KR102514015B1 - 중탄산나트륨이 포함된 미생물 역전기 투석 시스템, 이를 함유하는 전력생산장치 및 이를 이용한 전력 생산방법 - Google Patents
중탄산나트륨이 포함된 미생물 역전기 투석 시스템, 이를 함유하는 전력생산장치 및 이를 이용한 전력 생산방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102514015B1 KR102514015B1 KR1020210007328A KR20210007328A KR102514015B1 KR 102514015 B1 KR102514015 B1 KR 102514015B1 KR 1020210007328 A KR1020210007328 A KR 1020210007328A KR 20210007328 A KR20210007328 A KR 20210007328A KR 102514015 B1 KR102514015 B1 KR 102514015B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- reverse electrodialysis
- microbial
- anode
- electrodialysis system
- exchange membrane
- Prior art date
Links
- 238000000909 electrodialysis Methods 0.000 title claims abstract description 77
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M Sodium bicarbonate Chemical compound [Na+].OC([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M 0.000 title claims abstract description 54
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 title claims abstract description 52
- 238000010248 power generation Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 235000017557 sodium bicarbonate Nutrition 0.000 title claims abstract description 27
- 229910000030 sodium bicarbonate Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 13
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 title abstract description 16
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 39
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 claims abstract description 35
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 claims abstract description 30
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 claims abstract description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 59
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 31
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 claims description 10
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 10
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 claims description 10
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 9
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 9
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 claims description 8
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 6
- UIIMBOGNXHQVGW-DEQYMQKBSA-M Sodium bicarbonate-14C Chemical compound [Na+].O[14C]([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-DEQYMQKBSA-M 0.000 claims description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000002906 microbiologic effect Effects 0.000 claims 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 11
- 239000013535 sea water Substances 0.000 abstract description 3
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 abstract description 2
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 15
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 10
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 8
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 8
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000013505 freshwater Substances 0.000 description 7
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 7
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 6
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 5
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 5
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 5
- NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N Ammonia chloride Chemical compound [NH4+].[Cl-] NLXLAEXVIDQMFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 4
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 3
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 3
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 3
- 229940061607 dibasic sodium phosphate Drugs 0.000 description 3
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- BNIILDVGGAEEIG-UHFFFAOYSA-L disodium hydrogen phosphate Chemical compound [Na+].[Na+].OP([O-])([O-])=O BNIILDVGGAEEIG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 235000019270 ammonium chloride Nutrition 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000012267 brine Substances 0.000 description 2
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 2
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 2
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- MQWCQFCZUNBTCM-UHFFFAOYSA-N 2-tert-butyl-6-(3-tert-butyl-2-hydroxy-5-methylphenyl)sulfanyl-4-methylphenol Chemical compound CC(C)(C)C1=CC(C)=CC(SC=2C(=C(C=C(C)C=2)C(C)(C)C)O)=C1O MQWCQFCZUNBTCM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MOMKYJPSVWEWPM-UHFFFAOYSA-N 4-(chloromethyl)-2-(4-methylphenyl)-1,3-thiazole Chemical compound C1=CC(C)=CC=C1C1=NC(CCl)=CS1 MOMKYJPSVWEWPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M Bicarbonate Chemical compound OC([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000001736 Calcium glycerylphosphate Substances 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 229910010707 LiFePO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 241001460678 Napo <wasp> Species 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 239000004962 Polyamide-imide Substances 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-M Propionate Chemical compound CCC([O-])=O XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VMHLLURERBWHNL-UHFFFAOYSA-M Sodium acetate Chemical compound [Na+].CC([O-])=O VMHLLURERBWHNL-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- LFVGISIMTYGQHF-UHFFFAOYSA-N ammonium dihydrogen phosphate Chemical compound [NH4+].OP(O)([O-])=O LFVGISIMTYGQHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- UHHRFSOMMCWGSO-UHFFFAOYSA-L calcium glycerophosphate Chemical compound [Ca+2].OCC(CO)OP([O-])([O-])=O UHHRFSOMMCWGSO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229940095618 calcium glycerophosphate Drugs 0.000 description 1
- 235000019299 calcium glycerylphosphate Nutrition 0.000 description 1
- FUFJGUQYACFECW-UHFFFAOYSA-L calcium hydrogenphosphate Chemical compound [Ca+2].OP([O-])([O-])=O FUFJGUQYACFECW-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000000149 chemical water pollutant Substances 0.000 description 1
