KR101391776B1 - 유기물과 질소제거를 위한 단일 양극 미생물연료전지 - Google Patents

유기물과 질소제거를 위한 단일 양극 미생물연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일측에 배치된 산화전극에서는 미생물이 유기물을 분해하고, 타측에 상·하 혹은 좌우로 배치된 단일 전극을 사용한 두 양극부에서는 질산화 및 탈질을 하여 유기물과 질소를 처리하고 전기에너지를 발생시키는 유기물과 질소의 처리를 위한 단일 환원전극 미생물연료전지에 관한 것으로, 유기물 및 질소를 포함하는 유입수가 유입되는 제 1 챔버부, 상기 제 1 챔버부의 일측에 형성되고, 하단에 연결된 유입수 이동관에 의해 상기 제 1 챔버부로부터 유입수가 유입되는 제 2 챔버부, 상기 제 1 챔버부의 일측에 형성되고, 상기 제 2 챔버부의 상단에 배치되어, 상기 제 2 챔버부의 유입수가 유입는 제 3 챔버부, 상기 제 1 챔버부와 상기 제 2 챔버부의 영역을 분리하는 제 1 이온교환막, 상기 제 1 챔버부와 상기 제 3 챔버부의 영역을 분리하는 제 2 이온교환막 및 상기 제 2 챔버부와 상기 제 3 챔버부의 영역을 분리하고, 상기 제 2 챔버부에 유입된 유입수를 상기 제 3 챔버부로 이송하도록 홀이 형성된 분리수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유기물과 질소제거를 위한 단일 양극 미생물연료전지{MICROBIAL FUEL CELL USING SOLE CATHODIC ELECTRODE FOR THE REMOVAL OF NITROGEN AND ORGANICS}
본 발명은 유기물과 질소제거를 위한 단일 양극 미생물연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일측에 배치된 음극부에서는 미생물이 유기물을 분해하고, 타측에 상·하 혹은 좌·우로 배치된 단일 전극을 사용한 두 양극부에서는 질산화 및 탈질을 하여 유기물과 질소를 처리하고 전기에너지를 발생시키는 유기물과 질소의 처리를 위한 단일 양극(cathode) 미생물 연료전지에 관한 것이다.
미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell, MFC)는 화석연료 고갈에 대비한 대체에너지의 확보 및 생활 폐수로 인한 환경오염수의 정화라는 에너지문제와 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 대안으로 각광받고 있다.
도 1은 종래의 미생물 연료전지를 개략적으로 나타낸 예시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell, MFC)는 미생물의 대사에 의해 산화된 기질의 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 장치로써, 혐기조건의 음극부와 호기조건의 양극부 두 부분으로 나뉘며, 두 전극은 분리막에 의해 분리되어 서로 혼합되지 않아야 한다.
미생물 연료전지의 작동원리는 폐·하수 따위가 유입이 되면, 음극부 내 음극(anode)에 부착된 미생물에 의해 기질(주로 유기물)이 산화되면서 전자와 수소이온이 생성되고, 생성된 전자와 수소이온은 각각 외부 회로 및 분리막을 통해 양극부로 이동한 후, 이동된 수소이온이 양극부에 공급되는 산소분자((O2) 및 양극으로 이동한 전자와 반응하여 환원된다.
따라서 상기와 같은 미생물 연료전지를 통해 얻어지는 전지의 전위는 음극부에서 전자공여체(electron donor)가 산화되면서 발생하는 전위와 양극부에서 전자수용체(electron acceptor)가 환원되면서 발생하는 전위의 차이로 결정 되고, 이론적으로 미생물의 기본 대사를 유지할 수 있는 기질을 지속적으로 공급해 주는 한, 전기화학반응을 통해 계속해서 에너지를 얻을 수 있는 것이다.
그러나 이러한 미생물 연료전지의 생성전력은 일반적으로 화학적 연료전지보다 낮게 얻어지는데, 가장 주된 이유는 높은 내부저항을 갖는 반응기의 구조적인 한계 때문이다. 이에 따라 내부저항을 줄여 높은 전력을 생성하기 위하여 전극의 표면적증가, 온도증가, 촉매나 매개체 사용 등이 있으며, 대부분의 양극은 백금 촉매를 도포하여 사용하고 있다. 하지만, 백금촉매는 비용이 비싸서 미생물 연료전지의 실용화에 대한 문제점이 되었다.
