KR101020788B1 - 박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지 - Google Patents

박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR101020788B1
KR101020788B1 KR20080084548A KR20080084548A KR101020788B1 KR 101020788 B1 KR101020788 B1 KR 101020788B1 KR 20080084548 A KR20080084548 A KR 20080084548A KR 20080084548 A KR20080084548 A KR 20080084548A KR 101020788 B1 KR101020788 B1 KR 101020788B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
anode
fuel cell
microbial fuel
cathode
layer
Prior art date
Application number
KR20080084548A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20100025831A (ko
Inventor
송영채
유규선
이송근
Original Assignee
전주대학교 산학협력단
한국해양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전주대학교 산학협력단, 한국해양대학교 산학협력단 filed Critical 전주대학교 산학협력단
Priority to KR20080084548A priority Critical patent/KR101020788B1/ko
Priority to PCT/KR2009/004737 priority patent/WO2010024577A2/ko
Publication of KR20100025831A publication Critical patent/KR20100025831A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101020788B1 publication Critical patent/KR101020788B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/005—Combined electrochemical biological processes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

본 발명은 수면부유양극 미생물연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 혐기부, 전극부 및 유출부로 이루어진 미생물연료전지에서 전극부가 음극반응조 하단에 수평으로 설치된 음극과 수면에 수평으로 부유한 양극 및 상기 음극과 양극이 이격되게 하는 분리층으로 구성되며, 상기 음극은 혐기성 상태에서 수평으로 얇게 흐르는 하수, 폐수 및 유기물 함유 액상물질 등에 침지되고, 상기 양극은 그 일측면이 공기층과 접하여 수면에서 수평방향으로 부유하며 다른 일측면은 수면에서 물층과 접하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 미생물연료전지는 하수, 폐수 등과 같은 유기물 함유 액상물질로부터 연속적으로 높은 수율의 전력을 얻을 수 있으며, 유기물의 안정화가 가능하게 하는 효과가 있다.
폐수, 유기물, 수평흐름, 수면부유양극, 미생물연료전지

