KR102052005B1

KR102052005B1 - 강하형 미생물 연료전지 시스템 및 이의 작동방법

Info

Publication number: KR102052005B1
Application number: KR1020170141387A
Authority: KR
Inventors: 장인섭; 김봉규; 장재경
Original assignee: 광주과학기술원; 대한민국(농촌진흥청장)
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2019-12-04
Also published as: KR20190047465A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템은 기질 유입구를 형성한 제1 중공부를 구비하는 수나사부를 포함하는 반응조, 제1 중공부에 대응되며 기질 유출구를 형성하는 제2 중공부가 배치된 반응기 홀더, 수나사부의 제1 중공부와 상기 반응기 홀더의 제2 중공부를 결합시켜 기질 유입구 및 기질 유출구를 연결시키는 반응 영역 및 기질 유출구 하부에 배치되는 수집조를 포함하되, 기질 유출구와 수집조 사이에는 에어 갭을 배치되며, 반응 영역에는 대향 배치되는 제1 전극 및 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 세라믹 분리막이 배치되고, 반응조, 반응기 홀더, 에어 갭 및 수집조는 수직 배열된다.

Description

강하형 미생물 연료전지 시스템 및 이의 작동방법{Descending type microbial fuel cell system and method of operation thereof}

본 발명은 강하형 미생물 연료전지 시스템 및 이의 작동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다공성의 세라믹 분리막을 사이에 두고 상부에서 전기를 생산하고, 하부에서 스트루바이트(Struvite)를 생성함으로써 스트루바이트(Struvite)의 생산 능력을 향상시키고, 용이하게 스트루바이트의 회수율을 향상시킬 수 있는 강하형 미생물 연료전지 시스템 및 이의 작동방법에 관한 것이다.

자원과 에너지의 고갈, 기후 변화 및 지구 온난화의 위기에 효과적으로 대응하기 위해서는 환경과 에너지 문제를 총체적으로 접근해야 할 필요가 있다. 다시 말해, 이 시대가 안고 있는 자원 및 에너지 고갈, 기후변화 및 지구온난화 등의 문제는 전통적인 환경, 에너지 기술의 불가피한 변화를 촉구하고 있다.

따라서 지구가 허용한 범위 내에서 인간의 활동을 확장하기 위해서는 자원순환과 같은 지속 가능한 시스템으로의 체제 전환이 필요하다.

이와 더불어 환경오염 제어기술과 접목하여 최근에는 자연 생태계의 원리인 물질 및 에너지 순환흐름을 인간사회에 적용한 자원 순환형 시스템의 구현이 지속 가능한 발전의 대안으로 떠오르고 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 기술을 '녹색기술(green technology)' 혹은 '산업생태 기술(industrial ecology technology)'이라 부르기도 한다. 천연자원의 소비를 억제하면서 환경부하 또한 저감할 수 있는 이 시스템에서 주목할 점은 순환자원이다. 순환자원은 폐기물로부터 추출된 유용한 자원을 의미하며, 폐기물이 새로운 에너지 혹은 물질의 원천으로 활용될 수 있다.

유용자원을 회수할 만한 폐기물로는 인류가 살아감에 있어 발생할 수 밖에 없는 폐수가 단연 돋보이는 자원일 수 있다. 폐수 내에는 폐수의 성상에 따라 큰 차이를 보이는 경우도 있지만, 대체로 높은 유기물 함량과 고농도의 인과 질소 등의 영얌 염유가 다량 존재하고 있다. 유기물의 화학에너지와 영양 염류를 회수하기 위한 방안들이 제시되고 있는 중에, 미생물연료전지를 기반으로 한 시스템이 속속들이 소개되고 있다.

미생물연료전지(MFC, microbial fuel cell)는 생명과학과 환경 바이오 공학 및 전기화학의 비약적 발전으로 탄생한 대표적 자원 순환형 시스템이다. 미생물연료전지는 폐수 내 존재하는 유/무기물의 잠재된 화학 에너지를 생촉매 전기화학반응을 이용하여 직접 전기 에너지로 전환할 수 있다.

이러한 미생물연료전지는 인간이 사용하고 버린 오염물질로부터 유용한 에너지를 회수하기 때문에 단순한 재생에너지의 의미를 넘어서 특히, 미생물연료전지의 생촉매 전기 생산 기술이 하폐수처리장과 연계될 경우, 과거의 소극적 환경처리 시설이 에너지 생산시설로, 또는 더 나아가 에너지 자립형 자원순환 시스템으로 발전하는데 크게 일조할 수 있다.

이에 따라 최근에는 미생물연료전지의 운전 매카니즘을 기반으로 폐수에서 전기에너지뿐만 아니라 염양 염류를 회수하고자 하는 시도가 이루어지고 있으며, 회수되는 영양 염류의 형태 중 대표적으로 스트루바이트(struvite)가 있다.

