KR20130019640A - A process of desalination and preparing hydrogen peroxide by using microbial electrochemical cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A seawater desalination and a hydrogen peroxide manufacturing method using a biological electrochemical cell are provided to not only to manufacture hydrogen peroxide but also to achieve seawater desalination through a desalinization. CONSTITUTION: In seawater desalination and a hydrogen peroxide manufacturing method using a biological electrochemical cell; a biological electrochemical cell includes a first reaction bath, a second reaction bath, an ion-exchange membrane, and an external circuit. The first reaction bath includes a first electrolyte including a substrate and an anode. The second reaction bath includes a second electrolyte in which air or oxygen is supplied to a cathode. The ion-exchange membrane separates the first electrolyte from the second electrolyte. The external circuit connects the anode with the cathode. The anode includes a first support and an electrochemical activity microorganism layer equipped in the surface of the first support, is dipped in the first electrolyte. The cathode includes a second support and an electrochemical catalyst layer equipped in the surface of the second support, and is dipped in the second electrolyte. The electrochemical activity microorganism generates an electron and a hydrogen ion by disassembling the substrate, and the electron moves to the cathode according to the external circuit. The hydrogen ion passes the ion exchange membrane and moves to the second electrolyte.

Description

생물학적 전기화학 전지를 이용한 해수 담수화 및 과산화수소 제조 방법{A process of desalination and preparing hydrogen peroxide by using microbial electrochemical cell}Process for desalination and preparing hydrogen peroxide by using microbial electrochemical cell

본 발명은 생물학적 전기화학 전지를 이용한 해수 담수화 및 과산화수소 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a seawater desalination and a method for producing hydrogen peroxide using a biological electrochemical cell.

과산화수소는 강한 산화력을 가지고 있으며 분해물이 무해하여 분석시약의 산화제, 소독제, 화학적 분해, 펄프 및 제지 공정, 직물의 표백제, 비닐중합의 촉매와 수처리 등에 그 응용분야가 다양하다. 과산화바륨과 염산의 반응으로 1818년에 처음 제조되었으며 안트라퀴논을 수소로 환원시켜 대량으로 합성이 가능하다.Hydrogen peroxide has strong oxidizing power and is harmless to decomposition products, so its applications are diverse in oxidizing agents, disinfectants, chemical decomposition, pulp and paper processing, textile bleaching, catalyst and water treatment of vinyl polymerization. First produced in 1818 by the reaction of barium peroxide with hydrochloric acid, it can be synthesized in large quantities by reducing anthraquinone to hydrogen.

다만, 기존의 기술은 과산화수소 생산의 열역학적 한계로 높은 외부 기전력이 필요한 에너지 집약적 방법이다. 현재까지 보고된 과산화수소의 생산방법과 본 발명과 유사한 생산방법의 한계점은, 첫째 과산화수소 전체 공급량의 90% 이상이 안트라퀴논 공정으로 생산되나 산화-환원, 증류, 분리, 정제 등의 여러 공정을 거쳐야하기 때문에 전체적으로 많은 에너지와 처리 비용이 필요하다는 점이다.However, the existing technology is an energy-intensive method that requires high external electromotive force due to the thermodynamic limitation of hydrogen peroxide production. The limitations of the production method of hydrogen peroxide and the production method similar to the present invention reported so far are that first, more than 90% of the total supply of hydrogen peroxide is produced by the anthraquinone process, but it has to go through various processes such as oxidation-reduction, distillation, separation, and purification. This requires a lot of energy and processing costs as a whole.

둘째, 일반적으로 과산화수소 제조를 위한 전기화학적 방법은 안트라퀴논 공정에 비해 더 높은 순도, 더 적은 분리 과정, 높은 안전성 등의 장점이 있지만 반응을 위해 필요한 외부에너지가 높다는 단점(1.7-2.0 V)이 있다. Second, in general, the electrochemical method for producing hydrogen peroxide has advantages such as higher purity, less separation process, and higher safety than anthraquinone process, but has a disadvantage of high external energy required for the reaction (1.7-2.0 V). .

예를 들어 물 분해로부터 생산되는 과산화수소의 경우 아래와 같은 반응식을 따른다[Ando and Tanaka (2004) International Journal of Hydrogen Energy].For example, in the case of hydrogen peroxide produced from water decomposition, the following reaction formula [ Ando and Tanaka (2004) International Journal of Hydrogen Energy ].

애노드: 2H2O → HOOH + 2H+ + 2e- : E0'= -1.776 V (vs. NHE) Anode: 2H 2 O → HOOH + 2H + + 2e -: E 0 '= -1.776 V (vs. NHE)

캐소드: 2e- + 2H+ → H2 : E0'= 0 V (vs. NHE) Cathode: 2e - + 2H + → H 2 : E 0 ' = 0 V (vs. NHE)

따라서 이론적으로 약 1.776 V (0 V - (-1.776 V) = 1.776 V vs. NHE)가 필요하며 여러 가지 전압손실의 영향에 의해 약 2.0 V의 높은 전압이 필요하다. 뿐만 아니라, 추가로 기존의 해수담수화 과정 중 막 증류(생산수 기준 3.2 kWh/m3)과 RO 공정(생산수 기준 4.5 kWh/m3)를 이용하여 높은 에너지가 필요로 하는 한계가 있다.Therefore, theoretically about 1.776 V (0 V-(-1.776 V) = 1.776 V vs. NHE) is required, and a high voltage of about 2.0 V is required due to the effects of various voltage losses. In addition, there is a limit to an additional high energy required by the film distillation (production number based on 3.2 kWh / m 3) and RO process (production number based on 4.5 kWh / m 3) of the conventional sea water desalination process by.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고 동시에 부가적으로 해수담수화와 전기에너지를 생산하기 위한 생물학적 전기화학 전지를 이용한 과산화수소 제조방법을 제공하고자 한다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above and at the same time to provide a method for producing hydrogen peroxide using a biological electrochemical cell for additionally producing seawater desalination and electrical energy.

