KR101284554B1 - 직접 이온 전달 통로를 구비하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치 - Google Patents

직접 이온 전달 통로를 구비하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치 Download PDF

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양은태
최미진
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Abstract

본 발명은 미생물을 이용하여 수소 생산 및 담수화를 동시에 수행할 수 있는 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는, 산화 전극 챔버, 환원 전극 챔버 및 담수화 챔버를 포함하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치에 있어서, 상기 산화 전극 챔버와 상기 환원 전극 챔버의 인접면 중 적어도 일부분에 직접 이온 전달 통로를 구비하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수소 생산 및 미생물 담수화 장치는, 산화 전극 챔버와 환원 전극 챔버 간의 pH 불균형을 해소함으로써, 수소 생산 효율 및 생산 속도를 높이고, 장시간 작동에도 염 제거 효율이 저하되지 않는 효과를 갖는다.

Description

직접 이온 전달 통로를 구비하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치 {Microbial desalination cell having direct ion transfer pathway}
본 발명은 미생물을 이용하여 수소 생산 및 담수화를 동시에 수행할 수 있는 장치에 관한 것이다.
최근 화석연료의 고갈 및 이에 따른 환경오염 문제 등으로 인해서 수소 에너지가 많은 각광을 받고 있으며, 수소 가스의 생산을 위해서 다양한 시스템들이 개발되어 있다. 그 중에서도, 생물 전기화학적 시스템 (bioelectrochemical systems)은 유기성 폐수로부터 유용한 에너지를 생산할 수 있고, 미생물 연료전지 (microbial fuel cell; MFC), 미생물 전기분해 장치 (microbial electrolysis cell; MEC), 미생물 화학 장치 (microbial chemical cell; MCC) 등과 같은 다양한 적용이 가능하기 때문에 큰 주목을 받고 있다. 특히, 미생물 담수화 장치 (microbial desalination cell; MDC)는 생물 전기화학적 시스템의 일종으로서, 폐수로부터 수소를 생산해 내는 동시에 바닷물로부터 염을 제거할 수 있어 각광받는 미래 기술 중 하나이다.
도 1에는 통상적인 수소 생산 및 미생물 담수화 장치와 각 전극에서의 반응을 도시하였다. 도 1을 참조하면, 미생물 담수화 장치는 기존의 생물 전기화학적 시스템의 산화 전극 (애노드; Anode) 챔버와 환원 전극 (캐소드; Cathode) 챔버의 중간에 담수화 기능을 가진 챔버 (desalination chamber)가 추가된 형태로서, 총 3개의 챔버로 구성되어 있다. 산화 전극 챔버와 담수화 챔버의 사이에는 음이온 교환막 (Anion Exchange Membrane; AEM)이 설치되어 있고, 담수화 챔버와 환원 전극 챔버의 사이에는 양이온 교환막 (Cation Exchange Membrane; CEM)이 설치되어 있다. 산화 전극 챔버 내에서는 유입된 유기물이 산화 전극 표면에 분포하는 전기 활성 미생물에 의해서 산화되어 전자가 발생되고, 외부 도선을 통하여 환원 전극 챔버로 이동하여 환원 반응에 이용되는 동안, 담수화 챔버 내의 해수에 함유되어 있는 염소 이온 (Cl-)과 나트륨 이온 (Na+)이 시스템 전체의 전하 균형을 맞추기 위하여 각각 음이온 교환막과 양이온 교환막을 통과하여 산화 전극 챔버와 환원 전극 챔버로 이동하게 된다. 하기 반응식 1에는, 통상적인 수소 생산 및 미생물 담수화 장치에 있어서, 예를 들어 유입된 유기물이 아세트산인 경우, 애노드, 담수화 챔버 및 캐소드에서 발생되는 각각의 반응을 나타내었다.
