KR20100109096A

KR20100109096A - 기능성 전극을 장착한 미생물 연료 전지 단위체 및 이를 이용한 미생물 연료 전지

Info

Publication number: KR20100109096A
Application number: KR1020090027518A
Authority: KR
Inventors: 안대희; 투안트란홍; 류재훈
Original assignee: 명지대학교 산학협력단
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-08
Also published as: KR101040185B1

Abstract

본 발명은 기능성 전극을 장착한 미생물 연료 전지 단위체 및 이를 이용한 미생물 연료전지에 관한 것이다. 본 발명의 미생물 연료전지는 음극액을 사용하지 않아 화학적 재생산과 재순환이 필요하지 않아 부피가 감소될 수 있고, 또한 음극 전극에는 세라믹 멤브레인이 부착되어 공기 중의 산소를 직접 이용할 수 있어 건설비용 및 주변 장치와 운영비용을 줄일 수 있으며, 공정의 지속 가능성이 향상되며, 자연친화적인 방법으로 전력생산 및 폐수처리 효율을 향상시킬 수 있다.

미생물 연료전지, 음극전극 모듈, 양극 전극, 혐기조, 유기물산화미생물

Description

기능성 전극을 장착한 미생물 연료 전지 단위체 및 이를 이용한 미생물 연료 전지{MICROBIAL FUEL CELL UNIT EQUIPPED WITH FUNCTIONAL ELECTRODES AND MICROBIAL FUEL CELL PREPARED THEREWITH}

본 발명은 기능성 전극을 장착한 실용적 디자인의 미생물 연료 전지 단위체 및 이를 이용한 미생물 연료전지에 관한 것이다.

지구 온난화와 에너지 위기라는 문제가 대두되면서 환경 분야에서는 폐수를 처리함과 동시에 청정연료인 전기에너지를 추가적인 변환 공정 없이 직접 생산할 수 있는 미생물 연료전지에 대한 연구가 증가하고 있다. 하지만 현재까지 실제 하폐수처리장에 적용하기에는 낮은 전력생산과 현재 적용되고 있는 하폐수처리장 공정에 간단하게 시설개량하기 어려운 구조와 공정흐름상의 문제, 경제적이고 효율적인 전극, 멤브레인, 촉매의 개발 등 극복해야 할 문제가 많이 남아있다.

미생물 연료전지 시스템에서 적혈염(potassium ferricyanide) (Oh S. E., Environ. Sci. Technol., 2004, Rabaey K., Biotechnol Lett., 2003) 또는 과망간 산칼륨(potassium permanganate) (You S., J. Power Sources., 2006)와 같은 음극액들은 음극반응을 최적화시키기 위해 사용되었다. 하지만 이 액체 상태의 음극액들은 실제 공정에 적용했을 때 지속적인 유지가 어려운데 이는 미생물 연료전지 시스템에서 방출되는 유출수는 과도한 화학약품이 존재하므로 이를 재이용 및 제거하기 위해서는 막대한 비용이 소요되기 때문이다.

미생물 연료전지 시스템의 실용화를 위한 부피증가(Scale-up)는 특히 폐수처리분야에서 중요하지만 상대적으로 큰 규모의 미생물 연료전지 시스템에 대한 연구는 그리 많지 않다. 최근에 Liu et al.는 500-mL 미생물 연료전지 반응기를 운전하여 20 W/m³의 최대 전력밀도를 생산하였다. 1.5 L의 공기 음극형(air-cathode) 미생물 연료전지 시스템을 운전하여(Liu H., J. Power Souce., 2008), 2W/m³의 최대 전력밀도를 생산하였지만 작은 공기 음극형 미생물 연료전지의 최대 전력밀도보다 약 1000배나 낮았다(Fan Y., Environ. Sci. Technol., 2007, Cheng S.& Logan K., Elec. Coom., 2007).

큰 규모의 미생물 연료전지 시스템의 제작은 전극간의 공간(electrode spacing)을 증가시킬 수 있으며, 따라서 내부저항의 증가로 인해 전력 생산의 효율을 감소시킨다. 작은 공기 음극형 미생물 연료전지 시스템에서 전극간의 공간(electrode spacing)과 음극전극의 표면적은 전력 생산에 영향을 주는 것으로 보고되고 있다(Cheng S., Environ. Sci. Technol., 2006).