또한, 미생물 연료전지의 발전 과정은 주로 산소를 전자수용체로 사용한 반응기의 연구가 활발히 이루어 졌으며, 이는 미생물 연료전지의 활용이 에너지 발생을 제외한 유기성 물질의 제거에만 국한되었기 때문이다. 그러나 폐·하수처리에 있어서는 유기물뿐만 아니라 영양염류의 처리 또한 중요하다. 영양염류는 하천 및 호소의 부영양화를 일으키는 주된 원인물질로서 즉, 질소(N)의 경우 인(P)과 더불어 조류의 성장을 자극하여 심각한 수질 저하를 초래한다.
이에 따라 비용이 저렴한 미생물을 촉매로 활용하는 미생물연료전지를 이를 활용한 질산화 및 탈질로 질소를 제거하는 방안이 강구되었다.
도 2는 종래의 양극을 이용한 탈질이 이루어지는 미생물 연료전지를 개략적으로 나타낸 예시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 양극은 양극 표면에 탈질균과 전자방출균으로 구성된 바이오필름이 형성된 것이고, 바이오필름에 의한 탈질이 일어나 질소를 제거할 수 있는 양극이다.
이는 전자수용체로 O2가 아닌 NO3 -를 활용한 미생물 연료전지이다. NO3 -는 산화환원 포텐셜이 +0.74V로서 O2의 +0.82V와 비슷한 전위를 갖고, 반응속도도 O2와 비슷하여 활용가치가 충분한 것으로 인정받고 있다.
일반적인 자연수계에서는 질소가 NH4 +의 형태로 존재하기 때문에, 질소제거를 위한 공정에서 질산화가 이루어지면 NO3 -형태의 음이온으로 전환된다. 따라서 질소의 형태에 따른 분리막의 선택이 중요하다.
분리막은 크게 양성자교환막(Proton Exchange Membrane, PEM), 양이온교환막(Cation Exchange Membrane, CEM) 및 음이온교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)으로 구분되는데, 양성자교환막은 가격이 비싸서 실용성이 떨어지므로 양이온교환막 및 음이온교환막을 주로 사용한다.
따라서 양이온교환막의 경우 NH4 +의 확산이 가능하며, 음이온교환막의 경우 NH4 +의 확산이 불가능하므로 선택적으로 사용되어야 한다.
또한, 유기물과 질소가 포함된 기질용액에서 유기물과 질소를 모두 제거하기 위해서는 연속류흐름(Single Stream)방식이 이루어져야 한다. 즉, 유기물과 질소가 포함된 기질용액에서 먼저, 유기물이 산화전극에서 미생물에 의해 분해되고, 유기물이 분해된 용액은 다시 환원전극으로 이동되어 환원전극에서 질산화와 탈질이 이루어져야 한다.
도 3은 종래의 양극부에서 질산화 및 탈질을 동시에 유발시킨 미생물 연료전지를 개략적으로 나타낸 예시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 양극부에 직접 일정한 산소를 공급하여 양극부 내에서 동시에 질산화 및 탈질을 유발시키고 있다(B. Virdis et al., 2009).
도 4는 종래의 생물전기화학시스템의 개념도이다. 도시된 바와 같이, 공개특허공보 제10-2011-0065324호는 생물전기화학적 혐기성 질소산화 및 질소제거 방법에 관한 것으로, 음극부와 양극부 내에 각각 미생물 연료 전지용 음극과 양극이 설치되어 수중의 질소를 생물전기화학적으로 제거하는 기술을 개시하고 있다.
그러나 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같은 종래의 기술에서는 양극부에서 산소농도에 의한 탈질율의 저하가 발생되는 문제가 있다.
도 5는 종래의 듀얼(Dual)양극 미생물 연료전지를 개략적으로 나타낸 예시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 듀얼(Dual)양극 미생물 연료전지는 하나의 호기성 양극에서 질산화를 하고, 다른 하나의 무산소성 양극에서 탈질을 하는 구조이다(Shang Xie et al., 2010). 이러한 구조는 탈질을 위한 무산소성 양극에서 질산화에 의한 산소농도의 증가가 요구되지 않으므로 산소농도에 의한 탈질 비율의 저하가 발생되지 않았다.