본 발명이 제안하는 시스템은 크게 유기물 분해 가능한 전기화학적 활성 미생물을 이용하여 유기물로부터 수소 이온과 전자를 발생시키고 전자의 이동은 해수에서 음이온 교환막을 통하여 이동한 염소 이온의 영향으로 전자의 이동이 촉진되고 이어 캐소드 반응조에서 공급되는 산소와 외부 도선을 통하여 이동한 전자가 결합하는 일련의 과정을 통하여 과산화수소 생산, 담수화와 전기 생산을 동시에 이루기 위한 생물학적 전기화학 셀이다. The system proposed by the present invention uses electrochemically active microorganisms capable of decomposing organic matter to generate hydrogen ions and electrons from organic matters, and the movement of electrons is promoted by the influence of chlorine ions moved through an anion exchange membrane in seawater. Next, it is a biological electrochemical cell for simultaneously producing hydrogen peroxide, desalination, and electricity through a series of processes in which oxygen supplied from a cathode reactor and electrons moved through an external conductor are combined.

구체적으로, 캐소드에서 과산화수소 환원전위(0.28 V at pH 7) 극복을 위해 필요한 별도의 외부 기전력을 최소화하고, 유기물 분해를 통한 수소 이온(H+)과 전자(e-)생성 그리고 이온 농도 구배에 의한 이온 이동을 통한 해수의 담수화 과정이 가능하도록 구성된 생물학적 전기화학 셀이다. Specifically, to minimize any external electromotive force is required to overcome the hydrogen peroxide reduction potential (0.28 V at pH 7) at the cathode and hydrogen ions (H +) through the organic matter decomposition and the electron (e -) produced and by the ion concentration gradient Biological electrochemical cells configured to enable desalination of seawater through ion transport.

즉 본 발명의 일 측면에 따르면, 생물학적 전기화학 전지를 이용한 과산화수소 제조방법으로서; 상기 생물학적 전기화학 전지는 (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (B) 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고; 상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고; 상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함하며; 상기 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질을 분리하고; 상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하며; 상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고; 상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며; 상기 전기화학적 활성 미생물은 혐기성 환경에서 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며; 상기 수소 이온은 상기 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법이 제공된다.That is, according to an aspect of the present invention, as a method for producing hydrogen peroxide using a biological electrochemical cell; The biological electrochemical cell comprises (A-1) a first reactor, (A-2) a second reactor, (B) an ion exchange membrane, and (C) an external circuit; The first reactor comprises (a) a first electrolyte comprising a substrate, (b) an anode; The second reactor comprises (c) a second electrolyte supplied with air or oxygen, and (d) a cathode; The ion exchange membrane separates the first electrolyte and the second electrolyte; The external circuit connects the anode and the cathode; The anode comprises (b-1) a first support and (b-2) an electrochemically active microbial layer provided on the surface of the first support and is immersed in the first electrolyte; The cathode comprises (c-1) a second support and (c-2) an electrochemical catalyst layer provided on the surface of the second support and is immersed in the second electrolyte; The electrochemically active microorganism decomposes the substrate in an anaerobic environment to generate electrons and hydrogen ions, the electrons moving along the external circuit to the cathode; The hydrogen ions pass through the ion exchange membrane to move to the second electrolyte is provided a method for producing hydrogen peroxide.

또한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 생물학적 전기화학 전지를 이용한 과산화수소 제조방법으로서; 상기 생물학적 전기화학 전지는 (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (A-3) 해수 유동실, (B-1) 제1 이온교환막, (B-2) 제2 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고; 상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고; 상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함하며; 상기 제1 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 해수 유동실을 분리하고, 상기 제2 이온교환막은 상기 해수 유동실과 상기 제2 전해질을 분리하며; 상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하고; 상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고; 상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며; 상기 전기화학적 활성 미생물은 혐기성 환경에서 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며; 상기 해수 유동실 내의 염소 음이온은 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 제1 전해질로 이동하고, 상기 해수 유동실 내의 나트륨 양이온은 상기 제2 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing hydrogen peroxide using a biological electrochemical cell; The biological electrochemical cell includes (A-1) first reactor, (A-2) second reactor, (A-3) seawater flow chamber, (B-1) first ion exchange membrane, and (B-2) second reactor An ion exchange membrane, (C) an external circuit; The first reactor comprises (a) a first electrolyte comprising a substrate, (b) an anode; The second reactor comprises (c) a second electrolyte supplied with air or oxygen, and (d) a cathode; The first ion exchange membrane separates the first electrolyte and the seawater flow chamber, and the second ion exchange membrane separates the seawater flow chamber and the second electrolyte; The external circuit connects the anode and the cathode; The anode comprises (b-1) a first support and (b-2) an electrochemically active microbial layer provided on the surface of the first support and is immersed in the first electrolyte; The cathode comprises (c-1) a second support and (c-2) an electrochemical catalyst layer provided on the surface of the second support and is immersed in the second electrolyte; The electrochemically active microorganism decomposes the substrate in an anaerobic environment to generate electrons and hydrogen ions, the electrons moving along the external circuit to the cathode; The chlorine anion in the seawater flow chamber moves to the first electrolyte through the first ion exchange membrane, and the sodium cation in the seawater flow chamber moves to the second electrolyte through the second ion exchange membrane. Provided is a method for producing hydrogen peroxide.