- GVPFVAHMJGGAJG-UHFFFAOYSA-L cobalt dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Co+2] GVPFVAHMJGGAJG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 229940111685 dibasic potassium phosphate Drugs 0.000 description 1
- 235000019700 dicalcium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 229940095079 dicalcium phosphate anhydrous Drugs 0.000 description 1
- ZPWVASYFFYYZEW-UHFFFAOYSA-L dipotassium hydrogen phosphate Chemical compound [K+].[K+].OP([O-])([O-])=O ZPWVASYFFYYZEW-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- CHFUHGDBYUITQJ-UHFFFAOYSA-L dipotassium;2,3-dihydroxypropyl phosphate Chemical group [K+].[K+].OCC(O)COP([O-])([O-])=O CHFUHGDBYUITQJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- GYQBBRRVRKFJRG-UHFFFAOYSA-L disodium pyrophosphate Chemical compound [Na+].[Na+].OP([O-])(=O)OP(O)([O-])=O GYQBBRRVRKFJRG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000010794 food waste Substances 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 1
- 239000010842 industrial wastewater Substances 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000398 iron phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- WBJZTOZJJYAKHQ-UHFFFAOYSA-K iron(3+) phosphate Chemical compound [Fe+3].[O-]P([O-])([O-])=O WBJZTOZJJYAKHQ-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 238000004502 linear sweep voltammetry Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000037353 metabolic pathway Effects 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910000403 monosodium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019799 monosodium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 125000005496 phosphonium group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920002312 polyamide-imide Polymers 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 235000000491 potassium glycerophosphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000011600 potassium glycerophosphate Substances 0.000 description 1
- OQZCJRJRGMMSGK-UHFFFAOYSA-M potassium metaphosphate Chemical compound [K+].[O-]P(=O)=O OQZCJRJRGMMSGK-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229940099402 potassium metaphosphate Drugs 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 150000003141 primary amines Chemical class 0.000 description 1
- 150000003242 quaternary ammonium salts Chemical class 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 1
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium atom Chemical compound [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003335 secondary amines Chemical class 0.000 description 1
- 239000010801 sewage sludge Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000003307 slaughter Methods 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001632 sodium acetate Substances 0.000 description 1
- 235000017281 sodium acetate Nutrition 0.000 description 1
- AJPJDKMHJJGVTQ-UHFFFAOYSA-M sodium dihydrogen phosphate Chemical compound [Na+].OP(O)([O-])=O AJPJDKMHJJGVTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- BBMHARZCALWXSL-UHFFFAOYSA-M sodium dihydrogenphosphate monohydrate Chemical compound O.[Na+].OP(O)([O-])=O BBMHARZCALWXSL-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 235000019983 sodium metaphosphate Nutrition 0.000 description 1
- VBJGJHBYWREJQD-UHFFFAOYSA-M sodium;dihydrogen phosphate;dihydrate Chemical compound O.O.[Na+].OP(O)([O-])=O VBJGJHBYWREJQD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 1
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-O sulfonium group Chemical group [SH3+] RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 150000003512 tertiary amines Chemical class 0.000 description 1
- 239000002341 toxic gas Substances 0.000 description 1
- 229940062627 tribasic potassium phosphate Drugs 0.000 description 1
- 229940001496 tribasic sodium phosphate Drugs 0.000 description 1
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H tricalcium bis(phosphate) Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- 235000019731 tricalcium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- LWIHDJKSTIGBAC-UHFFFAOYSA-K tripotassium phosphate Chemical compound [K+].[K+].[K+].[O-]P([O-])([O-])=O LWIHDJKSTIGBAC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K trisodium phosphate Chemical compound [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P([O-])([O-])=O RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 1
- 238000004078 waterproofing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/22—Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
- H01M8/227—Dialytic cells or batteries; Reverse electrodialysis cells or batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
Abstract
본 발명에 따른 미생물 역전기 투석 시스템은, 금속전극에 탄소체가 브러쉬 형태로 배치되고, 상기 탄소체 표면에 전기활성 박테리아가 접종된 음극과 음극액을 포함하는 음극실; 활성탄 기반의 다공성 기재인 양극과 양극액을 포함하는 양극실; 상기 음극실과 양극실 사이에 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 교대로 배치되는 역전기투석 스택; 및 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이에 배치되는 가스켓;을 포함하고, 상기 음극액 및 양극액에서 선택되는 어느 하나 또는 둘의 전해액은 중탄산나트륨을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 미생물 역전기 투석 시스템을 포함하는 전력생산장치를 이용하여 전력을 생산함으로써, 유기 오염물질을 제거하고, 전기에너지 공급원 없이 염분차에 의한 고효율의 전력생산이 가능하다는 점에서 저에너지 소비형 해수 전처리 기술을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미생물 역전기 투석 시스템을 포함하는 전력생산장치를 이용하여 전력을 생산함으로써, 유기 오염물질을 제거하고, 전기에너지 공급원 없이 염분차에 의한 고효율의 전력생산이 가능하다는 점에서 저에너지 소비형 해수 전처리 기술을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 미생물 연료 전지(microbial fuel cell, MFC)에 역전기투석(reverse electrodialysis, RED)스택을 결합한 미생물 역전기 투석 시스템(Microbial reverse-electrodialysis cell, MRC)에 관한 것으로, 상세하게, 기존보다 고효율 전력생산을 갖는 미생물 역전기 투석 시스템에 관한 것이다.
삼면이 바다인 우리나라의 지형적 차이를 고려하여 최근에 바닷물과 민물의 농도 차이에 의한 전력생산기술로 ‘해양 염분차 발전 기술’이 주목받고 있다. 현재까지 전 세계적으로 개발된 해양 염분차 발전기술은 ‘역전기투석 방식’, ‘압력지연삼투 방식’, ‘증기압축 발전’, ‘혼합수력 발전’ 및 ‘혼합축전식 발전식’등이 있다. 상기 염분차 발전기술 중 ‘역전기투석 방식’은 이온교환막을 통해 바닷물과 민물 사이의 이온이 분리되고 이동할 때 발생하는 전위차를 이용하여 외부의 전기에너지 공급없이 폐수와 같은 유기성 오염물질로부터 전기생산이 가능한 기술로, 차세대 신재생 에너지 기술로 각광받고 있다.
이에 따라, 다수의 연구기관에서는 이온을 선택적으로 투과하는 이온교환막을 통한 이온의 극성 분리 기술을 바탕으로, 전극 및 역전기투석 스택의 내구성이 우수하며, 전력생산의 효율을 오랫동안 높게 유지할 수 있는 미생물 역전기 투석 시스템 기술 개발에 집중하고 있다.
