KR101368287B1 - 미생물연료전지 - Google Patents
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Abstract
폐수 등을 이용하여 유용한 전기를 얻을 수 있는 미생물연료전지가 개시된다. 이러한 미생물연료전지는 외부로부터 폐수를 공급받아, 폐수를 혐기적으로 처리하여 전자와 수소 이온을 발생시키는 제1 챔버, 다수의 홀을 형성하고 있는 탄소섬유극과 격자무늬 네트 형상을 가진 스테인리스강이 교호적으로 적층 형성되어 상기 제1 챔버의 내부에 배치됨으로써 상기 제1 챔버에서 발생된 상기 전자를 수용하는 제1 전극, 및 외부로부터 폐수가 유입되는 유입구를 포함하는 음극부; 외부로부터 공기를 공급받아, 상기 음극부에 유입된 폐수를 호기적으로 처리하여 외부로 배출하는 제2 챔버, 다수의 홀을 형성하고 있는 탄소섬유전극과 격자무늬 네트 형상의 스테인리스강 다수개가 적층 형성되어 상기 제2 챔버의 내부에 배치됨으로써 상기 제1 챔버에서 발생된 상기 수소 이온을 수용하는 제2 전극; 및 폐수를 외부로 배출하는 배출구를 포함하는 양극부; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 접촉하도록 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연시킴과 동시에, 다수의 홀이 형성되어 상기 홀을 통해 상기 음극부로부터 양극부로 폐수와 수소 이온이 이동될 수 있도록 하는 절연 플레이트를 포함한다. 이에 따라, 비용이 저렴한 미생물연료전지를 이용하여 친환경적인 방식으로 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
Description
본 발명은 미생물연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자연 친화적인 방식으로 전기 에너지를 생산하는 미생물연료전지에 관한 것이다.
미생물연료전지는 미생물의 에너지 대사과정에서 발생하는 환원력을 전기 에너지로 전환시키는 장치로서, 자연 친화적인 에너지 발생매체로 현재 각광을 받고 있다. 한편, 상기 미생물연료전지는 일반적으로 음극부와 양극부, 상기 음극부와 상기 양극부를 분리하고 양이온(H+)을 전달하는 양이온 교환막(Membrane)으로 구성되어 있다.
최근에는 미생물연료전지로부터 출력되는 전지 에너지량을 향상시키기 위해, 상기 음극부와 상기 양극부에 배치되는 전극의 재질을 변경, 상기 전극의 표면적을 증대, 상기 전극 간의 간격조절, 촉매효율 향상, 전해질의 전도도 증대 및 양이온 교환막의 구조, 재질, 두께 변경 등이 활발하게 연구되고 있다.
그러나, 종래의 미생물연료전지는 미생물연료전지를 구성하는 상기 전극 및 상기 양이온 교환막의 비용이 고가이기 때문에 실용화에 있어 문제가 되고 있다.
또한, 종래의 미생물연료전지는 폐수 등을 전기 에너지 발생의 매개체로 사용하기 때문에, 축산분뇨와 같이 악취가 심한 폐수를 적용시, 악취에 대한 문제를 해결해야만 한다.