그러나 이러한 과정에서 폐·하수 처리를 위한 기질용액의 연속류흐름이 적용되면, 미생물 연료전지의 구조가 매우 복잡해져서 실용성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 호기성 양극과 무산소성 양극의 산화환원포텐셜(redox potential)은 호기성 양극과 무산소성 양극에서 각각 +0.82V, +0.74V로 음극에서 생성된 전자는 무산소성 양극보다 호기성 양극으로 많이 전달되어 탈질에 대한 효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 연속류흐름(Single Stream)으로 유입수가 제 2 챔버부 및 제 3 챔버부를 순차적으로 통과할 때, 제 2 전극부가 제 2 챔버부 및 제 3 챔버부에 포함되는 구조로 형성되어 각각의 챔버부에서 질산화 및 탈질을 개별적으로 실시할 수 있으므로 하나의 제 2 전극부로 질소의 제거가 가능하여 구조가 간소화된 미생물연료전지의 제공을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제 1 챔버부와 제 3 챔버부의 분리막으로 음이온교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)을 사용하여, 제 1 챔버부에 포함된 NH4 +가 제 3 챔버부로 확산되는 것을 방지함으로써, 질산화되지 않은 질소에 대한 제 3 챔버부로의 진입이 없어 질소제거율을 높인 미생물연료전지의 제공을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제 3 챔버부에서 탈질이 일어나고, 제 2 챔버부에서 질산화가 일어나며, 제 3 챔버부에 제 2 전극부의 상부가 위치되고, 제 2 챔버부에 제 2 전극부의 하부가 위치되는 구조로 형성되어 도선을 통해 제 1 전극부로부터 제 2 전극부의 상부로 공급되는 전자가 탈질에 먼저 사용되므로 질소제거의 효율을 높일 수 있는 미생물연료전지의 제공을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 미생물연료전지는 기물 및 질소를 포함하는 유입수가 유입되는 제 1 챔버부, 상기 제 1 챔버부의 일측에 형성되고, 하단에 연결된 유입수 이동관에 의해 상기 제 1 챔버부로부터 유입수가 유입되는 제 2 챔버부, 상기 제 1 챔버부의 일측에 형성되고, 상기 제 2 챔버부의 상단에 배치되어, 상기 제 2 챔버부의 유입수가 유입는 제 3 챔버부, 상기 제 1 챔버부와 상기 제 2 챔버부의 영역을 분리하는 제 1 이온교환막, 상기 제 1 챔버부와 상기 제 3 챔버부의 영역을 분리하는 제 2 이온교환막 및 상기 제 2 챔버부와 상기 제 3 챔버부의 영역을 분리하고, 상기 제 2 챔버부에 유입된 유입수를 상기 제 3 챔버부로 이송하도록 홀이 형성된 분리수단을 포함하고, 상기 제 1 챔버부는 표면에 제 1 바이오필름이 부착된 제 1 전극부가 구비되며, 상기 제 2 챔버부 및 상기 제 3 챔버부는 일체로 형성된 제 2 전극부가 구비되어, 상기 제 1 전극부와 도선을 통하여 전기적으로 연결된 상기 제 2 전극부는 제 2 챔버부 영역에 제 2 바이오필름이 부착되고, 상기 제 3 챔버부 영역에는 제 3 바이오필름이 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 미생물연료전지는 기 제 1 전극부의 제 1 바이오필름은 상기 제 1 챔버부의 내부에서 유입수와 접촉하여 산화반응을 일으키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 미생물연료전지는 기 제 2 전극부 하부의 제 2 바이오필름은 상기 제 2 챔버부의 유입수와 접촉하여 제 1 화학반응을 일으키고, 상기 제 2 전극부 상부의 제 3 바이오필름은 상기 제 3 챔버부의 유입수와 접촉하여 제 2 화학반응을 일으키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 미생물연료전지는 기 제 2 챔버부에서 상기 제 3 챔버부까지 상기 홀를 통과하며 이송되는 유입수는 상향류(upflow) 방식인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 미생물연료전지는 상기 제 1 바이오필름은 혐기성 미생물막인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 미생물연료전지는 상기 제 2 바이오필름은 질산성균을 포함하는 미생물막이고, 상기 제 3 바이오필름은 탈질균을 포함하는 미생물막인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 미생물연료전지는 상기 산화반응은 상기 제 1 바이오필름의 혐기성 미생물이 유입수의 유기물과 화학적으로 반응하여 유입수의 유기물을 제거하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 미생물연료전지는 상기 제 1 화학반응은 상기 제 2 바이오필름의 질산성균이 유입수의 질소(N)와 화학적으로 반응하여 다음의 식과 같이, 질소를 질산화시키는 것을 특징으로 한다.
