KR20120128865A - A single reactor microbial fuel cell using sediment - Google Patents

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KR20120128865A
KR20120128865A KR1020110046773A KR20110046773A KR20120128865A KR 20120128865 A KR20120128865 A KR 20120128865A KR 1020110046773 A KR1020110046773 A KR 1020110046773A KR 20110046773 A KR20110046773 A KR 20110046773A KR 20120128865 A KR20120128865 A KR 20120128865A
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chitin
magnesium
graphite
fuel cell
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윤미화
김원기
이승목
정석희
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관동대학교산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A single reactor type microbial fuel cell is provided to generate energy without environmental contamination by effectively using deposits of sea bottom. CONSTITUTION: A single reactor type microbial fuel cell comprises deposits of sea bottom, an oxidation electrode in the deposits, seawater poured on the deposits, reduction electrode in the seawater, and an electric wire connected to the oxidation electrode and the reduction electrode. Chitin is added as a substrate into the oxidation electrode. The oxidation electrode is a graphite electrode and can be a consumable electrode. The consumable electrode can be a magnesium electrode.

Description

퇴적물을 이용한 단일 반응조 미생물 연료 전지{A SINGLE REACTOR MICROBIAL FUEL CELL USING SEDIMENT}Single reactor microbial fuel cell using sediment {A SINGLE REACTOR MICROBIAL FUEL CELL USING SEDIMENT}

본 발명은 퇴적물을 이용한 단일 반응조 미생물 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해저 퇴적물을 이용하되, 산화 전극에 기질로서 키틴이 첨가된 단일 반응조 미생물 연료 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a single reactor microbial fuel cell using sediments, and more particularly, to a single reactor microbial fuel cell using subsea deposits, wherein chitin is added as a substrate to the anode.

지난 수 세기 동안 지구상의 인구 증가와 더불어 화석연료가 산업화와 경제성장을 이끌어 왔다. 최근에 특히 석유와 가스와 같은 화석연료의 고갈은 전 세계의 에너지 위기를 가속해 왔으며, 현재와 미래의 에너지 수요를 감당하기 위한 확실한 해결책은 아직 없는 실정이다. 화석연료가 오늘날 에너지 생산의 주요한 방법이지만, 지구온난화와 기후변화로 인해 이러한 화석연료는 계속 사용하기 어렵다.
Fossil fuels have driven industrialization and economic growth in the last few centuries, along with global population growth. In recent years, the depletion of fossil fuels, especially oil and gas, has accelerated the global energy crisis, and no clear solution exists to meet the current and future energy demands. While fossil fuels are a major means of energy production today, they are still difficult to use because of global warming and climate change.

신재생 에너지는 현재 전 인류의 온실위기를 경감시키기 위한 하나의 방법으로 전망되어졌다. 새로운 에너지원을 개발하기 위해 태양, 바이오, 풍력, 수력, 연료전지 등 석유, 가스, 원자력, 천연 가스가 아닌 재생 가능한 에너지원 개발에 노력하고 있다. 이산화탄소의 방출 없이 신에너지 원료로부터의 새로운 전기발생은 많이 갈망되어졌다.
Renewable energy is currently projected as a way to alleviate the global greenhouse crisis. In order to develop new energy sources, the company is working on renewable energy sources other than oil, gas, nuclear power, and natural gas such as solar, bio, wind, hydro, and fuel cells. New generation of electricity from new energy sources without the release of carbon dioxide has been longing for.

최근에는 축산폐수, 식품하수, 하수 슬러지에 포함되어 있는 유기물을 자원으로 활용하여 전기 및 가스를 생산하는 재생에너지 기술에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 그 중에서 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell; MFC)를 이용한 기술은 전기활성 미생물을 촉매로 이용하여 하폐수에 포함된 유기물의 화학적 에너지를 전기에너지로 전환할 수 있는 새로운 개념의 기술로 최근 몇 년간 학자들 사이에 주목할 만한 관심을 일으켰다. 미생물 연료전지를 하?폐수에 적용할 경우 직접적 전력회수, 에너지 절감, 슬러지 감소 등 지속 가능한 하?폐수처리 기술로 주목을 받고 있다.
Recently, many researches have been conducted on renewable energy technologies that produce electricity and gas using organic materials contained in livestock wastewater, food sewage, and sewage sludge as resources. Among them, the technology using Microbial Fuel Cell (MFC) is a new concept that can convert chemical energy of organic matter contained in sewage water into electric energy by using electroactive microorganism as a catalyst. It caused a notable interest in between. When microbial fuel cells are applied to sewage and wastewater, they are attracting attention as sustainable sewage and wastewater treatment technologies such as direct power recovery, energy saving, and sludge reduction.