미생물 연료전지 시스템은 직렬 또는 병렬로 연결되어 높은 전압과 전류를 얻을 수 있다(Oh S. E.& Logan B. K., J. Power Sources, 2007, Aelterman P., Appl. Microbiol. Biotechnol., 2006). 하지만 직렬로 연결된 다수의 쌓아올린(stacking multiple) 미생물 연료전지 시스템은 전압강하(voltage reversal), 접촉 전압 유실(contact voltage losses), 비정상 운전(erratic operation)과 같은 문제를 일으킬 수 있다(Oh S. E.& Logan B. E., J. Power Sources, 2007). 미생물 연료 전지 시스템을 부피증가(scale-up) 했을 때 내부 저항 증가로 인한 전력 생산의 효율이 감소하는 문제와 백금으로 입힌 전극(platinum (Pt) -based cathode)의 사용으로 인한 높은 건설비용 등의 많은 문제점들로 인하여 현재까지 미생물 연료전지 시스템을 실제 하폐수처리장에 적용하여 실용화하는 데 있어 걸림돌이 되고 있다.

초기의 공기 음극형 미생물 연료전지 시스템(10)은 하나의 관(1)에 양극전극(5)과 음극전극(2)이 반응기의 양쪽으로 위치하여 사용되었다(Liu H.& Logan B. K., Environ. Sci. Technol., 2004)(도 7 참조). 이와 같은 디자인 패턴은 시스템의 부피증가(scale up)를 했을 때 문제가 발생할 수 있다. 왜냐하면 두 전극 사이의 거리는 내부전항과 밀접한 관계가 있기 때문에 전극 표면적에 비례하여 전극 사이의 거리비가 증가하면 전력생산량과 미생물 연료전지의 처리용량이 감소하기 때문이다.

이에, 본 발명자들은 낮은 건설비용과 경제적이고 효율적인 전극시스템을 기반으로 동시에 폐수처리능력을 향상시킨 큰 규모의 반응기에 적합한 공기 음극 미 생물 연료전지를 개발하고자 예의 연구한 결과, 막모듈을 모사한 공기 음극형 전극시스템 및 생물학적 혐기조가 결합된 미생물 연료전지 단위체를 제작하고, 상기 제작된 복수개의 미생물 연료전지 단위체를 연결한 본 발명에 따른 미생물 연료전지를 운전하여 COD 및 전압 변화를 확인한 결과, 유기물을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 전기 생산까지 증대시킬 수 있었으므로 하폐수의 처리 및 전기 생산에 매우 효율적임을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 기존의 미생물 연료전지보다 건설비용 감소, 부피증가(scale-up) 능력, 전력생산 및 폐수처리 효율 향상 등의 개선된 효과를 가진 미생물 연료전지를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 세라믹 멤브레인과 셀룰로오스 아세테이트 필름이 순차적으로 적층된 다공성 탄소판을 중공의 다면체 형태로 제조한 음극 전극 모듈 및 양극 전극으로 구성된 전극 시스템; 및 상기 전극 시스템이 내부에 배치되며 유기물산화미생물을 함유하는 혐기조를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지 단위체를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 미생물 연료전지 단위체의 크기, 형태 및 수를 조절하 여 수평 또는 수직하게 연결함으로써 목적하는 전력을 생산할 수 있는 미생물 연료전지를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 세라믹 멤브레인은 흑연가루 40~50%, 백토가루 35~45% 및 고령토 가루 5~25% 함량을 사용하여 형성될 수 있으며, 다공성 탄소판 상에 세라믹 멤브레인을 적층하기 전에 고령토 반죽을 도포하는 것이 바람직하다.

상기 음극 전극과 양극 전극은 전선을 통해 저항기에 연결된다.

본 발명에 따른 기능성 전극을 장착된 미생물 연료전지 단위체 및 이를 이용한 미생물 연료전지는 음극액을 사용하지 않아 화학적 재생산과 재순환이 필요하지 않아 부피가 감소될 수 있고, 또한 음극 전극에는 세라믹 멤브레인이 부착되어 공기 중의 산소를 직접 이용할 수 있어 건설비용, 주변 장치와 운영비용을 줄일 수 있으며 공정의 지속 가능성이 향상되며, 자연친화적인 방법으로 전력생산 및 폐수처리 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은 세라믹 멤브레인과 셀룰로오스 아세테이트 필름이 순차적으로 적 층된 다공성 탄소판을 중공의 다면체 형태로 제조한 음극 전극 모듈 및 양극 전극으로 구성된 전극 시스템; 및 상기 전극 시스템이 내부에 배치되며 유기물산화미생물을 함유하는 혐기조를 포함하는 미생물 연료전지 단위체를 제공한다.