NH4 + + 2O2
Figure 112013016631757-pat00001
NO3 - + 2H+ + H2O
또한, 본 발명에 따른 미생물연료전지는 상기 제 2 화학반응은 상기 제 3 바이오필름의 탈질균이 유입수의 질산염(NO3 -)과 화학적으로 반응하여 다음의 식과 같이, 질소를 탈질시키는 것을 특징으로 한다.
2NO3 - + 5H+ + 5e-
Figure 112013016631757-pat00002
N2(g) + 4H2O + 2OH-
또한, 본 발명에 따른 미생물연료전지는 상기 암모늄이온(NH4 +)은 상기 제 1 이온교환막을 통해 상기 제 1 챔버부에서 상기 제 2 챔버부로 확산되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 미생물연료전지는 상기 제 1 이온교환막은 양이온교환막(Cation Exchange Membrane, CEM)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 미생물연료전지는 상기 제 2 이온교환막은 음이온교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 미생물연료전지에 따르면, 연속류흐름(Single Stream)으로 유입수가 제 2 챔버부 및 제 3 챔버부를 순차적으로 통과할 때, 제 2 전극부가 제 2 챔버부 및 제 3 챔버부에 포함되는 구조로 형성되어 각각의 챔버부에서 질산화 및 탈질을 개별적으로 실시할 수 있으므로 하나의 제 2 전극부로 질소의 제거가 가능하여 구조가 간소화할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 미생물연료전지에 따르면, 제 1 챔버부와 제 3 챔버부의 분리막으로 음이온교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)을 사용하여, 제 1 챔버부에 포함된 NH4 +가 제 3 챔버부로 확산되는 것을 방지함으로써, 질산화되지 않은 질소에 대한 제 3 챔버부로의 진입이 없어 질소제거율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 미생물연료전지에 따르면, 제 3 챔버부에서 탈질이 일어나고, 제 2 챔버부에서 질산화가 일어나며, 제 3 챔버부에 제 2 전극부의 상부가 위치되고, 제 2 챔버부에 제 2 전극부의 하부가 위치되는 구조로 형성되어 도선을 통해 제 1 전극부로부터 제 2 전극부의 상부로 공급되는 전자가 탈질에 먼저 사용되므로 질소제거의 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 미생물연료전지에 따르면, 폐·하수 등에 포함된 유기물은 제 1 전극부의 표면에 부착된 제 1 바이오필름의 미생물에 의해 분해되고, 질소는 제 2 전극부의 표면에 부착된 제 2 바이오필름 및 제 3 바이오필름의 미생물에 의해 탈질되어 유기물과 질소를 동시에 제거할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 미생물연료전지에 따르면, 미생물 연료전지의 환원전극에 백금(Pt)촉매를 사용하지 않고, 생체촉매(bio catalyst)를 사용함으로써 비용을 절감하여 경제성을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 미생물연료전지에 따르면, 미생물 연료전지의 분리막에 양성자교환막(Proton Exchange Membrane, PEM)을 사용하지 않고, 음이온교환막(Anion Exchange Membrane, AEM) 및 양이온교환막(Cation Exchange Membrane, CEM)을 사용함으로써, 비용을 절감하여 경제성을 높일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 미생물 연료전지를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 2는 종래의 환원전극을 이용한 탈질이 이루어지는 미생물 연료전지를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 3은 종래의 환원전극에서 질산화 및 탈질을 동시에 유발시킨 미생물 연료전지를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 4는 종래의 생물전기화학시스템의 개념도이다.