기존 연구들은 주로 하?폐수를 이용하여 전력 생산 및 유기물질의 제거에 관한 연구, MFC의 미생물 군집에 관한 연구 및 MFC의 전극재료에 관한 연구에 집중되어 있다. 그러나 해저 퇴적물을 이용한 MFC의 연구는 아직도 많이 미흡한 실정이다. Existing researches mainly focus on electricity generation and removal of organic substances using sewage and wastewater, research on microbial community of MFC, and electrode material of MFC. However, MFC's research using submarine sediments is still insufficient.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 해저의 퇴적물을 이용하여 효과적인 미생물 연료 전지를 개발하고자 하는 것이다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, the problem to be solved in the present invention is to develop an effective microbial fuel cell using the deposits of the seabed.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여,
In order to solve the above problems,

본 발명은 해저 퇴적물, 상기 해저 퇴적물에 속에 구비된 산화 전극, 상기 해저 퇴적물 위에 부어진 해수, 상기 해수 속에 구비된 환원 전극 및 상기 산화 전극과 환원 전극에 연결된 전선을 포함하는 단일 반응조 미생물 연료 전지에 있어서, 상기 산화 전극에 기질로서 키틴이 첨가되는 단일 반응조 미생물 연료 전지를 제공한다.
The present invention provides a single reactor microbial fuel cell comprising a seabed sediment, an oxidizing electrode provided in the seabed sediment, seawater poured on the seabed sediment, a reducing electrode provided in the seawater, and a wire connected to the oxidizing electrode and the reducing electrode. The present invention provides a single reactor microbial fuel cell in which chitin is added as a substrate to the oxidation electrode.

상기 산화 전극은 흑연 전극일 수 있다.The oxidation electrode may be a graphite electrode.

또한, 상기 산화 전극은 소모성 산화 전극일 수 있다.In addition, the oxidation electrode may be a consumable oxidation electrode.

상기 소모성 산화 전극은 마그네슘 전극일 수 있다.The consumable oxidation electrode may be a magnesium electrode.

본 발명에 따르면, 지구상에 다량 존재하는 해저 퇴적물을 효율적으로 이용하여 환경 오염이 없이 에너지를 생산할 수 있는 수단을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a means for producing energy without environmental pollution by efficiently utilizing a large amount of seabed sediment existing on the earth.

도 1은 미생물 연료 전지의 한 양태를 보여주는 모식도로서 (a)는 측면, (b)는 상부에서 관찰한 모습을 나타내고,
도 2는 각 산화 전극별로 시간 경과에 따른 전압 변화를 나타낸 그래프이고,
도 3a 내지 도 3d는 산화 전극으로 마그네슘과 흑연을 사용하였을 경우 전압이 일정해지는 구간에서의 전압과 전류밀도, 전류밀도와 전력밀도의 관계를 나타낸 그래프로서, 도 3a는 November 06, 2010, 도 3b는 November 12, 2010, 도 3c는 November 18, 2010, 도 3d는 November 22, 2010의 측정치이고,
도 4a 내지 도 4d는 산화 전극에 키틴을 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우의 전력 발생을 비교한 그래프로서, 도 4a는 November 06, 2010, 도 4b는 November 12, 2010, 도 4c는 November 18, 2010, 도 4d는 November 12, 2010의 측정치이고,
도 5는 실험 전의 산화 전극과 키틴을 나타낸 사진이고,
도 6은 실험 후의 산화 전극과 키틴의 물리적 변화를 나타낸 사진으로서, (a)는 마그네슘, (b)는 흑연, (c)는 마그네슘+키틴에서의 마그네슘, (d)는 마그네슘+키틴에서의 키틴, (e)는 흑연+키틴에서의 흑연, (f)는 흑연+키틴에서의 키틴을 나타낸다.
1 is a schematic view showing an embodiment of a microbial fuel cell, (a) is a side view, (b) is a view observed from the top,
2 is a graph showing a voltage change over time for each oxide electrode;
3A to 3D are graphs showing the relationship between voltage and current density, current density, and power density in a section in which voltage is constant when magnesium and graphite are used as the anode, and FIG. 3A is November 06, 2010, and 3B. Is a measurement of November 12, 2010, FIG. 3C is November 18, 2010, FIG. 3D is November 22, 2010,
4A to 4D are graphs comparing power generation with and without chitin added to the anode, and FIG. 4A is November 06, 2010, FIG. 4B is November 12, 2010, and FIG. 4C is November 18, 4D is a measurement of November 12, 2010,
5 is a photograph showing the oxidation electrode and chitin before the experiment,
Figure 6 is a photograph showing the physical changes of the anode and chitin after the experiment, (a) is magnesium, (b) is graphite, (c) is magnesium in magnesium + chitin, (d) is chitin in magnesium + chitin (e) shows graphite in graphite + chitin, and (f) shows chitin in graphite + chitin.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