또한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 생물학적 전기화학 전지를 이용한 과산화수소 제조방법으로서; 상기 생물학적 전기화학 전지는 (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (A-3) 해수 유동실, (A-4) 이온 저장조, (B-1) 제1 이온교환막, (B-2) 제2 이온교환막, (B-3) 제3 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고; 상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고; 상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함하며; 상기 제1 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 이온 저장조를 분리하고; 상기 제2 이온교환막은 상기 이온 저장조와 상기 해수 유동실을 분리하고; 상기 제3 이온교환막은 상기 해수 유동실과 상기 제2 전해질을 분리하며; 상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하고; 상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고; 상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며; 상기 전기화학적 활성 미생물은 혐기성 환경에서 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며; 상기 수소 이온은 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 이온 저장조로 이동하고; 상기 해수 유동실 내의 염소 음이온은 상기 제2 이온교환막을 통과하여 상기 이온 저장조로 이동하고며; 상기 해수 유동실 내의 나트륨 양이온은 상기 제3 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법이 제공된다.Also according to another aspect of the present invention, as a method for producing hydrogen peroxide using a biological electrochemical cell; The biological electrochemical cell comprises (A-1) first reactor, (A-2) second reactor, (A-3) seawater flow chamber, (A-4) ion reservoir, and (B-1) first ion exchange membrane (B-2) a second ion exchange membrane, (B-3) a third ion exchange membrane, and (C) an external circuit; The first reactor comprises (a) a first electrolyte comprising a substrate, (b) an anode; The second reactor comprises (c) a second electrolyte supplied with air or oxygen, and (d) a cathode; The first ion exchange membrane separates the first electrolyte and the ion reservoir; The second ion exchange membrane separates the ion reservoir and the seawater flow chamber; The third ion exchange membrane separates the seawater flow chamber from the second electrolyte; The external circuit connects the anode and the cathode; The anode comprises (b-1) a first support and (b-2) an electrochemically active microbial layer provided on the surface of the first support and is immersed in the first electrolyte; The cathode comprises (c-1) a second support and (c-2) an electrochemical catalyst layer provided on the surface of the second support and is immersed in the second electrolyte; The electrochemically active microorganism decomposes the substrate in an anaerobic environment to generate electrons and hydrogen ions, the electrons moving along the external circuit to the cathode; The hydrogen ions pass through the first ion exchange membrane to the ion reservoir; Chlorine anions in the seawater flow chamber pass through the second ion exchange membrane to the ion reservoir; The sodium cation in the seawater flow chamber is provided through the third ion exchange membrane is moved to the second electrolyte is provided a method for producing hydrogen peroxide.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 생물학적 전기화학셀을 이용한 과산화수소 생산 기술은 상기 기존의 기술의 문제해결이 가능하며 효과적이니 미래형 대체에너지 생산 및 부가적으로 유용한 화학물질 생산을 가능하게 한다.As described above, the hydrogen peroxide production technology using the biological electrochemical cell according to the present invention can solve the problems of the existing technology and is effective, thereby enabling the production of future alternative energy and additionally useful chemicals.

보다 구체적인 발명의 효과는, 첫째 에너지 생산과 동시에 폐수 또는 폐바이오매스의 처리, 유용한 물질 생산과 해수담수화가 가능한 다목적 기술이라는 점이다. 즉, 본 제안 기술은 에너지 생산과 동시에 폐수 또는 폐바이오매스(유기물)의 처리가 가능한 다목적 융합 기술이다. 즉 단순히 기물에서 바이오에너지를 추출하는 것에 삶의 질적 향상을 위하여 반드시 처리해야만 하는 폐기물을 처리를 병행할 수 있다. 또한 유기물 제거와 담수화 반응을 이용하여 기존의 역삼투막 공정의 전처리 과정으로 추가하게 된다면 유기물 제거에 따른 역삼투막 오염문제 (Fouling)를 저하 효과를 기대할 수 있다.The effect of the more specific invention is that, firstly, it is a multipurpose technology capable of treating wastewater or waste biomass, producing useful materials and desalination at the same time as producing energy. That is, the proposed technology is a multipurpose fusion technology capable of treating wastewater or waste biomass (organic matter) simultaneously with energy production. In other words, simply extracting bioenergy from waste can combine waste that must be treated to improve the quality of life. In addition, if the organic material removal and desalination reaction is added to the pretreatment process of the conventional reverse osmosis membrane process, the reverse osmosis membrane fouling problem (fouling) due to the organic matter removal can be expected to reduce the effect.

또한 본 발명에 의해서, 과산화수소 생산에 소요되는 에너지의 획기적 절감을 얻을 수 있다. 즉, 기존의 기술에서 요구되는 외부 전압 2 V에 비해 약 50% 상 감소된 전압(0.5 V)만으로도 생산이 가능하다(0.014 mM).In addition, according to the present invention, it is possible to obtain a significant reduction in the energy required for the production of hydrogen peroxide. In other words, production is possible with only a voltage (0.5 V) reduced by about 50% compared to the external voltage of 2 V required by the conventional technology (0.014 mM).

뿐만 아니라, 태양 에너지로부터 자원 생성이 가능하다는 점을 들 수 있다. 즉, 본 발명에서 필요한 외부 전압은 실리콘 태양전지나 염료감응형 태양전지로도 안정적인 에너지 공급이 가능하여 자연에너지로부터 에너지, 화학물질 생산이 가능하다. 기존의 외부전압 인가는 화석연료 바탕의 전기에너지를 이용하였기 때문에 대기오염물질이 방출이 불가피하였지만 태양에너지를 이용함으로써 대기오염물질 배출 없이도 유용한 전기에너지, 화학물질, 폐기물 처리가 가능하다. In addition, it is possible to generate resources from solar energy. In other words, the external voltage required in the present invention can supply a stable energy even in a silicon solar cell or a dye-sensitized solar cell, thereby producing energy and chemicals from natural energy. Existing external voltage application uses electric energy based on fossil fuels, so it is inevitable to release air pollutants. However, solar energy can be used to treat useful electric energy, chemicals, and wastes without the release of air pollutants.

나아가서, 해수담수화에 요구되는 고에너지 사용이 필요하지 않게 된다. 즉, 이온교환막의 고유한 특성을 이용하여 해수 내의 이온을 분리해냄으로써 담수 생산(76.9 %의 담수화 효율)뿐만 아니라 기존의 고에너지 집약형 담수화기술에 비해 담수화를 위한 에너지 사용이 불필요하다.Furthermore, the high energy use required for seawater desalination is not required. In other words, by separating the ions in the seawater using the unique characteristics of the ion exchange membrane, not only fresh water production (76.9% desalination efficiency) but also use of energy for desalination as compared to the existing high energy intensive desalination technology.

마지막으로, 효과적인 분산발전 시스템의 구축이 가능하게 된다. 즉, 미래 에너지 수요는 수요처의 지리적 현황 및 특색에 따라 에너지를 생산 할 수 있는 방안이 다양화될 것이다. 예를 들어, 낙도의 분산 발전 시스템으로 제공하고 부가적인 화학물질 생산에 따른 경제적 이득을 얻을 수 있을 것이다.Finally, it is possible to construct an effective distributed generation system. In other words, future energy demand will be diversified to produce energy according to the geographical status and characteristics of the customer. For example, it would be possible to provide the island's distributed generation system and gain economic benefits from the production of additional chemicals.