Description

박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지{Surface floating cathode microbial fuel cell with horizontal thin film flow}
본 발명은 하수, 폐수 등과 같이 유기물을 함유한 액상물질을 안정화시키는 동시에 이로부터 연속적으로 높은 수율의 전력을 얻을 수 있도록 한 것으로, 혐기부, 혐기성상태에서 수평으로 얇게 흐르는 폐수 등에 침지된 음극, 수면에 부유한 양극, 상기 음극과 양극의 분리층 등으로 이루어진 전극부, 및 유출부를 포함하여 구성되는 박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지에 관한 것이다.
미생물연료전지는 유기물에 함유된 화학에너지를 미생물을 이용하여 전기에너지로 직접 전환하는 장치이다. 통상 미생물연료전지는 음극을 담지하고 있는 혐기성상태의 음극반응조와 산소 등의 전자수용체 또는 산화제를 담지하고 있는 양극 및 양극반응조, 양극과 음극 사이의 전해질 및 분리층, 음극과 양극을 연결한 외부회로, 회로에 연결된 부하로 구성된다.
통상 음극으로는 전기전도도가 좋고 산화되지 않는 흑연 등의 탄소물질을 사 용하고 있으며, 양극은 산화력을 개선하기 위하여 백금 등의 촉매가 담지된 흑연을 사용하거나, 촉매가 없는 흑연펠트 등에 미생물을 성장하도록 하고 미생물이 촉매역할을 하도록 하는 생물양극을 사용하는 방법도 보고되고 있다. 또한, 분리층에는 양극에서 음극으로의 산소확산을 최소화하고 음극에서 양극으로 양성자만 선택적으로 전달하기 위한 고가의 양성자 교환막을 사용하여 왔다.
미생물연료전지에서 통상 유기물을 함유한 폐수 등의 액상물질을 혐기성상태의 음극반응조로 주입하면 미생물이 유기물을 분해하여 전자와 양성자를 생산한다. 이때 음극반응조의 미생물은 대부분 전기화학적으로 활성을 가지고 있으며, 생산된 전자를 음극으로 전달한다. 음극에 전달된 전자는 음극에 접속된 회로를 통하여 양극으로 이동하며, 이 과정에 외부회로에 직결된 부하에서 전기에너지를 회수할 수 있다. 한편, 미생물에 의한 유기물 분해에 의해 생성된 양성자는 양극과 음극사이의 전해질 및 분리층을 통하여 양극으로 직접 이동하며, 양극에서 회로를 통하여 전달되어온 전자와 산소, 6시안화철 등의 전자수용체와 반응하여 물을 생성하여 반응이 완결된다.
폐수처리를 위한 미생물연료전지에서는 주입한 폐수가 전해질이 된다. 아래는 산소를 전자수용체로 사용하는 통상의 미생물연료전지에서 일어나는 반응의 예이다.
음극반응 : 유기물 --> 전자(e-) + 양성자(H+) + 이산화탄소(CO2)
양극반응 : 전자(e-) + 양성자(H+) + 산소(O2) --> 물(H2O)
통상 미생물연료전지의 성능은 i) 음극에서 미생물에 의한 유기물의 분해 및 전자와 양성자의 생성, ii) 음극으로 생성된 전자의 전달, iii) 전해질 및 양성자교환막을 통과하여 양극으로 전달되는 양성자의 이동, 그리고 iv) 양극에서의 양성자와 전자 그리고 산소의 반응에 의한 물생성 반응과 이러한 인자들에 직접영향을 미치는 미생물연료전지의 형상에 의해 결정된다.
따라서, 그동안 미생물연료전지의 성능을 향상시키기 위하여 성능에 미치는 상기 영향인자들에 대한 연구와 더불어 미생물연료전지의 형상설계에 대한 연구들이 진행되어 왔다.
과거에는 산소, 6시안화철 등의 전자수용체를 담지하고 있는 액상반응조를 사용하는 양극반응조에 대한 연구가 주로 많았으나, Liu 등(2004)은 양극을 공기에 직접 노출시키는 공기양극을 사용함으로서 미생물연료전지의 성능을 개선할 수 있다고 보고하였다. 공기양극을 사용하면 양극반응조를 생략할 수 있어 단위부피당 전력수율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. Jang 등(2004)은 음극에서 양극으로 양성자의 이송을 원활하게 하기 위하여 양성자교환막이 필요 없는 미생물 연료전지를 제안하였다. 또한, Cheng 등(2006)은 양성자 교환막을 사용하지 않는 미생물연료전지에서 음극과 양극 사이의 간격을 조절함으로서 음극으로 확산되는 산소를 최소화시키고 음극에서 양극으로 양성자의 이송을 원활하게 하여 미생물연료저지의 효율을 개선할 수 있다고 보고하였다.
그러나, 미생물연료전지의 효율은 양극과 음극 등 미생물연료전지를 구성하는 부분들의 재료를 개선함에 의하여 꾸준히 향상되고 있다.
바람직한 미생물연료전지의 형상은 전력생산 및 유기물안정화에 있어서 높은 성능을 연속적으로 장시간 유지할 수 있어야 할 뿐만 아니라 유지관리가 쉽고 규모를 확대하여 대규모 폐수처리 현장에 쉽게 적용할 수 있어야 한다.
미생물연료전지의 형상설계연구는 전통적으로 양극반응조와 음극반응조로 구성된 이중반응조(dual chamber) 미생물연료전지를 중심으로 회분식 실험에 의해 진행되어 왔으나 최근 공기양극에 대한 연구가 본격화되면서 음극반응조만 사용하는 단일반응조 미생물연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이것은 공기양극을 사용하는 단일반응조 미생물연료전지가 폐수의 연속주입 및 운전이 용이하며, 상기한 이중반응조 미생물연료전지에 비해 상대적으로 실용화하기 쉬운 특징을 가지기 때문이다.