본 발명은 양극전극 및 음극전극(air cathode)을 포함하는 전극시스템과 생물 처리조로서의 혐기조가 결합된 미생물 연료전지 하이브리드 단위체를 제공한다. 여기서 ‘하이브리드’란 특정한 목표를 달성하기 위해 두 개 이상의 요소가 합쳐진 것을 의미한다.

도 1은 본 발명에 따른 미생물 연료전지 단위체를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 미생물 연료전지 단위체(100)는 음극 전극 모듈(103)과 양극 전극(102)으로 구성된 전극 시스템과, 상기 전극 시스템과 유기물산화미생물을 내부에 포함하는 혐기조(101)를 포함한다. 상기 음극 전극 모듈(103)과 양극 전극(102)은 전선(104)을 통해 외부저항기(105)에 연결되어 전기적 소통이 가능하게 된다.

본 발명에서 사용되는 양극 전극의 재질로는 흑연을 주원료로 하여 흑연막대, 흑연펠트, 흑연천, 흑연입상체 등을 사용할 수 있다.

본 발명에서는 중공의 다면체로 형성된 음극 전극 모듈(103)을 사용한다. 즉, 상기 음극 전극 모듈(103)은 중공형의 육면체 등으로 제조될 수 있다. 본 발명 에서 사용하는 공기 음극형(air cathode) 음극 전극 모듈(103)은 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이 다공성 탄소판(110) 상에 세라믹 멤브레인(111) 및 셀룰로오스 아세테이트 필름(112)을 순차적으로 증착시켜 육면체 모듈로 조립하여 제조할 수 있다. 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 본 발명에서 사용되는 음극 전극 모듈(103)은 세라믹 멤브레인(111)과 셀룰로오스 아세테이트 필름(112)이 순차적으로 적층된 다공성 탄소판(120)을 4개의 직사각형 형태로 잘라서 탄소 에폭시를 이용하여 속이 빈 중공의 육면체로 조립하여 제조할 수 있다. 상기 음극 전극 모듈(103)은 산소의 환원을 위해 큰 표면적을 제공하며 대기 중의 산소를 이용할 수 있게 하는 역할을 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 음극 전극 모듈(103)의 내부 표면에 연결된 전선(104)은 양극 전극(102)과 연결되어 전기적 소통이 가능하게 된다.

본 발명에서 기능성 전극이란 상술한 특징을 가지는 음극 전극 모듈 및 양극 전극을 포함하는 전극 시스템을 의미한다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 세라믹 멤브레인(111)은 흑연가루 40~50%, 백토가루 35~45% 및 고령토 가루 5~25% 함량을 사용하여 형성될 수 있으며, 상기 다공성 탄소판(110) 상에 세라믹 멤브레인(111)을 적층하기 전에 고령토 반죽을 도포하여 세라믹 멤브레인(111)의 물 투과율을 높일 수 있다. 또한 세라믹 멤브레인(111)에 셀룰로오스 아세테이트 필름(112)을 증착하여 음극 전극 모듈(103)을 통하여 혐기조로의 공기 중 산소 투과율을 낮출 수 있다.

본 발명에 따른 미생물 연료전지 단위체(100)에서 혐기조(101)는 상술한 특징으로 가지는 전극 시스템이 그 내부에 배치되며, 또한 유기물산화미생물이 함유된 하폐수가 유동될 수 있는 구조를 가진다.

상기 혐기조(101) 내의 유기물산화미생물은 상기 양극전극(102)의 표면에 부착되거나 혐기조(101) 내에서 부유한다. 상기 유기물산화미생물은 슈도모나스(Pseudomonas), 마이크로코쿠스(Micrococcus), 바실러스(Bacillus), 아크로모박터(Achromobactor) 등의 유기물을 산화분해하는 미생물을 의미하여, 상기 이외에도 통상적인 유기물을 산화할 수 있는 미생물이 이용될 수 있음은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

또한, 본 발명은 세라믹 멤브레인과 셀룰로오스 아세테이트 필름이 순차적으로 적층된 다공성 탄소판을 중공의 다면체 형태로 제조한 음극 전극 모듈 및 양극 전극으로 구성된 전극 시스템; 및 상기 전극 시스템이 내부에 배치되며 유기물산화미생물을 함유하는 혐기조를 포함하는 미생물 연료전지 단위체가 복수개로 수직 또는 수평하게 연결된 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지를 제공한다.