상기한 스트루바이트(Struvite)는 인과 질소, 마그네슘으로 구성된 화합물로 비료의 원료로 사용될 수 있어 시장 경제적인 가치가 높게 평가되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다공성의 세라믹 분리막을 사이에 두고 상부에서 전기를 생산하고, 하부에서 스트루바이트(Struvite)를 생성함으로써 스트루바이트(Struvite)의 생산 능력을 향상시키고, 용이하게 스트루바이트의 회수율을 향상시킬 수 있는 강하형 미생물 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 필요한 부품을 간소화시켜 시스템의 구성에 필요한 비용을 절감할 수 있는 강하형 미생물 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 다공성 세라믹 분리막의 특성에 기반하여 폐수처리 능력을 향상시킬 수 있는 강하형 미생물 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템은 기질 유입구를 형성한 제1 중공부를 구비하는 수나사부를 포함하는 반응조, 상기 제1 중공부에 대응되며 기질 유출구를 형성하는 제2 중공부가 배치된 반응기 홀더, 상기 수나사부의 제1 중공부와 상기 반응기 홀더의 제2 중공부를 결합시켜 상기 기질 유입구 및 상기 기질 유출구를 연결시키는 반응 영역 및 상기 기질 유출구 하부에 배치되는 수집조를 포함하되, 상기 기질 유출구와 상기 수집조 사이에는 에어 갭을 배치되며, 상기 반응 영역에는 대향 배치되는 제1 전극 및 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 세라믹 분리막이 배치되고, 상기 반응조, 반응기 홀더, 에어 갭 및 수집조는 수직 배열된다.

상기 세라믹 분리막을 사이에 두고 상기 세라믹 분리막의 상부에 배치된 상기 반응조는 전기를 생성하고, 상기 세라믹 분리막을 사이에 두고 상기 세라믹 분리막의 하부에 배치된 상기 수집조는 스트루바이트(Struvite)를 생성할 수 있다.

상기 수나사부는 링 형상으로 형성되고, 상기 반응조와 일체형으로 배치될 수 있다.

상기 수나사부는 상기 반응조의 하면에서 돌출되게 배치되며, 상기 수나사부의 내경에 상기 제1 중공부가 배치되고, 상기 수나사부의 외경에는 제1 스크류가 배치될 수 있다.

상기 반응기 홀더는 내경과 외경을 구비한 링 형상으로 배치되며, 상기 반응기 홀더의 내경에는 제2 스크류가 배치되며, 상기 수나사부의 제1 스크류와, 상기 제2 스크류가 결합될 수 있다.

상기 반응 영역에는 가스켓, 집전기가 더 배치될 수 있다.

상기 가스켓은 상기 집전기, 제1 전극, 제2 전극 및 세라믹 분리막을 지지/고정시킬 수 있다.

상기 제1 전극과 상기 제2 전극에는 전기소자가 더 연결될 수 있다.

상기 세라믹 분리막은 다공성의 카본(Carbon), 다공성 실리콘(SiO2), 다공성 이산화 티탄(TiO2), 제올라니트(Zeolite), 다층형(Multi-layer) 세라믹 필터, 다공성 게르마늄(Ge), 다공성 담체 및 이들의 화합물 중 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 반응조에는 전기화학 활성 미생물을 포함하는 제1 용액이 제공될 수 있다.

상기 세라믹 분리막은, 상기 제1 용액에 대해 정삼투압 현상을 진행시켜고, 상기 제1 용액을 필터링시켜 물과 이온을 포함하는 제2 용액을 상기 수집조로 제공할 수 있다.

상기 수집조에는 상기 세라믹 분리막을 통과한 상기 제2 용액의 석출물이 강하할 수 있다,

상기 에어 갭은, 상기 제2 전극과 상기 수집조를 이격시킬 수 있다.

상기 에어 갭은 상기 제2 전극과 상기 수집조가 2mm 이상의 범위로 이격된 간격에 배치될 수 있다.

상기 수집조에는 pH 범위를 조절하는 첨가제가 첨가될 수 있다.

상기 첨가제는 상기 제2 용액의 pH를 pH 9~10으로 형성하고, 유지하도록 조절시킬 수 있다.

상기 수집조에는 전해질 용액이 제공될 수 있다.

상기 전해질 용액은 Mg²+를 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법은 반응조에 제1 용액을 제공하는 단계, 상기 반응조에서 전기를 생성시키는 단계, 상기 제1 용액을 반응기 홀더에 배치된 세라믹 분리막에 유입시켜 제2 용액을 형성하는 단계, 상기 제2 용액을 수집조로 유출시키는 단계, 상기 수집조의 제2 용액에 전해질을 제공하여 상기 수집조에서 석출물을 강하시키는 단계를 포함하되, 상기 석출물은 스트루바이트이다.

상기 세라믹 분리막은, 상기 제1 용액에 대해 정삼투압 현상을 진행시켜고, 상기 제1 용액을 필터링시켜 물과 이온을 포함하는 제2 용액을 상기 수집조로 제공하는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법.

상기 수집조에는 상기 세라믹 분리막을 통과한 상기 제2 용액의 석출물이 강하할 수 있다.