한편, 그동안 주로 연구된 공기양극 단일반응조 미생물연료전지는 관상 또는 판상의 수직형으로서 내부가 전극재료로 채워진 구조를 음극을 사용하며, 공기에 노출된 관상 또는 판상의 수직벽면 구조를 양극으로 사용하는 형태였다(Cheng 등 2006; You 등, 2007). 상기의 경우 음극반응조 내의 폐수 등의 액상물질(전해질)의 정수압력이 양극에 그대로 전달되기 때문에 공기에 노출된 양극으로 액상물질이 스며 나오는 누수현상이 발생하였다. 또한, Kim 등(2007)은 양성자 이외의 양이온이 양극으로 확산되어 양극 표면에서 탄산염 등과 결합하여 결정을 형성하기 때문에 장시간 운전시 양극의 효율이 점차 감소하는 문제가 있음을 보고하였다. 따라서, 공기양극을 사용하는 수직형 단일반응조 미생물연료전지는 누수를 막기 위하여 양극표면을 방수처리하거나 양이온교환막을 양극에 접합하는 등의 방법을 사용하여 왔다(Cheng 등, 2006; Pham 등, 2005).
그러나, 상기한 수직형 공기양극 단일반응조 미생물연료전지에서는 누수현상 및 양극표면에 형성되는 결정으로 인한 양극의 효율저하를 근본적으로 해결할 수 없었으며, 장시간 운전하거나 수리, 청소 등을 위하여 해체하는 경우 어려움이 많았다. 또한, 기존에 연구되어온 공기양극 단일반응조 미생물연료전지의 다른 문제점은 양극으로부터 음극으로 확산되는 산소를 제어하기 어려워 전력수율 향상에 한계가 있다는 것이다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 본 발명에서는 미생물연료전지의 성능에 대한 각종 영향인자 및 재료에 대한 연구결과들을 쉽게 적용할 수 있도록, 유연하고, 수직형 공기양극 미생물연료전지의 공기양극에서 발생하는 누수현상이나 결정생성 등의 단점들을 개선하여 유지관리가 쉽고, 공기양극으로부터 음극으로 확산되는 산소를 제어하여 효율을 극대화할 수 있으며, 쉽게 규모를 확대하여 폐수처리 현장에서 사용할 수 있으므로, 효율적으로 유기물함유 액상물질을 연속식 및 반연속식으로 처리하는 동시에 높은 수율의 전력을 생산할 수 있는 미생물연료전지를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일례로서, 본 발명의 미생물연료전지는, 혐기성 상태로 유지되는 음극반응조와, 상기 음극반응조의 하단부에 수평방향으로 침지된 음극, 상기 음극의 상단에 형성되며 음극이 양극과 이격되도록 물층으로 형성된 분리층, 및 상기 분리층의 상단부에 형성되며 그 일측면이 공기층과 접하여 수면에 수평방향으로 부유상태를 이루는 양극을 포함하여 구성되는 전극부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 본 발명의 박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지(이하,“미생물연료전지”이라 함)를 도면에 의거하여 구체적으로 설명하고자 하는 바, 본 발명의 미생물연료전지(1)는 혐기부(10)와 전극부(20) 그리고 유출부(30)로 구성된다. 도 1 내지 3은 본 발명의 미생물연료전지의 종단면도이며, 각부의 명칭은 다음과 같다.
(10) 혐기부; (20) 전극부; (30) 유출부; (22) 음극; (23) 음극반응조; (21) 양극; (25) 미생물양극; (W) 분리층; (24) 분리판; (26) 분배기 및 그 외 웨어, 부하, 회로
혐기부(10)는 전극부(20)의 전단에 위치하여 전극부(20)로 유입되는 하수, 폐수 및 액상 폐기물 등의 용존산소와 산화물질을 저감시키는 역할을 수행하며, 유출부(30)는 전극부(20)의 후단에 위치하며 전극부(20)에서 유출되는 유출수가 배출되는 통로이다.
즉, 하수, 폐수 및 액상폐기물 등과 같이 유기물을 포함하고 있는 액상물질은 혐기부(10)로 유입되어 유입 폐수에 함유된 용존산소가 제거되며, 유기산 등의 단량체로 발효 된다. 혐기부(10)는 유입 폐수에 함유된 용존산소를 최대한 감소시킴을 목적으로 하며, 여재를 충진한 뒤 공기를 공급하지 않고 여재표면에 미생물이 성장하도록 하는 혐기성바이오필터(Anoxic biofilter)나 공기를 공급하지 않고 부유미생물을 성장시킴으로서 유입 폐수에 함유된 용존산소를 제거하는 생물학적 방법이 비용적인 측면에서 유리하다.
한편, 유입 폐수의 용존산소는 환원제를 사용하는 화학적방법이나 질소 등의 불활성기체를 불어넣는 물리적 탈기법이 사용될 수도 있다.
또한, 유기물을 함유한 액상물질의 온도가 섭씨 30도(℃) 이상이거나 용해성 유기물만 함유되어 있고, 용존산소의 농도가 2mg/L 이하로 낮을 경우 혐기부(10)를 생략할 수 있다. 그러나, 전극부 유입수에 질산이온(NO3 -), 황산이온(SO4 -2), 제2철(Fe+3) 등의 산화물이 함유된 경우 미생물연료전지의 성능을 저하시킬 우려가 있으므로 혐기성 상태로 운전되는 혐기부(10)에서 이들 물질을 제거하는 것이 유리하다. 혐기부(10)의 유출수는 수평으로 설치된 전극부(20)의 음극반응조(23) 입구에 설치된 분배기(26)를 통하여 음극반응조(23)로 균등하게 분배 유입된다.
전극부(20)는 얇은 판상의 음극(22)을 공기에 노출되지 않도록 밀폐된 전극부(20) 바닥에 수평으로 설치하여 혐기성상태의 유기물을 함유한 액상물질에 침지시킨 음극반응조(23)와 음극 상부에 양극(21)과 음극(22)이 일정거리로 이격되게 하는 분리층(W)을 포함하는데, 분리층(W)은 음극(22)에서 생성된 양성자가 양극(21)으로 전달되게하는 전해질로서 통상 물층을 구성한다. 분리층(W)의 위쪽 수면에는 양극(23)이 형성되는데, 양극(21)은 수면에 수평방향으로 부유하면서 그 일측면이 공기에 직접 노출되도록 구성된다. 음극반응조(23)의 입구에는 혐기부(10)의 유출수를 음극반응조(23)에 균등히 분배하기 위한 분배기(26)를 포함한다.
유출부(30)는 웨어 등과 같이 전극부(20)의 음극반응조(23)를 통과한 유출수를 균등히 배출하기 위한 구조로 구성된다.
