KR20040023170A - Dipping sensor for real-time BOD monitoring of the water - Google Patents

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KR20040023170A
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Abstract

PURPOSE: A dipping sensor for real-time BOD monitoring of water is provided, thereby directly contacting water with the cathode, and improving sensitivity of the sensor using polymer electrolytic membrane-electrode assembly(MEA) and platinum as catalyst. CONSTITUTION: The dipping sensor for real-time BOD monitoring of water comprises a biological fuel cell(10) consisting of the cathode(10a) and anode(10b); a pretreating device(11) for inhibiting introduction of floating matter to the cathode(10a); a rain and dust protecting cover(14) for inhibiting introduction of floating matter to the biological fuel cell(10); a buoy(15); a sensor direction correcting wing(18) connecting to the backside of the biological fuel cell(10) for correcting the installation direction of the fuel cell(10); a data receiving and transmitting device(19) for transmitting data to a data receiving device; and a sinker(16) connected to the biological fuel cell(10) for fixing the position of the fuel cell(10).

Description

수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서{Dipping sensor for real-time BOD monitoring of the water}Dipping sensor for real-time BOD monitoring of the water

본 발명은 수질의 생화학적 산소 요구량(이하 BOD라 한다)을 실시간으로 측정하기 위한 수질의 실시간 BOD 측정용 부표형 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a buoy sensor for real-time BOD measurement of water quality for measuring in real time the biochemical oxygen demand of the water quality (hereinafter referred to as BOD).

일반적으로, 하천의 수질측정 항목은 생화학적 산소 요구량(COD), 부유 물질(SS), 총인(T-P) 등 26개 항목으로서, 하천의 수질 환경 기준 및 수질 상태를파악하기 위해 필요한 항목을 고려하여 측정하고 있다(수처리 시스템에서의 수질오염물질 모니터링 및 적용연구, 1999, 한국과학기술연구원).Generally, the water quality measurement items of the stream are 26 items such as biochemical oxygen demand (COD), suspended solids (SS), and total phosphorus (TP), taking into account the items necessary to understand the water quality standards of the river and the quality of the water. (Water Pollutant Monitoring and Application in Water Treatment Systems, 1999, Korea Institute of Science and Technology).

이중 BOD는 수질오염의 중요한 지표로서 일반적으로는 5일 동안 유기화합물의 생화학적 산화에 요구되는 용존 산소의 양을 측정한다(Standard Methods for the examination of water and wastewaters, 1995, 19th Edition). 그러나, 이 방법은 측정자의 경험과 숙련도를 필요로 하고 15-20%의 불확실성을 가진다(Wilfridet al., 2001, On-line monitoring of wastewater quality : a review,J. Chem. Technol. Biotechnol.,76 : 337-348). 더욱이, 5일이라는 긴 시간을 필요로 하기 때문에, 수질의 BOD 변화에 신속하게 대처할 수 없다는 한계가 있다.The BOD is an important indicator of water pollution and generally measures the amount of dissolved oxygen required for the biochemical oxidation of organic compounds (Standard Methods for the examination of water and wastewaters, 1995, 19th Edition). However, this method requires the experience and skill of the measurer and has an uncertainty of 15-20% (Wilfrid et al ., 2001, On-line monitoring of wastewater quality: a review, J. Chem. Technol. Biotechnol., 76: 337-348). Moreover, since it requires a long time of 5 days, there is a limit that it is not possible to cope with the BOD change of the water quickly.

현재까지 개발된 BOD센서의 일반적인 형태는 용존 산소 측정용 전극에 특정 미생물이 고정된 막을 부착하여 시료내의 산소 소비율을 측정하는 것이었다. 그러나, 이러한 BOD센서는 다공성 막에 미생물이 고정되기 때문에, 다공성 막을 자주 교환해 주어야 하며, 전자 전달 매개체와 별도의 변환기를 부착하여야 하는 단점이 있다(수질오염물질의 모니터링 기술 및 현상연구, 1998, 한국과학기술연구원, 88-89).The general type of BOD sensor developed so far has been to measure the oxygen consumption rate in a sample by attaching a membrane to which a specific microorganism is fixed to the dissolved oxygen measuring electrode. However, this BOD sensor has a disadvantage in that the microorganisms are fixed to the porous membrane, and thus the porous membrane must be frequently exchanged and an electron transfer medium and a separate transducer must be attached (a monitoring technique and phenomenon of water pollutants, 1998, Korea Institute of Science and Technology, 88-89).

최근에, 무매개체 생물연료전지가 개발되었으며, 활성 슬러지를 접종원으로 하여 전기 화학적 활성을 가지는 미생물로 농화배양시킬 수 있었다. 농화 배양된 생물연료전지에서 발생하는 전류는 공급되는 유기물의 농도와 직접적으로 비례하는 관계를 보였다(김병홍 외, 1999, 매개체를 사용하지 않는 미생물연료전지,미생물과 산업, 25(2), 7-10). 본 출원인은 이 원리를 응용하여 BOD 측정 기기(모델명 :HABS-2000과 HABS-2001)를 개발하여 상품화한 바 있다.Recently, a mediator-free biofuel cell has been developed and can be enriched with microorganisms having electrochemical activity using activated sludge as inoculum. The current generated in the enriched biofuel cell was directly proportional to the concentration of organic material supplied (Kim, Byung-Hong et al., 1999, Microbial fuel cell without medium, microorganism and industry , 25 (2), 7-). 10). Applicant has developed and commercialized BOD measuring instruments (model names: HABS-2000 and HABS-2001) by applying this principle.

