폐수처리를 위한 미생물연료전지 시스템으로부터 수소 및 전기 생산

Abstract

폐수처리를 위한 미생물연료전지 시스템으로부터 수소 및 전기 생산

Hydrogen and electricity production from MFC (microbial fuel cell) system for wastewater treatment

토목환경공학과 채경진

지도교수 송영채

미생물연료전지는 미생물 연료전지 (Microbial Fuel Cell)는 유기물에 저장된 생화학적 에너지를 전기화학적으로 활성을 가진 미생물을 이용하여 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 미생물이 이용할 수 있는 전자 공여체를 연료로 사용하며 연료를 산화시킬 때 발생하는 전자를 전자전달계로부터 미생물 외부의 전극으로 전달하여 전기를 생산한다. 본 논문에서는 식종미생물이 수소 및 전기 생산에 미치는 영향, 외부저항에 따른 전기 생산 특성을 알아보았고 연속식 미생물연료전지를 이용한 폐수처리효율에 대한 연구를 수행하였다.

식종 미생물에 대한 전기 및 수소생산 효율을 알아보기 위하여 혐기성소화슬러지(AnS), 열처리한 혐기성 소화슬러지(HT-AnS), 활성슬러지(AS)를 각각 식종하였다. 쿨롱효율 (coulomb efficiency)은 음극반응조에서 제거되는 유기물질이 전기로 전환되는 효율이다. 쿨롱 효율은 AS-MFC가 13.1%, AnS-MFC 46.6%, HT-AnS-MFC 쿨롱효율은 56.7%로 HT-AnS-MFC가 가장 높게 나타났다. 집적된 수소 생산량은 Modified Gompertz식을 이용하여 계산하였다. AS-MFC는 Glucose 1mol당 0.87mol의 수소가 생산되었다. HT-AnS-MFC는 glucose 1mol당 3.5mol의 수소가 생성되었다. 혐기성 발효의 이론적인 수소생산량은 아세트산 2mol과 glucose 1 mol당 수소 4mol인데 반해 AnS-MFC의 경우 glucose 1mol당 4.09mol의 수소가 생산되었다.

5-803 Ω 범위의 외부저항을 가진 5기의 회분식 미생물연료전지 시스템을 이용하여 전력생산 성능에 미치는 외부저항의 영향을 평가하였다. 전압은 운전시작 후 변동 폭이 컸으나, 시간이 경과함에 따라 전체적으로 외부저항의 크기에 비례하는 경향을 보였다. 전류는 대조군(5Ω)을 제외한 모든 시스템에서 운전시간이 지남에 따라 점차 증가하였으며, 운전 50-80여 시간 사이에 최대값을 보였다. 전력생산량은 전압과 달리 412 Ω > 803 Ω > 107 Ω >5 Ω의 순으로 나타났다.

양이온 교환막과 매개체를 사용하지 않고 폐수를 처리하기 위해 연속식 미생물연료전지에 대한 연구를 수행하였다. 초기 전압은 0.02V를 나타내었지만, 미생물이 적응기간을 거친 후 25일이 경과하였을 때 전압이 급격히 증가하였고, 전류는 최고 6mA까지 급격히 증가하였다. 시간이 흐를수록 환경에 적응된 미생물들은 전극의 표면에 부착되어 생물막을 형성하였고 따라서 전압과 전류 발생량도 증가하였다. COD 제거효율은 최고 95%, 평균 78%로 높게 나타났다.

회분식 미생물연료전지 시스템으로부터의 전기 생산은 식종된 미생물의 종류, 내부저항에 영향을 받았으며, 미생물연료전지의 음극반응조에서 미생물이 유기물질을 분해하면서 생성된 전자의 이동과 기질의 완벽한 분해 그리고 미생물의 활동도가 높을수록 수소생산 수율 역시 높게 나타났다. 다양한 외부저항을 설치한 미생물연료전지 시스템의 전압은 운전시간이 경과함에 따라 전체적으로 외부저항의 크기에 비례하는 경향이 나타났다. 이 결과는 미생물연료전지의 전력수율에 외부저항이 중요한 영향인자임을 의미한다. 연속식 미생물연료전지는 매개체와 양이온교환막이 없이도 전기를 생산할 수 있다는 것을 증명하였다. COD 제거효율이 최고 90%이상으로 다양한 유기물을 분해할 수 있으며, 폐수처리에 적용 할 수 있는 가능성을 보여주었다.