이에 따라, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 비용이 저렴하고 악취를 제거할 수 있는 미생물연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 미생물연료전지는 외부로부터 폐수를 공급받아, 폐수를 혐기적으로 처리하여 전자와 수소 이온을 발생시키는 제1 챔버, 다수의 홀을 형성하고 있는 탄소섬유극과 격자무늬 네트 형상을 가진 스테인리스강이 교호적으로 적층 형성되어 상기 제1 챔버의 내부에 배치됨으로써 상기 제1 챔버에서 발생된 상기 전자를 수용하는 제1 전극, 및 외부로부터 폐수가 유입되는 유입구를 포함하는 음극부; 외부로부터 공기를 공급받아, 상기 음극부에 유입된 폐수를 호기적으로 처리하여 외부로 배출하는 제2 챔버, 다수의 홀을 형성하고 있는 탄소섬유전극과 격자무늬 네트 형상의 스테인리스강 다수개가 적층 형성되어 상기 제2 챔버의 내부에 배치됨으로써 상기 제1 챔버에서 발생된 상기 수소 이온을 수용하는 제2 전극; 및 폐수를 외부로 배출하는 배출구를 포함하는 양극부; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 접촉하도록 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연시킴과 동시에, 다수의 홀이 형성되어 상기 홀을 통해 상기 음극부로부터 양극부로 폐수와 수소 이온이 이동될 수 있도록 하는 절연 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 절연 플레이트는 아크릴 섬유 또는 아크릴 판(Plate)으로 형성되어 제1 전극과 제2 전극을 전기적으로 절연시켜 음극부에서 발생된 전자는 양극부로 이동되지 않음과 동시에 다수개의 홀이 형성되어 상기 홀을 통해 폐수와 함께 수소 이온은 음극부에서 양극부로 이동할 수 있다. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나가 스테인리스강(Stainless Steel)을 소재로하여 격자무늬의 네트형상을 가질 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 절연 플레이트가 상기 음극부와 마주하는 상기 절연 플레이트의 일면과 접촉하고, 상기 제2 전극은 상기 절연 플레이트가 상기 양극부와 마주하는 상기 절연 플레이트의 일면과 접촉하여 배치될 수 있다.
상기 양극부와 연결되어서, 상기 양극부로부터 발생된 폐수의 악취를 제거하는 바이오 필터를 더 포함하고, 상기 바이오 필터의 내부는 우드칩(Wood Chip)이 채워질 수 있다.
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본 발명에 의한 미생물연료전지에 의하면, 종래 고가의 전극 재료를 스테인리스강으로 대체하여 비용을 절감할 수 있고, 절연 플레이트와 전극을 접촉시켜 전기 에너지 발생량을 향상시킬 수 있으며, 다수개의 홀이 형성되어 있는 탄소섬유전극과 격자 무늬 네트 형상을 가지는 스테인리스강을 교호적으로 적층시키으로써 탄소섬유전극의 홀과 스테인리스강의 격자무늬 네트 사이로 폐수의 흐름 및 산소의 전달이 용이하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 미생물연료전지는 바이오 필터를 포함하여 미생물연료전지의 사용시 발생하는 폐수의 악취를 제거할 수 있다.
본 발명에 의한 미생물연료전지는 종래 고가의 양이온 교환막을 사용하지 않고 음극부로부터 양극부로 폐수와 수소 이온을 이동시킬 수 있는 다수개의 홀이 형성된 아크릴 섬유 또는 아크릴 판으로 형성된 절연 플레이트를 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치함으로써 제작비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물연료전지의 단면도이다.
도 2는 도 1에서 점선으로 표시된 A부분 확대하여 분리한 분해 사시도이다.
도 3은 농화배양 단계에서 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 전류발생량을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 화학적 산소 요구량의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 부유물질량의 변화를 나타내는 도면이다.
도 6는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 전력 생산량의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 다양한 저항에서의 전력밀도 성능을 비교한 도면이다.
도 8은 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)를 운용시, 폐수에 포함된 질산성 질소와 암모니아성 질소의 농도 변화를 나타내는 도면이다.
도 9는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)를 운용시, 폐수에 포함된 인산염인의 농도 변화를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에서 점선으로 표시된 A부분 확대하여 분리한 분해 사시도이다.
도 3은 농화배양 단계에서 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 전류발생량을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 화학적 산소 요구량의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 부유물질량의 변화를 나타내는 도면이다.
도 6는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 전력 생산량의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 다양한 저항에서의 전력밀도 성능을 비교한 도면이다.
도 8은 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)를 운용시, 폐수에 포함된 질산성 질소와 암모니아성 질소의 농도 변화를 나타내는 도면이다.