본 발명에 따른 미생물연료전지의 음극(22)은 수 센티미터(cm) 이내의 얇은 막으로서 저항이 작고 산화에 강하여야하고, 넓은 비표면적을 제공할 수 있어야 한다. 바람직한 음극(22)의 두께는 0.01 내지 5 밀리미터(mm)이다. 이것은 유기물의 분해에 의해 생성된 전자전달이 효율적으로 이루어지도록 하기 위함이며, 바람직하게는 흑연펠트, 다공성탄소섬유 등 넓은 비표면적을 가진 흑연물질 또는 탄소물질 을 사용할 수 있다. 음극(22)의 재료로서 미생물에 의한 전자전달을 촉진하기 위하여 텅스텐 등의 촉매물질을 담지한 흑연 또는 기타 탄소물질을 사용할 수도 있다. 음극(22) 상부의 분리층(W)은 음극(22)과 양극(21)을 분리하여 단락을 방지하기 위한 것으로서 음극(22)으로부터 양극(21)으로 양성자의 전달을 가능한 방해하지 말아야 하며, 양극(21)에서 음극(22)으로의 산소 확산을 최소화할 수 있어야 한다.
상기 분리층(W)은 통상 물층으로 구성되며, 필요에 따라 분리판(24)을 추가적으로 삽입할 수 있다. 분리판(24)으로는 통상 사용되는 고가의 양이온교환막 외에 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐알콜 등의 고분자물질로 이루어진 부직포도 가능하다. 그러나, 음극(22)과 양극(21) 사이의 간격을 1 센티미터(cm) 이상으로 하는 경우 분리층(W) 내의 분리판(24)의 생략도 가능하다.
분리층(W) 상부의 수면에 설치되는 양극(21)은 음극에서 흑연직물, 흑연종이, 흑연 펠트, RVC 등과 같은 탄소물질을 사용할 수 있다. 이때 양극(21)의 일측면은 수면과 접하고 다른 면은 공기와 직접 접촉하도록 수평방향으로 부유하도록 설치한다. 이때 수면과 접하는 부분의 양극(21)의 표면에는 상기한 양극반응을 촉진하기 위하여 백금 등의 촉매를 담지하는 것이 바람직하며, 공기 등의 기체상과 직접 접한 면은 대기 중의 공기로부터 양극(21)에 공급되는 산소량을 조절하기 위한 테프론 또는 이와 유사한 기능을 가진 물질을 이용하여 만든 공기확산층을 둘 수 있다.
분리층(W) 상부에 설치하는 양극(21)으로서 백금을 담지하지 않은 다공성 탄 소물질을 사용하는 경우에는 양극을 습윤상태로 유지하도록 함이 바람직하다. 이 때 상기 양극의 물층과 접촉면에는 양극으로 사용하는 다공성 흑연 등의 탄소물질로 이루어진 전극이 습윤상태로 유지되며 미생물이 부착성장된 다공성 미생물양극막층이 부가되어, 양극(21)의 반응이 미생물에 의해 촉진되는 미생물양극(25)으로서의 기능을 수행하며, 양극으로부터 음극으로 확산되는 산소를 차단하는 효과도 있다. 바람직하게는 습윤상태로 유지하는 다공성 탄소재질의 미생물양극(25)과 백금을 담지한 양극(21)를 분리층 위에 차례로 동시에 설치하는 것이다.
한편, 음극(22)을 담지하고 있는 음극반응조(23)는 길이방향이 넓이방향 보다 긴 직사각형 모양을 가지게 함이 바람직하며, 폐수 등의 유기물을 함유한 액상물질이 박층의 음극반응조(23)를 통과하는 동안 흐름의 특성은 강한 압출류(plug flow mode) 성향을 가진다.
음극반응조(23)로 유입된 유입 액상물질이 얇은 박층으로 이루어진 음극반응조(23)를 수평으로 흐르는 동안 음극(22)에 부착된 미생물에 의해 분해되어 전자와 양성자가 생성된다. 전자는 저항 등의 부하가 직렬로 연결된 회로를 통하여 양극(21)으로 이동하며, 양성자는 분리층(W)을 거쳐 상부의 양극(21)으로 이동한다. 양극(21)에서는 전자와 양성자 그리고 공기 중으로 부터 확산된 산소가 반응하여 물을 형성한다. 이때 전력은 회로에 연결된 부하로부터 회수한다.
본 발명의 상기한 바와 같이 유입폐수에 함유된 용존산소를 제거하기 위한 혐기부(10)와 전극부(20)에 균일하게 유입 폐수를 공급하기 위한 분배기(26)를 통 과한 폐수가 박층의 음극반응조(23)와 음극(22), 그리고 분리층(W) 및 수면부유 공기양극(21)으로 구성된 전극부(20)의 음극반응조를 수평으로 통과하며, 웨어구조의 유출부(30)로 구성된 것을 특징으로 하는 미생물연료전지 시스템을 이용하여 유기물에 내재된 화학에너지로부터 전기를 생산하고 동시에 유기물 함유 액상물질을 안정화처리 하는 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 수면부유양극 미생물연료전지에 의해 처리 가능한 유기물 함유 액상물질의 유기물함량은 제한이 없으나, 유기물 함량이 화학적 산소요구량 기준으로 10,000 mg/L 이상으로 높을 경우 과대한 수소의 발생으로 전력수율이 감소할 우려가 있다. 이 경우 유출수 재순환과 같은 특별한 운전방법이 필요하다. 음극반응조(23)에 대한 유입 폐수의 수리학적 체류시간은 유입폐수에 함유된 유기물함량의 함수이며, 통상 0.1 시간 내지 48시간이다. 유입폐수의 화학적산소요구량이 약 150 mg/L 인 경우 바람직하게는 0.2 내지 6.0 시간이다.
본 발명에 의한 박층의 수평흐름을 가진 수면부유 공기양극 미생물연료전지는 큰 전력생산과 방류수 기준에 맞는 처리수의 수질을 달성하기 위하여 다수의 전지를 직렬 및 병렬로 연결하기 위하여 적층할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지 시스템을 이용하여 폐수를 처리하면 높은 유기물 처리효율과 높은 전력수율을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지 시스템은 장시간 전력수율의 감소 없이 연속 또는 반연속 운전이 가능하며, 운전하는 동안 누수 등의 문제가 발생하지 않고 유지관리가 용이하다. 또한, 본 발명에 의한 박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지는 다수를 적층하여 직렬 및 병렬로 연결함으로서 높은 수율의 전력과 방류수 기준에 맞는 처리수의 수질을 달성할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하고자 하나, 이들 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