상기 반응기 홀더와 상기 수집조 사이에는 에어 갭이 배치될 수 있다.

상기 에어 갭은 상기 반응기 홀더와 상기 수집조가 2mm이상의 범위로 이격된 간격에 형성될 수 있다.

상기 수집조에는 전해질 용액이 제공될 수 있다.

상기 전해질 용액은 Mg²⁺를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템은 다공성의 세라믹 분리막을 사이에 두고 상부에서 전기를 생산하고, 하부에서 스트루바이트(Struvite)를 생성함으로써 스트루바이트(Struvite)의 생산 능력을 향상시키고, 용이하게 스트루바이트의 회수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템은 필요한 부품을 간소화시켜 시스템의 구성에 필요한 비용을 절감할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템은 다공성 세라믹 분리막의 특성에 기반하여 폐수처리 능력을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템을 도시한 단면도이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템의 반응기 홀더 및 반응조를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법을 도시한 순서도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템을 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템의 반응기 홀더 및 반응조를 도시한 분해 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템(10)은 반응 영역(HA)을 포함하는 반응기 홀더(300), 반응조(100), 수집조(200) 및 에어 갭(AG)을 포함한다.

여기서 강하형 미생물 연료전지 시스템(10)은 반응조(100), 반응기 홀더(350), 에어 갭(AG) 및 수집조(300) 순으로 수직 배열될 수 있다.

그리고, 강하형 미생물 연료전지 시스템(10)은 세라믹 분리막(350)을 사이에 두고 세라믹 분리막(350)의 상부에 배치된 반응조(100)는 전기를 생성할 수 있고, 세라믹 분리막(350)을 사이에 두고 세라믹 분리막(350)의 하부에 배치된 수집조(200)는 스트루바이트(Struvite)를 생성할 수 있다.

먼저, 반응조(100)는 반응조(100)의 하면에 형성된 기질 유입구(140)를 포함할 수 있다. 반응조(100)는 기질 유입구(140)의 테두리를 따라 반응조(100)의 하면에서 돌출된 수나사부(150)를 포함할 수 있다. 수나사부(150)는 반응조(100)와 일체형으로 형성될 수 있다.

구체적으로 수나사부(150)의 외경에는 제1 스크류(155)가 형성되어 있고, 내부에는 제1 중공부(1100)가 형성되어 기질 유입구(140)로 시작되는 중공 형상이 수나사부(150)의 단부까지 이어져 있다. 다시 말해, 수나사부(150)는 링 형상으로 형성되어 있으며, 수나사부(150)의 길이는 반응기 홀더(300)의 두께와 동일하거나 유사한 크기로 배치될 수 있다.

그리고, 반응기 홀더(300)는 내경과 외경을 구비한 링 형상으로 배치될 수 있다. 구체적으로, 반응기 홀더(300)는 반응기 홀더(300)의 내경에 배치되는 제2 스크류(305), 반응기 홀더(300)의 내경으로 형성되는 제2 중공부(1200)를 포함할 수 있다. 제2 중공부(1200)는 기질 유출구(340)로 사용할 수 있다.

여기서, 수나사부(150)의 제1 스크류(155)와, 반응기 홀더(300)의 제2 스크류(305)를 결합시킬 수 있다. 즉, 반응조(100)와 반응기 홀더(300)는 제1, 2 스크류(155, 305)를 통해 결합될 수 있다.

따라서 결합된 반응조(100)와 반응기 홀더(300)는 기질 유입구(140) 및 기질 유출구(340)를 연결시키는 반응 영역(HA)을 형성할 수 있다. 다시 말해, 제1 중공부(1100)와 제2 중공부(1200)를 결합시켜 중공으로 형성된 반응 영역(HA)을 형성할 수 있다.

여기서 중공으로 형성된 반응 영역(HA)에는 제1 전극(310), 세라믹 분리막(350) 및 제2 전극(320) 등이 배치될 수 있다.

한편, 반응조(100)에는 제1 용액(1000)이 배치될 수 있다. 제1 용액(1000)은 전기화학 활성 미생물을 포함할 수 있다. 다시 말해, 제1 용액(1000)은 상기 전기화학 활성 미생물을 포함하는 폐수일 수 있다.

상기 전기화학 활성 미생물은 디설포비브리오 불가리스(Disulfovibrio vulgaris), 지오박터 메탈리리듀슨스 (Geobacter metallireducens), 지오박터 설퍼리듀슨스(Geobacter sulfurreducens) 및 스와넬라 오네이덴시스(Shewanella oneidensis)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 어느 하나 이상의 혼합일 수 있다.

상기 전기화학 활성 미생물를 통해 반응조(100)에는 전기가 생성될 수 있다. 상기 전기화학 활성 미생물은 기질을 생분해하여 전자를 발생시킬 수 있다.

여기서 발생된 전자를 전달받을 수 있는 전자 수용체가 필요하며, 상기 전자 수용체로써 제1 전극(310)이 반응 영역(HA)에 배치될 수 있다. 따라서, 제1 전극(310)은 유기물로부터 전자를 받아 발생된 전자를 통해 전기를 생성할 수 있다.

