KR101282763B1 - 생물학적 전기화학 전지를 이용한 해수 담수화 및 과산화수소 제조 방법 - Google Patents

생물학적 전기화학 전지를 이용한 해수 담수화 및 과산화수소 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생물학적 전기화학 전지를 이용한 과산화수소 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 구현예에 따른 생물학적 전기화학 전지를 이용하면 과산화 수소 제조뿐만 아니라 이와 함께 탈염을 통해 해수 담수화도 동시에 달성할 수 있다.

Description

생물학적 전기화학 전지를 이용한 해수 담수화 및 과산화수소 제조 방법{A process of desalination and preparing hydrogen peroxide by using microbial electrochemical cell}
본 발명은 생물학적 전기화학 전지를 이용한 해수 담수화 및 과산화수소 제조 방법에 관한 것이다.
과산화수소는 강한 산화력을 가지고 있으며 분해물이 무해하여 분석시약의 산화제, 소독제, 화학적 분해, 펄프 및 제지 공정, 직물의 표백제, 비닐중합의 촉매와 수처리 등에 그 응용분야가 다양하다. 과산화바륨과 염산의 반응으로 1818년에 처음 제조되었으며 안트라퀴논을 수소로 환원시켜 대량으로 합성이 가능하다.
다만, 기존의 기술은 과산화수소 생산의 열역학적 한계로 높은 외부 기전력이 필요한 에너지 집약적 방법이다. 현재까지 보고된 과산화수소의 생산방법과 본 발명과 유사한 생산방법의 한계점은, 첫째 과산화수소 전체 공급량의 90% 이상이 안트라퀴논 공정으로 생산되나 산화-환원, 증류, 분리, 정제 등의 여러 공정을 거쳐야하기 때문에 전체적으로 많은 에너지와 처리 비용이 필요하다는 점이다.
둘째, 일반적으로 과산화수소 제조를 위한 전기화학적 방법은 안트라퀴논 공정에 비해 더 높은 순도, 더 적은 분리 과정, 높은 안전성 등의 장점이 있지만 반응을 위해 필요한 외부에너지가 높다는 단점(1.7-2.0 V)이 있다.
예를 들어 물 분해로부터 생산되는 과산화수소의 경우 아래와 같은 반응식을 따른다[Ando and Tanaka (2004) International Journal of Hydrogen Energy].
애노드: 2H2O → HOOH + 2H+ + 2e- : E0'= -1.776 V (vs. NHE)
캐소드: 2e- + 2H+ → H2 : E0'= 0 V (vs. NHE)
따라서 이론적으로 약 1.776 V (0 V - (-1.776 V) = 1.776 V vs. NHE)가 필요하며 여러 가지 전압손실의 영향에 의해 약 2.0 V의 높은 전압이 필요하다. 뿐만 아니라, 추가로 기존의 해수담수화 과정 중 막 증류(생산수 기준 3.2 kWh/m3)과 RO 공정(생산수 기준 4.5 kWh/m3)를 이용하여 높은 에너지가 필요로 하는 한계가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고 동시에 부가적으로 해수담수화와 전기에너지를 생산하기 위한 생물학적 전기화학 전지를 이용한 과산화수소 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명이 제안하는 시스템은 크게 유기물 분해 가능한 전기화학적 활성 미생물을 이용하여 유기물로부터 수소 이온과 전자를 발생시키고 전자의 이동은 해수에서 음이온 교환막을 통하여 이동한 염소 이온의 영향으로 전자의 이동이 촉진되고 이어 캐소드 반응조에서 공급되는 산소와 외부 도선을 통하여 이동한 전자가 결합하는 일련의 과정을 통하여 과산화수소 생산, 담수화와 전기 생산을 동시에 이루기 위한 생물학적 전기화학 셀이다.
구체적으로, 캐소드에서 과산화수소 환원전위(0.28 V at pH 7) 극복을 위해 필요한 별도의 외부 기전력을 최소화하고, 유기물 분해를 통한 수소 이온(H+)과 전자(e-)생성 그리고 이온 농도 구배에 의한 이온 이동을 통한 해수의 담수화 과정이 가능하도록 구성된 생물학적 전기화학 셀이다.
즉 본 발명의 일 측면에 따르면, 생물학적 전기화학 전지를 이용한 과산화수소 제조방법으로서; 상기 생물학적 전기화학 전지는 (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (B) 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고; 상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고; 상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함하며; 상기 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질을 분리하고; 상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하며; 상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고; 상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며; 상기 전기화학적 활성 미생물은 혐기성 환경에서 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며; 상기 수소 이온은 상기 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법이 제공된다.