<반응식 1>
애노드 (산화 전극): CH3COOH + 2H2O → 2CO2 + 8H+ + 8e- : E0= -0.28 V (vs. NHE)
담수화 챔버: H2O + Na+ + Cl- → H2O
캐소드 (환원 전극): 8H+ + 8e- → 4H2 : E0= -0.42 V (vs. NHE)
이러한 일련의 과정을 통하여 담수화와 수소 생산이 동시에 일어나게 된다. 이 때, 산화 전극 챔버에서의 유기물 분해반응과 환원 전극 챔버에서의 수소 생산 반응은 열역학적으로 비자발적인 반응 (Ecell = -0.42 V - (-0.28 V) = -0.14 V)이므로, 전체적인 반응이 일어나기 위해서는 외부로부터의 전기적인 힘 (power supply)이 필요하다.
물 전기분해를 이용하여 수소를 생산할 경우, 약 1.4V라는 높은 전압이 필요한데 반해서, 전술한 방식에 의해서 작동되는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치는 0.14V라는 낮은 외부 전압으로도 높은 순도의 수소를 생산해 낼 수 있고, 동시에 해수를 담수화할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 이러한 장점에도 불구하고, 수소 생산 및 미생물 담수화 장치는 중요한 단점을 갖는데, 이는 장치를 작동할수록 산화 전극 챔버와 환원 전극 챔버 간에 pH 불균형이 발생된다는 점이다. 구체적으로, 산화 전극 (애노드) 챔버에서 폐수 내 유기물이 미생물에 의해 분해되면서 전자와 수소 이온을 방출하게 되면, 이 생성된 전자는 외부 도선을 통하여 환원 전극 (캐소드) 챔버로 이동하여 수소 생산 반응에 이용되지만, 함께 생성된 수소 이온은 장치 중간에 놓인 담수화 챔버를 통과하지 못하고 산화 전극 챔버에 축적되므로 산화 전극의 전해질 용액의 pH는 감소하게 된다. 반면에, 환원 전극 챔버에서는 수소 생산 반응을 위한 수소 이온을 산화 전극으로부터 공급받지 못하고 환원 전극의 전해질 용액 내의 수소 이온이 수소 생산 반응에 이용되므로, 환원 전극 전해질 용액의 pH는 증가하게 된다. 이러한 산화 전극 챔버와 환원 전극 챔버의 pH 불균형 현상은 산화 전극의 전기활성 미생물에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 환원 전극 내의 수소이온 부족현상을 초래하여, 결과적으로는 시스템의 수소 생산 효율 및 생산 속도, 그리고 염 제거 효율의 저하를 초래하게 된다.
따라서, 본 발명은 전술한 종래기술에 따른 수소 생산 및 미생물 담수화 장치의 시스템적 문제점인 산화 전극 챔버와 환원 전극 챔버 간의 pH 불균형을 해소함으로써, 수소 생산 효율 및 생산 속도를 높이는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서,
산화 전극 챔버, 환원 전극 챔버 및 담수화 챔버를 포함하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치에 있어서, 상기 산화 전극 챔버와 상기 환원 전극 챔버의 인접면 중 적어도 일부분에 직접 이온 전달 통로를 구비하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 담수화 챔버는 상기 산화 전극 챔버와 상기 환원 전극 챔버의 사이에 형성되며, 상기 직접 이온 전달 통로는 상기 산화 전극 챔버와 상기 환원 전극 챔버의 인접면 중 일부분에만 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 직접 이온 전달 통로가 상기 산화 전극 챔버와 상기 환원 전극 챔버의 인접면 중 일부분에만 형성되는 경우, 상기 직접 이온 전달 통로가 상기 총 인접면 중 차지하는 면적 비율은 30 면적% 내지 50 면적%일 수 있다. (종속항 관련 내용이므로, "단, 이는 도 2와 3에만 해당된다"라는 내용은 기재하실 필요가 없습니다)
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 담수화 챔버는 상기 산화 전극 챔버의 일측면 및 상기 환원 전극 챔버의 일측면에 접하고, 상기 직접 이온 전달 통로는 상기 산화 전극 챔버와 상기 환원 전극 챔버의 인접면 전체면에 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 장치는 직육면체형 또는 원통형일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 직접 이온 전달 통로에는 한외여과막, 양이온 교환막 또는 음이온 교환막이 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 수소 생산 및 미생물 담수화 장치는, 산화 전극 챔버와 환원 전극 챔버 간의 pH 불균형을 해소함으로써, 수소 생산 효율 및 생산 속도를 높이고, 장시간 작동에도 염 제거 효율이 저하되지 않는 효과를 갖는다.