국내에서는 1974년 서울의 노량진과 뚝섬 수원지에 최초로 수질자동 측정기를 설치하였으며, 이후 전국의 주요 상수원 보호구역과 취수장에 자동측정기가 보급되어, pH, 용존 산소, 수온, 탁도, 전도율의 5개 항목과 화학적 산소 요구량(COD), Cd, Pb, Cu 등이 연속적으로 측정되고, 필요에 따라 유해 물질이 측정된다(수처리 시스템에서의 수질오염물질 모니터링 및 적용 연구, 1999, 한국과학기술연구원).In Korea, the first automatic water quality meter was installed in Noryangjin and Ttukseom water sources in Seoul in 1974. Since then, automatic meters have been distributed to major water supply reserves and intake stations in Korea. Chemical oxygen demand (COD), Cd, Pb, Cu, etc. are continuously measured, and harmful substances are measured as needed (water pollutant monitoring and application research in water treatment systems, 1999, Korea Institute of Science and Technology).

환경부에서는 1994년 1월 낙동강 수질 오염 사고를 계기로 전국 주요상수원 및 오염사고 취약지역 등의 수질상태를 연속적으로 자동 측정하고 상시 감시함으로써, 수질오염사고에 신속히 대처하기 위하여 수질 자동 측정망 설치사업을 추진하고 있다. 수질 자동 측정망은 설계 설치, 운영관리, 유지보수, 정도관리 무인원격감시시스템실 운영 등이 총체적으로 종합된 집약기술업무로서, 1995년부터 2000년까지 국립환경연구원에서 20개소에 설치하였으며, 2000년부터는 환경관리공단에서 민간대행사업으로 추진하고 있다. 앞으로 2005년까지 36개소의 수질 자동 측정망을 추가로 설치하여 수질오염사고 등에 대비할 계획이다(환경부 홈페이지 참고자료).In January 1994, the Ministry of Environment continuously measured and monitored the water quality of major water sources and vulnerable areas of pollution throughout the Nakdong River water pollution incidents. have. The automatic water quality measurement network is an integrated technology business that includes design installation, operation management, maintenance, and quality control of the unmanned remote monitoring system room.It was installed in 20 places at the National Institute of Environmental Research from 1995 to 2000. The Environmental Management Corporation is promoting it as a private agency project. By 2005, 36 additional automatic water quality monitoring networks will be installed to prepare for water pollution accidents.

따라서, 앞으로 수질측정항목 중의 대표적인 측정항목인 BOD를 실시간으로 측정할 수 있는 센서에 대한 요구가 높아질 전망이다.Therefore, the demand for a sensor capable of measuring BOD, which is a representative measurement item among water quality measurement items, in real time is expected to increase.

최근에, 생물 연료 전지를 이용하여 실시간 연속모드로 인공폐수의 BOD를 측정하였을 때 BOD농도와 전류값이 상관관계를 가진다는 연구결과가 보고되었다(I.S.Changet al., 2001, Continuous determination of BOD in wastewater using microbial fuel cell type of novel biosensor,Proceedings of the International Sensor Conference, 125-126, Seoul, Korea).Recently, a study has been reported that BOD concentration and current value are correlated when BOD of artificial wastewater is measured in real time continuous mode using a biofuel cell (ISChang et al ., 2001, Continuous determination of BOD in wastewater using microbial fuel cell type of novel biosensor, Proceedings of the International Sensor Conference , 125-126, Seoul, Korea).

본 발명의 목적은 상기된 바와 같은 연구결과들과 사회적 요구를 토대로 하여, 실시간으로 수질의 BOD농도를 측정할 수 있도록 기존의 생물 연료 전지를 변형시킨 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a buoyancy sensor for real-time biometric measurement of water quality in which a conventional biofuel cell is modified to measure the BOD concentration of water quality in real time based on the research results and social needs as described above. have.

도 1은 부표형 센서의 개략도.1 is a schematic diagram of a buoy sensor.

도 2는 부표형 센서의 음극과 양극의 개략도.2 is a schematic diagram of a cathode and an anode of a buoy sensor.

도 3a는 전처리 장치의 입체도.3A is a three-dimensional view of the pretreatment device.

도 3b는 전처리 장치 측면의 평면도.3B is a plan view of the side of the pretreatment device.

도 4는 데이터 송ㆍ수신 시스템의 개략도.4 is a schematic diagram of a data transmission and reception system.

도 5는 인공폐수의 농도별 전류값의 변화를 나타낸 그래프.Figure 5 is a graph showing the change in current value for each concentration of artificial wastewater.

도 6은 인공폐수의 농도와 평균 전류값의 관계를 나타낸 그래프.6 is a graph showing the relationship between the concentration of artificial wastewater and the average current value.

도 7은 인공폐수의 농도와 최대 전류값의 관계를 나타낸 그래프.7 is a graph showing the relationship between the concentration of artificial wastewater and the maximum current value.

도 8a는 인공폐수의 농도별 생성된 쿨롱을 면적으로 나타낸 그래프.Figure 8a is a graph showing the coulomb produced by the concentration of the artificial waste water in the area.

도 8b는 인공폐수의 농도별 생성된 쿨롱 생성량과의 관계를 나타낸 그래프.Figure 8b is a graph showing the relationship between the coulomb produced by the concentration of artificial wastewater.

도 9는 팔당 시료에 적용하였을 때 전류값의 변화를 나타낸 그래프.9 is a graph showing the change in the current value when applied to the sample per arm.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)

10 : 생물 연료 전지10a : 음극10 biofuel cell 10a negative electrode

10b : 양극 11 : 전처리 장치10b: anode 11: pretreatment device

12 : 음극 시료 유출구14 : 비ㆍ먼지 막이12 negative electrode sample outlet 14 non-dust dust

15 : 부표16 : 추15: buoy 16: weight

17 : 추 고정용 실18 : 센서 방향 보정 날개17: weight fixing thread 18: sensor direction correction blade

19 : 데이터 수집ㆍ송신장치20 : 아크릴 통체19: Data collection and transmission device 20: Acrylic cylinder

21 : 음극 시료 유입구22 : 전극(음극)21: cathode sample inlet 22: electrode (cathode)

24a : 양극부 아크릴 통체24b : 상부 개방관24a: anode part acrylic cylinder 24b: upper open tube

25 : 고분자 전해질막-전극 접합체26 : 백금선25 polymer electrolyte membrane electrode assembly 26 platinum wire