본 발명에 따른 미생물 연료전지는 상술한 특징을 가지는 미생물 연료전지 단위체들이 복수개로 수직 또는 수평하게 연결되어 구성되며, 상기 미생물 연료전지의 전력은 미생물 연료전지 단위체의 크기, 형태 또는 수에 따라 조절될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라 미생물 연료전지의 단위체 3개가 수평하게 연결되어 구성된 미생물 연료전지의 측면도이고, 도 5는 상기 미생물 연료전지의 평면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따라 미생물 연료전지의 단위체 4개가 수직하게 연결되어 구성된 미생물 연료전지의 사시도이다.

도 4, 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 미생물 연료전지(200)는 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 단위체를 목적하는 전력을 얻을 수 있도록 수평 또는 수직하게 연결하여 제조된다. 이와 같이 미생물 연료전지의 단위체를 연결하는 것은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 실시될 수 있다.

도 4, 도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 미생물 연료전지 단위체들은 혐기조(101) 내에서 세라믹 멤브레인(106)에 의해 구획되며, 미생물 연료전지 단위체들의 각각의 음극 전극(103)과 양극 전극(102)은 전선(104)을 통해 외부저항기(105)에 연결되어 전기적 소통이 가능함은 상술한 바와 같다.

본 발명의 미생물 연료전지의 구동원리를 간단히 설명하면 하기와 같다.

혐기조(101)에서의 유기물산화미생물에 의해 유기물이 산화되어 전자와 수소이온이 발생된다. 발생된 전자는 미생물에 의해 양극 전극(102)에 전달되고 수소이온은 확산과 수소이온 운반물질(pH Buffer Solution)에 의해 음극 전극(103)으로 이동된다. 양극 전극(102)에 전달된 전자는 전선(104)을 통하여 저항기(105)를 거쳐 음극전극(103)으로 이동되며, 이동된 전자와 수소이온은 음극전극(103)의 표면에서 공기 중의 산소와 반응하여 물을 생성한다.

본 발명에 따른 미생물 연료전지는 상기 전극 시스템이 혐기조에 장착되고, 음극반응조를 사용하지 않는 세라믹 멤브레인이 증착된 음극 전극을 통해 공기 중의 산소를 직접 이용하는 시스템으로서, 별도의 산소전달 장치가 필요하지 않고, 이에 의해 반응기의 전체부피를 줄일 수 있으며, 미생물 연료 전지 단위체의 수가 증가할수록 생산된 전력이 비례적으로 증가할 수 있으며, 목적하는 전력을 생산하기 위해 미생물 연료 전지 단위체의 형태, 크기 또는 수를 조절할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 >

실시예 1

다공성의 탄소판 위에 세라믹 멤브레인을 부착시키고 셀룰로오스 아세테이트 필름(cellulose acetate film)을 세라믹 멤브레인에 겉칠하여 직접 제조하였으며, 상기 양극전극 및 음극전극은 저항기가 장착된 전선으로 연결된 것임을 특징한 하나의 음극 전극 모듈을 플렉시유리 프래임 단위(Plexiglass frame unit) 혐기조에 실리콘(silicon glue)을 이용하여 내부에 부착시켰고, 또한 상기 혐기조 내부에 그래뉼 형태의 흑연을 양극 전극으로 사용하고 탄소 막대를 전자받게로 사용하여 제 조한 미생물 연료전지 단위체 4개를 수직으로 연결하여 도 6과 같은 형태로 미생물 연료전지를 제조하였다. 미생물 연료전지의 주요 내용물을 중간 부분(미생물 연료전지 단위체 4개의 연결부)에 놓여진 생물전기화학적으로 활성화된 영역에 구성하였으며, 각 미생물 연료전지 단위체를 1.3 L의 최종 부피(working volume)로 제조하였다. 혐기조에서 생성된 전자의 외부로의 이동을 위해 두 개의 탄소 막대(지름이 5 mm)를 각 하나의 미생물 연료전지 단위체(single compartment unit)에 설치하였다.