도 1은 통상적인 수소 생산 및 미생물 담수화 장치와 각 전극에서의 반응을 도시한 도면이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 구현예에 따른 장치의 구성 모식도 및 실제 제작된 장치 사진이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 구현예에 따른 장치의 구성 모식도 및 장치 내 반응도이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 다른 구현예에 따른 장치의 구성 모식도 및 장치 내 반응도이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 장치의 구성 모식도 및 장치 내 반응도이다.
도 6a 및 6b는 실시예 1 내지 3 및 비교예에 따른 장치에 있어서, 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 내부의 pH 변화들을 도시한 그래프이다.
도 7a 및 7b는 실시예 1 내지 3 및 비교예에 따른 장치 가동 중 생산되는 수소 생산 속도 및 수소 생산량을 도시한 그래프이다.
도 8은 실시예 1 내지 3 및 비교예에 따른 장치에 있어서, 2회 작업 사이클 이후 담수화 챔버로부터 제거된 염분의 백분율을 도시한 그래프이다.
도 9a 및 9b는 비교예에 따른 장치의 산화 전극 및 실시예 3에 따른 장치의 산화 전극을 장치 가동 후 관찰한 현미경 사진 및 살아 있는 세포의 백분율 및 죽어 있는 세포의 백분율을 도시한 그래프이다.
본 발명에서는 종래기술에 따른 수소 생산 및 미생물 담수화 장치의 시스템적 문제점인 산화 전극 챔버와 환원 전극 챔버 간의 pH 불균형을 해소함으로써, 수소 생산 효율 및 생산 속도를 높이고자 하였으며, 본 발명에 따른 장치는 산화 전극 챔버, 환원 전극 챔버 및 담수화 챔버를 포함하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치에 있어서, 상기 산화 전극 챔버와 상기 환원 전극 챔버의 인접면 중 적어도 일부분에 직접 이온 전달 통로를 구비한다.
도 2a 및 2b에는 본 발명의 일 구현예에 따른 장치의 구성 모식도 및 실제 제작된 장치 사진을 도시하였으며, 도 2a를 참조하면, 장치 왼편으로는 애노드 전극이 구비된 애노드 챔버가 배치되고, 장치 오른편으로는 캐소드 전극이 구비된 캐소드 챔버가 배치되어 있다. 예를 들어, 유입된 유기물이 아세트산인 경우 각각의 전극에서는 전술한 반응식 1의 반응에 의하여, 장치 중앙부에 위치한 담수화 챔버에서는 애노드 챔버 쪽으로 음이온 교환막을 통하여 Cl- 이온이 이동하게 되고, 캐소드 챔버 쪽으로 양이온 교환막을 통하여 Na+ 이온이 이동하게 된다. 상기 과정까지는 종래 통상적인 수소 생산 및 담수화 장치에서의 반응과 동일하나, 본 발명에서는 이러한 구성요소 이외에도 캐소드 챔버와 애노드 챔버의 인접면 중 적어도 일부분에 직접 이온 전달 통로를 구비하고 있다는 점에서 구성상 특징을 갖는다. 이러한 직접 이온 전달 통로는 pH의 직접적 조절을 위해서 H+ 이온 및 OH- 이온을 통과시키지만, 이외에도 Na+, Ca2 +, Mg2 +, NH4 + 및 Cl-와 같은 다양한 이온들을 통과시키기도 한다.