27 : 실리콘 고무28 : 플라스틱 나사27: silicone rubber 28: plastic screw

31 : 판32 : 구멍31 plate 32: hole

41 : 전압계42, 46 : 신호 변환기41: voltmeter 42, 46: signal converter

43 : 송신기44 : 데이터 수신 장치43 transmitter 44 data receiving device

45 : 수신기47 : 데이터 해석기45 receiver 47 data interpreter

상기된 바와 같은 목적은, 농화된 전기 화학적 활성 미생물에 의해 유기물이 산화되는 음극 및 음극에서 생성된 전자가 전달되는 양극을 가지는 생물 연료 전지와; 상기 생물 연료 전지로 비, 먼지가 유입되는 것을 방지하기 위하여 상기 생물 연료 전지의 상부에 제공되는 비ㆍ먼지 막이와; 상기 생물 연료 전지가 물에 뜰 수 있도록 상기 생물 연료 전지에 제공되는 부표와; 상기 생물 연료 전지의 설치 방향을 보정하기 위하여 상기 생물 연료 전지의 후면부에 연결되는 센서 방향 보정 날개와; 상기 생물 연료 전지에 의해 감지된 측정값을 송수신하기 위하여 상기 생물 연료 전지 상에 제공되어, 원거리에 배치된 데이터 수신 장치로 데이터를 송신하는 데이터 수집ㆍ송신 장치와; 물에 떠있는 상기 생물 연료 전지의 위치를 고정하기 위하여 상기 생물 연료 전지에 연결되는 추를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서에 의해 달성될 수 있다.An object as described above includes a biofuel cell having a cathode through which an organic material is oxidized by a concentrated electrochemically active microorganism and an anode through which electrons generated at the cathode are transferred; A rain / dust shield provided on an upper portion of the biofuel cell to prevent rain and dust from entering the biofuel cell; A buoy provided to the biofuel cell such that the biofuel cell floats in water; A sensor direction correction vane connected to a rear portion of the biofuel cell to correct an installation direction of the biofuel cell; A data collecting / transmitting device provided on said biofuel cell for transmitting and receiving the measured value sensed by said biofuel cell, and transmitting data to a data receiving device arranged at a far distance; It can be achieved by a buoy sensor for real-time biometric measurement of water quality according to the invention, characterized in that it comprises a weight connected to the biofuel cell to fix the position of the biofuel cell floating in water.

상기에서, 상기 음극은 시료에 존재하는 유기물과 전기 화학적 활성 미생물과 직접 반응하도록 물이 흐르는 방향으로 배치된다.In the above, the cathode is disposed in the direction in which water flows to directly react with the organic material and the electrochemically active microorganisms present in the sample.

상기 음극과 양극은 고분자 전해질막에 의해 분리되며, 효율의 향상을 위해 고분자 전해질막-전극 접합체가 적용된다.The negative electrode and the positive electrode are separated by a polymer electrolyte membrane, and a polymer electrolyte membrane-electrode assembly is applied to improve efficiency.

또한, 상기 양극은 대기에 노출되어 대기 중의 산소가 산화제로 이용되며, 촉매층 및 촉매층을 지지하기 위한 지지체로 구성된다.In addition, since the anode is exposed to the atmosphere, oxygen in the atmosphere is used as an oxidant, and is composed of a catalyst layer and a support for supporting the catalyst layer.

상기 양극에서, 백금(Pt)은 산소의 환원 반응에서 촉매 역할을 하며, 이러한 반응이 일어나는 지지체는 발수 처리된 다공성 탄소체이다.In the anode, platinum (Pt) serves as a catalyst in the reduction reaction of oxygen, the support on which this reaction occurs is a water-repellent porous carbon body.

상기 전처리 장치는 원통체로 형성되며, 상기 원통체의 상하부에 물의 흐름방향과 반대 방향으로 45°의 각도로 서로 엇갈리도록 다수의 판들이 설치되는 한편, 판에 인접하여 다수의 구멍들이 형성된다.The pretreatment apparatus is formed of a cylindrical body, and a plurality of plates are provided on the upper and lower portions of the cylindrical body so as to cross each other at an angle of 45 ° in a direction opposite to the flow direction of water, while a plurality of holes are formed adjacent to the plate.

상기에서, 상기 데이터 수집ㆍ송신 장치는 생물 연료 전지에 의해 발생되는 전류의 전압을 측정하기 위한 전압계, 측정된 전압을 무선 송신용으로 변환시키기 위한 신호 변환기, 및 무선 송신용으로 변환된 신호를 송신하기 위한 송신기를 포함하고; 상기 데이터 수신 장치는 상기 데이터 수집ㆍ송신 장치로부터 송신된 데이터를 수신하기 위한 수신기, 수신된 신호를 특정 방식의 전압값으로 변환시키기 위한 신호 변환기, 및 특정 방식의 전압값으로 변환된 전압값을 해석하여 BOD를 출력하기 위한 데이터 해석기를 포함한다.In the above, the data collection / transmission apparatus transmits a voltmeter for measuring the voltage of the current generated by the biofuel cell, a signal converter for converting the measured voltage for wireless transmission, and a signal converted for wireless transmission. A transmitter for; The data receiving device analyzes a receiver for receiving data transmitted from the data collecting / transmitting device, a signal converter for converting the received signal into a voltage value of a specific method, and a voltage value converted into a voltage value of a specific method. It includes a data interpreter for outputting the BOD.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서는 도 1에 도시된 생물 연료 전지(10, 부표형 센서)의 전처리 장치(11)을 통하여 음극(10a)으로 유입되어, 전류를 발생시킨 후에, 음극 시료 유출구(12)를 통해 외부로 유출된다. 생물 연료 전지(10)의 양극(10b)의 상부 부분은 개방되어 대기 중의 산소가 산화제로 이용될 수 있어, 별도의 산화제 주입을 요구하지 않는다. 이 때, 비ㆍ먼지 막이(14)가 생물 연료 전지(10) 양극(10b)의 상부에 설치되어, 대기 중의 먼지나 비 등이 양극(10b)으로 유입되는 것을 방지한다. 이러한 생물 연료 전지(10)는 양극(10b) 상에 제공되는 부표(15)에 의해 물에 뜰 수 있으며, 부표(15)의 상부에는 데이터를 수집하여 송신하기 위한 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)가 제공된다.The buoyancy sensor for real-time biometric measurement of water quality according to the present invention flows into the cathode 10a through the pretreatment device 11 of the biofuel cell 10 (buoy sensor) shown in FIG. , It flows out through the negative electrode sample outlet 12. The upper part of the anode 10b of the biofuel cell 10 is opened so that oxygen in the atmosphere can be used as an oxidant, so that no separate oxidant injection is required. At this time, the rain / dust film 14 is provided on the upper part of the anode 10b of the biofuel cell 10 to prevent dust, rain, and the like from flowing into the anode 10b. The biofuel cell 10 can float on the water by the buoy 15 provided on the anode 10b, and the data collection / transmission device 19 for collecting and transmitting data on the upper part of the buoy 15 is provided. Is provided.