본 발명에 실시예에서 사용한 박층의 수평흐름을 가진 수면부유 공기양극 미생물연료전지는 혐기부와 전극부 및 유출부로 구성하였다.
혐기부는 다공성 세라믹을 충진하여 생물여과상 형식으로 운전하였으며, 전극부는 폭 14cm, 길이 47cm 두께 0.5cm의 반응조로서 하단에 0.2cm 두께의 흑연펠트판을 설치하여 음극으로 사용하였으며, 수면에 백금이 코팅된 흑연헝겁을 설치하여 양극으로 사용하였다. 또한, 양극과 음극사이에는 분리판으로 키토산과 제올라이트 혼합물을 얇게 결합시킨 폴리프로필렌 부직포를 설치하였다. 이때 미생물연료전지에 혐기성슬러지를 식종하고 포도당을 이용하여 제조한 인공폐수를 수리학적 체류시간 1시간으로 연속주입하여 섭씨 20 내지 22 도(℃)의 실온에서 운전하였다. 인공폐수의 COD는 약 172mg/L였으며, 염도는 13% 그리고 pH는 7.81이었다.
본 발명에 의한 미생물연료전지에서의 COD제거율은 약 43.2% 이었으며, 최대전압과 전류는 0.287V 및 49mA이었으며, 음극의 단위표면적당 전력수율은 213mW/㎡2이었으며, 단위부피당 42.8W/㎥이었다.
실시예 2
상기 실시예 1에서와 동일한 규격을 가진 본 발명의 박층의 수평흐름을 가진 부유양극 미생물연료전지에서 분리막을 폴리프로필렌 부직포를 사용하였으며, 양극의 외부표면을 테프론으로 얇게 코팅하여 공기확산층을 형성한 뒤 실시예 1과 동일한 인공폐수로 동일한 조건에서 운전하였다. 이때 COD 제거율은 약 42.5%로서 실시예 1과 큰 차이가 없었으나 최대전압과 전류는 0.324V 및 64.5mA였으며, 음극의 단위표면적당 전력수율은 317.6mW/㎡이었으며, 단위부피당 63.5W/㎥로서 실시예 1에 비해 높은 전력수율을 보였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서와 동일한 규격을 가진 본 발명의 박층의 수평흐름을 가진 부유양극 미생물연료전지에서 분리판으로 폴리프로필렌 부직포를 사용하였으며, 약 2 밀리미터 두께(mm)의 흑연펠트를 분리층 상부에 설치하고 습윤상태로 유지하여 미생물양극으로 사용하였으며, 백금이 코팅된 탄소직물 양극의 백금코팅부분이 미생물양극과 접하고 다른 면은 대기와 접하도록 그 상부에 설치하였다. 준비된 미생물연료전지를 상기 실시예 1과 동일한 인공폐수로 동일한 조건에서 운전하였다. 이때 COD 제거율은 약 45%로서 실시예 1 내지 실시예 2 보다 약간 증가하였다. 최대전압과 전류는 0.36V 및 68mA였으며, 음극의 단위표면적당 전력수율은 372mW/㎡이었으며, 단위부피당 74.4W/㎥로서 실시예 1 내지 실시예 2에 비해 높은 전력수율을 보였다.
[참고문헌]
Liu, H. and B.E. Logan, "Electricity generation using an air-cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of a proton exchange membrane", Environ. Sci. Technol., 38(14), 4040-4046 (2004).
Jang, J. K., T. H. Pham, I. S. Chang, K. H. Kang, H. Moon, K. S. Cho and B. H. Kim, "Construction and operation of a novel mediator- and membrane-less microbial fuel cell", Process Biochem, 39, 1007-1012 (2004).
Cheng, S., H. Liu, B.E. Logan, "Increased Power Generation in a Continuous Flow MFC with Advective Flow through the Porous Anode and Reduced Electrode, Spacing", Environ. Sci. Technol. 40, 2426-2432 (2006).
Kim, B.H., I. S. Chang and G. M. Gadd, “Challenges in microbial fuel cell development and operation”, Appl. Microbiol. Biotechnol, 76, 485-494 (2007).
Pham, T. H. , J. K. Jang, H. Moon I. S. Chang, B. H. Kim, “Improved performance of a microbial fuel cell using a membrane-electrode assembly”, J. Microbiol. Biotechnol. 15, 438-441 (2005).
You, S., Q. Zhao, J. Zhang, J. Jiang, C. Wan, M. Du, and S. Zhao, “A graphite-granule membrane-less tubular air-cathode microbial fuel cell for power generation under continuously operational conditions (Short Communication)”, J. Power Sources, 173, 172-177 (2007).
도 1 내지 3은 본 발명의 수평흐름을 가진 표면부유양극 미생물연료전지의 종단면도이다.
[도면의 주요 부분의 명칭]
(10) 혐기부; (20) 전극부; (30) 유출부; (22) 음극; (23) 음극반응조; (21) 양극; (25) 미생물양극; (W) 분리층; (24) 분리판; (26) 분배기