도 9는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)를 운용시, 폐수에 포함된 인산염인의 농도 변화를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물연료전지의 단면도이고, 도 2는 도 1에서 점선으로 표시된 A부분 확대하여 분리한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물연료전지(100)는 음극부(110), 양극부(120) 및 절연 플레이트(130)를 포함한다.
상기 음극부(110)는 제1 챔버(111) 및 제1 전극(112)을 포함한다.
상기 제1 챔버(111)의 내부는 폐수를 수용하여 전자(e-)와 수소이온(H+)이 형성된다. 구체적으로, 상기 제1 챔버(111)는 외부로부터 폐수를 공급받아 상기 상기 제1 챔버(111)의 내부에 채워질 수 있다. 여기서, 상기 폐수는 가정에서 배출되는 하수, 식품 폐수, 축산폐수, 식품가공공정, 제지공정에서 배출되는 폐수 등 유기성 물질이 포함된 혼합물을 포함한다. 상기 제1 챔버(111)의 내부에는 상기 폐수가 상기 폐수에 포함된 유기성 물질에 의해 혐기적으로 처리되어 전자(e-)와 수소이온(H+)이 발생될 수 있다.
상기 제1 전극(112)은 상기 제1 챔버(111)의 내부에 배치되어 상기 제1 챔버(111)에서 발생된 전자를 수용한다. 상기 제1 전극(112)의 소재는 탄소섬유(Grephite felt), 스테인리스강(Stainless Steel) 등을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(112)은 다수의 홀이 형성되어 있는 판형의 탄소섬유전극(112a)과 격자무늬 네트 형상의 스테인리스강(112b)이 서로 번갈아가면서 다층으로 쌓인 형상으로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 전극(112)은 상기 탄소섬유전극(112a) 16층과 상기 스테인리스강(112b) 23층이 서로 번갈아서 적층되어 형성될 수 있다.
상기 음극부(110)는 외부로부터 상기 폐수를 공급받을 수 있는 유입구(113)를 더 포함할 수 있다. 상기 유입구(113)는 상기 미생물연료전지(100)가 배치되는 장소와 상기 미생물연료전지(100)의 용량을 고려하여 다수가 상기 음극부(110)에 형성될 수 있다.
상기 양극부(120)는 제2 챔버(121) 및 제2 전극(122)을 포함한다.
상기 제2 챔버(121)는 상기 음극부(110)에서 형성된 상기 수소이온을 수용하고, 상기 음극부(110)에 유입된 폐수를 호기적으로 처리하여 외부로 배출한다. 여기서, 상기 양극부(120)는 외부로부터 공기를 공급받을 수 있는 공기 흡입구(h)를 포함할 수 있다. 상기 공기 흡입구(h)는 상기 양극부(120)가 상기 폐수를 호기적으로 처리하기 위해 필요한 공기의 양을 고려하여 다수가 형성될 수 있다.
상기 제2 전극(122)은 상기 제2 챔버(121)의 내부에 배치되어 상기 제1 챔버(111)에서 발생된 상기 수소 이온을 수용한다. 상기 제2 전극(122)의 소재와 형상에 관한 내용은, 앞서 설명한 상기 제1 전극(112)의 소재와 형상에 관한 내용과 동일하다. 다만, 제1 전극(112)과 제2 전극(122)은 서로 소재와 형상을 다르게하여 적용될 수 있다. 예컨대, 상기 음극부(110)에 배치되는 상기 제1 전극(112)은 폐수와 접할수 있는 표면적을 크게 형성하기 위해 탄소섬유전극(112a) 16층과 스테인리스강(112b) 23층이 적층되어 상기 음극부(110)를 채울수 있다. 반면, 상기 양극부(120)에 배치되는 상기 제2 전극(122)은 폐수가 상기 양극부(120)에 유입되는 높이를 고려하여, 탄소섬유전극(122a) 1층과 스테인리스강(122b) 1층이 적층될 수 있다.