도 3a, 3b, 4a, 4b, 5a 및 5b에는 본 발명의 다양한 구현예에 따른 장치들의 구성 모식도 및 장치 내 반응도를 도시하였다. 도 3a 및 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 장치에 있어서 담수화 챔버는 산화 전극 챔버와 환원 전극 챔버의 사이에 형성될 수도 있는데, 이 경우 직접 이온 전달 통로는 산화 전극 챔버와 환원 전극 챔버의 인접면 중 일부분에만 형성될 수 있다. 이 경우, 직접 이온 전달 통로가 총 인접면 중 차지하는 면적 비율은 30 면적% 내지 50 면적%일 수 있는데, 면적 비율이 30% 미만인 경우에는 본 발명에서 도모하고자 하는 충분한 이온 전달 효과를 달성할 수 없다는 문제점이 있고, 50%를 초과하는 경우에는 상대적으로 담수화 챔버가 산화 전극 챔버 및 환원 전극 챔버와 접하는 면이 작아지므로 담수화가 원활하지 못하다는 문제점이 있다.
또한, 도 4a 및 4b를 참조하면, 담수화 챔버가 산화 전극 챔버의 일측면 및 환원 전극 챔버의 일측면에 접하고, 직접 이온 전달 통로는 상기 산화 전극 챔버와 상기 환원 전극 챔버의 인접면 전체면에 형성된 구조를 도시하고 있다.
한편, 도 3a, 3b, 4a 및 4b에 도시된 장치는 직육면체형의 장치이나, 본 발명에 따른 장치의 형태가 직육면체형에만 한정되는 것은 아니며, 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이 원통형일 수도 있다. 이러한 장치의 경우는, 원통의 중심부에는 담수화 챔버가 배치되고, 주변부 절반에는 애노드 챔버가, 주변부의 나머지 절반에는 캐소드 챔버가 배치될 것이며, 애노드 챔버 및 캐소드 챔버의 인접면에 직접 이온 전달 통로가 형성될 것이다. 이와 같은 원형 장치의 경우, 장치의 구조는 비교적 간단하지만, 장치의 실제 적용시에는 그 활용도 및 효율이 높다는 장점을 갖는다.
하기 실시예에서도 상세하게 서술된 바와 같이, 직접 이온 통로에 배치되어 애노드 챔버와 캐소드 챔버를 분리하는 막 성분으로는, 원활한 이온 전달 특성을 갖는 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니지만, 한외여과막 (ultrafiltration membrane), 양이온 교환막 (cation exchange membrane) 또는 음이온 교환막 (anion exchange membrane)이 배치될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예
수소 생산 및 미생물 담수화 장치의 제작
3개의 챔버를 갖는 직육면체형의 미생물 담수화 장치를 제작하였다. 장치는 애노드 챔버 (200 mL 부피), 캐소드 챔버 (200 mL 부피), 및 담수화 챔버 (50mL volume)를 포함하였다. 직접 이온 전달 통로를 형성하기 위해서, 담수화 챔버를 아크릴 바를 사용하여 2개의 구획으로 수평 분리하였다. 담수화 챔버의 상부 구획을 담수화의 용도로 사용하였으며, 하부 구획을 직접 이온 전달 통로로 사용하였다. 담수화 챔버의 상부 구획과 애노드 챔버가 접하는 면에는 음이온 교환막 (AMX, Neosepta, Japan)을 배치하였으며, 담수화 챔버의 상부 구획과 캐소드 챔버가 접하는 면에는 양이온 교환막 (Nafion 117, Dupont, USA)을 배치하였다. 담수화 챔버의 하부 구획, 즉 직접 이온 전달 통로의 중간에는 각각 3가지 종류의 다른 분리막을 배치하였는데, 구체적으로는, 한외여과막 (실시예 1) (UF, MWCO 1kDa, Millipore, USA), 음이온 교환막 (실시예 2) (AMX, Neosepta, Japan), 또는 양이온 교환막 (실시예 3) CEM (Nafion 117, Dupont, USA))을 배치하였다. 애노드 전극으로는 다공성 스테인레스 스틸 플레이트 상에 도전성 은 페이스트를 사용하여 카본 펠트 (25 cm2, 6 mm 두께, Morgan, UK)를 부착시킨 것을 사용하였으며, 캐소드 전극으로는 다공성 스테인레스 스틸 플레이트 (작업 면적 25 cm2) 코팅된 플라티늄 (0.5 mg/cm2)을 사용하였다. 캐소드 챔버의 헤드 스페이스는 30 mL로 유지되었다.