또한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 생물학적 전기화학 전지를 이용한 과산화수소 제조방법으로서; 상기 생물학적 전기화학 전지는 (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (A-3) 해수 유동실, (B-1) 제1 이온교환막, (B-2) 제2 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고; 상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고; 상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함하며; 상기 제1 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 해수 유동실을 분리하고, 상기 제2 이온교환막은 상기 해수 유동실과 상기 제2 전해질을 분리하며; 상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하고; 상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고; 상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며; 상기 전기화학적 활성 미생물은 혐기성 환경에서 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며; 상기 해수 유동실 내의 염소 음이온은 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 제1 전해질로 이동하고, 상기 해수 유동실 내의 나트륨 양이온은 상기 제2 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법이 제공된다.
또한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 생물학적 전기화학 전지를 이용한 과산화수소 제조방법으로서; 상기 생물학적 전기화학 전지는 (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (A-3) 해수 유동실, (A-4) 이온 저장조, (B-1) 제1 이온교환막, (B-2) 제2 이온교환막, (B-3) 제3 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고; 상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고; 상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함하며; 상기 제1 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 이온 저장조를 분리하고; 상기 제2 이온교환막은 상기 이온 저장조와 상기 해수 유동실을 분리하고; 상기 제3 이온교환막은 상기 해수 유동실과 상기 제2 전해질을 분리하며; 상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하고; 상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고; 상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며; 상기 전기화학적 활성 미생물은 혐기성 환경에서 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며; 상기 수소 이온은 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 이온 저장조로 이동하고; 상기 해수 유동실 내의 염소 음이온은 상기 제2 이온교환막을 통과하여 상기 이온 저장조로 이동하고며; 상기 해수 유동실 내의 나트륨 양이온은 상기 제3 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법이 제공된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 생물학적 전기화학셀을 이용한 과산화수소 생산 기술은 상기 기존의 기술의 문제해결이 가능하며 효과적이니 미래형 대체에너지 생산 및 부가적으로 유용한 화학물질 생산을 가능하게 한다.
보다 구체적인 발명의 효과는, 첫째 에너지 생산과 동시에 폐수 또는 폐바이오매스의 처리, 유용한 물질 생산과 해수담수화가 가능한 다목적 기술이라는 점이다. 즉, 본 제안 기술은 에너지 생산과 동시에 폐수 또는 폐바이오매스(유기물)의 처리가 가능한 다목적 융합 기술이다. 즉 단순히 기물에서 바이오에너지를 추출하는 것에 삶의 질적 향상을 위하여 반드시 처리해야만 하는 폐기물을 처리를 병행할 수 있다. 또한 유기물 제거와 담수화 반응을 이용하여 기존의 역삼투막 공정의 전처리 과정으로 추가하게 된다면 유기물 제거에 따른 역삼투막 오염문제 (Fouling)를 저하 효과를 기대할 수 있다.
또한 본 발명에 의해서, 과산화수소 생산에 소요되는 에너지의 획기적 절감을 얻을 수 있다. 즉, 기존의 기술에서 요구되는 외부 전압 2 V에 비해 약 50% 상 감소된 전압(0.5 V)만으로도 생산이 가능하다(0.014 mM).
뿐만 아니라, 태양 에너지로부터 자원 생성이 가능하다는 점을 들 수 있다. 즉, 본 발명에서 필요한 외부 전압은 실리콘 태양전지나 염료감응형 태양전지로도 안정적인 에너지 공급이 가능하여 자연에너지로부터 에너지, 화학물질 생산이 가능하다. 기존의 외부전압 인가는 화석연료 바탕의 전기에너지를 이용하였기 때문에 대기오염물질이 방출이 불가피하였지만 태양에너지를 이용함으로써 대기오염물질 배출 없이도 유용한 전기에너지, 화학물질, 폐기물 처리가 가능하다.
나아가서, 해수담수화에 요구되는 고에너지 사용이 필요하지 않게 된다. 즉, 이온교환막의 고유한 특성을 이용하여 해수 내의 이온을 분리해냄으로써 담수 생산(76.9 %의 담수화 효율)뿐만 아니라 기존의 고에너지 집약형 담수화기술에 비해 담수화를 위한 에너지 사용이 불필요하다.