본 발명의 목적은 미생물 역전기 투석 시스템을 함유하는 전력생산장치를 제공함으로써, 완충력이 강화된 전해질을 이용한 고효율의 전력 생산방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 미생물 역전기 투석 시스템은 금속전극에 탄소체가 브러쉬 형태로 배치되고, 상기 탄소체 표면에 전기활성 박테리아가 접종된 음극과 음극액을 포함하는 음극실; 활성탄 기반의 다공성 기재인 양극과 양극액을 포함하는 양극실; 상기 음극실과 양극실 사이에 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 교대로 배치되는 역전기투석 스택; 및 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이에 배치되는 가스켓;을 포함하고, 상기 음극액 및 양극액에서 선택되는 어느 하나 또는 둘의 전해액은 중탄산나트륨을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전해액은 인산염 및 염화물을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전해액은 중탄산나트륨의 농도가 40 내지 400mM일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 전해액은 염화물과 인산염의 몰비가 1 : 0.1 내지 0.5일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 역전기투석 스택은 4 내지 20쌍의 양이온 교환막과 음이온 교환막을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 양극실 및 음극실에 각각 대향하는 역전기투석 스택의 이온 교환막은 음이온 교환막일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 가스켓은 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이에 밀착되어 2개의 장홀을 형성하고, 제1장홀은 고염수가 유동하고, 제2장홀은 저염수가 유동하는 유로를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 유로는 고염수 및 저염수의 농도차에 의한 전위차를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 농도차는 20 내지 50g/L일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 고염수 또는 저염수 중 어느 하나인 제1 염수는 상기 음극실을 관통하는 제1 유입구를 통해 유입되고, 다른 하나인 제2 염수는 상기 양극실을 관통하는 제2 유입구를 통해 유입될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1 염수는 상기 양극실을 관통하는 제1 배출구를 통해 배출되고, 상기 제2 염수는 상기 음극실을 관통하는 제2 배출구를 통해 배출될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 양극실과 상기 음극실을 전기적으로 연결하여, 음극에서 발생한 전자를 수송하는 전선;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 양극실은 공기 중의 산소가 환원하여 전위차에 의한 전압을 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 전력 생산방법은 미생물 역전기 투석 시스템을 이용한 전력 생산방법 있어서, 상기 미생물 역전기 투석 시스템은, 금속전극에 탄소체가 브러쉬 형태로 배치되고, 상기 탄소체 표면에 전기활성 박테리아가 접종된 음극과 음극액을 포함하는 음극실; 활성탄 기반의 다공성 기재인 양극과 양극액을 포함하는 양극실; 상기 음극실과 양극실 사이에 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 교대로 배치되는 역전기투석 스택; 및 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이에 배치되는 가스켓;을 포함하고, 상기 음극액 및 양극액에서 선택되는 어느 하나 또는 둘의 전해액은 중탄산나트륨을 포함하는 것을 특징으로 하는, 미생물 역전기 투석 시스템을 이용한다.
본 발명에 따른 전력생산장치는 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따른 미생물 역전기 투석 시스템을 포함한다.
본 발명에 따른 미생물 역전기 투석 시스템은 중탄산나트륨이 음극 및/또는 양극 전해액에 포함되어 완충력 강화에 따른 미생물 역전기 투석 시스템의 성능이 향상되는 장점이 있다.
또한, 폐수와 같은 오염된 유기물질이 기질로 사용되고, 전극표면에 혐기성 미생물을 접종한 상태에서, 미생물의 대사과정에서 생성되는 전자와 수소이온을 이용하여 전력을 생산하는 미생물 전기분해전지와 염분차에 의한 이온의 분리 및 이동이 일어나는 역전기투석의 기술장치를 결합함으로써, 폐수를 정화시키고, 전기에너지 공급원 없이 염분차에 의한 보다 효율적인 전력생산이 가능한 전력생산장치를 제공할 수 있다는 점에서 미래 친환경에너지 기술 적용에 유리한 측면이 있다.
도 1은 미생물 연료 전지(microbial fuel cell, MFC) 및 역전기투석(reverse electrodialysis, RED)이 결합된 미생물 역전기투석 시스템(Microbial reverse-electrodialysis cell, MRC)의 전력 생산 장치를 도시한 것이다.
도 2는 미생물 역전기 투석 시스템(Microbial reverse-electrodialysis cell, MRC)이 작동 전/후의 음극액 전기전도도(Conductivity)를 도시한 것이다.
도 3은 미생물 역전기 투석 시스템(Microbial reverse-electrodialysis cell, MRC)이 작동 전/후의 양극액 전기전도도(Conductivity)를 도시한 것이다.
도 4는 전류밀도(Current Density)에 따른 전력밀도(Power Density)곡선으로, 중탄산나트륨 농도에 따른 최대전력밀도 값을 비교 분석하기 위해 도시한 것이다.
도 2는 미생물 역전기 투석 시스템(Microbial reverse-electrodialysis cell, MRC)이 작동 전/후의 음극액 전기전도도(Conductivity)를 도시한 것이다.
도 3은 미생물 역전기 투석 시스템(Microbial reverse-electrodialysis cell, MRC)이 작동 전/후의 양극액 전기전도도(Conductivity)를 도시한 것이다.
도 4는 전류밀도(Current Density)에 따른 전력밀도(Power Density)곡선으로, 중탄산나트륨 농도에 따른 최대전력밀도 값을 비교 분석하기 위해 도시한 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 미생물 역전기 투석 시스템, 이를 함유하는 전력생산장치 및 이를 이용한 전력 생산방법을 상세히 설명한다.
다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.
미생물 연료전지는 외부로부터 전기적 에너지 공급이 필수적이므로, 에너지 효율이 떨어지고, 고염수 및 저염수를 이용한 발전 방식으로 역전기투석은 산화환원쌍(Redox couple)으로 Fe2+/Fe3+ 또는 [Fe(CN)6]-3/[Fe(CN)6]-4 등의 물질로 이용되는데 이온교환막 표면에 철 스케일(Fe scale)을 형성하여 효율이 저하시키는 어려움이 따른다. 이에 대한민국 공개특허 제 0044579호는 산화환원쌍 대신에 전기활성 혐기성 미생물을 사용하여 스케일 형성으로 인한 효율 저하 및 유독가스 발생 문제를 해결하고, 고염도 폐수를 이용하여 산업폐수의 처리기술을 개시하고 있지만, 미생물 역전기 투석 시스템의 내부저항 증가 또는 파울링(Fouling)으로 인한 전자 및 양전하(수소이온) 전달속도 저하 등의 문제점을 가지고 있어 이를 개선할 연구가 진행되었다.