Claims (7)

  1. 혐기성 상태로 유지되는 음극반응조와, 상기 음극반응조의 하단부에 수평방향으로 침지된 음극, 상기 음극의 상단에 형성되며 음극이 양극과 이격되도록 물층으로 형성된 분리층, 및 상기 분리층의 상단부에 형성되며 그 일측면이 공기층과 접하여 수면에 수평방향으로 부유상태를 이루는 양극을 포함하여 구성되는 전극부를 포함하여 이루어지며,
    상기 전극부로 유입되는 유입수는 음극반응조 내부에서 수평방향으로 흐르도록 조절된 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극부의 전단에 위치하여 전극부로 유입되는 하수, 폐수 및 액상 폐기물의 용존산소와 산화물질을 저감시키는 혐기부와, 전극부의 후단에 위치하며 전극부에서 유출되는 유출수가 배출되는 유출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극은 공기층과 접촉면에는 공기확산층이 형성되고, 물층과 접촉면은 촉매가 담지된 것임을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극의 물층과 접촉면에는 습윤상태로 유지되며 미생물이 부착성장된 다공성 미생물양극막층이 부가된 것임을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리층에는 양극과 음극의 층간에 양이온 교환막이 부가된 것임을 특징으로 하는 미생물연료전지
  6. 삭제
  7. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 따른 미생물연료전지를 이용하여 하수, 폐수 및 유기물질을 함유한 액상물질을 안정화시키고 전기를 생산하는 방법.
KR20080084548A 2008-08-28 2008-08-28 박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지 KR101020788B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20080084548A KR101020788B1 (ko) 2008-08-28 2008-08-28 박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지
PCT/KR2009/004737 WO2010024577A2 (ko) 2008-08-28 2009-08-25 박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20080084548A KR101020788B1 (ko) 2008-08-28 2008-08-28 박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100025831A KR20100025831A (ko) 2010-03-10
KR101020788B1 true KR101020788B1 (ko) 2011-03-09