도 5는 종래의 듀얼(Dual)환원전극 미생물 연료전지를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물연료전지에서 유입수의 흐름을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물연료전지를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물연료전지에서 유입수의 흐름을 나타낸 예시도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물연료전지를 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기물과 질소의 처리를 위한 단일 환원전극 미생물연료전지는 제 1 챔버부(100), 제 2 챔버부(200), 제 3 챔버부(300), 제 1 전극부(400), 제 2 전극부(500), 제 1 이온교환막(600), 제 2 이온교환막(700), 분리수단(800)을 포함할 수 있다.
제 1 챔버부(100)는 유기물 및 질소를 포함하는 유입수가 유입될 수 있다. 바람직하게는 상단에서 유입수가 유입될 수 있고, 유입수는 폐·하수일 수 있으며, 유입수의 유입은 폐·하수의 흐름에 기인한 것 또는 펌프의 압력에 기인한 것일 수 있다.
제 2 챔버부(200)는 제 1 챔버부(100)의 일측에 형성되고, 하단에 연결된 유입수 이동관(900)에 의해 제 1 챔버부(100)로부터 유입수가 유입될 수 있다. 여기서 유입수 이동관(900)은 바람직하게, 제 1 챔버부(100) 및 제 2 챔버부(200)의 외부에 형성되어 제 1 챔버부(100)로부터 유출되는 유입수를 제 2 챔버부(200)로 이동시키는 것일 수 있다.
제 3 챔버부(300)는 제 1 챔버부(100)의 일측에 형성되고, 제 2 챔버부(200)의 상단에 배치되어, 제 2 챔버부(200)의 유입수가 유입될 수 있다. 특히, 제 3 챔버부(300)는 제 2 챔버부(200)와의 사이에 분리수단(800)이 형성될 수 있는데, 분리수단(800)은 제 3 챔버부(300)와 제 2 챔버부(200)의 영역을 분리하고, 홀(810)이 형성될 수 있다.
즉, 제 2 챔버부(200)에 유입된 유입수는 제 3 챔버부(300)로 유입되기 위해 홀(810)을 통과할 수 있다. 따라서 유입수는 홀(810)을 통과하는 상향류(upflow) 방식으로 이송될 수 있다. 여기서 유입수의 상향류 방식의 흐름은 제 1 챔버(100)에 유입되는 유입수의 압력 또는 유입수 이동관에 기인하는 것일 수 있다.
따라서 유입수는 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 챔버부(100)로 유입(A)되고, 제 1 챔버부(100)에서 제 2 챔버부(200)로 유입수 이동관을 따라 이송(B)되며, 제 2 챔버부(200)에서 제 3 챔버부(300)로 홀(810)을 통과하여 상향류 방식으로 이송(C)되고, 제 3 챔버부(300)에서 유출(D)될 수 있다.
제 1 전극부(400)는 길이가 긴 막대 형태로 형성되어 표면에 혐기성 미생물막인 제 1 바이오필름(410)이 부착될 수 있다. 여기서 제 1 바이오필름(410)이 제 1 전극부(400)의 표면에 부착되는 방식은 제 1 전극부(400)의 일측면 또는 전면(全面)일 수 있다.
제 2 전극부(500)는 길이가 긴 막대 형태로 형성되어 하부 표면에 질산성균을 포함하는 미생물막인 제 2 바이오필름(510)이 부착되고, 상부 표면에 탈질균을 포함하는 미생물막인 제 3 바이오필름(520)이 부착될 수 있다. 여기서 제 2 바이오필름(510) 및 제 3 바이오필름(520)이 제 2 전극부(500)의 각 부위에 부착되는 방식은 제 2 전극부(500)의 일측면 또는 전면(全面)일 수 있다.
여기서 바람직하게, 제 1 전극부(400) 및 제 2 전극부(500)는 탄소전극일 수 있다. 구체적으로 탄소전극은 탄소지(carbon paper), 탄소천(carbon cloth), 다공성탄소(reticulated vitreous carbon), 흑연 펠트(carbon felt), 흑연 로드(graphite rod) 및 흑연 그래뉼(graphite granules)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 소재로 하는 것일 수 있다.
또한, 제 1 챔버부(100)는 제 1 전극부(400)를 내부에 구비할 수 있고, 제 2 챔버부(200) 및 제 3 챔버부(300)는 제 2 전극부(500)를 내부에 구비할 수 있다.