마지막으로, 효과적인 분산발전 시스템의 구축이 가능하게 된다. 즉, 미래 에너지 수요는 수요처의 지리적 현황 및 특색에 따라 에너지를 생산 할 수 있는 방안이 다양화될 것이다. 예를 들어, 낙도의 분산 발전 시스템으로 제공하고 부가적인 화학물질 생산에 따른 경제적 이득을 얻을 수 있을 것이다.
도 1과 도 2a, 2b는 본 발명의 일 구현예에 따른 생물학적 전기화학 전지를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라서 전극별 과산화수소 생산량 측정하여 이를 나타낸 것인데, 그라파이트와 카본펠트와 같은 카본 계열의 전극을 사용한 경우가 백금 촉매전극보다 약 72.1 % 증가한 생산량을 나타냄을 확인하였다. 백금 촉매와 카본 계열 전극의 가격차를 고려할 때 이에 따른 경제적 효과는 매우 클 것으로 예측할 수 있다(백금 촉매: 약 7 천원/cm2, 카본 계열 전극: 약 15~20원/cm2).
도 4는 과산화수소 생산 과정에서 해수유동실에서의 탈염률을 보여준다. 종래에는 탈염을 위하여 고에너지 의존 기술인 증류법과 역삼투법을 이용해야 했던 반면, 본 발명의 일 구현예에 따르면 어떠한 에너지의 투입 없이도 이온교환막을 통하여 자발적으로 탈염이 이루어져 해수 담수화 효과를 달성할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 이온저장조가 포함된 반응조에서의 탈염률을 나타낸 것으로, 해수유동실에서 NaCl 농도를 달리하였을 때 각각의 탈염 효과를 비교한 것이다.
도 6은 이온저장조에서의 염소 이온 및 pH 변화량을 보여준다(NaCl 5 g/L일 때). 즉, 해수유동실에서 이온저장조로 이동한 염소이온과 감소한 pH를 통하여 음극 챔버(anode chamber)로부터 이동한 수소이온을 나타냄으로써 수용액 상태의 HCl의 생성을 확인할 수 있다. 일반적으로 염화수소 생산은 가스상태의 염소와 수소를 반응시켜 만들며 이것을 물에 녹여 수용액 상태로 만든 것을 염산이라고 하는데, 본 발명의 일 구현예에 따르면 종래 이와 같은 복잡한 과정 없이도 해수에서의 염소 이온과 음극에서 분해된 수소 이온을 이용하여 염화수소 수용액을 바로 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한 기존의 미생물 연료전지에서 음극 챔버의 pH 저하로 인한 효율 감소를 완화할 수 있다.
본 기술은 전자전달 플랫폼으로 미생물 연료전지 (microbial fuel cells) 기술을 이용하나 기존 장치와는 달리 캐소드 반응이 산소의 환원에 의해 물이 생성되는 것이 아니라 애노드 쪽의 혐기성 유기물 분해를 통해 발생하는 기전력에 의해 캐소드로 공급되는 전자를 이용하여 과산화수소를 생산하는 것이다. 아세트산이 유기원인 경우 각각의 반응은 다음과 같다.
애노드: CH3COOH + 2H2O → 2CO2 + 8H+ + 8e- : E0=-0.28 V (vs. NHE)
Middle desalination chamber: NaCl → H2O
캐소드: 8H+ + 4O2 + 8e- → 4H2O2 : E0=0.28 V (vs. NHE)
이 때 유기물의 혐기성 산화가 일어나는 애노드와 과산화수소 발생하는 반응이 열역학적으로 자발적인 반응 (0.28 V - (-0.28 V) = 0.56 V)이나, 생물학적 전기화학 셀 자체의 존재하는 내부저항에 의한 전압 손실과 반응의 활성화에너지의 영향으로 일정의 외부전압 공급 (여기서는 약 0.5 V)의 외부전압이 필요하다.
본 발명의 여러 구현예에 따른 생물 전기화학적 시스템에 있어서, 유기물을 혐기성 산화하여 발생된 전자를 전극으로 전달하는 역할을 하는 것은 미생물(특히, 박테리아)이다. 박테리아의 세포막은 절연체로 되어 있기 때문에, 이온의 통과는 가능하지만 전자가 직접적으로 통과할 수는 없다. 유기물의 산화는 미생물의 세포 내부에서 일어나기 때문에 일반적인 유기물 대사 경로에 의해서는 전자가 전극으로 전달될 수 없고, 따라서 유기물의 산화에서 발생되는 전자는 용존성 전자 전달체에 의해 전극으로 전달되거나 Shewanella 또는 Geobacter에 속하는 몇몇 균주들과 같이 세포 외부로 돌출된 도체 역할을 하는 구조를 가진 미생물에 의해 직접적으로 전극으로 전달된다.