상기 양극부(120)는 호기적으로 처리된 상기 폐수를 배출하는 배출구(123)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 상기 미생물연료전지(100)를 이동하는 폐수의 흐름은 상기 음극부(110)의 상기 유입구(113)를 통과하여 상기 음극부(110)에 채워지고, 채워진 폐수는 혐기적으로 처리되어 양극부(120)로 이동할 수 있다. 이어서, 폐수는 상기 양극부(120)에서 호기적으로 처리되어 상기 배출구(123)를 통해 배출되게 된다. 상기 배출구(123)는 상기 양극부(120)가 이하에서 설명하는 절연 플레이트(130)와 마주하는 부분의 바로위에 형성될 수 있다.
상기 절연 플레이트(130)는 제1 전극(112), 제2 전극(122)의 사이에 배치되어 상기 제1 전극(112)과 상기 제2 전극(122)을 전기적으로 절연시킨다.
상기 절연 플레이트(130)는 전기가 통하지 않는 절연성 폴리머로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 절연 플레이트(130)의 소재는 아크릴, 유리 등을 포함할 수 있다.
상기 절연 플레이트(130)는 상기 음극부(110)에서 발생된 상기 전자와 상기 수소이온 중 상기 수소이온만이 이동된다. 또한, 상기 절연 플레이트(130)는 음극부(110)로부터 양극부(120)로 이동하는 폐수와 수소이온의 흐름을 원활하도록 다수의 홀이 형성될 수 있다. 상기 홀은 다양한 크기로 형성될 수 있으며, 형상은 원형, 사각형, 삼각형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
상기 절연 플레이트(130)는 상기 음극부(110)와 마주하는 일면이 상기 제1 전극(112)과 접촉할 수 있다. 또한, 상기 절연 플레이트(130)는 상기 양극부(120)와 마주하는 일면이 상기 제2 전극(122)과 접촉할 수 있다. 상기 절연 플레이트(130)는 다양한 두께로 형성될 수 있으며, 전기 에너지의 발생 효율을 높이기 위해서 2mm 이내의 두께로 형성될 수 있다.
상기 미생물연료전지(100)는 바이오 필터(140)를 더 포함할 수 있다. 상기 바이오 필터(140)는 상기 양극부(120)와 연결되어서, 상기 양극부(120)로부터 발생된 폐수의 악취를 제거할 수 있다. 구체적으로, 상기 음극부(110)로부터 서서히 채워진 폐수가 상기 절연 플레이트(130)를 통과하고 상기 양극부(120)로 이동하여 상기 양극부(120)의 상기 배출구(123)를 통하여 배출된다. 이때, 양극부(120)에 채워진 폐수 중 기체상태의 악취가 상기 바이오 필터(140)를 통과하여 상기 미생물연료전지(100)의 밖으로 배출될 수 있다.
상기 바이오 필터(140)는 상기 양극부(120)의 다양한 위치에 배치될 수 있다. 상기 바이오 필터(140)의 내부에는 악취를 제거할 수 있는 우드칩(Wood Chip)으로 채워질 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 절연 플레이트가 종래의 맴브레인을 대체할 수 있는지 여부를 확인하고, 스테인리스강을 소재로한 전극이 종래의 탄소섬유전극을 대체할 수 있는지 여부를 확인하기 위해, 아래와 같은 두 개의 구성으로 분리하여 비교실험을 하였다.
음극부에 배치되는 제1 전극을 아래와 같이 각각 제조하였다.
하나는, 제1 전극을 다수의 홀이 형성되어 있는 탄소섬유전극(Graphite felt) 3장과 격자무늬 네트 형상을 가지는 스테인리스강 33장으로 충진하여 대조용 미생물연료전지(Control)를 제조하였다.