Family

ID=41722101

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20080084548A KR101020788B1 (ko) 2008-08-28 2008-08-28 박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101020788B1 (ko)
WO (1) WO2010024577A2 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101314936B1 (ko) 2010-04-14 2013-10-04 한국해양대학교 산학협력단 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치
KR101444000B1 (ko) * 2012-12-07 2014-09-23 한국해양대학교 산학협력단 수위 변동형 공기환원전극 생물전기화학전지 및 그 운전 방법
KR20160067235A (ko) 2014-12-03 2016-06-14 한국수자원공사 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지
KR20160078052A (ko) 2014-12-24 2016-07-04 경희대학교 산학협력단 조류 환원전극을 구비한 미생물연료전지를 이용하는 폐수 처리 장치
KR20220096779A (ko) 2020-12-31 2022-07-07 단국대학교 산학협력단 투명 플렉시블 광합성 흐름 전지

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101378086B1 (ko) * 2011-06-15 2014-03-28 주식회사 한화건설 전기 화학적 방법을 이용한 하수의 혐기처리 방법 및 장치
CN106290527A (zh) * 2015-05-21 2017-01-04 北京化工大学 一种基于厌氧预处理与空气阴极mfc的水质毒性监测方法
DE102015011964A1 (de) * 2015-09-18 2017-03-23 MWK Bionik GmbH Biobrennstoffzelle und deren Kombination mit einer mikrobiellen Emissionssenke
CN105390716B (zh) * 2015-10-28 2019-01-25 同济大学 一种叠加式微生物燃料电池原位测试系统及其应用
KR101656657B1 (ko) * 2016-01-19 2016-09-12 한밭대학교 산학협력단 전기화학적 유기물 처리 장치

