KR101417610B1 - 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극을 구비한 생물전기화학전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 생물전기화학전지는 산화전극이 충진된 산화전극부의 상부 및 측벽에 분리막을 설치하고, 분리막에 수직으로 다수의 독립된 환원전극을 모듈 형식으로 설치하며, 상기 산화전극에 도선을 이용하여 다수의 환원전극들을 각각 연결함으로써 환원전극과 같은 수의 독립적인 생물전기화학전지를 구성한다. 생물전기화학전지의 원료가 되는 유입수는 산화전극부로 주입하며, 산화전극부를 통과한 유출수는 산화전극의 양쪽 장측벽을 월류하여 측벽에 설치된 환원전극부의 하부로 수집되어 외부로 배출된다.

Description

분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극을 구비한 생물전기화학전지 {Bioelectrochemical cell with 3 dimensional air cathode perpendicular to separator}
본 발명은 유기물에 함유된 화학에너지를 전기화학적으로 활성을 가진 미생물을 이용하여 전기에너지 또는 메탄, 수소 등과 같은 에너지 물질로 변환시키는 생물전기화학전지에 관한 것이다.
생활하수, 유기성산업폐수, 축산폐수 등의 유기성 하폐수는 활성슬러지공정에 기반을 둔 다양한 호기성생물학적 처리공법들을 활용하여 처리하고 있다. 그러나, 대부분의 호기성생물학적 처리법들은 생물반응조를 교반하고 호기성미생물이 유기오염물을 분해하는데 필요한 전자수용체인 산소를 공급하기 위하여 많은 양의 에너지가 소요되는 폭기과정이 필요하다. 또한, 하폐수를 호기성생물학적 처리법으로 처리하는 과정에서는 최종처분에 어려움을 겪고 있는 폐활성슬러지가 다량 발생한다. 따라서, 지구온난화와 에너지고갈에 대한 위기감이 점차 고조되고 있는 최근에는 폭기과정을 필요로 하지 않고 폐슬러지 발생량이 상대적으로 작으며, 메탄이나 수소와 같은 에너지 물질을 부산물로 생산할 수 있는 혐기성미생물을 이용한 처리기술들에 대한 관심이 점차 높아지고 있다.
생물전기화학전지는 전기적으로 활성을 가진 미생물을 이용하여 혐기성 상태에서 유기물질에 함유된 화학에너지를 전기에너지 또는 바이오가스 등으로 직접 전환시키는 하폐수의 혐기성 처리 장치 중의 한가지이다.
생물전기화학전지는 전해질에 침지된 산화전극과 환원전극 그리고 산화전극과 환원전극 사이의 분리막, 산화전극과 환원전극을 연결한 외부회로로 구성된다. 산화전극의 표면에서는 전기적으로 활성을 가진 혐기성 미생물이 부착성장하며 유기물을 분해시켜 전자와 양성자를 생산하며, 산화전극은 생산된 전자를 수용한다. 산화전극에 수용된 전자는 외부회로를 통하여 환원전극으로 이동하며, 양성자는 전해질 및 분리막을 통하여 환원전극으로 이동한다. 환원전극에서는 산화전극에서 전달된 전자와 양성자 그리고 산소 등의 최종전자수용체가 결합하여 물이나 수소, 메탄 등의 최종생성물을 형성하여 반응이 완결된다. 이때 외부회로에 축전지, 전열기, 저항 등을 설치하여 전지에서 생산한 전기에너지를 회수하는 경우 미생물연료전지라 한다. 반면, 환원전극에 최종전자수용체인 산소 등이 존재하지 않는 경우 메탄, 수소 등이 발생하는데 이러한 형태의 생물전기화학전지를 미생물전해전지라 한다. 미생물전해전지의 경우 환원전극의 반응을 효율적으로 진행시키기 위하여 외부회로에 직류전원을 이용하여 전기에너지를 전지에 인가하는 것이 일반적이다. 지금까지 생물전기화학전지에 대한 연구는 주로 미생물연료전지를 중심으로 활발하게 진행되어 왔으며, 미생물전해전지의 경우 본격적인 연구가 시작된 것은 극히 최근이다. 그러나, 미생물연료전지는 미생물전해전지와 유사한 부품과 형상을 가지기 때문에 이하의 본 발명에서는 미생물연료전지를 중심으로 설명하고자 한다.