본 발명은 상기 설명된 바와 같이, 해저 퇴적물, 상기 해저 퇴적물에 속에 구비된 산화 전극, 상기 해저 퇴적물 위에 부어진 해수, 상기 해수 속에 구비된 환원 전극 및 상기 산화 전극과 환원 전극에 연결된 전선을 포함하는 단일 반응조 미생물 연료 전지(Microbial Fuel Cell)에 있어서, 상기 산화 전극에 기질로서 키틴이 첨가되는 단일 반응조 미생물 연료 전지를 제공한다.
The present invention, as described above, includes a seabed sediment, an oxidation electrode provided in the seabed sediment, seawater poured on the seabed sediment, a reduction electrode provided in the seawater and a wire connected to the oxidation electrode and the reducing electrode In a single reactor microbial fuel cell, there is provided a single reactor microbial fuel cell in which chitin is added as a substrate to the oxidation electrode.

상기 산화 전극은 흑연 전극 또는 소모성 산화 전극일 수 있다. 상기 소모성 산화 전극은 마그네슘 전극일 수 있다.
The oxidation electrode may be a graphite electrode or a consumable oxide electrode. The consumable oxidation electrode may be a magnesium electrode.

본 발명의 해저 퇴적물을 이용한 MFC에서 산화전극에 따른 전력비교의 결과로 다음과 같은 결론을 도출하였다.
As a result of the power comparison according to the anode in the MFC using the seabed sediment of the present invention, the following conclusions were drawn.

즉, 퇴적물을 이용한 MFC에서 시간에 따른 전압?전력발생을 비교한 결과, 전압발생은 마그네슘 + 키틴의 산화 전극이 제일 높았으며, 그 다음으로는 마그네슘, 흑연 + 키틴 (G + C), 흑연 순으로 나타났다. CCV로 바꾼 직후 마그네슘이 마그네슘 + 키틴 전극보다 좀 더 높았으나, 시간이 지남에 따라 마그네슘 + 키틴 전극이 더 많은 전압을 발생했다. 전혀 전압이 발생되지 않았던 흑연도 시간이 지남에 따라 약간의 전압이 발생되었으며, 흑연 + 키틴 전극은 흑연 전극보다는 많은 전압이 발생되었다.
In other words, as a result of comparing the voltage and power generation over time in MFC using sediment, the highest voltage generation was the oxidation electrode of magnesium + chitin, followed by magnesium, graphite + chitin (G + C), and graphite. Appeared. Magnesium was higher than the magnesium + chitin electrode shortly after switching to CCV, but over time the magnesium + chitin electrode generated more voltage. Graphite, which had no voltage at all, generated some voltage over time, and the graphite + chitin electrode generated more voltage than the graphite electrode.

또한, Mg와 G의 전력발생을 비교했을 때 Mg는 굉장히 많은 양의 전력을 생산 하였다. 그러나 G는 전력도, 전류도 0으로 나타났고 시간이 지남에 따라 미비한 전력 발생을 보였다. 소모성 산화전극 (Mg)의 전력밀도는 일반적으로 미생물 연료전지의 산화전극 재료로 쓰이는 흑연 (G)의 전력밀도보다 600~890 배 이상이었고, 전류밀도도 300~600 배 더 높게 나타났다.
In addition, when comparing the power generation of Mg and G, Mg produced a very large amount of power. However, G showed zero power and zero current, and showed a slight power generation over time. The power density of the consumable anode (Mg) was generally 600 ~ 890 times higher than that of graphite (G), which is used as the anode material of microbial fuel cells, and the current density was 300 ~ 600 times higher.