도 1과 도 2a, 2b는 본 발명의 일 구현예에 따른 생물학적 전기화학 전지를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라서 전극별 과산화수소 생산량 측정하여 이를 나타낸 것인데, 그라파이트와 카본펠트와 같은 카본 계열의 전극을 사용한 경우가 백금 촉매전극보다 약 72.1 % 증가한 생산량을 나타냄을 확인하였다. 백금 촉매와 카본 계열 전극의 가격차를 고려할 때 이에 따른 경제적 효과는 매우 클 것으로 예측할 수 있다(백금 촉매: 약 7 천원/cm2, 카본 계열 전극: 약 15~20원/cm2).
도 4는 과산화수소 생산 과정에서 해수유동실에서의 탈염률을 보여준다. 종래에는 탈염을 위하여 고에너지 의존 기술인 증류법과 역삼투법을 이용해야 했던 반면, 본 발명의 일 구현예에 따르면 어떠한 에너지의 투입 없이도 이온교환막을 통하여 자발적으로 탈염이 이루어져 해수 담수화 효과를 달성할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 이온저장조가 포함된 반응조에서의 탈염률을 나타낸 것으로, 해수유동실에서 NaCl 농도를 달리하였을 때 각각의 탈염 효과를 비교한 것이다.
도 6은 이온저장조에서의 염소 이온 및 pH 변화량을 보여준다(NaCl 5 g/L일 때). 즉, 해수유동실에서 이온저장조로 이동한 염소이온과 감소한 pH를 통하여 음극 챔버(anode chamber)로부터 이동한 수소이온을 나타냄으로써 수용액 상태의 HCl의 생성을 확인할 수 있다. 일반적으로 염화수소 생산은 가스상태의 염소와 수소를 반응시켜 만들며 이것을 물에 녹여 수용액 상태로 만든 것을 염산이라고 하는데, 본 발명의 일 구현예에 따르면 종래 이와 같은 복잡한 과정 없이도 해수에서의 염소 이온과 음극에서 분해된 수소 이온을 이용하여 염화수소 수용액을 바로 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한 기존의 미생물 연료전지에서 음극 챔버의 pH 저하로 인한 효율 감소를 완화할 수 있다.1 and 2a, 2b is a diagram schematically showing a biological electrochemical cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the measurement of hydrogen peroxide production by electrode according to an embodiment of the present invention, it was confirmed that the case of using a carbon-based electrode such as graphite and carbon felt showed about 72.1% increased production than the platinum catalyst electrode. Considering the price difference between the platinum catalyst and the carbon-based electrode, the economic effect can be expected to be very large (platinum catalyst: about 7,000 won / cm 2 , carbon-based electrode: about 15 ~ 20 won / cm 2 ).
Figure 4 shows the desalination rate in the seawater flow during the hydrogen peroxide production process. Conventionally, while high energy-dependent technologies such as distillation and reverse osmosis have to be used for desalting, according to an embodiment of the present invention, desalination is spontaneously performed through an ion exchange membrane without any energy input, thereby confirming that seawater desalination can be achieved. Can be.
Figure 5 shows the desalination rate in the reaction tank containing the ion storage tank, and compares the desalination effect of each of the different NaCl concentration in the seawater flow chamber.
Figure 6 shows the amount of chlorine ions and pH change in the ion reservoir (when NaCl 5 g / L). That is, the production of HCl in aqueous solution can be confirmed by showing the chlorine ions moved from the seawater flow chamber to the ion storage tank and the hydrogen ions moved from the anode chamber through the reduced pH. In general, the production of hydrogen chloride is made by reacting gaseous chlorine and hydrogen and dissolved in water to form an aqueous solution. According to one embodiment of the present invention, chlorine ions in a seawater and a cathode in the seawater without such a complicated process are known. Hydrogen chloride aqueous solution can be directly obtained by using the decomposed hydrogen ions. In addition, in the conventional microbial fuel cell, it is possible to alleviate the decrease in efficiency due to the pH drop in the cathode chamber.

본 기술은 전자전달 플랫폼으로 미생물 연료전지 (microbial fuel cells) 기술을 이용하나 기존 장치와는 달리 캐소드 반응이 산소의 환원에 의해 물이 생성되는 것이 아니라 애노드 쪽의 혐기성 유기물 분해를 통해 발생하는 기전력에 의해 캐소드로 공급되는 전자를 이용하여 과산화수소를 생산하는 것이다. 아세트산이 유기원인 경우 각각의 반응은 다음과 같다.This technology uses microbial fuel cells technology as an electron transfer platform, but unlike conventional devices, the cathode reaction does not generate water by reduction of oxygen, but rather on the electromotive force generated through the decomposition of anaerobic organic matter on the anode side. It is to produce hydrogen peroxide using the electron supplied to the cathode. When acetic acid is an organic source, each reaction is as follows.

애노드: CH3COOH + 2H2O → 2CO2 + 8H+ + 8e- : E0=-0.28 V (vs. NHE) Anode: CH 3 COOH + 2H 2 O → 2CO 2 + 8H + + 8e -: E 0 = -0.28 V (vs. NHE)

Middle desalination chamber: NaCl → H2OMiddle desalination chamber: NaCl → H 2 O

캐소드: 8H+ + 4O2 + 8e- → 4H2O2 : E0=0.28 V (vs. NHE) Cathode: 8H + + 4O 2 + 8e - → 4H 2 O 2: E 0 = 0.28 V (vs. NHE)

이 때 유기물의 혐기성 산화가 일어나는 애노드와 과산화수소 발생하는 반응이 열역학적으로 자발적인 반응 (0.28 V - (-0.28 V) = 0.56 V)이나, 생물학적 전기화학 셀 자체의 존재하는 내부저항에 의한 전압 손실과 반응의 활성화에너지의 영향으로 일정의 외부전압 공급 (여기서는 약 0.5 V)의 외부전압이 필요하다.
At this time, the reaction between the anode and hydrogen peroxide generated by the anaerobic oxidation of organic matter is thermodynamically spontaneous reaction (0.28 V-(-0.28 V) = 0.56 V), or the voltage loss and reaction due to the internal resistance present in the biological electrochemical cell itself. Due to the activation energy of, a constant external voltage supply (approximately 0.5 V in this case) is required.