특히, 제 2 전극부(500)는 제 2 챔버부(200)와 제 3 챔버부(300)의 사이에 형성된 분리수단(800)을 관통한 형태일 수 있다. 따라서 제 2 전극부(500)의 하부가 제 2 챔버부(200)에 구비되고, 제 2 전극부(500)의 상부가 제 3 챔버부(300)에 구비될 수 있다.
그러므로 제 2 챔버부(200)에 구비된 제 2 전극부(500)의 부분은 제 2 바이오필름(510)이 부착된 부분이고, 제 3 챔버부(300)에 구비된 제 2 전극부(500)의 부분은 제 3 바이오필름(520)이 부착된 부분일 수 있다.
또한, 제 1 전극부(400)와 제 2 전극부(500)는 서로 도선(2)을 통하여 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 도선(2)은 도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 및 2 챔버부(100, 200)의 외부에서 제 1 및 2 전극부(400, 500)와 접촉될 수 있다.
제 1 이온교환막(600)은 제 1 챔버부(100)와 제 2 챔버부(200)의 영역을 분리하도록 형성될 수 있다. 구체적으로 제 1 챔버부(100)에 포함된 유입수와 직접적으로 접촉되고, 제 2 챔버부(200)에 포함된 유입수와 직접적으로 접촉이 될 수 있다. 따라서 제 1 챔버부(100)와 제 2 챔버부(200)를 공간적으로 구분하는 역할을 할 수 있다.
또한, 제 1 이온교환막(600)은 양이온교환막(Cation Exchange Membrane, CEM)일 수 있다. 구체적으로, 제 1 챔버부(100)에 포함된 유입수와 제 2 챔버부(200)에 포함된 유입수를 물리적으로 분리시키지만, 제 1 챔버부(100)에 포함된 암모늄이온(NH4 +) 및 수소이온(H+)을 제 2 챔버부(200)로 확산시킬 수 있다.
제 2 이온교환막(700)은 제 1 챔버부(100)와 제 3 챔버부(300)의 영역을 분리하도록 형성될 수 있다. 구체적으로 제 1 챔버부(100)에 포함된 유입수와 직접적으로 접촉되고, 제 3 챔버부(300)에 포함된 유입수와 직접적으로 접촉될 수 있다. 따라서 제 1 챔버부(100)와 제 3 챔버부(300)를 공간적으로 구분하는 역할을 할 수 있다.
또한, 제 2 이온교환막(700)은 음이온교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)일 수 있다. 구체적으로, 제 1 챔버부(100)에 포함된 유입수와 제 3 챔버부(300)에 포함된 유입수를 물리적으로 분리시킬 수 있으며, 제 1 챔버부(100)에 포함된 H+를 제 3 챔버부(300)로 확산시키며, 제 1 챔버부(100)에 포함된 NH4 +는 확산시키지 않을 수 있다.
유입수에 포함된 유기물 및 질소의 제거과정에서는, 제 1 챔버부(100)에 유입된 유입수의 유기물이 제 1 전극부(400)의 제 1 바이오필름(410)과 접촉하여 서로 화학적으로 반응할 수 있다. 화학적인 반응은 유기물을 산화시키는 산화반응이며, 따라서 유기물은 산화반응에 의해 분해될 수 있다.
이때, 제 1 바이오필름(410)의 혐기성 미생물이 유입수의 유기물을 분해하여 CO2, 전자(electron, e-), H+ 및 H2O(물)를 생성할 수 있다. 이때, 발생되는 전자는 도선을 따라 제 1 전극부(200)에 전달되며, H+는 확산되어 제 1 이온교환막(600) 및 제 2 이온교환막(700)에 의해 각 제 2 챔버부(200)와 제 3 챔버부(300)로 공급될 수 있다.
제 2 챔버부(200)에서는 제 1 챔버부(100)로부터 유입된 유입수의 질소(N)와 제 2 바이오필름(510)이 접촉하여 제 1 화학반응을 일으킬 수 있다.
제 1 화학반응은 제 2 바이오필름(510)의 질산성균이 유입수의 질소(N)와 화학적으로 반응할 수 있는데, 이때, 질소는 자연계의 물에서 대부분이 암모늄이온(NH4 +)의 형태로 존재하므로, 주반응은 다음의 식과 같다.