지금까지 생물전기화학전지에 대한 연구는 주로 전지의 형상 및 구조, 저렴한 고효율의 전극 및 재료개발 등을 중심으로 진행되어 왔다. 그러나, 아직까지 전지를 구성하는 전극, 분리막 등의 전지부품 소재가 고가이며, 전력 또는 바이오가스 생산 성능이 높지 않았다. 또한, 지금까지 연구된 전지들의 형상은 규모확대가 어려운 형태였으며, 규모확대시 전지의 성능이 크게 감소하거나 누수 등의 운전상의 문제가 많았다.
지금까지 연구보고된 생물전기화학전지의 형상으로는 2실형과 1실형 공기환원전극 생물전기화학전지로 구분된다. 2실형 전지는 실험실에서 연구용으로 많이 사용하였던 형상으로서 산화전극과 환원전극을 각각 분리막으로 구분된 2개의 액상 전해질 반응조에 설치한 형태이다. 그러나, 2실형 전지는 액상의 환원전극부를 사용하기 때문에 환원전극부에 전자수용체로서 6시안화철 화합물과 같은 산화제를 함유한 전해질을 사용하거나, 산소를 환원전극이 설치된 전해질 액상에 별도로 공급하여야 하는 단점이 있었다.
1실형 공기환원전극 전지로는 액상의 환원전극 반응조를 사용하는 대신 환원전극을 공기에 직접 노출시킴으로써 산소의 함량이 액상에 비해 높은 공기를 환원전극반응에 직접 이용함으로써 전지의 성능을 크게 향상시킨 공기환원전극 미생물연료전지에 대한 연구보고가 많다.
하폐수를 연속으로 처리할 수 있는 1실형 공기환원전극 미생물연료전지로는 산화전극을 수평으로 설치된 산화전극부의 바닥에 설치하고 산화전극 상부에 분리막과 공기와 접하는 환원전극을 각각 설치하고, 하폐수를 산화전극 반응조의 한쪽 끝단에 공급하여 수평으로 흐르게 한 수평 흐름을 가진 공기환원전극 반응조(대한민국 특허출원 제10-2008-0084548), 다공성 원통의 내부에 산화전극을 설치하고 원통의 외면에 분리막과 공기에 접하는 환원전극을 각각 설치한 수직원통형 공기환원전극 미생물연료전지(Kim 등, 2009), 카세트 형의 수직 구조체의 양면에 각각 분리막과 환원전극을 결합하여 밀폐하고 수직구조체 상부를 개방하여 공기펌프 등을 이용하여 인위적으로 공기의 주입이 가능하도록 하며, 산화전극은 수직구조체 사이의 수중에 설치한 카세트형 미생물연료전지(Shimoyama 등, 2008) 등으로 발전하여 왔다.
그러나, 수평흐름을 가진 공기환원전극 반응조는 동일한 공간에 다수의 전극을 적층하는데 불리하며, 산화전극부에서 발생한 가스가 분리막 하부면에 축적되어 기막을 형성함으로서 환원전극으로의 양성자의 이동을 방해하는 단점이 있다. 원통형 미생물연료전지는 작은 공간에 많은 수의 전지를 적층하기 위하여 산화전극부의 원통 직경을 작게하는 경우 제작에 많은 비용과 노동력이 소요된다는 단점을 가지고 있다. 밀폐형 수직구조체 상부를 개방하고 안쪽 양벽에 환원전극을 외부 양벽에 분리막과 산화전극을 각각 설치한 카세트형 미생물연료전지는 고밀도 적층을 위하여 내부의 공기층의 두께를 작게 할 경우 자연 통기가 어렵게 되어 전자수용체인 산소의 공급이 원활하지 않다는 문제가 있다.