본 발명의 여러 구현예에 따른 생물 전기화학적 시스템에 있어서, 유기물을 혐기성 산화하여 발생된 전자를 전극으로 전달하는 역할을 하는 것은 미생물(특히, 박테리아)이다. 박테리아의 세포막은 절연체로 되어 있기 때문에, 이온의 통과는 가능하지만 전자가 직접적으로 통과할 수는 없다. 유기물의 산화는 미생물의 세포 내부에서 일어나기 때문에 일반적인 유기물 대사 경로에 의해서는 전자가 전극으로 전달될 수 없고, 따라서 유기물의 산화에서 발생되는 전자는 용존성 전자 전달체에 의해 전극으로 전달되거나 Shewanella 또는 Geobacter에 속하는 몇몇 균주들과 같이 세포 외부로 돌출된 도체 역할을 하는 구조를 가진 미생물에 의해 직접적으로 전극으로 전달된다.In the bioelectrochemical system according to various embodiments of the present invention, it is a microorganism (particularly a bacterium) which serves to transfer electrons generated by anaerobic oxidation of an organic substance to an electrode. Since the bacterial cell membrane is an insulator, ions can pass but electrons cannot pass directly. Since the oxidation of organic matter occurs inside the cells of microorganisms, electrons cannot be transferred to the electrodes by normal organic metabolic pathways, and thus the electrons generated from the oxidation of organic matter are transferred to the electrodes by dissolved electron transporters or to Shewanella or Geobacter. It is delivered directly to the electrode by a microorganism with a structure that acts as a conductor that protrudes out of the cell, such as several strains that belong.

이하 하기 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이므로, 하기 실시예들에 의해 본 발명의 범주가 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 당업자라면 본 발명의 기술적 사상과 정신의 범위 내에서 하기 실시예들의 다양한 변형, 수정 및 응용이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. The following examples are only intended to illustrate the invention, and should not be construed as limiting the scope of the invention by the following examples. Those skilled in the art will appreciate that various modifications, modifications and applications of the following embodiments are possible without departing from the spirit and spirit of the invention.

즉 본 발명의 일 측면은, 생물학적 전기화학 전지를 이용한 과산화수소 제조방법에 관한 것이다.That is, one aspect of the present invention relates to a method for producing hydrogen peroxide using a biological electrochemical cell.

이때 사용될 수 있는 상기 생물학적 전기화학 전지는, 도 1에 도식적으로 나타낸 것과 같이, (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (B) 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고; 상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고; 상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함한다.The biological electrochemical cell that can be used at this time, as shown schematically in Figure 1, (A-1) the first reactor, (A-2) the second reactor, (B) ion exchange membrane, (C) external circuit Including; The first reactor comprises (a) a first electrolyte comprising a substrate, (b) an anode; The second reaction vessel includes (c) a second electrolyte supplied with air or oxygen, and (d) a cathode.

상기 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질을 분리하고; 상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하며; 상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고; 상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며; 상기 전기화학적 활성 미생물은 혐기성 환경에서 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며; 상기 수소 이온은 상기 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하게 된다.The ion exchange membrane separates the first electrolyte and the second electrolyte; The external circuit connects the anode and the cathode; The anode comprises (b-1) a first support and (b-2) an electrochemically active microbial layer provided on the surface of the first support and is immersed in the first electrolyte; The cathode comprises (c-1) a second support and (c-2) an electrochemical catalyst layer provided on the surface of the second support and is immersed in the second electrolyte; The electrochemically active microorganism decomposes the substrate in an anaerobic environment to generate electrons and hydrogen ions, the electrons moving along the external circuit to the cathode; The hydrogen ions pass through the ion exchange membrane to move to the second electrolyte.

일 구현예에 따르면 상기 제1 전해질은 pH가 6.5-7.5인 버퍼 용액이고, 다른 구현예에 따르면 상기 제1 전해질은 질소 퍼징에 의해 혐기성 조건이 조성되며, 이 경우에 특히 미생물의 발전 능력 및 과산화수소 생성 효율이 증가할 수 있다.According to one embodiment, the first electrolyte is a buffer solution having a pH of 6.5-7.5, and in another embodiment, the first electrolyte is formed under anaerobic conditions by nitrogen purging, and in this case, in particular, the ability of the microorganism to develop and hydrogen peroxide. The production efficiency can be increased.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 제2 전해질에는 순도 99%, 바람직하게는 99.5%, 이에 의해서 과산화수소 생성 효율이 증가할 수 있다. 특히 99.95% 이상의 경우에는 과산화생성 효율의 향상뿐만 아니라, 해수 유동실에서의 탈염 효과가 향상되고 새롭게 촉매 피독 방지의 효과를 보이는 것을 확인하였다.According to another embodiment, the second electrolyte may have a purity of 99%, preferably 99.5%, thereby increasing hydrogen peroxide generation efficiency. In particular, in the case of 99.95% or more, it was confirmed that not only the improvement of peroxidation efficiency, but also the desalination effect in the seawater flow chamber was improved and the catalyst poisoning prevention effect was newly exhibited.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 전기화학 촉매층은 카본 계열의 전극이며, 이 경우 백금 촉매층을 사용하는 경우에 비하여 과산화수소 생성 효율이 크게 증가할 뿐만 아니라, 촉매 피독이 억제되어 장시간 운행한 후에도 과산화수소 생성 효율을 높게 유지함을 확인하였다. 특히, 상기 전기화학 촉매층으로 그래파이트를 사용하는 경우에는 과산화수소 생성 향상과 촉매 피독 억제 효과가 더욱 뛰어날 뿐만 아니라, 해수 유동실에서의 탈염 효과도 뛰어남을 확인하였다.
According to another embodiment, the electrochemical catalyst layer is a carbon-based electrode, in which case hydrogen peroxide generation efficiency is greatly increased as compared with the case of using a platinum catalyst layer, and catalyst poisoning is suppressed, and thus hydrogen peroxide generation efficiency is achieved even after a long time operation. It was confirmed to keep high. In particular, in the case of using graphite as the electrochemical catalyst layer, it was confirmed that not only the hydrogen peroxide production and the catalyst poisoning inhibitory effect were excellent, but also the desalting effect in the seawater flow chamber was excellent.

본 발명의 다른 측면은, 생물학적 전기화학 전지를 이용한 해수 탈염 및 과산화수소 제조 방법에 관한 것이다.Another aspect of the invention relates to a method for desalting seawater and producing hydrogen peroxide using a biological electrochemical cell.

이때 사용될 수 있는 상기 생물학적 전기화학 전지는, 도 2a 및 2b에 도식적으로 나타낸 것과 같이, (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (A-3) 해수 유동실, (B-1) 제1 이온교환막, (B-2) 제2 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고; 상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고; 상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함한다.The biological electrochemical cell that can be used at this time, as shown schematically in Figures 2a and 2b, (A-1) the first reactor, (A-2) the second reactor, (A-3) seawater flow chamber, ( B-1) a first ion exchange membrane, (B-2) a second ion exchange membrane, and (C) an external circuit; The first reactor comprises (a) a first electrolyte comprising a substrate, (b) an anode; The second reaction vessel includes (c) a second electrolyte supplied with air or oxygen, and (d) a cathode.