또한, 두 가지 산화전극에 키틴의 첨가에 따른 전력을 비교하였다. Mg + C이 가장 많은 전기를 생산(P : 31.5 ㎽, I : 125.5 ㎃, Power Density : 1575 ㎽/㎡)했으며, 그 다음이 Mg(P : 22㎽, I : 46.9 ㎃, Power Density : 1100㎽/㎡), G + C(P: 35 ㎼, I : 0.187 ㎃, Power Density : 2 ㎽/㎡), G((P : 0 ㎼, I : 0 ㎃, Power Density : 0 ㎽/㎡) 순으로 전기를 생산해 낸 것을 알 수 있었다.
In addition, the power of chitin added to the two anodes was compared. Mg + C produced the most electricity (P: 31.5 ㎽, I: 125.5 ㎃, Power Density: 1575 ㎽ / ㎡), followed by Mg (P: 22 ㎽, I: 46.9 ㎃, Power Density: 1100 ㎽) / ㎡), G + C (P: 35 ㎼, I: 0.187 ㎃, Power Density: 2 ㎽ / ㎡), G ((P: 0 ㎼, I: 0 ㎃, Power Density: 0 ㎽ / ㎡) You can see that it produced electricity.

또한, 키틴은 소모성 산화전극의 부식을 느리게 하면서 마그네슘의 부식과 함께 전력 향상을 가져온 것으로 보여진다. 이로 인해 Mg + C의 전극은 Mg 전극만 사용했을 경우보다 약 2배 정도 수명이 늘어나는 것으로 예측되어졌다. 본 발명에 따르면 해저 퇴적물을 이용한 MFC의 장기적인 사용을 위해서는 퇴적물에 기질 주입의 필요성과 마그네슘과 키틴을 이용하여 해저에서 사용가능한 장치를 조작하기에 충분한 전력 발생 가능성을 알 수 있었다.
In addition, chitin has been shown to bring about an improvement in power with the corrosion of magnesium while slowing the corrosion of the consumable anode. As a result, Mg + C electrodes are expected to be about two times longer than Mg electrodes. According to the present invention, for the long-term use of the MFC using the seabed sediment, the need for substrate injection into the sediment and the possibility of generating sufficient power to manipulate the device available on the seabed using magnesium and chitin were found.

이하에서는, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

<< 실시예Example >>

1. 전 극1. Electric pole

같은 모양과 크기(직경 5cm, 두께 1cm)의 마그네슘(순도 99.99%)과 흑연을 각각 2개씩 준비한 후, 티타늄전선(직경 0.5mm)을 전극에 연결하고, 전도성 에폭시로 부착한 후 24시간 이후에 비전도성 에폭시로 마감하였다. After preparing magnesium (purity 99.99%) and graphite, each of the same shape and size (diameter 5 cm, thickness 1 cm) and two graphite, each titanium wire (0.5 mm diameter) was connected to the electrode, and after 24 hours Finished with non-conductive epoxy.

키틴 1g을 천(16㎝ × 16㎝)을 이용해서 마그네슘과 흑연 전극을 각각 감싸고 실로 봉합하였다. 다른 한 마그네슘과 흑연 전극에는 실험의 대조군으로서 키틴을 제공하지 않았다. 따라서, 본 실시예에서 사용된 4개의 전극의 구성은 다음과 같다: 마그네슘(Mg), 마그네슘 + 키틴(Mg + C), 흑연(G), 흑연 + 키틴(G + C).1 g of chitin was wrapped in a thread using a cloth (16 cm x 16 cm), respectively, for magnesium and graphite electrodes. The other magnesium and graphite electrode did not provide chitin as a control for the experiment. Thus, the configuration of the four electrodes used in this embodiment is as follows: magnesium (Mg), magnesium + chitin (Mg + C), graphite (G), graphite + chitin (G + C).

퇴적물을 이용한 환원 전극에는 수중에 환원 전극이 잠겨있는 상태이므로 용존 산소가 백금위에서 바로 반응하므로 PTFE 확산층을 만들지 않는 대신 탄소천(10㎝ × 10㎝)에 한쪽 면에는 카본 블랙을 칠하고 몇 시간 건조 후에 다른 한쪽 면에는 백금촉매용액을 덧발라서 사용하였다.
In the reduction electrode using sediment, the reduction electrode is immersed in water, so dissolved oxygen reacts directly on the platinum, so instead of making PTFE diffusion layer, carbon black (10cm × 10cm) is coated on one side with carbon black and dried for several hours. Later, on the other side, a platinum catalyst solution was added and used.