또한, 대면적의 전극을 사용하는 경우 환원전극은 큰 정수압을 받게 되어 누수로 인한 운전상의 문제가 빈번히 발생할 수 있다는 단점이 있다.
한편 미생물전해전지의 경우는 미생물연료전지의 경우와 같은 측면에서 연구되고 있는데, 미생물연료전지와 동일한 문제들을 가지고 있다.
상기와 같은 관련기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 생물전기화학전지의 전력 또는 에너지물질의 수율을 극대화하고 누수 등의 운전상의 문제와 규모 확대시에도 성능 감소가 작은 생물전기화학전지의 구조 및 운전방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 인위적인 공기의 주입없이 환원전극의 반응을 크게 향상시켜 생물전기화학전지의 전력생산량 또는 메탄, 수소가스의 생산량을 극대화시키는데 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 산화전극이 적층 또는 충진된 산화전극부와, 상기 산화전극부의 상부 및 산화전극부의 측벽에 설치되는 환원전극부와, 상기 산화전극부와 환원전극부 사이에 설치된 양성자 전도성 분리막을 포함하며, 상기 환원전극부는 분리막과 직각으로 다수의 소형 환원전극들이 3차원적으로 설치되고, 상기 환원전극들은 절연 물질로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지를 제공한다.
상기 환원전극들은 4변을 가진 2차원 면으로 이루어지는 것이 바람직하며, 환원전극에 양성자를 공급하기 위하여 분리막 또는 액상에 직접 접촉하는 1변 또는 2변을 제외한 나머지 2변 또는 3변이 기체상에 노출되도록 설치된다.
또한, 산화전극부에 설치된 산화전극 1개에 다수의 소형 환원전극들을 저항이나 외부전원이 직렬로 연결된 도선으로 독립적으로 연결하여 환원전극의 수와 같은 갯수의 외부회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지를 제공한다. 산화전극부에 다수의 산화전극이 설치된 경우 각각의 산화전극에 다수의 환원전극이 연결된다.
상기 산화전극부는 측벽을 가진 3차원 공간형태이며, 바람직하게는 직육면체 또는 원통형이다. 상기 생물전기화학전지의 산화전극부 하부에 유입부를 설치하고 유입부에는 유입밸브를 설치하여 하폐수 등의 원료를 유입시킨다.
또한, 유입된 원료가 산화전극부로 고르게 분배되도록 하기 위하여 유입부와 산화전극부 사이에는 다공판 등의 유입수 분배장치를 설치하는 것이 바람직하다. 유입수는 산화전극부를 통과하여 산화전극부 측벽을 월류하거나 측벽에 설치된 분리막을 투과하여 측벽에 설치된 환원전극부의 하부에서 집수하여 배출되도록 한다.
본 발명에 의하면 산화전극부의 상부 및 측벽에 설치된 분리막에 대하여 직각으로 다수의 소형 환원전극을 3차원으로 적층시킴으로서 산화전극의 부피에 대한 환원전극의 면적비를 극대화함으로서 생물전기화학전지의 성능을 향상시키는 효과를 가진다.
또한, 분리막에 대하여 직각으로 설치된 다수의 3차원 환원전극들은 절연체를 이용하여 각각 구분하고 1개의 대형 산화전극에 연결한 다수의 환원전극은 독립적인 외부회로를 구성하기 때문에 다수의 소형전지들로 이루어진 생물전기화학전지의 집합체와 같은 효과를 거둘 수 있다. 소형의 환원전극들의 일부분이 분리막 또는 액상에 직접 접촉함으로서 양성자 공급이 원활하며, 나머지 부분이 기체상에 노출되도록 함으로서 환원전극의 반응성을 크게 향상시켜 생물전기화학전지의 전력생산량 또는 메탄, 수소가스의 생산량을 극대화 시킬 수 있는 효과가 있다.
특히, 2차원인 면 형상의 환원전극들이 분리막과 직각인 3차원으로 설치됨으로서 액상에 침지되거나 접한 환원전극의 면적이 일부분이지만 탄소나노튜브 등과 같이 친수성 물질로 환원전극을 구성함으로써 기체상과 접한 환원전극의 면적에도 양성자가 전달가능한 상태가 되기 때문에 환원전극의 성능이 최대화된다.