상기 제1 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 해수 유동실을 분리하고, 상기 제2 이온교환막은 상기 해수 유동실과 상기 제2 전해질을 분리하며; 상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하고; 상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고; 상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며; 상기 전기화학적 활성 미생물은 혐기성 환경에서 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며; 상기 해수 유동실 내의 염소 음이온은 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 제1 전해질로 이동하고, 상기 해수 유동실 내의 나트륨 양이온은 상기 제2 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하게 된다.The first ion exchange membrane separates the first electrolyte and the seawater flow chamber, and the second ion exchange membrane separates the seawater flow chamber and the second electrolyte; The external circuit connects the anode and the cathode; The anode comprises (b-1) a first support and (b-2) an electrochemically active microbial layer provided on the surface of the first support and is immersed in the first electrolyte; The cathode comprises (c-1) a second support and (c-2) an electrochemical catalyst layer provided on the surface of the second support and is immersed in the second electrolyte; The electrochemically active microorganism decomposes the substrate in an anaerobic environment to generate electrons and hydrogen ions, the electrons moving along the external circuit to the cathode; The chlorine anion in the seawater flow chamber passes through the first ion exchange membrane to the first electrolyte, and the sodium cation in the seawater flow chamber passes through the second ion exchange membrane to move to the second electrolyte.

일 구현예에 따르면 상기 제1 전해질은 pH가 6.5-7.5인 버퍼 용액이고, 다른 구현예에 따르면 상기 제1 전해질은 질소 퍼징에 의해 혐기성 조건이 조성되며, 이 경우에 특히 미생물의 발전 능력 및 과산화수소 생성 효율이 증가할 수 있다.According to one embodiment, the first electrolyte is a buffer solution having a pH of 6.5-7.5, and in another embodiment, the first electrolyte is formed under anaerobic conditions by nitrogen purging, and in this case, in particular, the ability of the microorganism to develop and hydrogen peroxide. The production efficiency can be increased.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 제2 전해질에는 순도 99.95% 이상의 산소가 공급되며, 이에 의해서 과산화수소 생성 효율이 증가할 수 있다.According to another embodiment, the second electrolyte may be supplied with oxygen having a purity of 99.95% or more, thereby increasing hydrogen peroxide generation efficiency.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 전기화학 촉매층은 그래파이트이며, 이 경우에도 백금 촉매층을 사용하는 경우에 비하여 과산화수소 생성 효율이 크게 증가함을 확인하였다.
According to another embodiment, the electrochemical catalyst layer is graphite, and in this case, it was confirmed that the hydrogen peroxide generation efficiency is greatly increased as compared with the case of using a platinum catalyst layer.

본 발명의 또 다른 측면은 생물학적 전기화학 전지를 이용한 해수 탈염 및 과산화수소 제조 방법에 관한 것이다.Another aspect of the invention relates to a method for desalting seawater and producing hydrogen peroxide using a biological electrochemical cell.

이때 사용될 수 있는 상기 생물학적 전기화학 전지는 (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (A-3) 해수 유동실, (A-4) 이온 저장조, (B-1) 제1 이온교환막, (B-2) 제2 이온교환막, (B-3) 제3 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고; 상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고; 상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함하며; 상기 제1 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 이온 저장조를 분리하고; 상기 제2 이온교환막은 상기 이온 저장조와 상기 해수 유동실을 분리하고; 상기 제3 이온교환막은 상기 해수 유동실과 상기 제2 전해질을 분리하며; 상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하고; 상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고; 상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며; 상기 전기화학적 활성 미생물은 혐기성 환경에서 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며; 상기 수소 이온은 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 이온 저장조로 이동하고; 상기 해수 유동실 내의 염소 음이온은 상기 제2 이온교환막을 통과하여 상기 이온 저장조로 이동하고며; 상기 해수 유동실 내의 나트륨 양이온은 상기 제3 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법에 관한 것이다.The biological electrochemical cell that can be used at this time is (A-1) first reactor, (A-2) second reactor, (A-3) seawater flow chamber, (A-4) ion reservoir, (B-1) A first ion exchange membrane, (B-2) a second ion exchange membrane, (B-3) a third ion exchange membrane, and (C) an external circuit; The first reactor comprises (a) a first electrolyte comprising a substrate, (b) an anode; The second reactor comprises (c) a second electrolyte supplied with air or oxygen, and (d) a cathode; The first ion exchange membrane separates the first electrolyte and the ion reservoir; The second ion exchange membrane separates the ion reservoir and the seawater flow chamber; The third ion exchange membrane separates the seawater flow chamber from the second electrolyte; The external circuit connects the anode and the cathode; The anode comprises (b-1) a first support and (b-2) an electrochemically active microbial layer provided on the surface of the first support and is immersed in the first electrolyte; The cathode comprises (c-1) a second support and (c-2) an electrochemical catalyst layer provided on the surface of the second support and is immersed in the second electrolyte; The electrochemically active microorganism decomposes the substrate in an anaerobic environment to generate electrons and hydrogen ions, the electrons moving along the external circuit to the cathode; The hydrogen ions pass through the first ion exchange membrane to the ion reservoir; Chlorine anions in the seawater flow chamber pass through the second ion exchange membrane to the ion reservoir; The sodium cation in the seawater flow chamber is directed to a method for producing hydrogen peroxide, characterized in that to move to the second electrolyte through the third ion exchange membrane.

상기와 같이 해수 유동실과 제1 반응조 사이에 이온 저장조를 위치시키고, 전지가 작동됨에 따라서 이온 저장조의 탈이온수를 정기적으로 중성의 탈이온수로 교체해 줌으로써, 미생물에 의한 발전 성능이 크게 향상되고 과산화수소 생성 효율도 크게 증가할 뿐만 아니라, 미생물의 활성을 장시간 유지함으로써 전지의 정상 작동 시간을 연장하는 효과를 보임을 확인하였다.As described above, by placing an ion reservoir between the seawater flow chamber and the first reaction tank and periodically replacing the deionized water of the ion reservoir with neutral deionized water as the battery is operated, the power generation performance by the microorganism is greatly improved and the hydrogen peroxide generation efficiency is improved. As well as greatly increased, it was confirmed that showing the effect of extending the normal operating time of the battery by maintaining the activity of the microorganism for a long time.