다른 하나는, 제1 전극을 다수의 홀이 형성되어 있는 탄소섬유전극(Graphite felt) 16장과 격자무늬 네트 형상을 가지는 스테인리스강 23장으로 충진하여 측정용 미생물연료전지(SMFC)를 제조하였다.
구체적인 대조용 미생물연료전지(Control) 및 측정용 미생물연료전지(SMFC)의 제조방법은 이상에서 설명한 차이점 이외에 아래와 같이 동일하다.
양극부에 배치되는 제2 전극은 다수의 홀이 형성되어 있는 탄소섬유전극(Graphite felt) 1장과 격자무늬 네트 형상을 가지는 스테인리스강 1장을 측정용 미생물연료전지(SMFC) 및 대조용 미생물연료전지(Control)에 동일하게 각각 충진하였다.
절연 플레이트는 아크릴 판을 사용하고 그 두께를 2mm로 하였다. 상기 절연 플레이트는 상기 절연 플레이트를 관통하는 다수의 홀을 형성시켰다.
음극부는 가로×세로×높이가 230mm×150mm×150mm의 크기로 구성하였고, 음극부의 상면에 양극부를 배치하여 하나의 챔버가 되도록 고정시켰다. 양극부의 상부에 바이오 필터를 배치시키고 내부에는 우드칩을 채웠다.
폐수는 돈사(이천)에서 발생되는 액비를 사용하였으며 축산분뇨(액비)의 화학적산소요구량 (chemical oxygen demand, COD)은 약 3200 ppm이었으며 수소이온의 농도 (pH)는 약 8.1이었다. 또한, 상기 액비의 총 질소와 총 인의 화학적산소요구량은 각각 527ppm 및 880.0ppm이었다.
전기화학적활성 미생물을 접종하기 위하여 중랑하수처리장의 혐기소화조 슬러지와 이천시에 소재한 양돈 농가로에서 채취한 축산분뇨를 각각 1:1 비율로 혼합한 액 200 ml/L, phosphate buffer (1M) 30ml, mineral solution (10ml) 및 salt solution (10ml)와 혼합하여 미생물연료전지에 각각 연속공급하면서 농화배양하였다.
이어서, 펌프를 이용하여 53.26 ml/min의 유속으로 폐수를 대조용 미생물연료전지(Control) 및 측정용 미생물연료전지(SMFC)에 동일하게 연속 주입하여 각각의 음극부에 배치된 제1 전극과 충분히 접촉할 수 있도록 하였다.
<농화배양에 따른 전류 발생량 측정>
도 3은 농화배양 단계에서 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 전류발생량을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)가 초기에 전류발생이 서서히 증가하다가 측정용 미생물연료전지(SMFC)는 6일이 지나서 전류값이 일정한 스테디 스테이트(steady state)에 도달된 것을 확인할 수 있었고, 대조용 미생물연료전지(Control)는 11일이 지나서 스테디 스테이트(steady state)에 도달된 것을 확인할 수 있었다. 측정용 미생물연료전지(SMFC)가 농화배양의 시간이 짧아 스테디 스테이트에 도달하는 시간이 짧은 것으로 판단된다.
측정용 미생물연료전지(SMFC)가 농화배양이 되는 시간이 짧은 이유는 탄소섬유전극이 미생물을 고정화할 수 있는 표면적이 훨씬 넓기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 비용이 저렴한 스테인리스강을 소재로한 전극도 충분히 미생물연료전지용 전극재료로 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
<화학적 산소 요구량 및 부유물질량의 변화>
도 4는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 화학적 산소 요구량의 변화를 나타내는 도면이고, 도 5는 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 부유물질량의 변화를 나타내는 도면이다.