이하 하기 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이므로, 하기 실시예들에 의해 본 발명의 범주가 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 당업자라면 본 발명의 기술적 사상과 정신의 범위 내에서 하기 실시예들의 다양한 변형, 수정 및 응용이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
즉 본 발명의 일 측면은, 생물학적 전기화학 전지를 이용한 과산화수소 제조방법에 관한 것이다.
이때 사용될 수 있는 상기 생물학적 전기화학 전지는, 도 1에 도식적으로 나타낸 것과 같이, (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (B) 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고; 상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고; 상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함한다.
상기 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질을 분리하고; 상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하며; 상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고; 상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며; 상기 전기화학적 활성 미생물은 혐기성 환경에서 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며; 상기 수소 이온은 상기 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하게 된다.
일 구현예에 따르면 상기 제1 전해질은 pH가 6.5-7.5인 버퍼 용액이고, 다른 구현예에 따르면 상기 제1 전해질은 질소 퍼징에 의해 혐기성 조건이 조성되며, 이 경우에 특히 미생물의 발전 능력 및 과산화수소 생성 효율이 증가할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 제2 전해질에는 순도 99%, 바람직하게는 99.5%, 이에 의해서 과산화수소 생성 효율이 증가할 수 있다. 특히 99.95% 이상의 경우에는 과산화생성 효율의 향상뿐만 아니라, 해수 유동실에서의 탈염 효과가 향상되고 새롭게 촉매 피독 방지의 효과를 보이는 것을 확인하였다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 전기화학 촉매층은 카본 계열의 전극이며, 이 경우 백금 촉매층을 사용하는 경우에 비하여 과산화수소 생성 효율이 크게 증가할 뿐만 아니라, 촉매 피독이 억제되어 장시간 운행한 후에도 과산화수소 생성 효율을 높게 유지함을 확인하였다. 특히, 상기 전기화학 촉매층으로 그래파이트를 사용하는 경우에는 과산화수소 생성 향상과 촉매 피독 억제 효과가 더욱 뛰어날 뿐만 아니라, 해수 유동실에서의 탈염 효과도 뛰어남을 확인하였다.
본 발명의 다른 측면은, 생물학적 전기화학 전지를 이용한 해수 탈염 및 과산화수소 제조 방법에 관한 것이다.
이때 사용될 수 있는 상기 생물학적 전기화학 전지는, 도 2a 및 2b에 도식적으로 나타낸 것과 같이, (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (A-3) 해수 유동실, (B-1) 제1 이온교환막, (B-2) 제2 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고; 상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고; 상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함한다.
상기 제1 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 해수 유동실을 분리하고, 상기 제2 이온교환막은 상기 해수 유동실과 상기 제2 전해질을 분리하며; 상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하고; 상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고; 상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며; 상기 전기화학적 활성 미생물은 혐기성 환경에서 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며; 상기 해수 유동실 내의 염소 음이온은 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 제1 전해질로 이동하고, 상기 해수 유동실 내의 나트륨 양이온은 상기 제2 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하게 된다.
일 구현예에 따르면 상기 제1 전해질은 pH가 6.5-7.5인 버퍼 용액이고, 다른 구현예에 따르면 상기 제1 전해질은 질소 퍼징에 의해 혐기성 조건이 조성되며, 이 경우에 특히 미생물의 발전 능력 및 과산화수소 생성 효율이 증가할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 제2 전해질에는 순도 99.95% 이상의 산소가 공급되며, 이에 의해서 과산화수소 생성 효율이 증가할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 전기화학 촉매층은 그래파이트이며, 이 경우에도 백금 촉매층을 사용하는 경우에 비하여 과산화수소 생성 효율이 크게 증가함을 확인하였다.
본 발명의 또 다른 측면은 생물학적 전기화학 전지를 이용한 해수 탈염 및 과산화수소 제조 방법에 관한 것이다.