이에 본 출원인은 고효율의 전력생산이 유지 될 수 있는 전력장치를 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명에 따른 미생물 역전기 투석 시스템은, 금속전극에 탄소체가 브러쉬 형태로 배치되고, 상기 탄소체 표면에 전기활성 박테리아가 접종된 음극과 음극액을 포함하는 음극실; 활성탄 기반의 다공성 기재인 양극과 양극액을 포함하는 양극실; 상기 음극실과 양극실 사이에 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 교대로 배치되는 역전기투석 스택; 및 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이에 배치되는 가스켓;을 포함하고, 상기 음극액 및 양극액에서 선택되는 어느 하나 또는 둘의 전해액은 중탄산나트륨을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상세하게, 고염수와 저염수 사이에 염분차에 의해 이온들이 이동하는 과정에서 이온 교환막은 양이온 또는 음이온을 선택적으로 투과시키고, 음이온 교환막 및 양이온 교환막 사이에서 높은 염도의 양이온과 음이온의 전기화학적 포텐셜을 전류로 전환시킴으로써, 한쌍의 음이온 교환막 및 양이온 교환막은 일정 전압을 생산할 수 있다. 여러 쌍의 음이온 교환막 및 양이온 교환막이 포함된 역전기투석 스택은 연료전지스택으로 미생물 역전기 투석 시스템의 운용효율을 높일 수 있다. 또한, 중탄산나트륨이 음극액 및/또는 양극액에 포함되어 음극액 및/또는 양극액의 pH를 일정하게 유지함으로써, 고효율의 전력생산 방법을 제공할 수 있다.
바람직한 일 양태에 따르면, 중탄산나트륨은 전해액의 pH를 조절하는 완충제(buffer)일 수 있다. 중탄산나트륨은 양극액에 용해됨으로써, 양극액에 포함된 산소가 환원작용에 의해 pH가 상승하는 것을 방지할 수 있고, 음극액에 용해됨으로써, 음극액에서 전기활성 미생물이 산화반응에 의해 발생된 수소이온의 증가로 pH가 감소하는 것을 방지할 수 있다.
음극은 탄소체가 부착된 금속전극일 수 있다. 금속전극은 내구성 및 전도성이 우수한 기재이면 특별히 제한되지 않으며, 일 구체예로, 티타늄, 루비듐, 이리듐 또는 백금 등일 수 있다. 탄소체는 그라파이트 섬유(graphite fiber), 그래파이트 로드(graphite rod) 및 다공성 탄소(porous carbon)로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다. 바람직한 일 예로, 탄소체는 브러쉬 형태로 배치되어 음극액과 접촉면적을 넓힐 수 있다.
전기활성 박테리아는 브러쉬 형태의 탄소체 표면에 접종되어 전기활성 박테리아 주변의 유기물이 우선적으로 산화될 수 있다. 이 때, 전기활성 박테리아의 기질로는 대사 경로가 전극 표면에 전달하는 전자속도를 방해하지 않을 정도면 크게 제한되지 않는다. 구체적인 일 예로, 클루코스(glucose), 프로피오네이트(propionate) 및 아세테이트(acetate) 등으로 이루어지는 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
양극은 전도성을 가지는 다공성 기재일 수 있으며, 구체적인 일 예로, 표면적이 넓어 흡착성이 강하고, 화학반응이 빠른 활성탄 기반의 다공성 기재일 수 있다. 이 때, 활성탄의 비표면적은 800 내지 2500m2/g일 수 있다. 또한, 상기 양극의 표면은 공기 노출 및 물 접촉에 따른 부식을 방지하기 위해 방수용으로 폴리머 소재가 코팅될 수 있다. 구체적인 일 예로, 폴리머 소재는 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리프로필렌 및 폴리플루오린화비닐리덴 등일 수 있다.
음극액 및 양극액은 음이온 교환막 및 양이온 교환막에 투과 선택도를 높이는데 유리한 이온들이 사용될 수 있으며, 바람직한 일 예로, 일가 이온인 인산염 및 염화물을 더 포함할 수 있다. 이외에, 음극액에는 통상적인 유기성 폐수가 포함될 수 있으며, 구체적인 일 예로, 유기성 폐수는 음식물쓰레기, 도축폐수, 하수슬러지, 매립지 침출수 등일 수 있다.