생물 연료 전지(10)는 시료에 존재하는 유기물과 전기 화학적 활성 미생물이직접 반응하는 음극(10a)과 양극(10b)으로 구성되며, 음극(10a)은 시료가 용이하게 유입될 수 있도록 물의 흐름 방향을 향하여 배치된다. 생물 연료 전지(10)의 음극(10a)과 양극(10b)으로는 고분자 전해질막-전극 접합체가 적용되며, 양극에는 백금 촉매화 전극(본 출원인에 의해 출원된 대한민국 특허출원 제 2001-75259호, 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 생물 연료 전지)이 사용된다. 생물 연료 전지(10)의 음극(10a)은 농화된 전기 화학적 활성 미생물에 의해 유기물이 산화되는 반응이 일어나고, 이 때 생성된 전자가 양극(10b)으로 전달되어 전류가 발생됨으로써 센서로서 기능한다.The biofuel cell 10 is composed of a cathode 10a and an anode 10b in which organic substances and electrochemically active microorganisms in a sample react directly with each other, and the cathode 10a has a flow direction of water so that the sample can be easily introduced therein. It is arranged toward. A polymer electrolyte membrane-electrode assembly is applied as the cathode 10a and the anode 10b of the biofuel cell 10, and a platinum catalyzed electrode (Korean Patent Application No. 2001-75259, filed by the present applicant) Biofuel cells using a polymer electrolyte membrane-electrode assembly). The negative electrode 10a of the biofuel cell 10 functions as a sensor by oxidizing organic matter by the concentrated electrochemically active microorganism, and generating electrons transferred to the positive electrode 10b to generate a current.

생물 연료 전지(10)의 양극(10b)은 대기에 노출되어 대기 중의 산소가 산화제로 이용되며, 촉매층 및 촉매층을 지지하기 위한 지지체로 구성된다. 촉매 물질로서는 산소의 환원반응에 촉매역할을 하는 백금(Pt)이 주로 사용되고, 지지체로서는 발수 처리된 다공성 탄소지 또는 탄소포와 같은 다공성 탄소체가 사용될 수 있다. 이러한 것들은 Pt/C의 전기적 연속성, 얇은 H2O막으로 채워진 전극 기공 내로의 산소의 원활한 이동, 그리고 H-이온의 Pt촉매로의 원활한 이동 등의 조건을 만족시킬 수 있으며, 전극에서의 전기 화학적 반응이 원활하게 진행되어 높은 성능을 낼 수 있다.The anode 10b of the biofuel cell 10 is exposed to the atmosphere so that oxygen in the atmosphere is used as an oxidant, and is composed of a support for supporting the catalyst layer and the catalyst layer. As the catalyst material, platinum (Pt), which serves as a catalyst for the reduction reaction of oxygen, is mainly used, and a porous carbon body such as water repellent porous carbon paper or carbon cloth can be used as the support. These can satisfy conditions such as electrical continuity of Pt / C, smooth movement of oxygen into electrode pores filled with thin H 2 O film, and smooth movement of H-ion to Pt catalyst. The reaction proceeds smoothly, resulting in high performance.

도 2에는 본 발명에 따른 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서에 사용되는 생물 연료 전지(10)가 보다 상세하게 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 음극(10a)은 전처리 장치(11)가 장착되는 시료 유입구(21)가 형성된 아크릴 통체(20)와 통체(20) 내에 위치되는 전극(22)을 포함한다. 생물 연료 전지(10)의 음극(10a)의 시료 유입구(21)에는 도 1에 도시된 바와 같이 시료 중의 부유 물질을 걸러내기 위해 전처리 장치(11)가 설치되며, 이러한 전처리 장치(11)에 의해 시료 내의 부유물로 인한 음극(10a)의 막힘 현상이 방지될 수 있다. 전처리 장치(11)를 통하여 음극(10a) 내로 유입된 시료는 전극(22)에 직접 접촉하여 반응하여, 전극(22)에 농화된 전기 화학적 활성 미생물에 의해 시료내의 유기물이 산화되며, 전극(22)과 반응한 시료는 유출구(12)를 통해 외부로 유출된다.2 shows in more detail a biofuel cell 10 used in a buoy sensor for real-time biometric measurement of water quality in accordance with the present invention. As shown in FIG. 2, the cathode 10a includes an acrylic cylinder 20 having a sample inlet 21 on which the pretreatment device 11 is mounted, and an electrode 22 positioned in the cylinder 20. In the sample inlet 21 of the negative electrode 10a of the biofuel cell 10, a pretreatment device 11 is installed to filter out suspended substances in the sample, as shown in FIG. 1. A clogging phenomenon of the negative electrode 10a due to the suspended matter in the sample can be prevented. The sample introduced into the cathode 10a through the pretreatment device 11 reacts by being in direct contact with the electrode 22 to oxidize the organic material in the sample by the electrochemically active microorganisms concentrated on the electrode 22. ) And the sample reacted to the outside through the outlet (12).