실시예 2

각 미생물 연료전지 단위체를 0.34 L의 최종 부피(working volume)로 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하여 미생물 연료전지를 제조하였다.

실험예 1 - 미생물 연료전지 크기에 따른 전력생산 평가

크기가 다른 상기 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 미생물 연료전지의 생산 전력이 크기에 비례적으로 증가하는지 알아보기 위해 다음과 같은 실험을 하였다. 두 미생물 연료전지에 혐기성 슬러지를 접종하였고 합성폐수(상대적으로 낮은 농도의 10 mM으로 pH 7 phosphate buffer)를 공급하였다. 포도당을 단일 기질(COD: 1.0 g/L)로 사용하였으며 유입수는 상향류로 공급해 주었다. 두 미생물 연료전지 내의 용액의 혼합도를 증가시키기 위해 양극액은 실시예 1에서 제조한 큰 미생물 연료전지(이하 큰 미생물 연료전지)에서는 200 mL/min, 실시예 2에서 제조한 작은 미생물 연료전지(이하 작은 미생물 연료전지)에서는 50 mL/min 속도로 재순환시켰다. 실험하는 동안 두 미생물 연료전지 모두 12 hrs로 운전하였다. 폐쇄 회로(closed circuit)에서 외부저항은 50 Ω으로 설정하여 운전하였다. 먼저 미생물 연료전지의 혐기조에 생물막을 형성하기 위해 반회분식으로 운전하였다. 4일 후, 혐기조에 설치된 그래뉼 형태의 흑연에서 슬러지가 잘 부착되는 것을 관찰할 수 있었다. 단일 기질로서 포도당을 포함하고 있는 합성폐수를 지속적으로 미생물 연료전지에 공급하였다.

도 8과 도 9는 각각 작은 미생물 연료전지와 큰 미생물 연료전지의 전체적인 전력 생산 양상을 나타낸 그래프이다. 상기 도 8 및 도 9에 나타난 바와 같이 미생물 연료전지의 전압은 연속운전 기간의 처음부터 급격히 증가하였다. 이는 전기화학적으로 활성화된 미생물이 그래뉼 형태의 양극전극 표면에서 충분히 형성되었음을 의미한다. 작은 미생물 연료전지와 큰 미생물 연료전지에서 운전을 시작한지 4일부터 8일까지 각각 0.14V와 0.28V의 안정적인 전압생성을 관찰할 수 있었다. 8일째에 NaHCO₃ (1 g/L)를 혐기조의 유입수에 공급하였다. 두 미생물 연료전지의 전압은 점차적으로 증가하여 약 0.17V(작은 미생물 연료전지)와 0.34V(큰 미생물 연료전지)에서 일정하게 유지되었다. 이 전압은 실험이 끝날 때까지 지속되었다. 실험 중 갑작스런 전압 강하가 나타나기도 했는데 이는 유입수의 유입이 간헐적으로 중단되어 발생한 결과이다. NaHCO₃에 의한 성능향상은 전력생산 측면에서 미생물 연료전지의 안정된 운전이 가능함을 증명하고 있다.

Start-up 기간 중에서 최대 전력량을 측정하기 위해 4일 동안 연속 공정으로 운전 후 분극곡선(polarization curve)을 측정하였다. 작은 미생물 연료전지와 큰 미생물 연료전지에서 각각 0.42 mW (1.2 W/m³)와 1.6 mW (1.22 W/m³)가 측정되었다. 이러한 결과는 생산된 전력이 미생물 연료전지의 크기에 따라 비례적으로 증가함을 의미한다. 즉 미생물 연료전지의 크기가 증가하여도 전력밀도는 변화하지 않는다는 것을 보여주는 결과이다(도 10 및 도 11 참조).

연속운전 기간의 10일째, 분극곡선(polarization curve)을 다시 측정 하였다. 두 미생물 연료전지 모두 약 30 %정도 최고 전력이 증가하였다. 혐기조에 NaHCO₃을 공급하여 최고전력이 증가한 것으로 판단할 수 있다. 전극 전위의 추세선(trend line)은 세포 전압이 높은 전류밀도에서 가장 낮음을 보여주는데 이는 낮은 음극전위 때문이다(도 12 및 도 13 참조).