일 구체예에서, 음극액 및 양극액의 용매는 증류수일 수 있으며, 전해액에 함유되는 중탄산나트륨의 농도는 40 내지 400mM, 구체적으로 50 내지 100mM일 수 있고, 전해액에 함유되는 인산염의 몰농도는 0.1 내지 1 mM, 구체적으로, 0.35 내지 0.50 mM 수준일 수 있다. 또한, 인산염 및 염화물의 몰비는 1 : 0.1 내지 0.5, 구체적으로 1 : 0.2 내지 0.3를 가질 수 있으나, 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
일 예로, 인산염은 글리세로인산칼륨(C3H7K2O6P), 글리세로인산칼슘(C3H7CaO6P), 메타인산나트륨((NaPO3)6), 메타인산칼륨(K6(PO3)6), 산성알루미늄인산나트륨4수화물(NaAl3H14(PO4)8·4H2O), 산성피로인산나트륨(Na2H2P2O7), 인산철(LiFePO4,), 제3인산나트륨12수화물(Na3PO4·12H2O), 제3인산칼륨(K3PO4), 제3인산칼슘(Ca3(PO4)2), 제2인산칼륨(K2HPO4), 제2인산칼슘(CaHPO4), 제2인산나트륨(Na2HPO4) 제1인산나트륨2수화물(NaH2PO4·2H2O), 제1인산암모늄(NH4H2PO4), 인산2수소나트륨1수화물(NaH2PO4·H2O) 등에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 염화물은 염화암모늄(NH4Cl), 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl) 및 염화코발트(CoCl2) 등에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
역전기투석 스택에 포함되는 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM) 및 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM)의 쌍의 갯수는 이온의 선택적 투과에 따른 염분차를 형성하는데 필요한 최소한의 수량일 수 있다. 일 구체예로, 음이온 교환막 및 양이온 교환막의 쌍이 갯수는 4 내지 20 쌍일 수 있으며, 보다 구체적으로, 5쌍 이상일 수 있다. 양이온 교환막과 음이온 교환막은 막 지지체에 양이온 또는 음이온 그룹을 부착하여 제작될 수 있다. 구체적인 일 예로, 막 지지체는 폴리아미드계(polyamide series), 폴리에틸렌계(polyethylene series), 폴리프로필렌계(polypropylene series), 셀룰로스계(cellulose series), 아크릴계(polyacryl series), 폴리비닐클로라이드(PVA), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에스테르계(polyester series) 및 천연섬유로 이루어진 군에서 선택되는 고분자로 형성된 것일 수 있으며, 양이온 그룹은 술폰산기(-SO3H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO3H2), 포스피닉기(-HPO2H), 아소닉기(-AsO3H2) 및 셀리노닉기(-SeO3H)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 음이온 그룹은 4급 암모늄염(-NH3), 1급 아민(-NH2), 2급 아민(-NHR), 3급 아민(-NR2), 4급 포스포니움기(-PR4) 및 3급 술폰니움기(-SR3)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
양극실 및 음극실에 각각 대향하는 역전기투석 스택의 이온 교환막의 일면은 생산단가가 저렴하고, 전기저항이 낮은 음이온 교환막에 의해 밀폐될 수 있다. 구체적인 일 예로, 양이온 교환막보다 음이온 교환막은 저가의 금속기재를 사용하여 생산 단가가 저렴한 장점이 있으며, 음이온 교환막은 이온교환반응이 우수한 4급 암모늄기를 포함하고, 공중합 고분자를 세공에 충진하여 전기적 저항이 매우 낮게 제조될 수 있다. 따라서, 역전기투석 스택은 양극실 및 음극실에 대향하는 일면이 음이온 교환막에 의해 밀폐됨으로써, 알칼리 전해액에 대한 부식성을 방지하고, 내구성을 향상시킬 수 있다.
가스켓은 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이에 밀착되고, 고염수 및 저염수를 유동시키는 2개의 장홀을 포함할 수 있다. 상기 2개의 장홀은 고염수 및 저염수에서 선택되는 서로 다른 염수가 유동할 수 있다. 이 때, 2개의 장홀 중 어느 하나는 고염수 또는 저염수의 유로방향을 상/하로 바꿀 수 있으며, 다른 하나는 유로방향을 그대로 다른 가스켓에 전달할 수 있다. 이때, 유로방향을 상/하로 바꾸는 장홀(큰 장홀)의 형상은 길이 방향으로 길게 이어진 다각형일 수 있으며, 유로방향을 그대로 전달하는 장홀(작은 장홀)의 형상은 작은 타원형일 수 있다.
상기 가스켓의 배치는 고염수인 염수와 저염수인 담수의 유동통로가 섞이지 않도록 인접한 가스켓끼리 길이방향 기준으로 대칭일 수 있다. 구체적인 일 예로, 한 가스켓은 함유한 큰 장홀에 고염수가 유동한 경우, 작은 장홀에는 저염수가 유동할 수 있으며, 바로 인접한 다른 가스켓은 함유한 큰 장홀에 저염수가 유동하며, 작은 장홀에는 고염수가 유동할 수 있다.
고염수와 저염수는 음이온 교환막 또는 양이온 교환막을 사이에 두고 교대로 흐르면서, 염분의 농도차 및 이온교환막에 의해 Na+와 Cl-로 분리되어 음극액 및 양극액 사이에 전위차를 발생시킬 수 있다. 이때, 고염수의 농도는 30 내지 50g/L, 구체적으로는 33 내지 40g/L일 수 있고, 저염수의 농도는 0.2 내지 10g/L 또는 0.5 내지 8g/L일 수 있으나, 이는 구체적인 일 예일 뿐 이에 제한받지 않는다. 또한, 역전기투석 스택으로 들어가는 고염도 및 저염도 유속은 이온의 투과 선택정도가 감소되지 않을 정도면 크게 제한되지 않으며, 일 구체예로, 1mL/min 내지 2mL/min일 수 있다.
저염수는 제1 염수라 통칭하고, 고염수는 제2 염수라 통칭할 때, 제1 염수는 음극실을 관통하는 제1 유입구를 통해 유입되면, 양극실을 관통하는 제1 배출구를 통해 배출되고, 제2 염수는 양극실을 관통하는 제2 유입구를 통해 유입되면, 음극실을 관통하는 제2 배출구를 통해 배출될 수 있다. 따라서, 제1 염수 및 제2 염수는 서로 반대 방향으로 유입되어 다른 배출구로 배출됨으로써, 유동 통로가 서로 겹치지 않도록 배치될 수 있다.