2. 수조 제작 및 운전2. Tank production and operation

동해 안목항과 인접한 강릉 남대천 하구의 퇴적물을 사각형의 수조(450mm × 300mm × 340mm)에 채우고 인공해수(Tetra Marine Salt, United Pet Group Inc. USA)를 채워 해저환경을 실험실에서 조성했다. 3㎝의 퇴적물 위에 준비해 둔 산화전극 4개(Mg, Mg + C, G, G + C)를 설치한 후에 퇴적물로 다시 덮어 총 6cm의 퇴적물층을 만들었다. 이때 퇴적물 위로 산화전극과 연결된 티타늄 선만 보이도록 하였다. 미리 하루 이상 받아 놓은 수돗물에 해수염(33g/L)을 넣어 만든 인공 해수용액 20L를 퇴적물 위에 부어 12㎝의 수위를 조성하였다(도 1의 a).Sediments from the Gangneung Namdaecheon Estuary adjacent to Anmok Port in the East Sea were filled in a rectangular tank (450mm × 300mm × 340mm) and filled with artificial seawater (Tetra Marine Salt, United Pet Group Inc. USA) to create an undersea environment in the laboratory. Four anodes (Mg, Mg + C, G, G + C) prepared on a 3 cm deposit were installed and covered again with a deposit to form a total of 6 cm deposit layers. At this time, only the titanium wire connected to the anode was shown on the deposit. A water level of 12 cm was formed by pouring 20 L of artificial seawater solution made by putting sea salt (33 g / L) into the tap water received in advance for more than one day on the sediment (FIG. 1A).

스티로폼을 이용해서 만든 수조 뚜껑에 산화전극의 티타늄전선, 환원전극의 티타늄선, 기준전극, 항온기, 온도계, 폭기장치가 들어갈 수 있도록 구멍을 만들었다(도 1의 b). 그리고 위에서 열거한 것들을 반응기 뚜껑 안쪽으로 모두 넣은 후 뚜껑을 덮고 전압-전류 측정 장치(Kynel, Korea)에 연결하였다. 초기 2일 동안은 OCV(Open circuit voltage)를 측정하고, 그 후부터 저항을 연결하여 발생하는 전압을 측정하였다. 증발된 해수는 염수를 추가적으로 공급하여 보충하였다. 수온은 30℃를 유지했으며, 용존산소 공급을 위해 6㎖/s로 폭기했다.
In the tank cover made of styrofoam, a hole was made to enter the titanium wire of the anode, the titanium wire of the cathode, the reference electrode, the thermostat, the thermometer, and the aeration device (Fig. 1b). Then, all of the above were put into the reactor lid, and then the lid was connected to a voltage-current measuring device (Kynel, Korea). Open circuit voltage (OCV) was measured during the first two days, and then the voltage generated by connecting a resistor was measured. The evaporated seawater was replenished by additional supply of brine. The water temperature was maintained at 30 ° C. and aerated at 6 mL / s for dissolved oxygen feed.

3. 계 산3. Calculation

전력밀도(power density)는 단위 환원전극면적당(200cm2) 전력으로 계산하였다.Power density was calculated as the power per unit cathode area (200 cm 2 ).

마그네슘(Mg)의 산화와 산소환원반응은 다음과 같다. MFC에서 산소환원반응에 의해 물이나 과산화수소가 생성될 수 있다.
Oxidation and oxygen reduction of magnesium (Mg) are as follows. In MFCs, water or hydrogen peroxide can be produced by oxygen reduction.

산화 반응 : Mg → Mg2 + + 2e- (1)Oxidation reaction: Mg → Mg 2 + + 2e - (1)

(redox potential at pH 7.2, E = -2.105V)
(redox potential at pH 7.2, E = -2.105V)

환원 반응 : O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (2)Reduction reaction: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (2)

(redox potential at pH 7, E = 0.805V)
(redox potential at pH 7, E = 0.805 V)

Overall Cell Voltage = Ecathode - Eanode = 2.91V (3)
Overall Cell Voltage = E cathode -E anode = 2.91V (3)

4. 4. 결 과result

(1) 전압의 발생(1) generation of voltage

실험세팅 후 50시간정도 OCV로 전압을 측정하였고, 그 이후 CCV(Closed circuit voltage)로 진행하였다(도 2). 전압발생은 마그네슘 + 키틴의 산화 전극이 제일 높았으며, 그 다음으로는 마그네슘, 흑연 + 키틴, 흑연 순으로 나타났다.After the experimental setting, the voltage was measured by OCV for about 50 hours, and then proceeded to a closed circuit voltage (CCV) (FIG. 2). The voltage generation was highest in the anode of magnesium + chitin, followed by magnesium, graphite + chitin, and graphite.