전해질
영양 미네랄 완충 용액 (nutrient mineral buffer solution; NMB, pH 7)을 애노드 전해질로 사용하였으며, 이는 6.0 g/L NaH2SO4, 530 mg/L NH4Cl, 200 mg/L MgCl2·H2O, 150 mg/L CaCl2, 2.5 mg/L CoCl2·6H2O, 0.05 mg/L NaMoO·2H2O, 20 mg/L FeCl2·4H2O, 0.25 mg/L NiCl2·4H2O, 0.5 mg/L MnCl2·4H2O, 0.25 mg/L Na2SeO4, 0.05 mg/L NaVO3·4H2O, 0.25 mg/L ZnCl2, 및 0.15 mg/L CuCl2를 포함하였다. 캐소드 전해질로는 인산 완충 용액 (PBS, 50 mM, pH 7)을 사용하였다. 담수화 대상이 되는 물로는 인공 해수를 사용하였으며, NaCl 농도는 각각 5, 20, 35 g/L였다.
작동 조건
애노드에는 대한민국 광주 수처리장의 혐기성 소화 슬러지 (20 % v/v)를 가해주었다. 장치를 작동하기 전에, 통상적인 미생물 연료전지 모드로 (600 Ω 저항값) 애노드를 6개월 동안 아세테이트에 순응시켰다. 장치 작동 실험을 수행하기 위해서, 장치를 연료전지 반응기 모드에서 미생물 담수화 장치 모드로 변환하였다. 애노드 챔버, 캐소드 챔버, 및 담수화 챔버는 각각 150 mL의 영양 미네랄 완충 용액, 165 mL의 인산 완충 용액 및 20 mL의 인공 해수로 채웠다. 순수 질소 가스를 15분 동안 흘려보내 애노드 및 캐소드 전해질 내의 용존산소 및 캐소드 챔버 내의 수소 포집 공간으로부터 산소를 제거하였다. 아세테이트를 단일 기질로 사용하였다. 전력 공급기 (N6700B, Agilent Technolgies, USA)를 사용하여 500 mV의 전압을 담수화 장치에 인가하였다. 애노드 포텐셜이 -10 mV에 도달하면 1회 작업 사이클이 완료된 것으로 간주하였다. 실험은 2 부분으로 나누어 수행하였는데, 첫 번째 부분에서는 통상적인 담수화 장치 모드 (비교예), 즉 직접 이온 전달 통로가 없는 모드로 수행되었다. 다음으로, 두 번째 부분에서는 본 발명에서와 같이 직접 이온 전달 통로를 구비한 모드 (실시예 1 내지 3)로 수행하였으며, 이때, 직접 이온 전달 통로에 다양한 분리막들 (한외여과막, 양이온 교환막 또는 음이온 교환막)을 배치하였다. 모든 실험들은 25℃의 항온실 내부에서 수행하였다.