본 발명에 따른 두 미생물 연료전지의 안정성을 확인하기 위해서 23일째에 분극곡선(polarization curve)을 측정하였다. 약간 증가된 최고 전력밀도(작은 미생물 연료전지에서 약 2.1 W/m³ , 큰 미생물 연료전지에서 약 2.0 W/m³)를 나타내었다. 이러한 결과는 혐기조에서의 생물막 활성도가 증가된 원인에 의한 것으로 판단된다 (도 14 및 도 15 참조).

본 발명에 따른 두 미생물 연료전지로부터 생산된 전력은 반응기의 부피가 같고 2 W/m³의 전력을 생산했던 이전의 연구와 비슷하였다. 하지만 다른 연구에서는 고가의 백금을 입힌 전극(Pt-coated air cathode)을 사용(Li et al. 2008)한 반면 본 발명에 따른 미생물 연료전지에서는 저렴한 재질에 의해서도 동일한 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

실험예 2 - 미생물 연료전지의 폐수처리 성능 평가

도 16 및 도 17은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 미생물 연료전지에서의 시간에 따른 유입수와 유출수의 pH를 나타낸 그래프이다. NaHCO₃ (1 g/L)의 주입은 전해액(electrolyte)(~ 0.4 unit)의 pH를 증가시킨다. 전기화학적 이론을 기초로 하면, 혐기조의 pH의 증가는 전반적인 전력생산에 효과적일 수 있는데 그 이유는 혐기조의 pH가 증가하면 양극의 전위가 낮아질 수 있기 때문이다.

도 18 및 도 19는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 미생물 연료전지의 운전기간 동안 유기물의 제거효율을 나타낸 그래프이다. 유입수의 농도가 1 g/L이고 12시간의 HRT로 운전하였을 때 높은 COD 제거율(약 95%)이 관찰되었다. TCOD와 SCOD 농도는 크게 다르지 않았는데 이는 유출수의 낮은 부유성 물질의 농도를 의미하는 것이고, 실험의 마지막 단계에서 달성된 COD 제거율은 약 1.5± 0.2 kgCOD/m³NAC.d 이었다. 이 결과는 활성 슬러지 공법과 대등하고 본 발명의 미생물 연료전지를 이용할 경우 우수한 유기물 제거효율과 더불어 전력을 생산하고 낮은 슬러지 생산수율을 보이는 등의 몇 가지 이점을 더 가지고 있는 것으로 판단된다.

도 20 및 도 21에 나타낸 바와 같이 암모니아의 약 50%가 본 발명의 미생물 연료전지에 의해 제거됨을 알 수 있었다. NOx-이온은 혐기조의 유출수에서 검출되지 않았다. 음극전극모듈(air cathode module)에서의 산소 확산으로 인해 혐기조에서의 질산화와 탈질이 동시에 일어나 암모니아의 제거가 일어난 것으로 판단된다.

도 1은 본 발명에 따른 미생물 연료전지 단위체를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 세라믹 멤브레인 및 셀룰로오스 아세테이트 필름이 순차적으로 증착된 다공성 탄소판에 대해 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3은 세라믹 멤브레인 및 셀룰로오스 아세테이트 필름이 순차적으로 증착된 다공성 탄소판을 중공의 육면체 형태로 제조한 음극 전극 모듈을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 단위체 3개가 수평하게 연결되어 구성된 미생물 연료전지의 측면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 평면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 단위체 4개를 수직하게 연결하여 구성한 미생물 연료전지의 사시도이다.

도 7은 종래의 미생물 연료전지를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 8은 실시예 2에 따라 제조한 미생물 연료전지의 전체적인 전력 생산 양상을 나타낸 그래프이다.

도 9는 실시예 1에 따라 제조한 미생물 연료전지의 전체적인 전력 생산 양상을 나타낸 그래프이다.

도 10은 본 발명의 실시예 2에서 제조한 작은 미생물 연료전지를 4일째 운전한 후 측정한 작은 미생물 연료전지의 분극곡선을 나타낸 그래프이다.

도 11은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 큰 미생물 연료전지를 4일째 운전한 후 측정한 큰 미생물 연료전지의 분극곡선을 나타낸 그래프이다.

도 12는 본 발명의 실시예 2에서 제조한 작은 미생물 연료전지에 NaHCO₃을 공급하여 운전하였을 때 측정한 분극곡선을 나타낸 그래프이다.