도 1은 미생물 역전기 투석 시스템의 구조를 도시한 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 각각 음극액 및 양극액에는 중탄산나트륨이 완충재(Buffer)역할로 포함되고, 상기 음극실 및 양극실 사이에 6개의 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)과 5개의 양이온교환막(Cation Exchange Membrane, CEM)을 교대로 배치할 수 있다. 담수(제1 염수) 및 염수(제2 염수)는 반대 방향으로 유입되어 염분차에 의한 전위차가 생길수 있다. 이에 따라, 음극은 전기활성 박테리아 산화반응에 의해 전자가 생성되고, 양극실에는 음극실로부터 전달된 수소이온(H+)과 외부에서 유입된 산소기체(O2)와 화학반응하여 물(H2O)을 생산할 수 있다.
일 구체예에서, 역전기투석 스택에 생긴 전위차는 전기에너지로 전환되어 내부 전류를 흐르도록 할 수 있다. 전환된 내부 전류흐름에 따라 음극에 부착된 전기활성 박테리아는 산화반응에 의해 수소이온(H+), 이산화탄소(CO2) 및 전자(e-)를 부산물로 생성할 수 있다. 이때, 발생된 전자는 수송하는 전선을 따라 이동하고, 수소이온은 역전기투석 스택을 지나 음극액에 전달될 수 있다. 양극액으로 투입된 산소가스(O2)는 음극액으로부터 전달된 수소이온과 물(H2O)을 생성하는 환원반응이 일어날 수 있다. 이때, 음극액 및 양극액에서 선택되는 어느 하나 또는 둘의 전해액에 포함된 중탄산나트륨이 양극액에서의 수소이온 생성반응 또는 음극액에서의 산소의 환원반응에 따른 pH값의 변화를 방지하는 완충제 역할을 함으로써, 전해액의 전기전도도를 증가시키고, 전기활성박테리아의 산화반응을 촉진시켜 전자 및 수소이온 전달속도가 향상될 수 있다. 더 나아가, 미생물 역전기투석 시스템의 전반적인 전력생산 밀도를 증가시키는 효과를 가져올 수 있다.
미생물 역전기 투석 시스템은 안정적인 전압이 흐를때까지 초기 대기시간이 소요될 수 있다. 구체적인 일 예로, 미생물 역전기 투석 시스템을 함유하는 전력 생산장치는 초기운전 2시간동안 안정적인 전압이 유지되는지 확인과정으로 물이 생성되는 양이 측정될 수 있다.
이하, 중탄산나트륨이 포함된 미생물 역전기 투석 시스템, 이를 함유하는 전력생산장치 및 이를 이용한 전력 생산방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
<미생물 역전기투석 시스템을 이용한 전력 생산>
60mL의 증류수에 중탄산나트륨을 100mM이 되도록 음극액 및 양극액은 각각 60mL의 증류수에 염화암모늄(NH4Cl), 염화칼륨(KCl), 제2인산나트륨(Na2HPO4) 및 인산2수소나트륨1수화물(NaH2PO4·H2O)를 0.31:0.13:0.05:0.03 몰수비로 혼합한 용액을 사용하였다. 이때, 혼합된 제2인산나트륨(Na2HPO4)의 농도는 0.7 mM이다. 이후, 상기 혼합용액에 중탄산나트륨을 추가하여 중탄산나트륨의 몰농도가 100mM이 되도록 용해시켰다. 미생물 역전기투석 시스템의 음극은 티타늄 전극이며, 탄소체는 그래파이트 섬유(Graphite fiber)가 사용되었다. 브러쉬 형태의 그래파이트 섬유(Graphite fiber)표면에 전기활성박테리아가 접종되었다. 전기활성박테리아의 기질로 20mM 아세트산 나트륨(sodium acetate)이 사용되었으며, 미생물 역전기투석 시스템 셀의 양극은 활성탄 기반의 다공성 기재가 사용되었다. 역전기투석 스택은 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 교대로 5쌍이 포함되었고, 상기 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에는 실리콘 가스켓(5cm x 5cm x 0.1mm)이 배치되었다. 담수가 음극실 유입구로부터 양극실 배출구로 유동하는 동안, 염수가 반대방향의 양극실 유입구로부터 음극실 배출구로 유동하도록 했다. 염수 및 담수의 유속은 1mL/min이고, 음극실로부터 제일 가까운 가스켓은 함유하는 2개의 장홀 중 큰 장홀에는 0.7g/L의 담수가, 작은 장홀에는 35g/L의 염수가 유동하였다. 이때, 역전기투석 스택의 염분차에 의한 전위에너지가 전기에너지로 전환되어 내부 전기에너지를 자체생성하고, 음극에 접종된 전기활성박테리아의 유기물 산화에 의해 발생된 전자가 외부 전선을 따라 수송되어 양극실에서 투입된 산소가스(O2)의 환원작용에 의해 물(H2O)이 생성되어 전력발전형태의 장치를 구성하였다. 미생물 역전기 투석 시스템이 운전되고 초기 2시간동안 물의 생성량이 측정되었고, 그 후 2cycle이 반복되었다. 1cycle 당 약 24시간 동안 운전하였다.
실시예 1에서 양극액에 100mM 중탄산나트륨(NaHCO3)을 용해시키지 않은 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
실시예 1에서 음극액에 100mM 중탄산나트륨(NaHCO3)을 용해시키지 않은 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
실시예 1에서 음극액 및 양극액에 각각 200mM 중탄산나트륨(NaHCO3)을 용해시킨 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
(비교예 1)
실시예 1에서 음극액 및 양극액에 중탄산나트륨(NaHCO3)을 용해시키지 않은 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
(실험예 1)- 전해액의 전기전도도
실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 음극액 및 양극액의 전기전도도 측정을 위해 멀티미터 기기로 측정하였다. 이때 멀티미터의 셀 상수(K)는 1.0cm-1을 갖는다. 상기 각 결과는 도 2 내지 도 3 및 표 1 내지 표 2에 나타냈다.
도 2 내지 도 3은 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 제조된 음극액 및 양극액의 전기전도도 값을 도시한 것으로, 미생물 역전기 투석 시스템을 가동하기 전과 후에 총 2번의 전기전도도가 측정되었다.