마그네슘을 산화전극으로 사용했을 경우 총 셀 전압은 2.91V이다. 실험 결과 마그네슘 (Mg)과 마그네슘 + 키틴 (Mg + C)의 OCV 값은 2.25V로 측정되었다. 흑연 (G) 전극의 전압은 퇴적물 안에 있는 유기물의 분해로 인한 산화과정이 일어나며 환원반응이 일어나 총 셀 전압은 0.805 V가 되어야 하지만, 결과에서 본 것과 같이 0.7 V 근처인 것도 내부저항의 영향이라 할 수 있겠다. CCV로 바꾼 직후 마그네슘이 마그네슘 + 키틴 전극보다 좀 더 높았으나, 시간이 지남에 따라 마그네슘 + 키틴 전극이 더 많은 전압을 발생했다. 전혀 전압이 발생되지 않았던 흑연도 시간이 흐름에 따라 약간의 전압 발생을 나타났으며, 흑연 + 키틴 전극은 흑연 전극보다는 많은 전압이 발생했다. 초반에 마그네슘 + 키틴 전극이 마그네슘보다 적은 전압을 발생한 것은 고체로 이루어진 키틴으로 마그네슘을 감싸서 실험을 했기 때문에 마그네슘의 부식이 약간 늦어졌을 것이라고 사료된다. 닫힌회로 상태에서 마그네슘 전극이 20일정도(500hr) 이후부터 전압이 급격히 하강하였는데(도 2: 약 530hr), 이것은 마그네슘과 티타늄 전극의 분리현상이 원인이라고 생각된다. 이 후 전압이 약 3일 정도 상승하는 것을 볼 수 있었다. 이는 원래 부식되고 있던 부분과 티타늄전선의 분리에 의해 또 다른 부분의 부식이 진행되어 전체적인 부식 속도가 빨라짐에 따라 전압이 상승되어졌다고 사료되었다.
When magnesium is used as the anode, the total cell voltage is 2.91V. As a result, the OCV value of magnesium (Mg) and magnesium + chitin (Mg + C) was measured as 2.25V. The voltage of graphite (G) electrode should be oxidized due to decomposition of organic matter in the sediment, and the reduction reaction should result in total cell voltage of 0.805 V. However, as seen in the result, the effect of internal resistance is also called the effect of internal resistance. I can. Magnesium was higher than the magnesium + chitin electrode shortly after switching to CCV, but over time the magnesium + chitin electrode generated more voltage. Graphite, which had no voltage at all, showed slight voltage generation over time, and graphite + chitin electrode generated more voltage than graphite electrode. In the early stages, the magnesium + chitin electrode produced less voltage than magnesium, suggesting that the corrosion of magnesium may have been slightly delayed because the experiment was conducted by wrapping magnesium with solid chitin. In a closed circuit, the voltage of the magnesium electrode dropped rapidly after about 20 days (500hr) (Fig. 2: about 530hr), which is thought to be caused by the separation of magnesium and titanium electrodes. After that, the voltage increased about 3 days. It was thought that the voltage increased as the corrosion rate of the other part progressed by the separation of the original part and the titanium wire, which accelerated the overall corrosion rate.

(2) 산화전극에 따른 전력 발생비교(2) Comparison of Power Generation by Anode

CCV로 전환한 뒤 산화전극으로 마그네슘 (Mg)과 흑연 (G)을 사용했을 때 전압이 일정해지는 구간(도 2: 70~410hr)에서 측정한 전압과 전류밀도, 전류밀도와 전력밀도의 관계를 도 3에 나타내었다. After switching to CCV and using magnesium (Mg) and graphite (G) as the anode, the relationship between voltage, current density, current density and power density measured in the section where voltage is constant (Fig. 2: 70 ~ 410hr) 3 is shown.

Mg와 G의 경우, 시간이 지남에 따라 전압이 점차 떨어졌다. 전력 또한 11140.05㎽/㎡, 1.27㎽/㎡을 정점으로 하강하였다(도 3의 c). G의 경우 전혀 전력이 발생되지 않다가 시간이 지나면서 약하게나마 전력이 발생됨을 볼 수 있었다.In the case of Mg and G, the voltage gradually dropped over time. The electric power was also dropped to 11140.05 mW / m 2 and 1.27 mW / m 2 (c in FIG. 3). In the case of G, no power is generated, but it can be seen that power is weakly generated over time.