일 구현예에 따르면 상기 제1 전해질은 pH가 6.5-7.5인 버퍼 용액이고, 다른 구현예에 따르면 상기 제1 전해질은 질소 퍼징에 의해 혐기성 조건이 조성되며, 이 경우에 특히 미생물의 발전 능력 및 과산화수소 생성 효율이 증가할 수 있다.According to one embodiment, the first electrolyte is a buffer solution having a pH of 6.5-7.5, and in another embodiment, the first electrolyte is formed under anaerobic conditions by nitrogen purging, and in this case, in particular, the ability of the microorganism to develop and hydrogen peroxide. The production efficiency can be increased.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 제2 전해질에는 순도 99.95% 이상의 산소가 공급되며, 이에 의해서 과산화수소 생성 효율이 증가할 수 있다.According to another embodiment, the second electrolyte may be supplied with oxygen having a purity of 99.95% or more, thereby increasing hydrogen peroxide generation efficiency.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 전기화학 촉매층은 그래파이트이며, 이 경우에도 백금 촉매층을 사용하는 경우에 비하여 과산화수소 생성 효율이 크게 증가함을 확인하였다.
According to another embodiment, the electrochemical catalyst layer is graphite, and in this case, it was confirmed that the hydrogen peroxide generation efficiency is greatly increased as compared with the case of using a platinum catalyst layer.

이 중에서 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 생물학적 전기화학 셀을 이용한 과산화수소 생산 시스템을 설명하는 도면이다. 애노드 전극에는 하수 처리장의 혐기성 소화 슬러지를 이용하여 전기화학적 활성 미생물을 접종하였고 유기물 (폐수, 글루코스를 포함한 당류까지 다양한 유기물 적용가능) 분해를 통하여 전자와 수소 이온 생산이 가능하도록 하였다. 또한 백금 촉매 코팅을 한 캐소드 전극을 통하여 과산화수소 생산을 도모하였다. 본 발명의 생물학적 전기화학 셀은 3개의 반응조를 연속으로 연결하였는데 애노드 반응조와 중간 담수화 반응조 사이에는 음이온 교환막(AMX)을 설치하여 해수 중 염소 이온의 이동이 가능하고, 중간 담수화 반응조와 캐소드 반응조 사이에는 반대로 양이온 교환막(Nafion117)을 설치하여 해수 중 나트륨 이온의 이동을 도모하여 해수의 담수화 과정을 외부 에너지 없이 가능하게 하였다.2 is a view illustrating a hydrogen peroxide production system using a biological electrochemical cell according to an embodiment of the present invention. The anode electrode was inoculated with electrochemically active microorganisms using anaerobic digestion sludge from a sewage treatment plant, and electrons and hydrogen ions were produced by decomposition of organic matters (a variety of organic matters applicable to wastewater and sugars including glucose). Hydrogen peroxide production was also achieved through the cathode electrode with platinum catalyst coating. In the biological electrochemical cell of the present invention, three reactors are connected in series, and an anion exchange membrane (AMX) is installed between the anode reactor and the intermediate desalination reactor to move chlorine ions in seawater, and between the intermediate desalination reactor and the cathode reactor. On the contrary, a cation exchange membrane (Nafion117) was installed to facilitate the movement of sodium ions in seawater, thereby making the desalination process possible without external energy.

Claims (15)