또한, 아크릴 판으로 만들어지는 양극(10b)은 도 2에 도시된 바와 같이 아크릴 통체(24a)와, 통체(24a)의 상부 중앙에 위치되는 상부 개방관(24b)을 포함하고,상부 개방관(24b)을 통하여 외부의 대기중 산소가 전극(25, MEA중 양극부 전극(백금 촉매화된 탄소))으로 공급될 수 있다. 생물 연료 전지(10)의 구성체인 고분자 전해질막-전극 접합체(25, Membrane-Electrode Assembly, MEA), 및 누수 방지용 실리콘 고무(27)가 음극(10a)과 양극(10b)의 사이에 배치된 상태에서 아크릴 또는 플라스틱 나사(28)에 의해 견고하게 조립된다. 본 발명에서 사용되는 생물 연료 전지(10)의 양극(10b)에 백금을 촉매화한 전극을 사용하여 전극에서의 화학반응이 원활하고 센서 자체의 내부 저항이 낮다. 고분자 전해질막-전극 접합체(25)는 도 2에 도시된 바와 같이 음극(10a)과 양극(10b) 사이에 배치되며, 약 Φ=0.5 mm의 지름을 가지는 한 쌍의 백금선(26)들 중 하나는 음극(10a)의 전극(22)에 연결되고 다른 하나는 고분자 전해질막-전극 접합체(25)의 양극부 전극부분에 연결되어, 시료내의 유기물 산화를 통해 음극(10a)에서 생성된 전자는 백금선(26)들을 통해 양극(10b)으로 흐름으로써 전류가 발생된다.In addition, the anode 10b made of an acrylic plate includes an acrylic cylinder 24a and an upper opening tube 24b positioned at an upper center of the cylinder 24a, as shown in FIG. External atmospheric oxygen may be supplied to the electrode 25 (the anode electrode (platinum catalyzed carbon) in the MEA) through 24b). A polymer electrolyte membrane-electrode assembly (MAA) 25, which is a constituent of the biofuel cell 10, and a leak-proof silicon rubber 27 are disposed between the negative electrode 10a and the positive electrode 10b. Is assembled firmly by acrylic or plastic screws 28. By using platinum-catalyzed electrodes on the anode 10b of the biofuel cell 10 used in the present invention, chemical reactions at the electrodes are smooth and the internal resistance of the sensor itself is low. The polymer electrolyte membrane-electrode assembly 25 is disposed between the cathode 10a and the anode 10b as shown in FIG. 2 and has one of a pair of platinum wires 26 having a diameter of about Φ = 0.5 mm. Is connected to the electrode 22 of the cathode 10a and the other is connected to the anode portion of the polymer electrolyte membrane-electrode assembly 25. The electrons generated at the cathode 10a through oxidation of organic matter in the sample are platinum wires. The current is generated by flowing through the 26 to the anode 10b.

한편, 생물 연료 전지(10)로 유입되는 시료는 전처리 장치(11)를 통하여 음극(10a)으로 유입되며 이는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 원통체로 형성된다. 상기 원통체의 상하부에 물의 흐름방향과 반대 방향으로 45°의 각도로 서로 엇갈리도록 다수의 판(31)들이 설치되는 한편, 판(31)에 인접하여 다수의 구멍(32)들이 형성된다. 전처리 장치(11)에 물과 함께 유입된 부유물은 서로 엇갈리도록 배치되는 판(31)들에 의해 걸러지며, 걸러진 부유물은 구멍(32)들을 통해 외부로 배출된다. 상기된 바와 같이 전처리 장치(11)에 의해 부유물이 걸러진 시료(물)는 음극(10a)으로 유입된다.On the other hand, the sample flowing into the biofuel cell 10 is introduced into the cathode 10a through the pretreatment device 11, which is formed in a cylindrical body as shown in Figs. 3a and 3b. The upper and lower portions of the cylindrical body are provided with a plurality of plates 31 staggered with each other at an angle of 45 ° in a direction opposite to the flow direction of water, while a plurality of holes 32 are formed adjacent to the plate 31. Float introduced into the pretreatment device 11 together with water is filtered by the plates 31 arranged to cross each other, and the filtered float is discharged to the outside through the holes 32. As described above, the sample (water) from which the suspended matter is filtered by the pretreatment device 11 flows into the cathode 10a.

상기된 바와 같은 구성을 가지는 부표형 센서의 데이터 송ㆍ수신 시스템이 도 4에 개략적으로 도시되었다. 생물 연료 전지(10)에는 도 4에 도시된 바와 같은 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)가 제공되며, 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)는 생물 연료 전지(10)에 의해 발생되는 전류의 전압을 측정하기 위한 전압계(41), 측정된 전압을 무선 송신용으로 변환시키기 위한 신호 변환기(42), 및 무선 송신용으로 변환된 신호를 송신하기 위한 송신기(43)를 포함한다.The data transmission / reception system of the buoy-type sensor having the configuration as described above is schematically shown in FIG. The biofuel cell 10 is provided with a data collection / transmission device 19 as shown in FIG. 4, and the data collection / transmission device 19 measures the voltage of the current generated by the biofuel cell 10. A voltmeter 41, a signal converter 42 for converting the measured voltage for wireless transmission, and a transmitter 43 for transmitting the converted signal for wireless transmission.

생물 연료 전지(10)는 양극(10b)과 음극(10a) 사이에는 500Ω의 저항을 연결하고 양극사이의 전압은 전압계(41, DDV-032)에 의해 측정된다. 전압계(41)에 의해 측정된 전압은 신호 변환기(42, 자체 제작한 RS-232S 방식)에 의해 무선 송신용으로 변환되어, 송신기(43, RATA 10V)에 의해 기기와 떨어져 있는 데이터 수신 장치(44)로 송신된다.The biofuel cell 10 connects a resistance of 500 Ω between the positive electrode 10b and the negative electrode 10a and the voltage between the positive electrodes is measured by the voltmeters 41 and DDV-032. The voltage measured by the voltmeter 41 is converted for wireless transmission by the signal converter 42 (RS-232S method, which is self-made), and the data receiving device 44 separated from the apparatus by the transmitter 43 (RATA 10V). Is sent).