표 1에서 나타난 바와 같이 소모성 산화전극(Mg)의 전력밀도는 일반적으로 미생물 연료전지의 산화전극 재료로 쓰이는 흑연(G)의 전력밀도보다 약 670~1000배 이상이었고, 전류밀도도 약 300~670배 더 높게 나타났다. 하지만, 흑연 (G)의 외부저항이 마그네슘 (Mg)에 비해 상당히 높은 것으로 나타났다. 이것은 마그네슘 (Mg)의 부식이 전력증가에 영향을 끼친 것으로 예상되며, 처음에 전력밀도가 0인 흑연(G)은 퇴적물속의 유기물을 제외하고서는 다른 기질의 주입이 없어 전력이 발생하지 않다가 시간이 지남에 따라 전력이 발생함을 알 수 있었다. 소모성 산화전극(Mg)과 일반적으로 사용되는 산화전극(G)의 전력비교로 Mg를 사용했을 때, 많은 전력이 발생되어 퇴적물을 이용한 전력공급원으로 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
As shown in Table 1, the power density of the consumable anode (Mg) was generally about 670 to 1000 times higher than that of graphite (G), which is used as the anode material of the microbial fuel cell, and the current density was about 300 to 670. Times higher. However, the external resistance of graphite (G) was significantly higher than that of magnesium (Mg). It is expected that the corrosion of magnesium (Mg) influenced the power increase. Initially, graphite (G) with zero power density does not generate power because no other substrate is injected except organic matter in the sediment. It was found that power was generated over this period. When Mg was used as a power comparison between the consumable anode (Mg) and a commonly used anode (G), it was found that a lot of power was generated and could be used as a power supply source using deposits.

Figure pat00001
Figure pat00001

(3) 산화전극에 키틴((3) Chitin on the anode chitinchitin )의 첨가에 따른 전력발생 비교Comparison of Power Generation by Addition

도 4는 키틴을 첨가했을 경우와 첨가하지 않았을 때의 전력발생 비교를 나타낸 것이다. 키틴의 유무에 따른 두 산화전극의 전력밀도를 비교해보면, 마그네슘에 키틴을 첨가한 전극 (Mg + C)이 1575.03㎽/㎡으로 제일 높았고(도 6의 a), 그 다음 마그네슘 (Mg), 흑연에 키틴을 첨가한 전극 (G + C), 흑연 (G)순으로 나타났다. 또한 키틴을 같이 넣은 Mg + C 는 Mg만 사용한 전극보다 1~8배의 전력증가를 나타냈으며, G + C 또한 G만 사용했던 전극보다 1~5배 이상의 전력증가를 나타냈다(표 2). G만을 사용한 전극과 G + C 는 처음에는 거의 전력이 발생되지 않았지만, 시간이 지남에 따라 미비하게나마 전력을 발생했다. 키틴이 첨가된 흑연전극은 처음부터 흑연만 넣은 전극보다 높은 전력을 생성했다. 이는 키틴이 산화되면서 기질로 작용한 것이라고 생각되어진다.
4 shows a comparison of power generation with and without the addition of chitin. Comparing the power densities of the two anodes with and without chitin, the highest amount of magnesium (Mg + C) in which chitin was added was 1575.03 mW / m 2 (Fig. 6a), followed by magnesium (Mg) and graphite. Chitin was added to the electrode (G + C), followed by graphite (G). In addition, Mg + C with chitin added showed a power increase of 1 to 8 times that of the electrode using only Mg, and G + C also showed a power increase of 1 to 5 times higher than the electrode using only G (Table 2). Electrodes using only G and G + C generated little power at first, but inadequately generated power over time. Chitin-added graphite electrodes produced higher power than graphite-only electrodes from the outset. It is thought that this acted as substrate as chitin was oxidized.

Figure pat00002
Figure pat00002

표 2에서 Mg의 경우, 전력밀도가 갑자기 하락하는 것을 알 수 있는데 이것은 Mg + C의 전력이 갑자기 상승하면서 옆에 있는 Mg 전극에 영향을 준 것으로 사료된다(도 1의 b).
In the case of Mg in Table 2, it can be seen that the power density suddenly drops, which is thought to affect the Mg electrode next to the sudden increase in the power of Mg + C (Fig. 1b).

(4) 소모성 산화전극에 미치는 키틴의 영향(4) Effect of Chitin on Consumable Anodes

약 40일 간의 실험을 진행하다가 마그네슘 (Mg)의 전압이 급격히 하강한 반면, 마그네슘에 키틴을 첨가한 전극 (Mg + C)은 계속적으로 전압이 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 Mg의 부식이 끝났거나 티타늄전선과 산화전극이 끊어져서 전압이 발생하지 않는 것에 기인한 것으로 판단된다.
After about 40 days of experiments, the voltage of magnesium (Mg) dropped rapidly, whereas the electrode (Mg + C) in which chitin was added to magnesium was continuously generated. This may be due to the end of corrosion of Mg or the disconnection of the titanium wire and the anode, resulting in no voltage.