본 발명에 의한 생물전기화학전지는 산화전극부의 측벽을 높게 하거나, 측벽을 길게 하면 규모확대가 가능하기 때문에 하폐수처리 현장에서 실규모로 확대시에도 운전상의 어려움이나 성능의 감소가 적다.
도 1은 본 발명의 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극 생물전기화학전지의 종단면도
도 2는 본 발명의 산화전극 상부 환원전극부
도 3은 본 발명의 산화전극 측벽 환원전극부
도 4 내지 6은 본 발명의 실시 예에 따른 분극 실험 결과를 도시한 그래프
본 발명의 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극 생물전기화학전지는 산화전극이 충진된 산화전극부의 상부 및 측벽 각각에 분리막을 설치하고, 분리막에 수직으로 다수의 독립된 소형 환원전극들을 모듈 형식으로 설치하며, 도선을 이용하여 산화전극에 다수의 환원전극들을 연결함으로서 환원전극과 같은 수의 독립적인 생물전기화학전지를 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 생물전기화학전지의 원료가 되는 유입수는 유입부를 이용하여 산화전극부로 고르게 주입하며, 산화전극부를 통과한 유출수는 산화전극의 측벽을 월류하거나 측벽 분리막을 투과하여 측벽에 설치된 환원전극부의 하부로 수집되어 외부로 배출됨을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 생물전기화학전지의 구조 및 특징을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극을 가진 생물전기화학전지의 종단면도이다. 도시된 바에 따르면, 본 발명의 생물전기화학전지 하단에는 원료인 유입수가 유입되는 공간인 유입부(1) 및 유입밸브(2)가 있고, 유입부 상부에는 유입수 분배장치(3), 산화전극부(4), 산화전극부 상단 분리막(5) 그리고 산화전극부 상단 환원전극부(6)가 각각 수직적으로 배치되어 있다. 또한, 산화전극부(4)의 측벽에는 측벽 분리막(7)이 각각 설치되어있으며, 측벽에는 분리막(7)에 수직으로 측벽 환원전극부(8)가 설치되어 있다.
유입부(1)은 원료인 유입수를 산화전극부에 공급하기 위한 것으로 바람직하게는 산화전극부(4)의 하단에 설치하는 것이다. 유입수분배장치(3)는 유입부로부터 산화전극부로 유입수를 고르게 공급하기 위한 것으로서 다공판, 투수성 부직포 등이 사용될 수 있다. 유입부는 산화전극부 측벽의 일부 면에 설치할 수도 있으나 유입수를 고르게 산화전극부로 공급할 수 있어야 한다. 산화전극부(4)에는 산화전극이 충진되어 있으며, 산화전극부(4)의 바람직한 형상은 직육면체 또는 원통형이다. 산화전극(4)은 전기저항이 작고 전기화학적인 산화에 강하여야하고, 생물 친화성이 높아 미생물이 잘 붙어 살 수 있는 구조여야 한다. 또한, 유기물의 분해에 의해 생성된 전자전달이 효율적으로 이루어지도록 넓은 비표면적을 제공할 수 있어야 한다. 통상, 흑연펠트, 탄소섬유, 탄소천, 팽창흑연, 탄소나노튜브 등 넓은 비표면적을 가진 전도성 탄소물질이나 이들의 복합체를 사용할 수 있다. 산화전극부 상부의 분리막(5)은 산화전극과 환원전극을 공간적으로 분리하여 단락을 방지하기 위한 것으로서 산화전극부(4)로부터 환원전극부(6)로 양성자를 효율적으로 전달시킬 수 있어야 하며, 환원전극부(6)에서 산화전극부(4)로의 산소확산을 최소화할 수 있어야 한다. 따라서, 분리막(5)으로는 고가의 양이온교환막을 사용할 수 있으나 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐알콜 등의 다공성 고분자물질로 이루어진 다공판이나 부직포를 사용하는 것이 비용 면에서 바람직하다. 또한, 환원전극부를 산화전극부와 공간적으로 이격시킬 수 있는 경우 분리막을 사용하지 않아도 무방하다.