분석 및 계산
애노드 및 캐소드의 포텐셜을 멀티미터 (2700 Data acquisition series, Keithley,USA)를 사용하여 각 챔버 내에 삽입된 Ag/AgCl 기준 전극 (Microelectrode Inc, USA)에 대해서 지속적으로 모니터링하였다. 실제 외부도선을 통하여 이동하는 전류를 측정하기 위하여 5 Ω의 외부 저항을 걸어주고 전압을 측정하였다. 각 작업 사이클의 개시 및 종료 시점에, 총 용해 고형분 (TDS) 및 pH를, TDS 미터 (EC-40N,iSTEK, Korea) 및 pH 미터기 (Orion 3 star, Thermo scientific, USA)를 사용하여 측정하였다.
기체 생산은 열 전도성 검출기 (TCD) 및 캐필러리 컬럼 (CP-Pora PLOT Q 27.5 m × 0.53 m, 20 ㎛)을 구비하고 한외 고순도 질소 기체 (99.999%)를 운반 가스로 사용하는 기체 크로마토그래피를 사용하여 분석하였다 (GC 2010, Shimadzu, Japan). 쿨롱 효율, 캐소드 변환 효율 및 수소 생산 속도를 종래 기술된 방법에 따라서 계산하였다 (Logan BE, Call D, Cheng S, Hamelers HVM, Sleutels THJA, Jeremiasse AW, et al. Microbial Electrolysis Cells for High Yield Hydrogen Gas Production from Organic Matter. Environ Sci Technol. 2008;42:8630-40).
평가
pH 차이
본 발명에 따른 미생물 담수화 장치 및 종래기술에 따른 미생물 담수화 장치를 작동시킨 이후에 pH 변화를 관찰하였다. 도 6a 및 6b에는 각 장치에 있어서, 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 내부의 pH 변화들을 도시하였다. 도 6a 및 6b를 참조하면, 직접 이온 전달 통로를 구비하지 않는 종래기술에 따른 미생물 담수화 장치에 있어서, 애노드 챔버와 캐소드 챔버 사이에서 가장 큰 pH 차이가 관찰되었다: 작업 사이클 종료 시점에서 관찰하였을 때, 애노드 챔버에서 6.57, 캐소드 챔버에서 7.32.
본 발명에 따른 장치 중, 실시예 2에 따른 장치의 경우, 작업 사이클 종료 시점에서 관찰하였을 때, 애노드 챔버에서 6.65, 캐소드 챔버에서 6.99의 pH 값이 관찰되었다. 또한, 실시예 1에 따른 장치의 경우, 애노드 챔버에서 6.63, 캐소드 챔버에서 7.14의 pH 값이 관찰되었으며, 실시예 3에 따른 장치의 경우, 애노드 챔버에서 6.59, 캐소드 챔버에서 7.14의 pH 값이 관찰되었다.
상기 결과들로부터, 본 발명에 따른 미생물 담수화 장치가 최대 54%까지 pH 차이값을 감소시킨다는 사실을 알 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 장치들에 있어서도 여전히 작업 사이클 종료 후 여전히 애노드 챔버와 캐소드 챔버 사이에서 약간의 pH 농도 차이를 나타내었는데, 이는 다른 이온들, 즉 Na+, Ca2 +, Mg2 +, NH4 + 및 Cl-와 같은 이온들의 농도가 전해질 중에서 수소 이온 및 수산화 이온의 농도에 비해서 훨씬 더 높기 때문이며, 결과적으로, 본 발명에 따른 장치에 있어서, 직접 이온 전달 통로를 통해서 수소 또는 수산화 이온 이외에 다른 이온들 역시 통과한 것으로 판단된다.
수소 생산
도 7a 및 7b에는 실시예 1 내지 3에 따른 미생물 담수화 장치 및 비교예에 따른 미생물 담수화 장치 가동 중 생산되는 수소 생산 속도 및 수소 생산량을 그래프로 도시하였다. 도 7b를 참조하면, 실시예 1에 따른 장치가 가장 많은 량의 수소를 발생시키며 (5.77 ± 0.54 mL), 비교예 1에 따른 장치의 수소 생산 속도 (3.93 ± 1.00 mL)는 실시예 2에 따른 장치와 유사함을 알 수 있다 (3.71 ± 0.90 mL). 또한, 도 7a를 참조하면, 실시예 1에 따른 장치의 수소 생산 속도가 가장 큰 값을 나타내었으며 (0.55 ± 0.14 mL/hr), 실시예 3에 따른 장치의 경우 (0.20 ± 0.08 mL/hr)는 비교예에 따른 장치 (0.25 ± 0.04 mL/hr)보다 약간 작은 값을 나타내었다.