폐수의 초기 화학적 산소 요구량(COD)의 농도는 3167±80 mg/L이었으며 144시간이 경과하였을 때 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)는 각각 865±21 mg/L와 930±14 mg/L로 감소하였다. 이때 화학적 산소 요규량(COD)의 제거효율은 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)가 각각 72.7%와 70.6%로 비슷한 처리능력을 보였다. 부유물질(Suspended Solid)은, 측정용 미생물연료전지(SMFC)가 4533±67 mg/L에서 10시간이 경과한 후 624.0±23.0 mg/L로 감소하여 약 86%의 처리효율을 보였고, 대조용 미생물연료전지(Control)가 144시간이 경과하였을 때는 24.0±6.0 mg/L으로 99.5%까지 감소한 것으로 나타났다.
이상에서와 같은 화학적 산소 요구량(COD)의 변화와 부유물질량의 변화로부터, 아크릴 판으로 형성된 절연 플레이트가 종래의 맴브레인을 대체하여 사용 가능함을 알 수 있었고, 또한 부유물질의 발생이 거의 없는 폐수처리장치로써도 본 발명의 절연 플레이트를 이용 가능함을 확인할 수 있었다.
<전력 밀도>
도 6는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 전력 생산량의 변화를 나타내는 도면이고, 도 7는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)의 다양한 저항에서의 성능을 비교한 도면이다.
도 6를 참조하면, 격자무늬 네트 형상을 가지는 스테인리스강이 많이 충진된 대조용 미생물연료전지(Control)가 전류발생량이 측정용 미생물연료전지(SMFC)보다 적었으나, 미생물연료전지를 운전하는 목적에 따라 격자무늬 네트 형상을 가진 스테인리스강이 충분히 탄소섬유전극을 대체하여 사용 가능함을 확인할 수 있었다.
도 7를 참조하면, 측정용 미생물연료전지 및 대조용 미생물연료전지(Control)의 전력생산 특성을 알아보기 위해 분극곡선(polarization curve)를 작성하였다. 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)에 대한 분극곡선(polarization curve)은 일반적인 미생물연료전지와 비교하였을 때 비슷한 경향을 나타내었다. 따라서, 격자무늬 네트 형상을 가진 스테인리스강이 충분히 탄소섬유전극을 대체하여 미생물연료전지의 전극으로 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
<미생물연료전지의 운전시 질산염 및 인산염의 농도변화>
도 8은 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)를 운전시, 폐수에 포함된 질산성 질소와 암모니아성 질소의 농도 변화를 나타내는 도면이고, 도 9는 측정용 미생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)를 운전시, 폐수에 포함된 인산염인의 농도 변화를 나타내는 도면이다.
도 8및 도 9을 참조하면, 측정용 매생물연료전지(SMFC)와 대조용 미생물연료전지(Control)가 거의 비슷한 처리능을 갖는 것으로 나타났다. 구체적으로, 암모니아성 질소(NH4 +)는 초기농도가 880±0.0 mg/L에서 10시간 이후 550±0.0 mg/L정도로 37.5%가 제거되고, 이후 점진적으로 제거되어 144시간이 경과하였을 때 304.5±2.1 mg/L 로 65.4%가 제거되었다.
질산성질소(NO3 -)의 경우는 초기 57.5±0.0 mg/L에서 약 10시간이 경과하였을 때 28.8±1.8mg/L으로 49.9%가 감소하였다. 이후, 144시간이 경과하였을 때 질산성 질소는 20.7±1.5 mg/L로 감소하여 57.5%가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이 경우 질산성질소(NO3 -)는 초기 10시간 경과 시 급격히 농도도 감소하고 이후 서서히 감소하였다.
인산염인은 초기 527.5±71 mg/L에서 10시간 경과하였을 때 217±3.5 mg/L으로 약 58.9% 감소되었다. 이후 144시간이 지났을 때, 인삼염인은 139±9.9 mg/L으로 73.7%가 감소되었다.
일반적으로 질소와 인을 처리는 각각 다른 산소 조건 상태에서 일어나기 때문에 혐기조-무산소조-호기조로 구성되어 무산소조에서 질산성질소가 질소로 방출되고, 호기조에서 인이 미생물에 의해서 섭취되어 제거되는데 이 실험에서는 같은 시스템 안에서 암모니아성 질소와 인산염인이 동시에 감소하는 것으로 나타났다.