산화전극부 상단 환원전극부(6)는 도 2에서와 같이 다수의 소형 환원전극 모듈들로 이루어지며, 분리막에 직각으로 산화전극부 상단에 설치한다. 산화전극부 상단 환원전극부(6)를 구성하는 각각의 소형 환원전극들(6-1)은 부직포 등과 같은 다공성 절연물질(6-2)에 의해 구분한다. 환원전극(6-1)들은 활성탄, 흑연직물, 흑연종이, 흑연펠트, 팽창흑연, 탄소나노튜브 등과 같은 비표면적이 넓고 전도성이 우수한 탄소물질이나 이들 물질의 복합체로서 수분을 흡수할 수 있는 친수성이 좋으며, 산소환원촉매를 담지하고 있는 것이 더욱 바람직하다. 산소환원촉매로는 백금이 가장 우수하지만 고가의 귀금속이므로 백금과 유사한 정도의 촉매효율을 보이는 철, 코발트, 산화망간 등의 전이금속화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 1개의 환원전극 형상은 4변을 가진 2차원 면의 형태로서 장변이 20cm 이하인 소형으로 하는 것이 전력생산에 유리하다. 산화전극부 측벽 분리막(7)은 산화전극부로부터 산화전극 측벽 환원전극부(8)에 양성자를 공급할 수 있도록 양성자 전도막을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 한외여과막이나 나노막과 같은 투과성막을 사용할 수도 있으나, 유출수가 산화전극부 측벽을 월류할 수 있도록 측벽 분리막을 투과하는 유량이 유입수 유량보다 작아야 한다. 산화전극부 측벽 분리막(7)의 높이는 산화전극부(4)보다 1 ~ 2cm 높게 하여 산화전극부를 통과한 유출수에 의해 산화전극부 상단에 설치된 환원전극부(6)의 하부가 항상 잠길 수 있어야 한다. 산화전극부 측벽 환원전극부(8)는 측벽 분리막(7)에 직각으로 설치하는 것이 바람직하다.
산화전극부 측벽 환원전극부(8)는 도 3에서와 같이 다수의 소형 환원전극 모듈로 이루어지며, 각각의 환원전극들(8-1)은 부직포 등과 같은 다공성 절연물질(8-2)에 의해 구분되어 있다. 식별 번호 8-3과 8-4는 각각 산화전극 장측벽 환원전극부의 하부 침지선 및 측면 침지선을 나타내며, 원료가 투입되어 생물전기화학전지를 운전하는 과정에서 산화전극부 상단을 통해 측벽으로 월류한 유입수가 산화전극 측벽에 설치되는 환원전극들(8-1)에 유입될 때 각각의 환원전극들이 월류수에 의하여 침지되는 영역에 해당한다.
산화전극부 측벽 환원전극부 하단에 산화전극부를 별도로 둘 수 있으며, 이 경우 상기한 유입부 상단의 산화전극부는 1차 산화전극부가 되고 산화전극부 측벽하단의 산화전극부는 2차 산화전극부가 된다. 2차 산화전극부를 두는 경우 산화전극부 측벽을 월류하는 유출수가 2차 산화전극부로 유입하도록 하여야 하며, 2차 산화전극부 상부에 분리막을 설치하고 분리막과 직각으로 측벽 환원전극부를 설치하여야 한다. 2차 산화전극부를 두는 경우 산화전극의 표면적이 넓어지는 효과가 있으므로 전체 전지의 산화전극부의 성능을 더욱 향상시키는 효과가 있다.
산화전극부 측벽 환원전극들의 재료는 산화전극부 상단의 환원전극과 동일하다. 상기 산화전극부(4)의 산화전극을 도선을 이용하여 다수의 환원전극들과 연결하여 독립적인 회로를 구성하고 회로에는 저항 또는 콘덴서를 연결하거나 직류전원을 연결하여 환원전극과 같은 수의 독립적인 생물전기화학전지를 구성한다.