NH4 + + 2O2
Figure 112013016631757-pat00003
NO3 - + 2H+ + H2O
따라서 질소(NH4 +)를 질산화시켜 질산염(NO3 -)을 생성할 수 있다.
제 3 챔버부(300)에서는 제 2 챔버부(200)로부터 유입된 질산염(NH4 +)과 제 3 바이오필름(520)이 접촉하여 제 2 화학반응을 일으킬 수 있다.
제 2 화학반응은 제 3 바이오필름(520)의 탈질균이 제 2 챔버부(200)로부터 제 3 챔버부(300)로 유입되는 유입수의 질산염(NO3 -)과 화학적으로 반응하여 다음의 식과 같을 수 있다.
2NO3 - + 5H+ + 5e-
Figure 112013016631757-pat00004
N2(g) + 4H2O + 2OH-
따라서 N2(g)로 생성된 질소(N)는 가스형태로 생성되어 유입수의 흐름에 따라 스스로 배출이 될 수 있다.
그러므로 제 1 전극부(400)는 유입수의 유기물을 산화시키는 산화전극(Anode)이고, 제 2 전극부(500)는 유입수에 포함된 질산염을 환원시키는 환원전극(Cathode)일 수 있다.
여기서 제 2 전극부(500)가 제 2 챔버부(200)를 통과하여 제 3 챔버부(300)에 도달하는 구성으로, 제 1 전극부(400)에서 산화반응에 의해 발생된 전자가 제 3 챔버부(300)에 비중 있게 사용될 수 있다.
따라서 제 2 챔버부(200)에서 발생될 수 있는 다음과 같은 식의 반응보다 제 3 챔버부(300)에서 발생되는 환원반응이 더 유리할 수 있다.
O2 + 4H+ + 4e-
Figure 112013016631757-pat00005
2H2O
또한, 제 2 이온교환막이 음이온교환막(AEM)으로 형성되어 제 2 챔버부(200)에서 질산화(NO3 -)되지 않은 암모늄이온(NH4 +)이 제 3 챔버부(300)로 확산되지 않으므로, 유입수에 포함된 질소의 제거효율이 높아지게 된다.
또한, 본 반응은 연속류흐름(Single Stream) 즉, 유입수의 한 흐름으로 유기물 및 질소를 모두 제거할 수 있는 실용성있는 간단한 구조를 갖출 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 미생물연료전지에 따르면, 연속류흐름(Single Stream)으로 유입수가 제 2 챔버부 및 제 3 챔버부를 순차적으로 통과할 때, 제 2 전극부가 제 2 챔버부 및 제 3 챔버부에 포함되는 구조로 형성되어 각각의 챔버부에서 질산화 및 탈질을 개별적으로 실시할 수 있으므로 하나의 제 2 전극부로 질소의 제거가 가능하여 구조가 간소화할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 미생물연료전지에 따르면, 제 1 챔버부와 제 3 챔버부의 분리막으로 음이온교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)을 사용하여, 제 1 챔버부에 포함된 NH4 +가 제 3 챔버부로 확산되는 것을 방지함으로써, 질산화되지 않은 질소에 대한 제 3 챔버부로의 진입이 없어 질소제거율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 미생물연료전지에 따르면, 제 3 챔버부에서 탈질이 일어나고, 제 2 챔버부에서 질산화가 일어나며, 제 3 챔버부에 제 2 전극부의 상부가 위치되고, 제 2 챔버부에 제 2 전극부의 하부가 위치되는 구조로 형성되어 도선을 통해 제 1 전극부로부터 제 2 전극부의 상부로 공급되는 전자가 탈질에 먼저 사용되므로 질소제거의 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 미생물연료전지에 따르면, 폐·하수 등에 포함된 유기물은 제 1 전극부의 표면에 부착된 제 1 바이오필름의 미생물에 의해 분해되고, 질소는 제 2 전극부의 표면에 부착된 제 2 바이오필름 및 제 3 바이오필름의 미생물에 의해 탈질되어 유기물과 질소를 동시에 제거할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 미생물연료전지에 따르면, 미생물 연료전지의 환원전극에 백금(Pt)촉매를 사용하지 않고, 환원전극을 사용함으로써 비용을 절감하여 경제성을 높일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 미생물연료전지에 따르면, 미생물 연료전지의 분리막에 양성자교환막(Proton Exchange Membrane, PEM)을 사용하지 않고, 음이온교환막(Anion Exchange Membrane, AEM) 및 양이온교환막(Cation Exchange Membrane, CEM)을 사용함으로써, 비용을 절감하여 경제성을 높일 수 있는 이점이 있다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 미생물 연료전지 2: 도선
100: 제 1 챔버부 200: 제 2 챔버부