Figure pat00003
Figure pat00003

표 3과 도 5 및 도 6은 실험 전?후의 산화전극의 무게 및 사진이다. 정확한 Mg의 무게를 재기 위해 550℃ 전기로에서 3시간 하소시킨 후 무게를 측정해 보았다. Mg만 사용한 전극은 Mg가 다 부식되어 남아있지 않았지만(도 6의 a), 마그네슘에 키틴을 넣은 전극 (Mg + C)은 딱딱한 형태로 마그네슘이 22.4g이 남아있었다(도 6의 c). Mg만을 사용한 전극의 무게를 측정할 수 없어 Mg + C와 부식율을 비교할 수는 없었다. 키틴이 Mg의 부식을 늦췄을 것이라고 사료되었다. 그리고 Mg와 G에 넣었던 키틴의 양은 각각 0.98g으로 거의 변화가 없었다(표 3).Table 3 and Figures 5 and 6 are the weight and photograph of the anode before and after the experiment. In order to weigh the correct Mg, calcining was performed for 3 hours in an electric furnace at 550 ° C., and then weighed. The electrode using only Mg did not remain due to the corrosion of all the Mg (FIG. 6 a), but the electrode in which chitin was added to magnesium (Mg + C) had 22.4 g of magnesium in a hard form (FIG. 6 c). Since the weight of the electrode using only Mg could not be measured, it was not possible to compare Mg + C with the corrosion rate. It is thought that chitin may have slowed the corrosion of Mg. And the amount of chitin in Mg and G was 0.98g, respectively, almost unchanged (Table 3).

마그네슘의 부식과 키틴의 산화의 전기화학적 작용으로 인해 Mg + C 전극이 Mg 전극보다 높은 전력을 발생했다. Mg + C은 Mg 전극보다 느리게 부식되었다. 이것은 키틴이 마그네슘 소모율을 낮춘 것으로 사료되었다. 이것은 퇴적물의 빈 영양 상태에 기질의 주입이 필요하다는 것으로 보여진다. 마그네슘과 키틴을 이용한 이번 연구에서는 해저에서 사용가능한 장치를 조작하기에 충분한 전력이 발생되었다.The electrochemical action of corrosion of magnesium and oxidation of chitin caused the Mg + C electrode to generate higher power than the Mg electrode. Mg + C corroded more slowly than the Mg electrode. It is believed that chitin lowered magnesium consumption. This is shown to require the infusion of substrate into the empty nutrient state of the deposit. In this study, using magnesium and chitin, enough power was generated to manipulate devices available on the sea floor.

Claims (2)

해저 퇴적물, 상기 해저 퇴적물에 속에 구비된 산화 전극, 상기 해저 퇴적물 위에 부어진 해수, 상기 해수 속에 구비된 환원 전극 및 상기 산화 전극과 환원 전극에 연결된 전선을 포함하는 단일 반응조 미생물 연료 전지에 있어서, 상기 산화 전극에 기질로서 키틴이 첨가되는 단일 반응조 미생물 연료 전지.In a single reactor microbial fuel cell comprising a seabed sediment, an oxidation electrode provided in the seabed sediment, seawater poured on the seabed sediment, a reduction electrode provided in the seawater and wires connected to the oxidation electrode and the reducing electrode, A single reactor microbial fuel cell in which chitin is added as a substrate to an anode. 제 1항에 있어서,
상기 산화 전극은 흑연 전극인 것을 특징으로 하는 단일 반응조 미생물 연료 전지.
The method of claim 1,
Single oxidation tank microbial fuel cell, characterized in that the oxidation electrode is a graphite electrode.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103224313A (en) * 2013-04-26 2013-07-31 哈尔滨工业大学 Sediment in-situ treatment device and method utilizing microbial fuel cell
CN106025310A (en) * 2015-03-23 2016-10-12 中国海洋大学 Seabed sediment layer fuel cell power long-term power supply system for ocean monitoring instrument
CN108075112A (en) * 2016-11-17 2018-05-25 聚和国际股份有限公司 Negative electrode material for lithium ion battery and method for producing same

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103224313A (en) * 2013-04-26 2013-07-31 哈尔滨工业大学 Sediment in-situ treatment device and method utilizing microbial fuel cell
CN103224313B (en) * 2013-04-26 2014-01-22 哈尔滨工业大学 Sediment in-situ treatment device and method utilizing microbial fuel cell
CN106025310A (en) * 2015-03-23 2016-10-12 中国海洋大学 Seabed sediment layer fuel cell power long-term power supply system for ocean monitoring instrument
CN108075112A (en) * 2016-11-17 2018-05-25 聚和国际股份有限公司 Negative electrode material for lithium ion battery and method for producing same

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