이와 같은 본 발명에 따른 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극 생물전기화학전지의 작동 내지 운전 방법을 도 1 ~ 도 3 을 활용하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명에 따른 생물전기화학전지의 원료로는 생활하수, 축산폐수, 매립지 침출수 등과 같이 유기물을 함유한 유기성폐수를 사용할 수 있다. 유입밸브(2)을 통하여 전지의 원료가 되는 유입수를 유입부(1)로 연속주입하면, 다공판 등으로 이루어진 유입수 분배장치(3)를 거쳐 혐기성상태로 유지되는 산화전극부(4)로 이동한다.
산화전극부(4)에서 유기성폐수에 함유된 유기물은 산화전극에 부착된 전기적으로 활성을 가진 미생물에 의해 분해되어 전자와 양성자 및 이산화탄소를 생성한다. 이때 유기물의 분해로부터 생성된 전자는 산화전극으로 전달되어 외부회로(10)을 거쳐 산화전극부 상단 및 측벽에 설치된 환원전극부(6, 8)의 환원전극으로 이동한다. 이때 생물전기화학전지에서 발생하는 전력은 외부회로에 저항체나 콘덴서 등(11)을 설치하여 회수한다. 생물전기화학전지를 미생물전해전지로 운전하는 경우는 외부회로에 저항대신에 외부전원을 설치하여 산화전극과 환원전극의 전위차가 1.5 V 이하가 유지되도록 하며, 미생물전해전지의 운전 목적에 따라 환원전극부를 케이스로 밀폐하여 기밀성을 유지할 수도 있다.
산화전극부(4)에서 생성하는 양성자는 산화전극 상단 분리막(5) 및 측벽 분리막(7)을 거쳐 산화전극부(4) 상단 및 측벽에 설치된 환원전극부(6, 8)로 이동한다. 이산화탄소는 산화전극부(4)의 상부로 이동한 뒤 분리막(5)을 통과하여 산화전극부 상단 환원전극부(6)를 통하여 외부로 배출된다.
본 발명의 생물전기화학전지가 미생물연료전지로 운전되는 경우 환원전극부(6, 8)에 설치된 환원전극(6-1, 8-1)에서는 산화전극에서 외부회로를 통하여 전달되어온 전자와 분리막을 통하여 이동하여온 양성자 그리고 대기 중의 산소가 만나 물을 생성하는 반응이 진행된다.
본 발명의 생물전기화학전지가 메탄, 수소등을 생산하기 위한 미생물전해전지로 운전되는 경우 환원전극반응에 산소를 배제하여야 함으로 환원전극부를 케이스로 덮어 밀폐하여야 한다. 이 경우 환원전극에서는 산화전극에서 도선을 통하여 전도되어온 전자와 분리막을 통하여 이동하여온 양성자가 결합하여 수소나 메탄과 같은 에너지 함유가스를 생성하게 된다.
본 발명의 생물전기화학전지의 원료인 유입수가 산화전극부(4)를 통과하면 산화전극부 상단의 환원전극부(6) 하단을 침지시켜 산화전극부로부터 환원전극부로의 양성자 이동매체역할을 하며, 산화전극부 측벽을 월류하여 측벽에 접하여 설치된 환원전극부의 한면을 따라 하부로 이동한다. 또한, 산화전극부 측벽에 설치된 환원전극부 하부에 설치된 유출밸브를 통하여 배출된다. 산화전극부 측벽에 설치된 환원전극부는 하단의 최소 1.0cm는 월류수에 의하여 침지되어 있어야 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 투수성 분리막을 산화전극부의 측벽으로 사용할 수 있으며, 이 경우 산화전극부를 통과한 유출수의 일부가 측벽에 설치된 분리막을 투과하여 환원전극부로 이동할 수도 있다. 4변을 가진 2차원 면의 형태인 환원전극의 1변 또는 2변이 유출수 또는 분리막과 접하지만 환원전극들은 모세관 현상에 의해 수분을 흡수하여 기체상과 접한 환원전극의 넓은 면적으로 양성자가 전달가능한 상태가 되기 때문에 환원전극의 성능이 극대화된다.