생물학적 전기화학 전지를 이용한 과산화수소 제조 방법으로서;
상기 생물학적 전기화학 전지는 (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (B) 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고;
상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고;
상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함하며;
상기 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 제2 전해질을 분리하고;
상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하며;
상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고;
상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며;
상기 전기화학적 활성 미생물은 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며;
상기 수소 이온은 상기 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법.A method for producing hydrogen peroxide using a biological electrochemical cell;
The biological electrochemical cell comprises (A-1) a first reactor, (A-2) a second reactor, (B) an ion exchange membrane, and (C) an external circuit;
The first reactor comprises (a) a first electrolyte comprising a substrate, (b) an anode;
The second reactor comprises (c) a second electrolyte supplied with air or oxygen, and (d) a cathode;
The ion exchange membrane separates the first electrolyte and the second electrolyte;
The external circuit connects the anode and the cathode;
The anode comprises (b-1) a first support and (b-2) an electrochemically active microbial layer provided on the surface of the first support and is immersed in the first electrolyte;
The cathode comprises (c-1) a second support and (c-2) an electrochemical catalyst layer provided on the surface of the second support and is immersed in the second electrolyte;
The electrochemically active microorganism decomposes the substrate to generate electrons and hydrogen ions, the electrons moving along the external circuit to the cathode;
Wherein the hydrogen ions pass through the ion exchange membrane to move to the second electrolyte. 제1항에 있어서, 상기 제1 전해질은 pH가 6.5-7.5인 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법.The method of claim 1, wherein the first electrolyte has a pH of 6.5-7.5. 제2항에 있어서, 상기 제1 전해질은 질소 퍼징에 의해 혐기성 조건이 조성되는 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법.The method of claim 2, wherein the first electrolyte is formed under anaerobic conditions by nitrogen purging. 제3항에 있어서, 상기 제2 전해질에는 순도 99.95% 이상의 산소가 공급되는 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법.The method of claim 3, wherein the second electrolyte is supplied with oxygen having a purity of 99.95% or more. 제4항에 있어서, 상기 전기화학 촉매층은 그래파이트인 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법.The method of claim 4, wherein the electrochemical catalyst layer is graphite. 생물학적 전기화학 전지를 이용한 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법으로서;
상기 생물학적 전기화학 전지는 (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (A-3) 해수 유동실, (B-1) 제1 이온교환막, (B-2) 제2 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고;
상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고;
상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함하며;
상기 제1 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 해수 유동실을 분리하고, 상기 제2 이온교환막은 상기 해수 유동실과 상기 제2 전해질을 분리하며;
상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하고;
상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고;
상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며;
상기 전기화학적 활성 미생물은 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며;
상기 해수 유동실 내의 염소 음이온은 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 제1 전해질로 이동하고, 상기 해수 유동실 내의 나트륨 양이온은 상기 제2 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.As a method of seawater desalination and hydrogen peroxide production using biological electrochemical cells;
The biological electrochemical cell includes (A-1) first reactor, (A-2) second reactor, (A-3) seawater flow chamber, (B-1) first ion exchange membrane, and (B-2) second reactor An ion exchange membrane, (C) an external circuit;
The first reactor comprises (a) a first electrolyte comprising a substrate, (b) an anode;
The second reactor comprises (c) a second electrolyte supplied with air or oxygen, and (d) a cathode;
The first ion exchange membrane separates the first electrolyte and the seawater flow chamber, and the second ion exchange membrane separates the seawater flow chamber and the second electrolyte;
The external circuit connects the anode and the cathode;
The anode comprises (b-1) a first support and (b-2) an electrochemically active microbial layer provided on the surface of the first support and is immersed in the first electrolyte;
The cathode comprises (c-1) a second support and (c-2) an electrochemical catalyst layer provided on the surface of the second support and is immersed in the second electrolyte;
The electrochemically active microorganism decomposes the substrate to generate electrons and hydrogen ions, the electrons moving along the external circuit to the cathode;
The chlorine anion in the seawater flow chamber moves to the first electrolyte through the first ion exchange membrane, and the sodium cation in the seawater flow chamber moves to the second electrolyte through the second ion exchange membrane. Sea salt desalination and hydrogen peroxide production method. 제6항에 있어서, 상기 제1 전해질은 pH가 6.5-7.5인 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.The method of claim 6, wherein the first electrolyte has a pH of 6.5-7.5. 제7항에 있어서, 상기 제1 전해질은 질소 퍼징에 의해 혐기성 조건이 조성되는 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.The method of claim 7, wherein the first electrolyte is formed under anaerobic conditions by nitrogen purging. 제8항에 있어서, 상기 제2 전해질에는 순도 99.95% 이상의 산소가 공급되는 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.The method of claim 8, wherein the second electrolyte is supplied with oxygen having a purity of 99.95% or more. 제4항에 있어서, 상기 전기화학 촉매층은 그래파이트인 것을 특징으로 하는 과산화수소 제조방법.The method of claim 4, wherein the electrochemical catalyst layer is graphite. 생물학적 전기화학 전지를 이용한 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법으로서;
상기 생물학적 전기화학 전지는 (A-1) 제1 반응조, (A-2) 제2 반응조, (A-3) 해수 유동실, (A-4) 이온 저장조, (B-1) 제1 이온교환막, (B-2) 제2 이온교환막, (B-3) 제3 이온교환막, (C) 외부 회로를 포함하고;
상기 제1 반응조는 (a) 기질을 포함하는 제1 전해질, (b) 애노드를 포함하고;
상기 제2 반응조는 (c) 공기 또는 산소가 공급되는 제2 전해질, (d) 캐소드를 포함하며;
상기 제1 이온교환막은 상기 제1 전해질과 상기 이온 저장조를 분리하고;
상기 제2 이온교환막은 상기 이온 저장조와 상기 해수 유동실을 분리하고;
상기 제3 이온교환막은 상기 해수 유동실과 상기 제2 전해질을 분리하며;
상기 외부 회로는 상기 애노드와 상기 캐소드를 연결하고;
상기 애노드는 (b-1) 제1 지지체 및 (b-2) 상기 제1 지지체 표면에 구비된 전기화학적 활성 미생물층을 포함하고, 상기 제1 전해질 내에 침지되어 있고;
상기 캐소드는 (c-1) 제2 지지체 및 (c-2) 상기 제2 지지체 표면에 구비된 전기화학 촉매층을 포함하고, 상기 제2 전해질 내에 침지되어 있으며;
상기 전기화학적 활성 미생물은 상기 기질을 분해하여 전자 및 수소 이온을 발생시키고, 상기 전자는 상기 외부 회로를 따라 상기 캐소드로 이동하며;
상기 수소 이온은 상기 제1 이온교환막을 통과하여 상기 이온 저장조로 이동하고;
상기 해수 유동실 내의 염소 음이온은 상기 제2 이온교환막을 통과하여 상기 이온 저장조로 이동하고며;
상기 해수 유동실 내의 나트륨 양이온은 상기 제3 이온교환막을 통과하여 상기 제2 전해질로 이동하는 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.As a method of seawater desalination and hydrogen peroxide production using biological electrochemical cells;
The biological electrochemical cell comprises (A-1) first reactor, (A-2) second reactor, (A-3) seawater flow chamber, (A-4) ion reservoir, and (B-1) first ion exchange membrane (B-2) a second ion exchange membrane, (B-3) a third ion exchange membrane, and (C) an external circuit;
The first reactor comprises (a) a first electrolyte comprising a substrate, (b) an anode;
The second reactor comprises (c) a second electrolyte supplied with air or oxygen, and (d) a cathode;
The first ion exchange membrane separates the first electrolyte and the ion reservoir;
The second ion exchange membrane separates the ion reservoir and the seawater flow chamber;
The third ion exchange membrane separates the seawater flow chamber from the second electrolyte;
The external circuit connects the anode and the cathode;
The anode comprises (b-1) a first support and (b-2) an electrochemically active microbial layer provided on the surface of the first support and is immersed in the first electrolyte;
The cathode comprises (c-1) a second support and (c-2) an electrochemical catalyst layer provided on the surface of the second support and is immersed in the second electrolyte;
The electrochemically active microorganism decomposes the substrate to generate electrons and hydrogen ions, the electrons moving along the external circuit to the cathode;
The hydrogen ions pass through the first ion exchange membrane to the ion reservoir;
Chlorine anions in the seawater flow chamber pass through the second ion exchange membrane to the ion reservoir;
Sodium cation in the seawater flow chamber is passed through the third ion exchange membrane to move to the second electrolyte, the method of seawater desalination and hydrogen peroxide production. 제11항에 있어서, 상기 제1 전해질은 pH가 6.5-7.5인 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.12. The method of claim 11, wherein the first electrolyte has a pH of 6.5-7.5. 제12항에 있어서, 상기 제1 전해질은 질소 퍼징에 의해 혐기성 조건이 조성되는 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.The method of claim 12, wherein the first electrolyte is anaerobic conditions are formed by nitrogen purging. 제13항에 있어서, 상기 제2 전해질에는 순도 99.95% 이상의 산소가 공급되는 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.The method of claim 13, wherein the second electrolyte is supplied with oxygen having a purity of 99.95% or more. 제14항에 있어서, 상기 전기화학 촉매층은 그래파이트인 것을 특징으로 하는 해수 탈염 및 과산화수소 제조의 방법.
15. The method of claim 14, wherein said electrochemical catalyst layer is graphite.
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