여기서 반응 영역(HA)에서 반응조(100)의 하면에 형성된 중공은 기질 유입구(140)로 역할을 할 수 있고, 반응기 홀더(300)의 하면에 형성된 중공은 기질 유출구(340)로 역할을 할 수 있다. 다시 말해, 중공으로 형성된 반응 영역(HA)의 출구와 입구는 각각 기질 유입구(140)와 기질 유출구(340)로써의 역할을 할 수 있다.

이와 같이, 반응조(100)에 배치된 제1 용액(1000)은 반응 영역(HA)의 입구인 기질 유입구(140) 및 반응 영역(HA)의 일부까지 배치될 수 있다. 따라서, 제1 전극(310)은 기질 유입구(140)로 인해 제1 용액(1000)에 담지될 수 있다. 즉, 제1 전극(310)은 상기 전기화학 활성 미생물로 인해 혐기(anaerobic) 조건인 제1 용액(1000) 상에 배치될 수 있다.

제1 전극(310)에서는 상기 전기화학 활성 미생물이 전극 표면에 부착되어 생물막(biofilm)을 형성할 수 있다. 이들 전기화학 활성 미생물은 제1 전극(310)의 표면에서 기질을 생분해하여 발생한 전자를 제1 전극(310)에 전달할 수 있다.

제1 전극(310)은 폐수 등 전기화학 활성 미생물을 포함하는 제1 용액(1000)에 항상 젖어 있거나 혹은 전해질에 담지되어 있어 부식에 의해 저항 상승 등의 영향을 미칠 수 있다. 따라서 제1 전극(310)은 표면적을 넓혀 상기 전기화학 활성 미생물의 친화성이 좋아 부착이 용이하여야 하며, 전자를 빨리 전달할 수 있어야 한다.

그리고 반응 영역(HA)에는 제1 전극(310)에 대향 배치되는 제 2전극(320)이 배치될 수 있다. 제1 전극(310) 및 제 2전극(320) 사이에는 세라믹 분리막(350)이 배치될 수 있다.

구체적으로, 반응 영역(HA)에는 세라믹 분리막(350)을 중심으로 대칭되게 가스켓(380, 390)이 배치될 수 있다.

상기 가스켓은 링 형상으로 배치될 수 있으며, 기질 유입구(140)에 인접하게 배치되는 제1 가스켓(380)과, 기질 유출구(340)에 인접하게 배치되는 제2 가스켓(390)을 포함할 수 있다. 제1, 2가스켓(380, 390)은 제1, 2 스크류(155, 305)에 결합되어 배치될 수 있다.

제1, 2 가스켓(380, 390)은 반응기 홀더(300)와 수나사부(150)의 결합력을 향상시킬 수 있으며, 제1 용액(1000) 등의 용액이 반응 영역(HA) 내부로 누수되는 것을 방지할 수도 있다.

또한, 제1, 2 가스켓(380, 390)은 반응 영역(HA)에 배치되는 제1, 2전극(310, 320), 제1, 2 집전기(360, 370), 세라믹 분리막(350)을 지지/고정시킬 수 있다. 다시 말해, 제1, 2전극(310, 320), 제1, 2 집전기(360, 370), 세라믹 분리막(350)은 반응 영역(HA)의 중공에 배치되기 때문에 지지/고정시키기 위해 제1, 2가스켓(380, 390)을 반응 영역(HA)의 상/하부에 배치시키는 것이 바람직하다.

그리고, 제1 가스켓(380)의 하부에는 제1집전기(360)가 배치될 수 있고, 제2 가스켓(390)의 상부에는 제2 집전기(370)가 배치될 수 있다. 구체적으로 제1집전기(360)는 제1 전극(310)과 제1 가스켓(380) 사이에 배치될 수 있고, 제2 집전기(370)는 제2 전극(320)과 제2 가스켓(390) 사이에 배치될 수 있다. 여기서 제1, 2 집전기(360, 370)는 메쉬 형상으로 배치될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 전기를 수집할 수 있는 형상이면 어떠한 형상으로도 배치 가능하다.

제1 집전기(360)의 하부에는 제1 전극(310)이 배치될 수 있다. 제1 전극(310)은 전기 전도도(electrical conductivity)가 높고, 저항이 낮아야 하고, 미생물에게 독성이 없어야 하고, 미생물에게 친화성(biocompatibility)이 커야 하고, 화학적 안정성(chemical stability)이 있고, 부식(corrosion)이 되지 않는 것이 바람직하다. 또한, 단위부피당 비표면적(specific surface area)이 커야 하고, 제1 전극(310)은 미생물 증식에 따른 막힘이 없어야 하고, 규모확대가 용이한 것이 바람직하다. 경우에 따라, 제1 전극(310)은 상기한 조건을 향상시키기 위해 전처리를 통해 미생물 부착성 및 전자 전달력을 향상시킬 수 있다.