하기 표 1에 도시된 바와 같이, 쿨롱 효율은 각각 78.15 % (비교예 1), 88.51 % (실시예 2), 84.67 ± 4.34 % (실시예 1), 및 88.65 % (실시예 3)였다. 직접 이온 전달 통로를 구비한 담수화 장치에서 기질로부터의 전자 회수는 종래의 미생물 전해 장치보다 상대적으로 높은 수준을 나타내었다 (Ajayi FF, Kim KY, Chae KJ, Choi MJ, Chang IS, Kim IS. Optimization studies of bio-hydrogen production in a coupled microbial electrolysis-dye sensitized solar cell system. Photochem Photobiol Sci. 2010;9:349-56; Lee HS, Torres CI, Parameswaran P, Rittmann BE. Fate of H2 in an upflow single-chamber microbial electrolysis cell using a metal-catalyst-free cathode. Environ Sci Technol. 2009;43:7971-6).
이러한 결과들은 실시예 1 내지 3에 따른 애노드 챔버 중의 미생물들의 활성이 비교예 1의 그것보다 덜 감소했다는 것을 보여주며, 이는 전자가 후자에 비해서 단일 작업 사이클 동안 애노드 챔버 중의 Cl- 및 pH 감소에 의해서 덜 영향을 받는다는 것을 의미한다.
직접 이온 전달 통로 쿨롱 효율 (%) 캐소드 변환 효율 (%) 총 수소 변환 효율 (%)
비교예 1 78.15 38.36 30.37
실시예 1 87.74 32.17 32.21
실시예 2 84.67 ± 4.34 35.82 ± 12.69 27.37
실시예 3 88.65 22.53 19.97
캐소드에서 수소 기체로서 회수된 전하량으로 정의되는 캐소드 변환효율은 비교예 1에서 38.86 %, 실시예 2에서 30.92 %, 실시예 1에서 35.82 ± 12.69 %, 및 실시예 3에서 22.53 %였다. 총 수소 변환 효율은 비교예 1에서 30.37 %, 실시예 2에서 27.37 %, 실시예 1에서 30.22 %, 및 실시예 3에서 19.97 %였다.
염분 제거
염분 제거 효율을 측정하기 위해서 TDS를 분석하였다. 도 8에 도시된 바와 같이, 47.4 % (비교예 1), 64.4 % (실시예 2), 69.4 % (실시예 1), 및 77.6 % (실시예 3)의 이온 종들이 2회의 작업 사이클에 걸쳐서 담수화 챔버로부터 제거되었다. 직접 이온 전달 통로를 구비하지 않은 종래의 담수화 장치에 있어서 가장 낮은 염분 제거 효율이 나타났는데, 이는 직접 이온 전달 통로를 구비하지 않은 종래기술에 따른 담수화 장치에서는 40 mL의 NaCl 용액이 사용된데 반하여, 직접 이온 전달 통로를 구비한 본 발명에 따른 담수화 장치에서는 20 mL NaCl 용액이 사용되었기 때문이다. 종래 미생물 담수화 장치에 대한 각종 연구에서 보고된 바에 따르면, 담수화 챔버로부터의 염분 제거는 생촉매, 물 삼투, 투석, 이온 전달 및 다른 알려지지 않은 요인들과, 생산된 전자들의 이동 때문인 것으로 알려져 있다 (Mehanna M, Kiely PD, Call DF, Logan BE. Microbial Electrodialysis Cell for Simultaneous Water Desalination and Hydrogen Gas Production. Environ Sci Technol. 2010; Jacobson KS, Drew DM, He Z. Use of a Liter-Scale Microbial Desalination Cell As a Platform to Study Bioelectrochemical Desalination with Salt Solution or Artificial Seawater. Environ Sci Technol. 2011). 직접 이온 전달 통로를 구비한 담수화 장치 역시, 담수화 챔버 중의 염수는 상기 열거된 인자들에 의해서 담수화되는 것으로 사료된다.