데이터 수신 장치(44)는 부표형 센서에 부착된 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)로부터 송신된 데이터를 수신하기 위한 수신기(45, RATA 10V), 수신된 신호를 변환시키기 위한 신호 변환기(46, RS-232S 방식), 및 변환된 전압값을 해석하여 BOD를 출력하기 위한 데이터 해석기(47)를 포함한다.The data receiving device 44 includes a receiver 45 (RATA 10V) for receiving data transmitted from the data collecting / transmitting device 19 attached to the buoy sensor, and a signal converter 46, RS for converting the received signal. -232S system), and a data analyzer 47 for outputting the BOD by analyzing the converted voltage value.

데이터 수집ㆍ송신 장치(19)로부터 송신기(43)를 통해 송신된 데이터는 데이터 수신 장치(44)에서 수신기(45)를 통해 수신된다. 수신기(45)를 통해 수신된 신호는 신호 변환기(46)에 의해 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)와 동일한 방식인 RS-232S 방식에 의해 전압값으로 변환되어, 데이터 해석기(47)에 의해 BOD값으로 환산되어 BOD를 출력한다. 이러한 무인원격 감시 시스템(Tele-meter System, TMS)을 이용하여 사용자는 사무실에서 현장수질의 BOD농도를 실시간으로 모니터링 할 수 있다.Data transmitted from the data collection / transmission device 19 via the transmitter 43 is received by the data reception device 44 through the receiver 45. The signal received through the receiver 45 is converted into a voltage value by the signal converter 46 by the RS-232S method, which is the same as the data collection / transmission device 19, and the BOD value by the data analyzer 47. Converted to, outputs BOD. Using this tele-meter system (TMS), the user can monitor the BOD concentration of water quality in the office in real time.

<실시예 1><Example 1>

본 실시예는 본 발명에 따른 부표형 센서에 다양한 농도의 인공폐수를 주입하였을 때 발생되는 전류값의 변화를 살펴본 것이다. 전기 화학적 활성 미생물로 농화 배양하기 위하여, 중랑 하수 처리장의 폐수 처리용 슬러지를 접종원으로 하여 인공폐수를 연속적으로 주입하였다.This embodiment looks at the change in the current value generated when an artificial wastewater of various concentrations is injected into the buoy sensor according to the present invention. In order to enrich the culture with electrochemically active microorganisms, artificial wastewater was continuously injected using sludge for wastewater treatment of Jungnang sewage treatment plant as an inoculum.

생물 연료 전지(10)에서의 저항은 500Ω으로 하였으며, 전지(10)에서의 전압 발생량은 전압계(DDV-032)에 의해 측정된 전압 신호를 RS-232S 방식을 이용하여 변환시켜 수신하였으며, 120초 간격으로 전압값을 측정하였다. 120 ×60 ×100(㎝)의 수조에 부표형 센서를 장착하고, 글루코오스와 글루타믹산을 이용하여 BOD농도를 10, 20, 40, 50 ppm으로 조절하여 준 인공폐수를 넣어 주어 부표형 센서가 잠기도록 하였으며, 이 때 발생되는 전류값을 측정하였다(도 5 참조). 부표형 센서가 담긴 수조에 새로운 농도의 인공폐수를 주입하였을 때, 전류값이 점차 증가하기 시작하여 최대 전류값에 도달하는 양상을 보였다.The resistance in the biofuel cell 10 was 500 Ω, and the voltage generation amount in the cell 10 was received by converting the voltage signal measured by the voltmeter (DDV-032) using the RS-232S method. Voltage values were measured at intervals. A buoy-type sensor was installed in a 120 × 60 × 100 (cm) tank, and the artificial wastewater was adjusted by adjusting the BOD concentration to 10, 20, 40, and 50 ppm using glucose and glutamic acid. It was to be locked, and the current value generated at this time was measured (see FIG. 5). When a new concentration of artificial wastewater was injected into the tank containing the buoy-type sensor, the current value gradually increased and reached the maximum current value.

약 17시간 동안 생성된 평균 전류값과 인공폐수의 BOD 농도와의 관계가 도 6의 그래프에 도시되어 있다. 회귀결과 1차 직선 관계를 보였으며, 회귀계수(r2)가 약 0.98로서 높은 비례관계를 나타내었다.The relationship between the average current value generated for about 17 hours and the BOD concentration of the artificial wastewater is shown in the graph of FIG. 6. As a result of the regression, the linear linear relationship was shown and the regression coefficient (r 2 ) was about 0.98, indicating a high proportional relationship.

도 7은 인공폐수의 농도별로 생성된 최대 전류값의 관계를 나타낸 그래프이다. 인공폐수의 BOD농도와 최대 전류 생성량은 약 40 ppm 이하의 BOD농도까지 1차적으로 비례하는 경향을 보였으나, 약 40-50 ppm 이상의 BOD농도에서는 약 1㎃로 더 이상 증가하지 않는 경향을 나타내었다.7 is a graph showing the relationship between the maximum current value generated for each concentration of artificial wastewater. The BOD concentration and the maximum current generation of artificial wastewater tended to be proportional to the BOD concentration of about 40 ppm or less, but did not increase to about 1㎃ at the BOD concentration of about 40-50 ppm or more. .

일정시간(약 17시간)동안 인공폐수의 BOD 농도별로 생성된 전류값을 누적(도 8a 참조)하여 쿨롱값으로 비교한 결과, 10 ppm 일 때 약 34 쿨롱, 20ppm 일 때 약 42 쿨롱, 40ppm 일 때 50 쿨롱, 그리고 50 ppm일 때 약 58 쿨롱이 생성되었다. 회귀계수(r2)는 약 0.98로 1차 비례 관계를 나타내었다(도 8b 참조).The cumulative current value generated by BOD concentration of artificial wastewater for a certain period of time (about 17 hours) was accumulated (see Fig. 8a) and compared to a coulomb value. 50 coulombs at 50 ppm and about 58 coulombs at 50 ppm. The regression coefficient (r 2 ) was about 0.98, indicating a first-order proportional relationship (see FIG. 8B).