제1 전극(310)의 하부에는 세라믹 분리막(350)이 배치될 수 있다. 다시 말해, 제1 전극(310)과 제2 전극(320) 사이에 세라믹 분리막(350)이 배치될 수 있다.

먼저, 제2 전극(320)은 캐소드 전극일 수 있다. 제2 전극(320)은 제1 전극(310)에서 생성된 전자를 외부 도선(750)을 통해 제2 전극(320)으로 이동시킬 수 있다.

여기서 제1 전극(310)과 제2 전극(320)에 연결된 외부 도선(750)에는 전자 소자(700)가 배치될 수 있다. 전자 소자(700)는 대표적으로 축전기일 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다. 제2 전극(320)은 단위부피당 비표면적을 넓히고, 양성자를 용이하게 포획할 수 있는 높은 산화환원전위를 가지는 것이 바람직하다.

그리고, 세라믹 분리막(350)은 제1 전극(310) 및 제2 전극(320)을 분리시키며, 다공성의 재료를 사용할 수 있다.

세라믹 분리막(350)은 제1전극(310)로 공급된 기질이 제2 전극(320)으로 유입되지 않도록 제1 전극(310)과 제2 전극(320)을 분리하는 역학을 할 수 있고, 협기성 상태인 제1 전극(310)에 산소가 유입되는 것을 방지할 수 있다.

세라믹 분리막(350)은 다공성의 카본(Carbon), 다공성 실리콘(SiO2), 다공성 이산화 티탄(TiO2), 제올라니트(Zeolite), 다층형(Multi-layer) 세라믹 필터, 다공성 게르마늄(Ge), 다공성 담체 및 이들의 화합물 중 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

세라믹 분리막(350)은, 제1 용액(1000)을 대해서 정삼투 현상을 진행시킬 수 있다. 그리고 제1 용액(1000)을 필터링시켜 제2 용액(2000)을 형성할 수 있다. 즉, 세라믹 분리막(350)은 상기 전기화학 활성 미생물 내의 물과 이온을 포함하는 제2 용액(2000)을 형성하고 낙하시켜 수집조(200) 방향으로 제2 용액(2000)을 제공할 수 있다. 여기서 제2 용액(2000)은 물에 이온이 해리된 전해질 용액일 수 있다.

세라믹 분리막(350)은 통과한 제2 용액(2000)은 제2 전극(320)을 통과하여 수집조(200)에 채워질 수 있다. 구체적으로, 제2 용액(200)은 세라믹 분리막(350)의 공극보다 작은 물과 이온들만이 통과하여 제2 전극(310)을 지나 기질 유출구(340)를 통해 수집조(200)에 제공될 수 있다.

여기서 기질 유출구(340)와 수집조(200) 사이에는 에어 갭(AG)이 배치될 수 있다. 에어 갭(AG)은 제2 전극(320)과 수집조(200)를 이격시켜 반응기 홀더(300)의 내부에서 스트루바이트가 생성되는 방지할 수 있다.

또한, 에어 갭(AG)이 수집조(200)와 제2 전극(320) 사이에 배치되어, 수집조(200)에 마그네슘 이온과 pH를 컨트롤하기 위해 주입되는 이온들이 제2 전극(320)이 배치된 반응기 홀더(300), 구체적으로 반응 영역(HA)로 확산되는 방지할 수 있음에 따라 반응기 홀더(300)의 내부, 구체적으로 제2 전극(320) 상에 스트루바이트의 형성을 방지할 수 있다.

예를 들면, 종래에는 스트루바이트(struvite) 결정이 반응기 내부인 제2 전극(cathode) 표면에서 형성되었다. 즉, 종래의 시스템을 기반으로 스트루바이를 회수하고자 할 때에는 시스템의 운전을 멈춰야 하는 문제가 발생하였다.

두 개의 이온교환막을 사용하고 3개의 챔버(Three chamber system)를 사용하는 시스템의 경우, 두 개의 각각 다른 분리막을 사용하여 세 개의 반응조로 운전되는 미생물연료전지의 시스템을 구성하여 운전할 경우 가운데 반응조에서 스트루바이트가 생성될 수 있었다.

또한, 종래의 미생물연료전지의 시스템을 구성하기 위해 두 개의 다른 이온교환 능력을 가지고 있는 분리막을 사용해야 하며, 3개의 반응조를 구성해야 하기 때문에 경제적인 문제점이 발생할 수 있다. 게다가 가운데 반응조에서 생성된 스트루바이트를 회수하기 위해서 운전 중인 시스템의 작동을 멈춰야 하는 문제점이 발생할 수 있었다.

또한, 스트루바이트를 생성하기 위해 반응을 유도하는 주입 이온들이 가운데 반응조에서 이온교환막을 통하여 애노드(anode)가 존재하는 다른 두 개의 반응조로 확산될 경우, 미생물연료전지 본연의 역할인 전기생산능력에 악영향을 미치게 되는 단점이 존재하였다.