이상에서와 같이, 본 발명에 의한 절연 플레이트와 이를 포함한 미생물연료전지가 폐수에 포함된 질산성 질소, 암모니아성 질소 및 인을 처리하는 처리능을 확인할 수 있었다.
본 발명에 의한 미생물연료전지는 본 발명에 의한 미생물연료전지에 의하면, 종래 고가의 전극 재료를 스테인리스강으로 대체하여 비용을 절감할 수 있고, 절연 플레이트와 전극을 접촉시켜 전기 에너지 발생량을 향상시킬 수 있으며, 다수개의 홀이 형성되어 있는 탄소섬유전극과 격자 무늬 네트 형상을 가지는 스테인리스강을 교호적으로 적층시키으로써 탄소섬유전극의 홀과 스테인리스강의 격자무늬 네트 사이로 폐수의 흐름 및 산소의 전달이 용이하도록 하는 효과가 있다.
따라서, 본 발명에 의한 미생물연료전지에 의하면, 종래 고가의 전극 재료를 스테인리스강으로 대체하여 비용을 절감할 수 있고, 절연 플레이트와 전극을 접촉시켜 전기 에너지 발생량을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 미생물연료전지는 바이오 필터를 포함하여 미생물연료전지의 사용시 발생하는 폐수의 악취를 제거할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 미생물연료전지 110 : 음극부
111 : 제1 챔버 112 : 제1 전극
113 : 유입구 120 : 양극부
121 : 제2 챔버 122 : 제2 전극
123 : 배출구 130 : 절연 플레이트
140 : 바이오 필터
111 : 제1 챔버 112 : 제1 전극
113 : 유입구 120 : 양극부
121 : 제2 챔버 122 : 제2 전극
123 : 배출구 130 : 절연 플레이트
140 : 바이오 필터
Claims (3)
- 외부로부터 폐수를 공급받아, 폐수를 혐기적으로 처리하여 전자와 수소 이온을 발생시키는 제1 챔버, 다수의 홀을 형성하고 있는 탄소섬유극과 격자무늬 네트 형상을 가진 스테인리스강이 교호적으로 적층 형성되어 상기 제1 챔버의 내부에 배치됨으로써 상기 제1 챔버에서 발생된 상기 전자를 수용하는 제1 전극, 및 외부로부터 폐수가 유입되는 유입구를 포함하는 음극부;
외부로부터 공기를 공급받아, 상기 음극부에 유입된 폐수를 호기적으로 처리하여 외부로 배출하는 제2 챔버, 다수의 홀을 형성하고 있는 탄소섬유전극과 격자무늬 네트 형상의 스테인리스강 다수개가 적층 형성되어 상기 제2 챔버의 내부에 배치됨으로써 상기 제1 챔버에서 발생된 상기 수소 이온을 수용하는 제2 전극, 및 폐수를 외부로 배출하는 배출구를 포함하는 양극부; 및
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 접촉하도록 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되며, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 전기적으로 절연시킴과 동시에, 다수의 홀이 형성되어 상기 홀을 통해 상기 음극부로부터 양극부로 폐수와 수소 이온이 이동될 수 있도록 하는 절연 플레이트를 포함하는 미생물연료전지. - 제1항에 있어서, 상기 절연 플레이트는
아크릴 섬유 또는 아크릴 판으로 형성되고,
상기 음극부에서 발생된 상기 전자와 상기 수소 이온 중, 상기 수소 이온만이 상기 절연 플레이트를 통화하는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지. - 제1항에 있어서,
상기 양극부와 연결되어, 상기 양극로부터 발생된 폐수의 악취를 제거하는 바이오 필터를 더 포함하고,
상기 바이오 필터의 내부는 우드칩(Wood Chip)이 채워진 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
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Legal Events
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