<실시예 2><Example 2>

본 실시예에서는 부표형 센서를 현장에 적용시켰을 때, 발생되는 전류값을 통해 수질의 BOD 농도를 측정하였다. 부표형 센서 음극에 전기 화학적 활성 미생물로 농화 배양하기 위하여, 실시예의 1과 동일하게 중랑하수 처리장의 폐수처리용 슬러지를 접종원으로 하여 인공폐수를 연속적으로 주입하여 주었다.In this embodiment, the BOD concentration of the water quality was measured through the current value generated when the buoy sensor was applied to the field. In order to enrich and culture the electrochemically active microorganism on the buoy-type sensor negative electrode, artificial wastewater was continuously injected in the same manner as in Example 1 using the sludge for wastewater treatment of Jungnang sewage treatment plant as an inoculation source.

농화 배양이 끝난 부표형 센서를 상수원 보호구역인 팔당댐 상류 부근에 설치하여 전류값의 변화를 살펴보았다(도 9 참조). 이 때의 전압 발생량은 DDV-032의 전압계에 의해 측정된 전압 신호를 RS-232S 방식을 이용하여 변환시켜 수신하였으며, 120초 간격으로 전압값을 측정하였다. BOD 측정결과는 표 1에 정리하였다. BOD5농도 3.8±0.5 ppm인 시료를 적용한 결과, 0.52 ㎃의 평균 전류, 약 17시간 동안 생성된 쿨롱값이 31.04 쿨롱으로 나타내었다. 위 쿨롱값을 도 8b의 회귀결과(생성 쿨롱 = 0.57 ×BOD농도 + 29.06)에 적용하여 계산된 팔당 시료의 BOD값은 3.47ppm이었다. 생물 연료 전지(10)를 이용한 BOD 계측기인 HABS-2000(한국바이오시스템, 한국)을 이용하여 측정된 BOD값은 3.5±0.1 ppm으로, 시료를 주입시켜 BOD 농도를 측정한 경우와 비슷한 결과를 얻을 수 있었다. BOD5값과는 약 0.3 ppm의 차이를 나타내었으며, 이 또한 오차범위 내에서의 값이다. 이들 결과는 부표형 센서의 현장 적용 가능성을 나타내어 준다.The buoyancy sensor after the thickening culture was installed near the upstream of Paldang Dam, a water source protection zone, to observe the change in the current value (see FIG. 9). At this time, the voltage generation amount was received by converting the voltage signal measured by the DDV-032 voltmeter using the RS-232S method, the voltage value was measured at intervals of 120 seconds. BOD measurement results are summarized in Table 1. As a result of applying a sample having a BOD 5 concentration of 3.8 ± 0.5 ppm, an average current of 0.52 mA and a coulombic value generated for about 17 hours were 31.04 coulombs. The BOD value of the sample per arm was 3.47 ppm calculated by applying the above coulomb value to the regression result of FIG. The BOD value measured using HABS-2000 (Biosystem, Korea), a BOD meter using the biofuel cell (10), was 3.5 ± 0.1 ppm. Could. The difference was about 0.3 ppm from the BOD 5 value, which is also within the error range. These results indicate the field applicability of buoyancy sensors.

표 1Table 1

측정방식Measurement method BOD 농도(ppm)BOD concentration (ppm) BOD5 BOD 5 3.8±0.53.8 ± 0.5 HABS-2000HABS-2000 3.5±0.13.5 ± 0.1 부표형 센서Buoy sensor 3.53.5

이상 설명한 본 발명에 따르면, 센서의 음극이 개방되어 시료가 직접 음극에 접촉함으로써, 시료를 채취하여 분석하던 현재의 수질 모니터링 시스템보다 용이하게 실시간으로 현장시료의 BOD농도를 모니터링할 수 있다.According to the present invention described above, since the cathode of the sensor is opened and the sample is in direct contact with the cathode, the BOD concentration of the field sample can be monitored in real time more easily than the current water quality monitoring system in which the sample is collected and analyzed.

또한, 고분자 전해질막-전극 접합체(MEA)와 백금을 촉매화한 전극을 사용함으로써, 전극의 화학반응을 보다 활발하게 하여 센서의 감도를 높일 수 있다. 이와 함께 양극의 상부 부분을 개방하여 대기 중의 산소를 산화제로 이용함으로써, 전위차를 유지하기 위해 양극으로 주입되던 물과 공기 등의 주입장치의 사용이 제거될 수 있어, 구조가 보다 간단하게 될 수 있다.In addition, by using an electrode catalyzed by a polymer electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) and platinum, the chemical reaction of the electrode can be more active, and the sensitivity of the sensor can be increased. In addition, by opening the upper portion of the anode to use oxygen in the atmosphere as an oxidant, the use of an injection device such as water and air injected into the anode to maintain the potential difference can be eliminated, thereby making the structure simpler. .

또한, 물에 뜰 수 있는 재료와 추를 통해 부표형 센서가 균형적으로 물에 뜰수 있는 한편, 물 흐름의 반대방향으로 날개가 설치되어 강물의 흐름에 큰 장애를 받지 않고 안정적으로 수질의 BOD농도를 모니터링 할 수 있다. 또한 부표형 센서에 무인 원격 감시 시스템(TMS)을 도입함으로써 사용자가 사무실에서 현장수질의 BOD농도를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.In addition, the buoyant sensor can float in the water through the floating material and weight, while wings are installed in the opposite direction of the water flow, so that the BOD concentration of water quality can be stably maintained without being disturbed by the river flow. Can be monitored. In addition, by introducing an unmanned remote monitoring system (TMS) to the buoy type sensor, the user can monitor the BOD concentration of the water quality in the office in real time.