다른 방안으로 한 개의 이온교환막을 사용하고 듀얼 챔버 또는 싱글 챔버를 사용하는 시스템(Dual chamber or single chamber system)의 경우, 한 개의 이온교환막을 기반으로 운전되는 미생물연료전지 시스템의 경우, 실험적인 과정에서 스트루바이트가 생산되었다고는 하나, 정제되지 않은 화합물일 가능성이 매우 높으며, 스트루바이트의 생성 능력이 두개의 이온교환막을 사용하는 시스템에 비해서도 매우 낮을 수 있었다. 또한 시스템에서 생성된 스트루바이트를 회수하기 위해서는 반응기의 운전을 멈춰야 될 뿐만 아니라 시스템의 구성 상 반응기의 해체 수순을 밟아야 하는 문제점이 존재하였다.

이와 같이, 종래의 미생물연료전지의 시스템은 반응기 내부의 전극 표면 상에 발생된 스트루바이트 결정의 회수가 어렵다는 단점이 존재할 수 있으며, 효율적인 회수가 어렵다는 단점이 존재하였다.

그러나 본 발명에 따른 미생물연료전지의 시스템(10)은 제2 전극(320)과 수집조(200) 사이를 이격시키는 에어 갭(AG)을 배치시킴으로써 반응기 홀더(300), 구체적으로 반응 영역(HA)의 내부에서 스트루바이트(290)가 생성되는 것을 방지할 수 있고 수집조(200)에서 스트루바이트(290)를 생성시켜 용이한 회수가 가능하다.

이와 같이, 에어 갭(AG)은 제2 전극(320) 상에 스트루바이트(290)가 생성되는 것을 방지할 수 있도록 제2 전극(320)과 수집조(200)는 2mm 이상의 범위로 이격시키는 것이 바람직하다.

에어 갭(AG)이 2mm 미만의 범위로 배치되는 경우, 제2 전극(320)과 수집조(200)가 너무 근접하게 배치되어 제2 전극(320)의 표면 상에 스트루바이트가 형성되는 문제점이 발생할 수도 있다.

그리고, 제2 전극(320)과 수집조(200) 사이에 에어 갭(AG)을 유지시키기 위해 반응조(100)와 수집조(200)의 가장자리 영역에는 지지대(900)를 더 배치시킬 수 있다.

한편, 수집조(200)에 채워진 제2 용액(2000) 상에는 마그네슘 이온 또는 pH를 컨트롤하기 위해 첨가제를 제공할 수 있다. 여기서 마그네슘 이온 또는 pH를 컨트롤하기 위해 첨가제을 전해질(250)로 통칭하기로 한다.

폐수 내에는 스트루바이트를 석출하기 위한 마그네슘의 필요 양보다 적은 양이 존재하는 경우가 많기 때문에 마그네슘 이온을 제2 용액(2000)에 추가해 줄 수 있다. 즉, 제2 용액(2000) 상에 마그네슘 이온 부족으로 스트루바이트의 석출이 용이하지 않을 수 있다. 그러므로 마그네슘 이온을 포함하는 전해질(250)을 제2 용액(2000) 상에 제공하여 스트루 바이트의 석출을 용이하게 할 수 있다.

그리고, 제2 용액(2000)의 pH를 조절하기 위해 전해질(250)을 첨가할 수 있다. 구체적으로, 전해질(250)은 제2 용액(2000)의 pH를 스트루바이트의 회수율을 높일 수 있는 적정 pH 9~10으로 형성 및 유지할 수 있도록 조절시킬 수 있다.

따라서, 제2 용액(2000)으로부터 석출되는 석출물(290)을 수집조(200)에서 석출시킬 수 있다. 여기서 상기 석출물(250)은 스트루바이트일 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템(10)은 다공성의 세라믹 분리막(350)을 사이에 두고 반응조(100)에서 전기를 생산하고, 수집조(200)에서 스트루바이트(Struvite)를 생성함으로써 스트루바이트(Struvite)의 생산 능력을 향상시키고, 용이하게 스트루바이트의 회수율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템(10)은 필요한 부품을 간소화시켜 시스템의 구성에 필요한 비용을 절감할 수 있고, 다공성 세라믹 분리막(350)의 특성에 기반하여 폐수처리 능력을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법을 도시한 순서도이다.

여기서 도 4는 중복 설명을 회피하고, 용이한 설명을 위해 도 1 내지 도 3을 인용하여 설명하기로 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 반응조(100)에 제1 용액(1000)을 제공하는 단계(S100), 반응조(100)에서 전기를 생성시키는 단계(S200), 제1 용액(1000)을 반응기 홀더에 배치된 세라믹 분리막(350)에 유입시켜 제2 용액(2000)을 형성하는 단계(S300), 제2 용액(2000)을 수집조(200)로 유출시키는 단계(S400), 수집조(200)의 제2 용액(2000)에 전해질(250)을 제공하여 수집조(200)에서 석출물(290)을 강하시키는 단계(S500)를 포함한다. 여기서, 석출물(290)은 스트루바이트일 수 있다.

