심으로 광범위하게 발생되는 아민계 유기질소 폐수를 대상으로, 양극에서는 유기물이 가진 엔탈피를 최대로 활용하여 적극적으로 에너지를 회수하고, 음극부의 기능을 세분화/다기능화 시켜 질소의 회수 및 경제적인 제거와 유기염소계폐수의 환원처리가 가능한 다기능 음극(multifunctional cathode)을 가진 MFC를 개발하는 것이 본 연구의 핵심목표이다. 또한 기존 미생물연료전지의 한계요소들을 근본적으로 개선하고 반응기의 효율성을 향상시키기 위해 미세전극, 저가형 촉매 개발 그리고 완충용액 없이 연속

□ 연구개요
반도체산업을 중심으로 광범위하게 발생되는 아민계 유기질소 폐수를 대상으로, 양극에서는 유기물이 가진 엔탈피를 최대로 활용하여 적극적으로 에너지를 회수하고, 음극부의 기능을 세분화/다기능화 시켜 질소의 회수 및 경제적인 제거와 유기염소계폐수의 환원처리가 가능한 다기능 음극(multifunctional cathode)을 가진 MFC를 개발하는 것이 본 연구의 핵심목표이다. 또한 기존 미생물연료전지의 한계요소들을 근본적으로 개선하고 반응기의 효율성을 향상시키기 위해 미세전극, 저가형 촉매 개발 그리고 완충용액 없이 연속식 처리의 관한 연구도 수행한다. 최종적으로 유기질소 제거를 통한 폐수 내 유기물 90% 제거, 단위 셀 전력밀도 500 mW/m² 이상, 폐수내 질소의 90% 제거 및 60% 회수, 탈염소화율 95 % 달성을 정량 목표로 하며, 인공 폐수를 이용한 기초 실험부터 실 폐수를 이용한 질소회수 극대화, lab-scale 규모에서의 최적 운전 및 설계인자를 도출하는 연구에 이르기까지를 단계적으로 수행 할 것이다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1차년도의 연구의 핵심은 먼저 single air-cathode 셀에서 아민계 유기폐수의 분해 기작을 확인하고, 휘발되는 암모니아 형태의 질소를 회수하여 동시 전력발생과 질소회수를 유도하는 것이다. 이를 위하여 N/C비에 따른 암모니아 회수율의 연구가 필수적이며, 회수된 암모니아성 질소의 비료 등으로 재이용 연구도 진행할 것이다. 2차년도 연구에서는 낮은 N/C비의 폐수를 대상으로, MFC 암모니아 제거능을 확보하는 연구를 중점적으로 수행하며, 이를 위해 공기투과막이 적용된 SNdN MFC 시스템을 개발하고, DO 농도, pH, N/C비, 전력발생량, layer 도포수 등 주요 인자로 최적화하며 미생물 군집 분석을 통해 관여 미생물을 규명 할 것이다. 3차년도에는 MFC 환원전극부의 기능을 심화시켜 TCE 탈염소화를 가능케 하고, 최종 산물인 에틸렌을 산화전극부로 순환시켜 미생물 기질로 이용하여 중성 pH 유지 가능성을 연구할 것이다. 결론적으로, 환원전극부를 집중·연구하여 폐수 성상과 목적에 따라 다기능화 할 것이며, 추가적인 부가물질을 얻는 등 폐수가 가지고 있는 에너지를 적극적으로 회수하기 위한 연구를 할 것이다.
또한 모든 셀의 원동력인 산화전극부에서 전기화학활성미생물의 효율적인 퍼포먼스를 개선하기 위해 미생물의 부착률을 증가시킬 수 있는 미세전극(brush 형태)을 적용하여 효율적인 전자 전달 할 수 있는 방법을 연구할 것이다. 현재 전력발생의 극대화를 위하여 백금 촉매가 널리 사용되고 있지만, 이는 경제적인 측면에서 매우 고가라는 치명적 단점을 갖고 있다. 니켈은, 촉매로서는 다소 미흡하지만 내구성이 좋고, 철/코발트/몰리브덴 등의 물질은 수소발생 과전압이 낮고 전기화학적 물성이 좋기 때문에, 이들 물질을 우선적으로 적용하여 경제성 있는 대체 촉매를 제작하여 개발한다. 전기화학미생물(exoelectrogen)은 pH에 매우 민감하기 때문에, pH 유지 및 용액 전도도향상의 목적으로 phosphate buffer solution(PBS)을 지속적으로 주입하는데, 이는 경제적 타당성이 떨어지고 추가적인 제거가 필요한 단점이 있다. 따라서 PBS 없이 운전 가능한 시스템을 구축하기 위해 ①대체 buffer 로 NaOH 적용을 통한 연속식 운전 ②산성 조건에서 전기화학적 활성 미생물의 선별/배양으로 acidic exoelectrogen 운전 시스템을 개발한다. 최종적으로 실제 폐수 성상에 따른 엔탈피를 최대 활용하여 전력 회수만의 목적을 탈피한 기능성 음극을 개발하고, 처리대상 실제 폐수성상 별 환원전극 조합공정의 적합성 확인과 동시에 산화전극부에서 셀 한계를 극복할 실용적 원천기술 개발을 통한 연속식 운전을 실현한다.

□ 연구개발결과의 중요성
아민계 물질을 포함한 유기질소폐수의 고도처리와 동시에 암모니아를 회수 및 재이용하여 비료와 같은 부가가치물질로 전환시키면서 수소를 발생시키는 기술은 국내외를 통틀어 시도된 바가 없으므로, 원천기술 확보를 통하여 특정 폐수처리시설의 경제성 및 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 핵심기술이 될 것으로 기대한다. 또한 본 연구를 통하여 정체기에 접어든 MFC 분야의 한계점들을 극복하고, MFC의 세부 요소기술을 포함한 전체 시스템의 수준을 한 단계 끌어올림과 동시에, 부가적으로 발생하는 전기에너지를 이용하여 공정 내에서 소비되는 에너지를 자체적으로 일부 해결함으로써 에너지 소비형인 기존의 고비용·저효율 폐수처리 패러다임을 뒤엎는 고도처리공정의 대안이 될 것으로 확신한다. 상용화 및 기술이전을 준비하는 과정에서 비료 형태의 부산물을 이용하는 후속 공정의 연구도 수행될 수 있으며, 이를 통한 연구인력 고용창출 효과도 기대된다.

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 3
• 목차 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 가. 연구의 목표 및 내용 ... 7
• 나. 연구의 추진전략 및 방법 ... 10
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 10
• 가. 질소 폐수 처리를 위한 air-cathode 미생물 연료 전지의 암모니아 휘발 메커니즘 분석 ... 10
• 나. bio-electrochemical system 에서 질소 폐수의 암모니아 회수 및 에너지 생산 ... 15
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 19
• 4. 참고문헌 ... 20
• 5. 연구성과 ... 20
• 대표적 연구실적 ... 21
• 끝페이지 ... 23