생물전기화학전지의 체류시간은 유입 하폐수에 함유된 유기물의 종류 및 농도에 따라 달라질 수 있으며, 통상 0.1 시간 내지 240시간이 바람직하다.
이상 설명한 본 발명의 생물전기화학전지의 구체적인 실시 예를 설명하며, 이들 실시 예에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
실시 예
실시 예에서 사용된 본 발명의 분리막에 수직으로 설치된 3차원 공기환원전극을 가진 생물전기화학전지는 47cm × 50cm × 38cm 크기의 아크릴수지로 제작하였다. 전지의 하부 5cm 높이 까지는 유입부로 사용하였으며, 유입부 상부에는 유입수분배장치로 다공판을 설치하였다. 유입수분배장치 상부는 15cm × 50cm × 15cm 크기의 산화전극부를 설치하였다. 산화전극부의 긴 측벽 양쪽에는 15cm 50cm 크기의 한외여과막(ultrafilter membrane)을 설치하여 분리막으로 사용하였다.
산화전극부에는 총 넓이가 15,876 cm2인 산화전극을 13.5cm × 49cm 크기로 접어 설치하였다. 본 전지에 사용된 산화전극은 질산처리한 흑연섬유직물을 30메쉬 스텐망에 재봉틀을 이용하여 물리적으로 결합하는 방법으로 제작하였다. 산화전극부의 산화전극 상부에는 폴리프로필렌 부직포를 설치하여 분리막으로 사용하였다.
산화전극 상부 분리막의 상단에는 분리막과 직각으로 5cm × 15cm 크기의 환원전극을 160개 설치하였다. 산화전극부의 장측벽에도 분리막과 직각으로 5cm × 15cm 크기의 환원전극을 160개 (160개 × 2개) 설치하였다. 모든 환원전극들 사이에는 부직포를 설치하여 절연하였으며, 환원전극들 각각의 평균간격은 약 3 mm 이었다. 환원전극은 질산처리한 다중벽탄소나노튜브 표면에 금속환원촉매(CuPc, FePc)를 고정시킨 뒤 팽창흑연과 혼합하고 나피온용액을 결합제로 활용하여 30메쉬 스텐망에 스크린프린팅하여 제조하였다. 모든 환원전극들은 1개의 산화전극과 도선으로 연결하여 독립적인 회로를 구성하였으며, 회로에는 외부저항을 설치하였다.
초기운전을 위하여 생물전기화학전지에 혐기성슬러지를 식종하고 초산을 이용하여 제조한 인공폐수(acetate 1,000mg COD/L, phosphate buffer solution 50mM, mineral 12.5mL/L, vitamin 12.5mL/L)를 수리학적체류시간 30분으로 연속 주입하였으며, 수온은 30℃를 유지하였다. 초기운전기간동안 외부저항은 30Ω으로 고정하였으며, 인공폐수의 COD는 약 1,000mg/L였으며, pH는 7.01이었다. 생물전기화학전지를 운전하는 동안 DMM(digital multimeter, Keithley 2700)이 연결된 컴퓨터를 이용하여 미생물연료전지에서 발생하는 전압을 30분 가격으로 모니터링 하였다. 모니터링한 전압이 안정화되었을 때 모든 회로를 개방한 뒤 외부저항을 30Ω에서 0.32Ω까지 단계적으로 감소시키면서 전압의 변화를 관측하는 방법으로 분극실험을 실시하여 도 4 내지 6에 도시하였다.
본 발명의 전지를 운전하는 동안 누수 등의 운전상의 문제는 전혀 발생하지 않았으며, 본 발명의 생물전기화학전지의 내부저항은 표 1에서 보는 바와 같이 산화전극부 좌우 측벽 환원전극전지 들의 경우 약 10.16Ω, 10.52Ω이었으나, 산화전극부 상부 환원전극전지 들의 경우 약 2.09Ω이었다. 또한, 본 발명의 생물전기화학전지의 전체 최대전력밀도는 648.41W/m3로서 대단히 높았다.