다시 말해, 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템(10)의 작동방법을 통해 세라믹 분리막(350)을 사이에 두고 세라믹 분리막의 상부에 배치된 반응조(100)는 전기를 생성하고, 세라믹 분리막(350)을 사이에 두고 세라믹 분리막(350)의 하부에 배치된 수집조(200)는 스트루바이트(Struvite)를 생성할 수 있다.

반응조(100)에 제1 용액(1000)을 제공하는 단계(S100)에서, 반응조(100)에는 전기화학 활성 미생물을 포함하는 제1 용액(1000)이 제공될 수 있다. 제1 용액(1000)은 폐수일 수 있다.

제1 용액(1000)을 반응기 홀더에 배치된 세라믹 분리막(350)에 유입시켜 제2 용액(2000)을 형성하는 단계(S300) 및 제2 용액(2000)을 수집조(200)로 유출시키는 단계(S400)에서, 세라믹 분리막(350)은 다공성의 카본(Carbon), 다공성 실리콘(SiO2), 다공성 이산화 티탄(TiO2), 제올라니트(Zeolite), 다층형(Multi-layer) 세라믹 필터, 다공성 게르마늄(Ge), 다공성 담체 및 이들의 화합물 중 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

그리고 세라믹 분리막(350)을 통해 제1 용액(1000)에 대해 정삼투압 현상을 진행시켜고, 제1 용액(1000)을 필터링시켜 물과 이온을 포함하는 제2 용액(2000)을 수집조(200)로 제공할 수 있다.

한편, 반응기 홀더(300)와 수집조(200) 사이에는 에어 갭(AG)이 배치될 수 있다. 여기서 에어 갭(AG)은 반응기 홀더(300)와 수집조(200)가 2mm 이상의 범위로 이격된 간격에 형성될 수 있다.

에어 갭(AG)은 제2 전극(320)과 수집조(200)를 이격시켜 반응기 홀더(300)의 내부에서 스트루바이트가 생성되는 방지할 수 있다.

또한, 에어 갭(AG)이 수집조(200)와 제2 전극(320) 사이에 배치되어, 수집조(200)에 마그네슘 이온과 pH를 컨트롤하기 위해 주입되는 이온들이 제2 전극(320)이 배치된 반응기 홀더(300), 구체적으로 반응 영역(HA)로 확산되는 방지할 수 있음에 따라 반응기 홀더(300)의 내부 구체적으로 제2 전극(320) 상에 스트루바이트의 형성을 방지할 수 있다.

그리고 수집조(200)의 제2 용액(2000)에 전해질(250)을 제공하여 수집조(200)에서 석출물(290)을 강하시키는 단계(S500)에서, 제2 용액(2000) 상에 마그네슘 이온이 제공될 수 있다.

제2 용액(2000) 상에 마그네슘 이온 부족으로 스트루바이트의 석출이 용이하지 않을 수 있다. 그러므로 마그네슘 이온을 포함하는 전해질(250)을 제2 용액(2000) 상에 제공하여 스트루 바이트의 석출을 이용하게 할 수 있다.

따라서, 제2 용액(2000)의 석출물(290)을 수집조(200)에서 석출시킬 수 있다. 여기서 상기 석출물(250)은 스트루바이트일 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 강하형 미생물 연료전지 시스템(10)의 작동방법은 다공성의 세라믹 분리막(350)을 사이에 두고 반응조(100)에서 전기를 생산하고, 수집조(200)에서 스트루바이트(Struvite)를 생성함으로써 스트루바이트(Struvite)의 생산 능력을 향상시키고, 용이하게 스트루바이트의 회수율을 향상시킬 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 강하형 미생물 연료전지 시스템
100: 반응조 140: 기질 유입구
150: 수나사부 155: 제1 스크류
200: 수집조 250: 전해질
290: 석출물 300: 반응기 홀더
305: 제2 스크류 310: 제1 전극
320: 제2 전극 340: 기질 유출구
350: 세라믹 분리막 360: 제1 집전기
370: 제 2집전기 380: 제1 가스켓
390: 제2 가스켓 700: 전자 소자
750: 외부 도선 1000: 제1 용액
1100: 제1 중공부 1200: 제2 중공부
2000: 제2 용액 AG: 에어 갭
HA: 반응 영역