도 13은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 큰 미생물 연료전지에 NaHCO₃을 공급하여 운전하였을 때 측정한 분극곡선을 나타낸 그래프이다.

도 14는 본 발명의 실시예 2에서 제조한 작은 미생물 연료전지를 23일째 운전한 후 측정한 작은 미생물 연료전지의 분극곡선을 나타낸 그래프이다.

도 15는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 큰 미생물 연료전지를 23일째 운전한 후 측정한 큰 미생물 연료전지의 분극곡선을 나타낸 그래프이다.

도 16은 본 발명의 실시예 2에서 제조한 작은 미생물 연료전지를 운전하였을 때, pH의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 17은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 큰 미생물 연료전지를 운전하였을 때, pH의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 18은 본 발명의 실시예 2에서 제조한 작은 미생물 연료전지를 운전하였을 때, COD의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 19는 본 발명의 실시예 1에서 제조한 큰 미생물 연료전지를 운전하였을 때, COD의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 20은 본 발명의 실시예 2에서 제조한 작은 미생물 연료전지를 운전하였을 때, 암모니아성 질소의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 21은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 큰 미생물 연료전지를 운전하였을 때, 암모니아성 질소의 변화를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 양극반응조 2 : 음극반응조

3 : 세라믹 멤브레인 4 : 양극전극 미생물막

5 : 양극전극 100 : 미생물 연료전지 단위체

101 : 혐기조 102 : 양극전극

103 : 음극전극모듈 104 : 전선

105 : 저항기 106, 111 : 세라믹 멤브레인

110 : 다공성 탄소판 112 : 셀룰로오스 아세테이트필름

200 : 미생물 연료전지

Claims

세라믹 멤브레인과 셀룰로오스 아세테이트 필름이 순차적으로 적층된 다공성 탄소판을 중공의 다면체 형태로 제조한 음극 전극 모듈 및 양극 전극으로 구성된 전극 시스템; 및

상기 전극 시스템이 내부에 배치되며 유기물산화미생물을 함유하는 혐기조를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지 단위체.
제1항에 있어서,

상기 세라믹 멤브레인은 흑연가루, 백토가루 및 고령토 가루를 사용하여 형성된 것임을 특징으로 하는 미생물 연료전지 단위체.
제2항에 있어서,

상기 세라믹 멤브레인은 흑연가루 40~50%, 백토가루 35~45% 및 고령토 가루 5~25% 함량을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지 단위체.
제1항에 있어서,

상기 다공성 탄소판 상에 세라믹 멤브레인을 적층하기 전에 고령토 반죽이 도포되는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지 단위체.
제1항에 있어서,

상기 음극 전극과 양극 전극은 전선을 통해 저항기에 연결되는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지 단위체.
제1항에 있어서,

상기 혐기조 내의 유기물산화미생물은 양극 전극 표면에 부착되거나 혐기조 내에 부유하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지 단위체.
세라믹 멤브레인과 셀룰로오스 아세테이트 필름이 순차적으로 적층된 다공성 탄소판을 중공의 다면체 형태로 제조한 음극 전극 모듈 및 양극 전극으로 구성된 전극 시스템; 및 상기 전극 시스템이 내부에 배치되며 유기물산화미생물을 함유하는 혐기조를 포함하는 미생물 연료전지 단위체가 복수개로 수직 또는 수평하게 연결된 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
제7항에 있어서,

상기 미생물 연료전지의 전력은 상기 미생물 연료전지 단위체의 크기, 형태 또는 수에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
제7항에 있어서,

상기 세라믹 멤브레인은 흑연가루, 백토가루 및 고령토 가루를 사용하여 형성된 것임을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
제9항에 있어서,

상기 세라믹 멤브레인은 흑연가루 40~50%, 백토가루 35~45% 및 고령토 가루 5~25% 함량을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
제7항에 있어서,

상기 다공성 탄소판 상에 세라믹 멤브레인을 적층하기 전에 고령토 반죽이 도포되는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
제7항에 있어서,

상기 음극 전극과 양극 전극은 전선을 통해 저항기에 연결되는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.
제7항에 있어서,

상기 혐기조 내의 유기물산화미생물은 양극 전극 표면에 부착되거나 혐기조 내에 부유하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지.