도 2 내지 도 3 및 표 1 내지 표 2에 나타낸 바와 같이, 중탄산나트륨이 양극액 및 음극액에 모두 함유된 경우, 모두 함유되지 않은 비교예 1에 비해 전기전도도가 대폭 상승하였고, 미생물 역전기 투석 시스템(MRC)을 작동하기 전과 작동한 후의 전기전도도 증가량 폭도 더욱 상승함을 알 수 있다. 그러나, 음극액 또는 양극액 중 어느 한 곳에만 중탄산나트륨이 함유된 경우, 중탄산나트륨이 함유된 전해액만 모두 함유되지 않은 비교예 1에 비해 전기전도도가 대폭 상승하였고, 미생물 역전기 투석 시스템(MRC)을 작동하기 전과 후의 전기전도도 증가량 또한, 배로 증가함을 알 수 있다.
(실험예 2)- 미생물 역전기투석 시스템의 전력밀도 측정
실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 작동된 미생물 역전기투석 시스템의 전력밀도를 측정하기 위해 선형주사전위법(Linear Sweep Voltammetry, LSV)을 측정하였다. 선형주사전위 범위는 열린회로(open circuit)에서 0V이고, 주사속도는 1mV/s로 측정되었다. 전기화학적 측정은 실온이며, 2전극셀로 수행되었다. 작업전극은 미생물 역전기 투석 시스템의 양극을, 상대전극은 미생물 역전기 투석 시스템의 음극을 사용했으며, 실험은 2차례 반복 후 평균 값으로 측정되었다. 이에 대한 결과는 도 4 및 표 3에 나타냈다.
도 4 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1은 음극액 또는 양극액 중에 일부만 중탄산나트륨이 포함된 실시예 2 및 실시예 3보다 최대전력밀도가 높았으며, 음극액 및 양극액에 포함된 중탄산나트륨의 농도가 2배인 실시예 4에서는 실시예 1보다 최대전력밀도가 2배 이상으로 크게 향상됨을 알 수 있다.
요약하면, 미생물 역전기 투석 시스템의 음극액 또는 양극액 중 어느 하나에 중탄산나트륨 포함되는것보다 음극액 및 양극액 양쪽에 포함될수록, 함유하는 중탄산나트륨양이 보다 많을수록 전해액의 전기전도도는 증가하고, 최대전력밀도는 증가함을 알 수 있다. 이는, 음극액 또는 양극액에 중탄산나트륨이 포함됨에 따라 전해액의 전기전도도 향상 및 전자와 양이온(수소이온)의 전달속도가 향상됨을 알 수 있다. 즉, 전력을 보다 효율적으로 생산하는데 유리함을 의미한다.
Claims (15)
- 금속전극에 탄소체가 브러쉬 형태로 배치되고, 상기 탄소체 표면에 전기활성 박테리아가 접종된 음극과 음극액을 포함하는 음극실;
활성탄 기반의 다공성 기재인 양극과 양극액을 포함하는 양극실;
상기 음극실과 양극실 사이에 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 교대로 배치되는 역전기투석 스택; 및
상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이에 배치되는 가스켓;을 포함하고,
상기 음극액 및 양극액의 전해액은 중탄산나트륨을 포함하며,
상기 전해액은 인산염 및 염화물을 더 포함하고, 상기 염화물과 상기 인산염의 몰비가 1 : 0.1 내지 0.5인, 미생물 역전기 투석 시스템.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 전해액은 중탄산나트륨의 농도가 40 내지 400mM인 미생물 역전기 투석 시스템. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 역전기투석 스택은 4 내지 20쌍의 양이온 교환막과 음이온 교환막을 포함하는 미생물 역전기 투석 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 양극실 및 음극실에 각각 대향하는 역전기투석 스택의 이온 교환막은 음이온 교환막인 미생물 역전기 투석 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 가스켓은 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이에 밀착되어 2개의 장홀을 형성하고, 제1장홀은 고염수가 유동하고, 제2장홀은 저염수가 유동하는 유로를 형성하는 미생물 역전기 투석 시스템. - 제 7항에 있어서,
상기 유로는 고염수 및 저염수의 농도차에 의한 전위차를 발생시키는 미생물 역전기 투석 시스템. - 제 8항에 있어서,
상기 농도차는 20 내지 50g/L인 미생물 역전기 투석 시스템. - 제 8항에 있어서,
상기 고염수 또는 저염수 중 어느 하나인 제1 염수는 상기 음극실을 관통하는 제1 유입구를 통해 유입되고, 다른 하나인 제2 염수는 상기 양극실을 관통하는 제2 유입구를 통해 유입되는 미생물 역전기 투석 시스템. - 제 10항에 있어서,
상기 제1 염수는 상기 양극실을 관통하는 제1 배출구를 통해 배출되고, 상기 제2 염수는 상기 음극실을 관통하는 제2 배출구를 통해 배출되는 미생물 역전기 투석 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 양극실과 상기 음극실을 전기적으로 연결하여, 음극에서 발생한 전자를 수송하는 전선;을 더 포함하는 미생물 역전기 투석 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 양극실은 공기 중의 산소가 환원하여 전위차에 의한 전압을 생성하는 미생물 역전기 투석 시스템. - 미생물 역전기 투석 시스템을 이용한 전력 생산방법 있어서,
상기 미생물 역전기 투석 시스템은,
금속전극에 탄소체가 브러쉬 형태로 배치되고, 상기 탄소체 표면에 전기활성 박테리아가 접종된 음극과 음극액을 포함하는 음극실;
활성탄 기반의 다공성 기재인 양극과 양극액을 포함하는 양극실;
상기 음극실과 양극실 사이에 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 교대로 배치되는 역전기투석 스택; 및
상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이에 배치되는 가스켓;을 포함하고,
상기 음극액 및 양극액의 전해액은 중탄산나트륨을 포함하며,
상기 전해액은 인산염 및 염화물을 더 포함하고, 상기 염화물과 상기 인산염의 몰비가 1 : 0.1 내지 0.5인, 미생물 역전기 투석 시스템을 이용하는 전력 생산방법. - 제 1항, 제 3항 및 제 5항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따른 미생물 역전기 투석 시스템을 포함하는 전력생산장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210007328A KR102514015B1 (ko) | 2021-01-19 | 2021-01-19 | 중탄산나트륨이 포함된 미생물 역전기 투석 시스템, 이를 함유하는 전력생산장치 및 이를 이용한 전력 생산방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210007328A KR102514015B1 (ko) | 2021-01-19 | 2021-01-19 | 중탄산나트륨이 포함된 미생물 역전기 투석 시스템, 이를 함유하는 전력생산장치 및 이를 이용한 전력 생산방법 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220104917A KR20220104917A (ko) | 2022-07-26 |
| KR102514015B1 true KR102514015B1 (ko) | 2023-03-24 |
| KR102514015B9 KR102514015B9 (ko) | 2024-03-15 |
Family
ID=82609675
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210007328A KR102514015B1 (ko) | 2021-01-19 | 2021-01-19 | 중탄산나트륨이 포함된 미생물 역전기 투석 시스템, 이를 함유하는 전력생산장치 및 이를 이용한 전력 생산방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102514015B1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20240061105A (ko) * | 2022-10-31 | 2024-05-08 | 포스코홀딩스 주식회사 | 전기 투석 장치 및 그 제조 방법 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120292187A1 (en) * | 2011-05-17 | 2012-11-22 | The Penn State Research Foundation | Reverse electrodialysis supported microbial fuel cells and microbial electrolysis cells |