미생물 활성도
산화 전극에 표면에 존재하는 전기 활성 미생물의 활성도를 비교하였다. 미생물 활성도의 비교는 죽어있는 미생물 개체와 살아있는 미생물 개체의 세포막 염색과 이를 공초점 레이저 현미경을 이용하여 관찰함으로써 수행하였다. 도 9a는 비교예에 따른 장치의 산화 전극 및 실시예 3에 따른 장치의 산화 전극을 장치 가동 후 관찰한 현미경 사진이며, 도 9b는 살아 있는 세포의 백분율 및 죽어 있는 세포의 백분율을 그래프로 도시한 것이다. 도 9a 및 9b를 참조하면, 비교예에 따른 장치에서보다 실시예 3에 따른 장치에서 살아 있는 개체가 더 많이 관찰됨을 알 수 있으며, 이를 통하여 본 발명에서와 같이 직접 이온 전달 통로를 가진 미생물 담수화 장치의 미생물 활성도가 종래기술에 따른 미생물 담수화 장치의 그것보다 더 높다는 사실을 알 수 있다.
정리하면, 본 발명에 따른 직접 이온 전달 통로를 구비한 담수화 장치는 애노드 챔버와 캐소드 챔버 사이의 pH 차이를 줄여주는 효과가 있으며, 이로 인해서 종래기술에 따른 담수화 장치에 비해서 더 높은 수소 생산 효율을 나타낸다. 또한, 각기 다른 종류의 분리막을 직접 이온 전달 통로에 배치하는 경우 (실시예 1: 한외여과막; 실시예 2: 음이온 교환막; 실시예 3: 양이온 교환막), 실시예 2 > 실시예 1 > 실시예 3의 순으로 pH 차이 경감 효과가 나타났다. 그러나, 수소 생산 속도의 측면에서는 실시예 1 > 실시예 2 > 실시예 3의 순서를 보였으며, 염분 제거 효율 면에서는 실시예 3 > 실시예 1 > 실시예 2의 순서를 보였다. 최대 수소 생산 속도는 실시예 1에서의 0.55 mL/hr였고, 최대 염분 제거 효율은 실시예 3에서의 77.6 %였다.

Claims (6)

  1. 산화 전극 챔버, 환원 전극 챔버 및 담수화 챔버를 포함하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치에 있어서, 상기 산화 전극 챔버와 상기 환원 전극 챔버의 인접면 중 적어도 일부분에 직접 이온 전달 통로를 구비하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 담수화 챔버는 상기 산화 전극 챔버와 상기 환원 전극 챔버의 사이에 형성되며, 상기 직접 이온 전달 통로는 상기 산화 전극 챔버와 상기 환원 전극 챔버의 인접면 중 일부분에만 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 직접 이온 전달 통로가 상기 인접면의 총 면적 중 차지하는 면적 비율은 30 면적% 내지 50 면적%인 것을 특징으로 하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 담수화 챔버는 상기 산화 전극 챔버의 일측면 및 상기 환원 전극 챔버의 일측면에 접하고, 상기 직접 이온 전달 통로는 상기 산화 전극 챔버와 상기 환원 전극 챔버의 인접면 전체면에 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 장치는 직육면체형 또는 원통형인 것을 특징으로 하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 직접 이온 전달 통로에는 한외여과막, 양이온 교환막 또는 음이온 교환막이 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 및 미생물 담수화 장치.
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