Claims

기질 유입구를 형성한 제1 중공부를 구비하는 수나사부를 포함하는 반응조;
상기 제1 중공부에 대응되며 기질 유출구를 형성하는 제2 중공부가 배치된 반응기 홀더;
상기 수나사부의 제1 중공부와 상기 반응기 홀더의 제2 중공부를 결합시켜 상기 기질 유입구 및 상기 기질 유출구를 연결시키는 반응 영역; 및
상기 기질 유출구 하부에 배치되는 수집조; 를 포함하되,
상기 기질 유출구와 상기 수집조 사이에는 에어 갭을 배치되며,
상기 반응 영역에는 대향 배치되는 제1 전극 및 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되는 세라믹 분리막이 배치되고,
상기 반응조, 반응기 홀더, 에어 갭 및 수집조는 수직 배열되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 세라믹 분리막을 사이에 두고 상기 세라믹 분리막의 상부에 배치된 상기 반응조는 전기를 생성하고,
상기 세라믹 분리막을 사이에 두고 상기 세라믹 분리막의 하부에 배치된 상기 수집조는 스트루바이트(Struvite)를 생성하는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 수나사부는 링 형상으로 형성되고, 상기 반응조와 일체형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 수나사부는 상기 반응조의 하면에서 돌출되게 배치되며, 상기 수나사부의 내경에 상기 제1 중공부가 배치되고, 상기 수나사부의 외경에는 제1 스크류가 배치되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 반응기 홀더는 내경과 외경을 구비한 링 형상으로 배치되며, 상기 반응기 홀더의 내경에는 제2 스크류가 배치되며,
상기 수나사부의 제1 스크류와, 상기 제2 스크류가 결합되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 반응 영역에는 가스켓, 집전기가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 6항에 있어서,
상기 가스켓은 상기 집전기, 제1 전극, 제2 전극 및 세라믹 분리막을 지지/고정시키는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극에는 전기소자가 더 연결되는 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 세라믹 분리막은 다공성의 카본(Carbon), 다공성 실리콘(SiO2), 다공성 이산화 티탄(TiO2), 제올라니트(Zeolite), 다층형(Multi-layer) 세라믹 필터, 다공성 게르마늄(Ge), 다공성 담체 및 이들의 화합물 중 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 반응조에는 전기화학 활성 미생물을 포함하는 제1 용액이 제공되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 10항에 있어서,
상기 세라믹 분리막은,
상기 제1 용액에 대해 정삼투압 현상을 진행시켜고, 상기 제1 용액을 필터링시켜 물과 이온을 포함하는 제2 용액을 상기 수집조로 제공하는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 11항에 있어서,
상기 수집조에는 상기 세라믹 분리막을 통과한 상기 제2 용액의 석출물이 강하하는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 에어 갭은,
상기 제2 전극과 상기 수집조를 이격시키는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 에어 갭은 상기 제2 전극과 상기 수집조가 2mm 이상의 범위로 이격된 간격에 배치되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 11항에 있어서,
상기 수집조에는 pH 범위를 조절하는 첨가제가 첨가되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 15항에 있어서,
상기 첨가제는 상기 제2 용액의 pH를 pH 9~10으로 형성하고, 유지하도록 조절시키는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 수집조에는 전해질 용액이 제공되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
제 17항에 있어서,
상기 전해질 용액은 Mg²+를 포함하는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템.
반응조에 제1 용액을 제공하는 단계;
상기 반응조에서 전기를 생성시키는 단계;
상기 제1 용액을 반응기 홀더에 배치된 세라믹 분리막에 유입시켜 제2 용액을 형성하는 단계;
상기 제2 용액을 수집조로 유출시키는 단계;
상기 수집조의 제2 용액에 전해질을 제공하여 상기 수집조에서 석출물을 강하시키는 단계; 를 포함하되,
상기 석출물은 스트루바이트인 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법.
제 19항에 있어서,
상기 세라믹 분리막을 사이에 두고 상기 세라믹 분리막의 상부에 배치된 상기 반응조는 전기를 생성하고,
상기 세라믹 분리막을 사이에 두고 상기 세라믹 분리막의 하부에 배치된 상기 수집조는 스트루바이트(Struvite)를 생성하는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법.
제 19항에 있어서,
상기 세라믹 분리막은 다공성의 카본(Carbon), 다공성 실리콘(SiO2), 다공성 이산화 티탄(TiO2), 제올라니트(Zeolite), 다층형(Multi-layer) 세라믹 필터, 다공성 게르마늄(Ge), 다공성 담체 및 이들의 화합물 중 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법.
제 19항에 있어서,
상기 반응조에는 전기화학 활성 미생물을 포함하는 제1 용액이 제공되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법.
제 19항에 있어서,
상기 세라믹 분리막은,
상기 제1 용액에 대해 정삼투압 현상을 진행시켜고, 상기 제1 용액을 필터링시켜 물과 이온을 포함하는 제2 용액을 상기 수집조로 제공하는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법.
제 19항에 있어서,
상기 수집조에는 상기 세라믹 분리막을 통과한 상기 제2 용액의 석출물이 강하하는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법.
제 19항에 있어서,
상기 반응기 홀더와 상기 수집조 사이에는 에어 갭이 배치되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법.
제 25항에 있어서,
상기 에어 갭은 상기 반응기 홀더와 상기 수집조가 2mm 이상의 범위로 이격된 간격에 형성되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법.
제 19항에 있어서,
상기 수집조에는 pH 범위를 조절하는 첨가제가 첨가되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법.
제 27항에 있어서,
상기 첨가제는 상기 제2 용액의 pH 를 pH 9~10으로 형성하고, 유지하도록 조절시키는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법.
제 19항에 있어서,
상기 수집조에는 전해질 용액이 제공되는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법.
제 29항에 있어서,
상기 전해질 용액은 Mg²⁺를 포함하는 것을 특징으로 하는 강하형 미생물 연료전지 시스템의 작동방법.