300: 제 3 챔버부 400: 제 1 전극부
410: 제 1 바이오필름 500: 제 2 전극부
510: 제 2 바이오필름 520: 제 3 바이오필름
600: 제 1 이온교환막 700: 제 2 이온교환막
800: 분리수단 810: 홀
900: 유입수 이동관

Claims (12)

  1. 유기물 및 질소를 포함하는 유입수가 유입되는 제 1 챔버부;
    상기 제 1 챔버부의 일측에 형성되고, 하단에 연결된 유입수 이동관에 의해 상기 제 1 챔버부로부터 유입수가 유입되는 제 2 챔버부;
    상기 제 1 챔버부의 일측에 형성되고, 상기 제 2 챔버부의 상단에 배치되어, 상기 제 2 챔버부의 유입수가 유입는 제 3 챔버부;
    상기 제 1 챔버부와 상기 제 2 챔버부의 영역을 분리하는 제 1 이온교환막;
    상기 제 1 챔버부와 상기 제 3 챔버부의 영역을 분리하는 제 2 이온교환막; 및
    상기 제 2 챔버부와 상기 제 3 챔버부의 영역을 분리하고, 상기 제 2 챔버부에 유입된 유입수를 상기 제 3 챔버부로 이송하도록 홀이 형성된 분리수단;을 포함하고,
    상기 제 1 챔버부는 표면에 제 1 바이오필름이 부착된 제 1 전극부가 구비되며,
    상기 제 2 챔버부 및 상기 제 3 챔버부는 일체로 형성된 제 2 전극부가 구비되어, 상기 제 1 전극부와 도선을 통하여 전기적으로 연결된 상기 제 2 전극부는 제 2 챔버부 영역에 제 2 바이오필름이 부착되고, 상기 제 3 챔버부 영역에는 제 3 바이오필름이 부착되는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 전극부의 제 1 바이오필름은 상기 제 1 챔버부의 내부에서 유입수와 접촉하여 산화반응을 일으키는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 전극부 하부의 제 2 바이오필름은 상기 제 2 챔버부의 유입수와 접촉하여 제 1 화학반응을 일으키고, 상기 제 2 전극부 상부의 제 3 바이오필름은 상기 제 3 챔버부의 유입수와 접촉하여 제 2 화학반응을 일으키는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 챔버부에서 상기 제 3 챔버부까지 상기 홀을 통과하며 이송되는 유입수는 상향류(upflow) 방식인 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 바이오필름은 혐기성 미생물막인 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.

  6. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2 바이오필름은 질산성균을 포함하는 미생물막이고,
    상기 제 3 바이오필름은 탈질균을 포함하는 미생물막인 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 산화반응은 상기 제 1 바이오필름의 혐기성 미생물이 유입수의 유기물과 화학적으로 반응하여 유입수의 유기물을 제거하는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 화학반응은 상기 제 2 바이오필름의 질산성균이 유입수의 질소(N)와 화학적으로 반응하여 다음의 식과 같이, 질소를 질산화시키는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
    NH4 + + 2O2
    Figure 112013016631757-pat00006
    NO3 - + 2H+ + H2O
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 2 화학반응은 상기 제 3 바이오필름의 탈질균이 유입수의 질산염(NO3 -)과 화학적으로 반응하여 다음의 식과 같이, 질소를 탈질시키는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
    2NO3 - + 5H+ + 5e-
    Figure 112013016631757-pat00007
    N2(g) + 4H2O + 2OH-
  10. 제 8항에 있어서
    상기 암모늄이온(NH4 +)은 상기 제 1 이온교환막을 통해 상기 제 1 챔버부에서 상기 제 2 챔버부로 확산되는 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 이온교환막은 양이온교환막(Cation Exchange Membrane, CEM)인 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 이온교환막은 음이온교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)인 것을 특징으로 하는 미생물연료전지.
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