이때 사용될 수 있는 상기 생물학적 전기화학 전지는 (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (A-3) 해수 유동실, (A-4) 이온 저장조, (B-1) 제1 이온교환막, (B-2) 제2 이온교환막, (B-3) 제3 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고; 상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고; 상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함하며; 상기 제1 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 이온 저장조를 분리하고; 상기 제2 이온교환막은 상기 이온 저장조와 상기 해수 유동실을 분리하고; 상기 제3 이온교환막은 상기 해수 유동실과 상기 제2 전해질을 분리하며; 상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하고; 상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고; 상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며; 상기 전기화학적 활성 미생물은 혐기성 환경에서 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며; 상기 수소 이온은 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 이온 저장조로 이동하고; 상기 해수 유동실 내의 염소 음이온은 상기 제2 이온교환막을 통과하여 상기 이온 저장조로 이동하고며; 상기 해수 유동실 내의 나트륨 양이온은 상기 제3 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법에 관한 것이다.
상기와 같이 해수 유동실과 제1 반응조 사이에 이온 저장조를 위치시키고, 전지가 작동됨에 따라서 이온 저장조의 탈이온수를 정기적으로 중성의 탈이온수로 교체해 줌으로써, 미생물에 의한 발전 성능이 크게 향상되고 과산화수소 생성 효율도 크게 증가할 뿐만 아니라, 미생물의 활성을 장시간 유지함으로써 전지의 정상 작동 시간을 연장하는 효과를 보임을 확인하였다.
일 구현예에 따르면 상기 제1 전해질은 pH가 6.5-7.5인 버퍼 용액이고, 다른 구현예에 따르면 상기 제1 전해질은 질소 퍼징에 의해 혐기성 조건이 조성되며, 이 경우에 특히 미생물의 발전 능력 및 과산화수소 생성 효율이 증가할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 제2 전해질에는 순도 99.95% 이상의 산소가 공급되며, 이에 의해서 과산화수소 생성 효율이 증가할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 전기화학 촉매층은 그래파이트이며, 이 경우에도 백금 촉매층을 사용하는 경우에 비하여 과산화수소 생성 효율이 크게 증가함을 확인하였다.
이 중에서 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 생물학적 전기화학 셀을 이용한 과산화수소 생산 시스템을 설명하는 도면이다. 애노드 전극에는 하수 처리장의 혐기성 소화 슬러지를 이용하여 전기화학적 활성 미생물을 접종하였고 유기물 (폐수, 글루코스를 포함한 당류까지 다양한 유기물 적용가능) 분해를 통하여 전자와 수소 이온 생산이 가능하도록 하였다. 또한 백금 촉매 코팅을 한 캐소드 전극을 통하여 과산화수소 생산을 도모하였다. 본 발명의 생물학적 전기화학 셀은 3개의 반응조를 연속으로 연결하였는데 애노드 반응조와 중간 담수화 반응조 사이에는 음이온 교환막(AMX)을 설치하여 해수 중 염소 이온의 이동이 가능하고, 중간 담수화 반응조와 캐소드 반응조 사이에는 반대로 양이온 교환막(Nafion117)을 설치하여 해수 중 나트륨 이온의 이동을 도모하여 해수의 담수화 과정을 외부 에너지 없이 가능하게 하였다.

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  11. 생물학적 전기화학 전지를 이용한 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법으로서;
    상기 생물학적 전기화학 전지는 (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (A-3) 해수 유동실, (A-4) 이온 저장조, (B-1) 제1 이온교환막, (B-2) 제2 이온교환막, (B-3) 제3 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고;
    상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고;
    상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함하며;
    상기 제1 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 이온 저장조를 분리하고;
    상기 제2 이온교환막은 상기 이온 저장조와 상기 해수 유동실을 분리하고;
    상기 제3 이온교환막은 상기 해수 유동실과 상기 제2 전해질을 분리하며;
    상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하고;
    상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고;
    상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며;
    상기 전기화학적 활성 미생물은 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며;
    상기 수소 이온은 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 이온 저장조로 이동하고;
    상기 해수 유동실 내의 염소 음이온은 상기 제2 이온교환막을 통과하여 상기 이온 저장조로 이동하고며;
    상기 해수 유동실 내의 나트륨 양이온은 상기 제3 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 전해질은 pH가 6.5-7.5인 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 전해질은 질소 퍼징에 의해 혐기성 조건이 조성되는 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 전해질에는 순도 99.95% 이상의 산소가 공급되는 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전기화학 촉매층은 그래파이트인 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.
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