Claims (8)

농화된 전기 화학적 활성 미생물에 의해 유기물을 산화시키도록 반응하는 음극(10a) 및 음극(10a)에서 생성된 전자가 전달되는 양극(10b)을 가지는 생물 연료 전지(10)와;A biofuel cell 10 having a cathode 10a that reacts to oxidize organic matter by the concentrated electrochemically active microorganism, and an anode 10b through which electrons generated at the cathode 10a are transferred; 상기 생물 연료 전지(10)로 비, 먼지가 유입되는 것을 방지하기 위하여 상기 생물 연료 전지(10)의 상부에 제공되는 비ㆍ먼지 막이(14)와;A rain and dust film (14) provided on an upper portion of the biofuel cell (10) to prevent rain and dust from entering the biofuel cell (10); 상기 생물 연료 전지(10)가 물에 뜰 수 있도록 상기 생물 연료 전지(10)에 제공되는 부표(15)와;A buoy (15) provided to the biofuel cell (10) so that the biofuel cell (10) can float on water; 상기 생물 연료 전지(10)의 설치 방향을 보정하기 위하여 상기 생물 연료 전지(10)의 후면부에 연결되는 센서 방향 보정 날개(18)와;A sensor direction correction vane (18) connected to a rear portion of the biofuel cell (10) to correct the installation direction of the biofuel cell (10); 상기 생물 연료 전지(10)에 의해 감지된 측정값을 송수신하기 위하여 상기 생물 연료 전지(10) 상에 제공되어, 원거리에 배치된 데이터 수신 장치(44)로 데이터를 송신하는 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)와;A data collecting / transmitting device which is provided on the biofuel cell 10 to transmit and receive measured values sensed by the biofuel cell 10 and transmits data to a data receiving device 44 disposed at a long distance ( 19); 물에 떠있는 상기 생물 연료 전지(10)의 위치를 고정하기 위하여 상기 생물 연료 전지(10)에 연결되는 추(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.And a weight (16) connected to the biofuel cell (10) to fix the position of the biofuel cell (10) floating in water. 제 1 항에 있어서, 상기 음극(10a)으로 유입되는 시료 중의 부유물을 걸러내기 위하여 상기 음극(10a)의 유입구(21)에 설치되는 전처리 장치(11)를 포함하는것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.2. The real-time video quality of water according to claim 1, further comprising a pretreatment device (11) installed in the inlet (21) of the cathode (10a) to filter out suspended matter in the sample flowing into the cathode (10a). Buoy sensor for measurement. 제 1 항에 있어서, 상기 음극(10a)은 시료에 존재하는 유기물과 전기 화학적 활성 미생물과 직접 반응하도록 물이 흐르는 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.The buoy sensor according to claim 1, wherein the cathode (10a) is disposed in a direction in which water flows so as to directly react with organic substances and electrochemically active microorganisms present in the sample. 제 1 항에 있어서, 상기 음극(10a)과 양극(10b)에 고분자 전해질막-전극 접합체(MEA) 방식을 적용하여, 고분자 전해질막과 전극을 접합하는 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.The buoy for measuring real-time video quality of water according to claim 1, wherein a polymer electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) is applied to the negative electrode 10a and the positive electrode 10b to bond the polymer electrolyte membrane and the electrode. Type sensor. 제 1 항에 있어서, 상기 양극(10b)이 대기중에 노출되어 대기중의 산소가 산화제로 이용되며, 촉매층 및 촉매층을 지지하기 위한 지지체로 구성되는 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.The buoy sensor according to claim 1, wherein the anode (10b) is exposed to the atmosphere so that oxygen in the atmosphere is used as an oxidant, and is composed of a catalyst layer and a support for supporting the catalyst layer. . 제 5 항에 있어서, 상기 촉매물질은 백금(Pt)으로 산소의 환원 반응에서 촉매 역할을 하며, 이러한 반응이 일어나는 지지체는 발수 처리된 다공성 탄소체인 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.[Claim 6] The buoy type sensor of claim 5, wherein the catalytic material serves as a catalyst in the reduction reaction of oxygen with platinum (Pt), and the support on which the reaction occurs is a porous carbon body that is water repellent. . 제 2 항에 있어서, 상기 전처리 장치(11)는 원통체로 형성되며, 상기 원통체의 상하부에 물의 흐름방향과 반대 방향으로 45°의 각도로 서로 엇갈리도록 다수의 판(31)들이 설치되는 한편, 상기 판(31)들에 인접하여 다수의 구멍(32)들이 형성되는 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.The method of claim 2, wherein the pretreatment device 11 is formed of a cylindrical body, a plurality of plates 31 are installed on the upper and lower portions of the cylindrical body to be staggered with each other at an angle of 45 ° in the direction opposite to the flow direction of water, Buoy type sensor for real-time video measurement of water quality, characterized in that a plurality of holes (32) are formed adjacent to the plate (31). 제 1 항에 있어서, 상기 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)는 생물 연료 전지(10)에 의해 발생되는 전류의 전압을 측정하기 위한 전압계(41), 측정된 전압을 무선 송신용으로 변환시키기 위한 신호 변환기(42), 및 무선 송신용으로 변환된 신호를 송신하기 위한 송신기(43)를 포함하고; 상기 데이터 수신 장치(44)는 상기 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)로부터 송신된 데이터를 수신하기 위한 수신기(45), 수신된 신호를 특정 방식의 전압값으로 변환시키기 위한 신호 변환기(46), 및 특정 방식의 전압값으로 변환된 전압값을 해석하여 BOD를 출력하기 위한 데이터 해석기(47)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.The data collection / transmission device 19 according to claim 1, wherein the data collection / transmission device 19 includes a voltmeter 41 for measuring the voltage of the current generated by the biofuel cell 10, and a signal for converting the measured voltage for wireless transmission. A converter 42, and a transmitter 43 for transmitting the converted signal for wireless transmission; The data receiving device 44 includes a receiver 45 for receiving data transmitted from the data collecting and transmitting device 19, a signal converter 46 for converting the received signal into a voltage value of a specific scheme, and And a data analyzer 47 for outputting a BOD by analyzing a voltage value converted into a voltage value of a specific method.
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