Cathod Internal resistance(Ω) Power Density (W/m3)
Left 10.16 105.88
Center 2.09 426.14
Right 10.52 116.39
산화전극부 좌우 측벽 환원전극 전지들의 상대적으로 큰 내부저항은 분리막으로 사용한 한외여과막의 낮은 양성자 전도성에 기인하는 것으로 평가되었다. 따라서, 분리막의 양성자 전도성을 개선한다면 내부저항을 감소시켜 더욱 높은 전력을 얻을 수 있을 것으로 평가된다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
1: 유입부 2: 유입밸브
3: 유입수 분배장치 4: 산화전극부
5: 산화전극 상단 분리막 6: 산화전극 상단 환원전극부
6-1: 산화전극 상단 환원전극 6-2: 산화전극 상단 절연체
6-3: 산화전극 상단 환원전극부 침지선
7: 산화전극부 장측벽 분리막 8: 산화전극부 장측벽 환원전극부
8-1: 산화전극 장측벽 환원전극 8-2: 산화전극 장측벽 절연체
8-3: 산화전극 장측벽 환원전극부의 하부 침지선
8-4: 산화전극 장측벽 환원전극부 측면 침지선
9: 유출밸브 10: 외부회로
11: 외부저항

Claims (12)

  1. 산화전극이 충진된 산화전극부와,
    상기 산화전극부의 상부 및 산화전극부의 측벽에 설치되는 환원전극부와,
    상기 산화전극부와 환원전극부 사이에 설치된 분리막을 포함하며,
    상기 환원전극부는 분리막에 직각으로 3차원적으로 설치된 다수의 소형 환원전극들로 구성되고, 저항이나 외부전원이 직렬로 연결된 도선으로 산화전극에 다수의 환원전극들을 연결하여 환원전극의 수와 같은 갯수의 독립적인 전지회로를 구성하는 것을 특징으로 생물전기화학전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 환원전극부의 환원전극은 4변을 가진 2차원 면의 형태로서 1변 또는 2변이 분리막 또는 액상에 접하며, 나머지 2변 또는 3변이 기체상에 노출된 형태로 분리막에 직각으로 3차원으로 설치하고,
    각각의 환원전극들은 절연물로 구분하여 설치한 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 환원전극들은 산화전극을 공유하면서 각각 도선으로 연결하여 독립적인 외부회로로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 산화전극부 상부의 분리막은 다공성 고분자물질로 이루어진 부직포인 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 산화전극부 측벽의 분리막은 양이온교환막, 한외여과막, 나노여과막 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화전극부 측벽 분리막은 산화전극부 상단 보다 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 산화전극부 측벽에 설치된 환원전극부 하단에 유출구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 생물전기화학전지를 미생물전해전지로 운전하는 경우 환원전극부를 덮개로 덮어 기밀 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 산화전극부 상부 환원전극부와 산화전극부 측벽 환원전극부 중에서 선택된 하나 이상의 환원전극부를 전지의 환원전극부로 사용하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 산화전극부 측벽 환원전극부의 하부에 산화전극부를 설치하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지.
  11. 산화전극이 충진된 산화전극부와, 상기 산화전극부의 상부 및 산화전극부의 측벽에 설치되는 환원전극부와, 상기 산화전극부와 환원전극부 사이에 설치된 분리막을 포함하며, 상기 환원전극부는 분리막에 직각으로 3차원적으로 설치된 다수의 소형 환원전극들로 구성되는 생물전기화학전지에 있어서,
    산화전극부 하부에 유입구를 설치하고, 산화전극부 측벽 환원전극부의 하단에 유출부를 설치하며,
    상기 유입구를 통하여 하폐수를 연속 유입시키고, 유입수분배장치를 거처 산화전극부를 통과한 뒤, 산화전극부 측벽을 월류하거나 측벽의 분리막을 투과하여 상기 유출부로 연속 유출시키는 것을 특징으로 하는
    생물전기화학전지의 운전방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 생물전기화학전지의 유입 하폐수 체류 시간은 0.1 시간 내지 240시간인 것을 특징으로 하는 생물전기화학전지의 운전방법.




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