| US20130017414A1 (en) | 2011-07-11 | 2013-01-17 | Uwm Research Foundation, Inc. | Osmotic bioelectrochemical systems |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SG11201608886UA (en) | 2014-04-24 | 2016-11-29 | Nutrient Recovery & Upcycling Llc | Electrodialysis stacks, systems, and methods for recovering ammonia and monovalent salts from anaerobic digestate |
-
2021
- 2021-01-19 KR KR1020210007328A patent/KR102514015B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120292187A1 (en) * | 2011-05-17 | 2012-11-22 | The Penn State Research Foundation | Reverse electrodialysis supported microbial fuel cells and microbial electrolysis cells |
| US20130017414A1 (en) | 2011-07-11 | 2013-01-17 | Uwm Research Foundation, Inc. | Osmotic bioelectrochemical systems |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102514015B9 (ko) | 2024-03-15 |
| KR20220104917A (ko) | 2022-07-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Oliot et al. | Ion transport in microbial fuel cells: Key roles, theory and critical review | |
| Saeed et al. | Microbial desalination cell technology: a review and a case study | |
| Gajda et al. | Simultaneous electricity generation and microbially-assisted electrosynthesis in ceramic MFCs | |
| Shi et al. | Using reverse osmosis membranes to control ion transport during water electrolysis | |
| Werner et al. | Wastewater treatment, energy recovery and desalination using a forward osmosis membrane in an air-cathode microbial osmotic fuel cell | |
| Kang et al. | Influence of flowrates to a reverse electro-dialysis (RED) stack on performance and electrochemistry of a microbial reverse electrodialysis cell (MRC) | |
| KR102070243B1 (ko) | 해수 담수화 시스템 | |
| US10954145B2 (en) | Method of desalination and wastewater treatment in a microbial desalination cell reactor | |
| Chen et al. | Improved performance of the microbial electrolysis desalination and chemical-production cell using the stack structure | |
| US20100270158A1 (en) | Desalination devices and methods | |
| US20110311887A1 (en) | Microbial desalination cells | |
| Gajda et al. | Electro-osmotic-based catholyte production by Microbial Fuel Cells for carbon capture | |
| JP6956953B2 (ja) | 逆電気透析方法及びその利用 | |
| Rahman et al. | Effect of internal and external resistances on desalination in microbial desalination cell | |
| Tao et al. | A novel hybrid anion exchange membrane for high performance microbial fuel cells | |
| Chen et al. | Comparison of the removal of monovalent and divalent cations in the microbial desalination cell | |
| WO2020096726A1 (en) | Electrodialysis cells based on the use of redox mediators | |
| Midyurova et al. | CHARACTERISATION AND PERFORMANCE OF SEDIMENT BIOELECTROCHEMICAL SYSTEM WITH CERAMIC SEPARATOR. | |
| KR102514015B1 (ko) | 중탄산나트륨이 포함된 미생물 역전기 투석 시스템, 이를 함유하는 전력생산장치 및 이를 이용한 전력 생산방법 | |
| Patel et al. | Recent improvements of ceramic membranes in microbial fuel cells for bioelectricity generation and wastewater remediation: From fundamentals to scale-up applications | |
| Abd‐almohi et al. | Broad‐ranging review: configurations, membrane types, governing equations, and influencing factors on microbial desalination cell technology | |
| Midyurova et al. | NOVEL PROTON EXCHANGE MEMBRANES AND SEPARATORS APPLIED IN MICROBIAL FUEL CELLS (MFC). | |
| Waheeb et al. | Innovative microbial fuel cell design for investigation of cathode chamber effect and electricity generation enhancement | |
| Ghasemi et al. | A comprehensive review on membranes in microbial desalination cells; processes, utilization, and challenges | |
| Guo et al. | Low temperature regenerated copolymerization doped environmentally available marine biowastes based ceramic membrane as efficient separator for bioelectrochemical systems (BESs) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| G170 | Re-publication after modification of scope of protection [patent] |