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4072798A (en) 1977-07-26 1978-02-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Interior Bioelectric neutralization of acid waters
KR20030088263A (ko) * 2002-05-14 2003-11-19 한국과학기술연구원 양이온 교환막이 없는 무매개체 미생물 연료전지
KR100657868B1 (ko) 2005-12-12 2006-12-15 건국대학교 산학협력단 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4072798A (en) 1977-07-26 1978-02-07 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Interior Bioelectric neutralization of acid waters
KR20030088263A (ko) * 2002-05-14 2003-11-19 한국과학기술연구원 양이온 교환막이 없는 무매개체 미생물 연료전지
KR100657868B1 (ko) 2005-12-12 2006-12-15 건국대학교 산학협력단 광합성 미생물과 침전물을 이용한 생물연료전지

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
논문: 한국폐기물학회 추계학술연구회 발표논문집(2007)*

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101314936B1 (ko) 2010-04-14 2013-10-04 한국해양대학교 산학협력단 회분식 수면공기양극 미생물연료전지 장치
KR101444000B1 (ko) * 2012-12-07 2014-09-23 한국해양대학교 산학협력단 수위 변동형 공기환원전극 생물전기화학전지 및 그 운전 방법
KR20160067235A (ko) 2014-12-03 2016-06-14 한국수자원공사 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지
KR20160078052A (ko) 2014-12-24 2016-07-04 경희대학교 산학협력단 조류 환원전극을 구비한 미생물연료전지를 이용하는 폐수 처리 장치
KR20220096779A (ko) 2020-12-31 2022-07-07 단국대학교 산학협력단 투명 플렉시블 광합성 흐름 전지
KR102509681B1 (ko) 2020-12-31 2023-03-14 단국대학교 산학협력단 투명 플렉시블 광합성 흐름 전지

Also Published As

Publication number Publication date
KR20100025831A (ko) 2010-03-10
WO2010024577A3 (ko) 2010-06-24
WO2010024577A2 (ko) 2010-03-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101020788B1 (ko) 박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지
US7491453B2 (en) Bio-electrochemically assisted microbial reactor that generates hydrogen gas and methods of generating hydrogen gas
Zhang et al. Effects of anolyte recirculation rates and catholytes on electricity generation in a litre-scale upflow microbial fuel cell
Liu et al. Integration of a microbial fuel cell with activated sludge process for energy‐saving wastewater treatment: Taking a sequencing batch reactor as an example
Jiang et al. Granular activated carbon single-chamber microbial fuel cells (GAC-SCMFCs): a design suitable for large-scale wastewater treatment processes
Wang et al. A microbial fuel cell–membrane bioreactor integrated system for cost-effective wastewater treatment
Ahn et al. A multi-electrode continuous flow microbial fuel cell with separator electrode assembly design
Jana et al. Performance comparison of up-flow microbial fuel cells fabricated using proton exchange membrane and earthen cylinder
Zhu et al. Electricity generation in a membrane-less microbial fuel cell with down-flow feeding onto the cathode
EP1742288A1 (en) Microbial fuel cells for oxidation of electron donors
Li et al. Voltage reversal causes bioanode corrosion in microbial fuel cell stacks
Yousefi et al. Effect of separator electrode assembly (SEA) design and mode of operation on the performance of continuous tubular microbial fuel cells (MFCs)
US20120003504A1 (en) Microbial fuel cell and membrane cassette for microbial fuel cells
Song et al. Surface floating, air cathode, microbial fuel cell with horizontal flow for continuous power production from wastewater
US8790833B2 (en) Floating-type microbial fuel cell
WO2010008836A2 (en) Bicarbonate and carbonate as hydroxide carriers in a biological fuel cell
US20180358627A1 (en) Gas diffusion electrode for microbial fuel cells and microbial fuel cell in which same is used
Bagchi et al. Evaluation of the effect of anolyte recirculation and anolyte pH on the performance of a microbial fuel cell employing ceramic separator
US20100112380A1 (en) Electricity Generation in Single-Chamber Granular Activated Carbon Microbial Fuel Cells Treating Wastewater
JP2011049068A (ja) バイオ燃料電池
KR101040185B1 (ko) 기능성 전극을 장착한 미생물 연료 전지 단위체 및 이를 이용한 미생물 연료 전지
KR101359777B1 (ko) 양단 개방형 수직전극구조체 및 이를 구비한 생물전기화학전지
KR20160067235A (ko) 분리막에 수직으로 설치된 공기환원전극을 구비한 미생물연료전지
JP7218648B2 (ja) 微生物発電方法及び装置
KR101444000B1 (ko) 수위 변동형 공기환원전극 생물전기화학전지 및 그 운전 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140106

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150211

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee