KR20180055508A

KR20180055508A - 막 전극 일체형 미생물 전기화학 시스템 및 이를 이용한 연수화 장치

Info

Publication number: KR20180055508A
Application number: KR1020160153426A
Authority: KR
Inventors: 좌은진; 남주연; 박순철; 정남조; 곽성조; 전강민
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2018-05-25
Also published as: KR101926705B1

Abstract

미생물 전기화학 시스템이 제공된다. 미생물 전기화학 시스템은 관형 몸체부, 몸체부 내에 포함되고 정밀 여과막 또는 이온 교환막인 관형 막과 상기 관형 막의 일 표면 및 기공 내의 캐소드 코팅층을 포함하는 관형 막-캐소드 어셈블리를 포함하고, 산소(O₂) 및 전자가 반응하여 수산화이온(OH^-)이 생성되는 캐소드 챔버 및 관형 막의 타 표면과 이격되어 위치하는 애노드를 포함하고, 외부에서 공급된 유기성 용액에 포함된 유기물이 미생물에 의해 분해되어 전자가 생성되는 애노드 챔버를 포함한다.

Description

막 전극 일체형 미생물 전기화학 시스템 및 이를 이용한 연수화 장치 {MICROBIAL ELECTROCHEMICAL SYSTEM HAVING MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND WATER SOFTENING APPARATUS USING THE SAME}

본 기재는 미생물 전기화학 시스템 및 이를 이용한 연수화 장치, 특히 막 전극 일체형 미생물 전기화학 시스템 및 이를 이용한 연수화 장치가 제공된다.

현대사회는 급증하는 에너지 수요와 화석연료의 단점을 극복하기 위해 온실가스 감축 등 지구환경보전을 위한 국제환경협약과 환경규제가 본격적으로 시행되고 있는 가운데, 친환경에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.

친환경에너지를 생산하는 시스템의 일종인 미생물 전기화학 시스템은 미생물이 유기성 용액에 포함된 유기물을 분해하면서 에너지를 생산하는 시스템이다. 이들 미생물 전기화학 시스템을 대용량화하기 위하여 멀티 애노드 형 반응기를 도입하거나(Cusick et al. (2011) Appl Microbiol Biotechnol 89:2053-2063), 트윈 유니트를 도입하거나(Escapa et al. (2015) Bioresour Technol 180:72-78), 원통관형 시스템(Heidrich et al. (2014) Bioresour Technol 173:87-95)이 제안되었으나 현재까지 상용화된 것은 없다.

한편, 미생물 전기화학 시스템의 공간 최적화를 위해서 막과 캐소드 또는 애노드를 하이드로겔을 매개체로 해서 샌드위치 형태로 형성하는 기술(Kim et al., Development of a tubular microbial fuel cell (MFC) employing a membrane electrode assembly cathode, Journal of Power Sources 187, 2009, 393-399)이 알려져 있으나 하이드로겔로 인해 내부 저항이 증가한다.

막을 대신해서 캐소드와 애노드 사이에 클로스(cloth)를 사용하는 기술(Fan et al., Enhanced Coulombic efciency and power density of air-cathode microbial fuel cells with an improved cell conguration Yanzhen, Journal of Power Sources 171, 2007, 3948-354)도 알려져 있으나, 클로스가 오믹 저항을 높일 뿐만 아니라 생물학적으로 쉽게 분해되며 파울링(fouling)에 취약하다.

관형 양이온 교환막의 양면에 스테인레스 메쉬형 캐소드와 카본 메쉬형 애노드를 접합한 구조(Cusick et al., Electrochemical struvite precipitation from digestate with a uidized bed cathode microbial electrolysis cell, Water Research 54, 2014, 297-306)도 개시되어 있으나 관형 형태로 제조하기가 어려워서 상용화가 용이하지 않다.

본 개시는 공간 최적화가 가능하고, 셀 전체 내부 저항을 줄일 수 있으며, 구조적으로 단순하여 상용화 및 대용량화에 보다 적합한 미생물 전기화학시스템을 제공하고자 한다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

실시예들에 따른 미생물 전기화학 시스템은 관형 몸체부, 몸체부 내에 포함되고 정밀 여과막 또는 이온 교환막인 관형 막과 상기 관형 막의 일 표면 및 기공 내의 캐소드 코팅층을 포함하는 관형 막-캐소드 어셈블리를 포함하고, 산소(O₂) 및 전자가 반응하여 수산화이온(OH^-)이 생성되는 캐소드 챔버 및 관형 막의 타 표면과 이격되어 위치하는 애노드를 포함하고, 외부에서 공급된 유기성 용액에 포함된 유기물이 미생물에 의해 분해되어 전자가 생성되는 애노드 챔버를 포함한다.

본 개시에 따른 미생물 전기화학 시스템은 막-전극 어셈블리를 포함함으로써 공간 최적화로 인해 셀 구성 비용을 절감할 수 있고, 막과 전극간의 거리를 최소화하여 시스템 전체의 내부 저항을 줄일 수 있으며, 구조적으로 단순하여 상용화 및 대용량화에 보다 적합하다.

또한 본 개시에 따른 미생물 전기화학 시스템은 다가 이온 제거 성능을 향상시킬 수 있고 대용량 처리가 가능하여 해수 또는 수돗물 등 다가 이온을 포함하는 용액의 연수화 장치로 사용될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 미생물 연료전지로 기능하는 미생물 전기화학시스템(100)의 개략도이고,
도 2는 도 1에 예시된 미생물 전기화학시스템의 상면도와 단면도를 함께 나타낸 도면이고,
도 3은 도 1에 예시된 미생물 전기화학시스템이 미생물 연료전지로 작동할 때의 메커니즘을 나타낸 도면이고,
도 4은 다른 실시예예 따른 미생물 연료전지로 기능하는 미생물 전기화학시스템(200)의 개략도이고,
도 5는 또 다른 실시예에 따른 미생물 전기합성기로 기능하는 미생물 전기화학시스템(300)의 개략도이고,
도 6은 또 다른 실시예에 따른 미생물 전해전지로 기능하는 미생물 전기화학시스템(400)의 개략도이고,
도 7은 또 다른 실시예에 따른 연수화 장치로 기능하는 미생물 전기화학시스템(500)의 개략도이고,
도 8은 도 6에 예시된 미생물 전기화학시스템(500)의 상면도와 단면도를 함께 나타낸 도면이고,
도 9은 또 다른 실시예에 따른 멀티 모듈형 미생물 전기화학 시스템(600)의 개략도이고,
도 10은 도 9에 예시된 미생물 전기화학시스템의 상면도이고,
도 11은 본 발명의 실시예들에 사용한 이온교환막의 사진이고,
도 12는 캐소드 코팅층이 형성된 막-캐소드 코팅층 일체형 모듈의 사진이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 일 실시예에 따른 미생물 연료전지로 기능하는 미생물 전기화학시스템의 개략도이고, 도 2는 도 1에 예시된 미생물 전기화학시스템의 상면도와 단면도를 함께 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1에 예시된 미생물 전기화학시스템의 작동 메커니즘을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 미생물 전기화학시스템(100)은 관형 몸체부(110)와 몸체부(110)에 삽입되어 있는 관형 막-캐소드 어셈블리(135)를 포함하는 캐소드 챔버(130) 및 애노드(145)를 포함하는 애노드 챔버(140)를 포함하는 막-캐소드 어셈블리 모듈을 포함한다.

관형 막-캐소드 어셈블리(135)는 관형 막(tubular membrane, 131)과 관형 막(131)의 표면 및 관형 막(131)의 기공 내에 직접 코팅된 캐소드 코팅층(133)으로 이루어진다. 직접 코팅시 관형 막(131)과 캐소드(133) 사이의 거리가 최소화되어 내부저항 감소에 기여하며 구조적으로 간단하여 대용량화에 유리하다. 관형 막(131) 표면 뿐만 아니라 기공 내에까지 코팅이 되면 전도성을 보다 향상시킬 수 있다. 직접 코팅은 스프레이 방법, 딥 코팅(deep coating) 방법, 브러싱(brushing) 방법 등으로 캐소드 물질을 코팅하는 것으로 종래의 다른 매개체나 접합 방식과는 구분된다.

캐소드 코팅층(133)을 구성하는 물질로는 귀금속 촉매, 비 귀금속 촉매, 유기금속 촉매 물질을 사용할 수 있다. 또는 이들 촉매가 다양한 지지체에 분산된 촉매 구조체 등이 사용될 수 있다.

귀금속 촉매로는 Pt, Ru, Ir, Rh, Pd, Au, Ag, Re 등을 예로 들 수 있으며, 비 귀금속계 촉매로는 Fe, Co, Ni, Mn, Mo, Zn, V, Cr, Cu, Al, Ga, Ge, In, Sn, Sb 등을 들 수 있다. 유기금속 촉매로는 Fe계 유기금속, Co계 유기 금속, Ni계 유기 금속, Mn계 유기금속, Cu계 유기금속, Sn계 유기금속을 예로 들 수 있다. 이들 촉매 물질은 단독으로 사용될 수도 있지만 합금 형태로 사용될 수 있다. 예를 들면 귀금속계 2원 합금 촉매, 백금-전이금속계 2원 합금 촉매, 백금-유기금속계 2원 합금 촉매, 또는 다원 합금 촉매가 사용될 수 있다.

지지체로는 탄소계 지지체, 비탄소계 지지체 어느 것이라도 사용 가능하다. 탄소계 지지체로는 탄소구와 같은 0차원 지지체, 탄소나노튜브와 같은 1차원 지지체, 그라핀이나 N-도우프된 그라핀과 같은 2차원 지지체, 기타 흑연화 메조기공 탄소나노입자, 카본블랙, 금속-탄소쉘 입자, 산화금속-탄소쉘 입자와 같은 무정형 지지체, 그리고 상기 각 차원의 조합으로 구성된 3차원 지지체 등이 사용될 수 있다. 비탄소계 지지체로는 Al₂O₃ 입자, SiO₂ 입자, CeO₂ 입자, SnO₂ 입자, ZnO 입자와 같은 금속산화물 입자, CaAl₂O₄ 입자, MgAl₂O₄와 같은 스피넬(spinel) 구조형 입자, Si 입자, Zn 입자와 같은 금속입자 등이 사용될 수 있다. 지지체는 나노미터 크기의 입자들의 사용이 대표적일 수 있지만, 마이크론 크기 이상의 지지체도 촉매 코팅의 대상이 될 수 있다.

캐소드 코팅층(133)을 구성하는 물질로는 바이오 캐소드 물질도 사용할수 있다. 바이오 캐소드 물질로는 미생물과 효소가 적용될 수 있다. 미생물은 알파프로테오박테리아(Alphaproteobacteria), 베타프로테오박테리아(Betaproteobacteria), 감마프로테오박테리아(Gammaproteobacteria), 델타프로테오박테리아(Deltaproteobacteria), 박테로이데테스(Bacteroidetes), 엑티노박테리아(Actinobacteria) 등을 예로 들 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 효소로는 포도당 탈수소효소(glucose dehydrogenase), 과산화효소(peroxidase), 라카제(laccase) 등을 예로 들 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

관형 막-캐소드 어셈블리(135)는 관형 막(131)에 캐소드 물질을 직접 코팅하여 형성한 캐소드 코팅층(133)과 일체형으로 형성된다.

관형 막(131)은 지지 기능을 구비하기 위해서 두께가 1~5mm이고 외경이 1~100mm인 막이 사용되나, 관형 막(131)과 캐소드 코팅층(133) 간의 거리가 0이 되기 때문에 공간을 최소화하고 셀 전체 내부저항을 감소시킬 수 있다. 특히 캐소드 물질로 저항을 감소시키는데 적합한 물질을 선택할 경우 저항 특성을 보다 더 향상시킬 수 있다. 또한 구조적으로 매우 간단하기 때문에 시스템의 대용량화에 유리하다. 또한, 관형 막(131)으로 상대적으로 두꺼운 막을 사용하기 때문에 대용량에 따른 막 변형현상을 최소화할 수 있으며 장기 운전시 압력, 부피, 농도 등을 일정하게 유지하여 장기 성능 유지에 유리하다.

관형 막-캐소드 어셈블리(135)의 캐소드 코팅층(133)은 관형 몸체부(110)와 마주보도록 위치하여 관형 몸체부(110)와 관형 막-캐소드 어셈블리(135)에 의해 캐소드 챔버(130)가 정의되고, 관형 막(131)의 내측에는 애노드(145)가 이격되어 위치하여 애노드 챔버(140)를 정의한다.

관형 몸체부(110)의 상, 하부에는 각각 상부 덮개(102)와 하부 덮개(104)가 제공되어 캐소드 챔버(130)와 애노드 챔버(140)가 밀폐 공간이 되도록 한다. 상부와 하부 덮개(102, 104)는 각각 볼트 체결 방식으로 관형 몸체부(110)에 고정화될 수 있으나 이외의 고정 방식으로도 고정될 수 있음은 물론이다. 관형 몸체부(110) 하단에는 캐소드 용액 공급부(112)가 하부 덮개(104)에는 애노드 용액 공급부(114)가 연결되어 있으며, 관형 몸체부(110)의 상단에는 캐소드 용액 배출부(116)가 상부 덮개(102)에는 애노드 용액 배출부(118)가 각각 형성되어 있으나 이는 시스템(100)의 설계에 따라 다양하게 위치가 변형될 수 있다.

애노드 용액은 유기물을 포함하는 유기성 용액일 수 있다. 유기성 용액은, 예를 들어, 혐기성 소화 유출액, 도시하수, 산업폐수, 산발효액 등일 수 있다.

도 3은 도 1에 예시된 미생물 전기화학시스템이 미생물 연료전지로 작동할 때의 메커니즘을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 애노드 용액에 포함된 유기물이 애노드(145)에 부착된 전기화학 활성을 가지는 미생물(147)에 의해 분해될 수 있다. 따라서, 애노드 챔버(140)에서는 아래 화학식 1의 반응이 진행되게 된다. 화학식 1에서는 글루코스를 예로 들어 설명한다.

[화학식 1]

C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 24H⁺ + 24e^-

애노드 챔버(140)의 pH는 약 4 내지 약 6 이고, 온도는 약 20 ℃ 내지 약 100 ℃ 일 수 있다. 이러한 환경 하에서, 효율적인 유기 물질 분해 반응이 일어날 수 있고, 보다 많은 전자가 생성될 수 있다.

캐소드 챔버(130)에서는 애노드 챔버(140)로부터 방출된 전자와 캐소드 용액 내의 O₂ 와 반응하여 아래 화학식 2와 같은 반응이 진행되면서 전위를 발생시키게 된다. 캐소드 용액으로는 페리시안 화합물(ferricyanide), 과망간산염(permanganate), 인산완충생리식염수(Phosphate Buffered Saline, PBS), 중탄산완충제(Bicarbonate Buffer), 피페라진 n,n'-비스(2-에탄술폰산)(piperazine-n n'-bis(2-ethanesulfonic acid)), 4-(2-하이드록시에틸)-1-피페라진에탄술폰산(4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid), HEPES), 중금속 폐수, NaCl 수용액등이 사용될 수 있다.

[화학식 2]

6O₂ + 24e^- + 12H₂O → 24OH^-

화학식 1에 따라 발생하는 수소 양이온이 애노드 챔버(140)의 pH 를 감소시킬 수 있지만, 캐소드 챔버(130)에서 발생하는 수산화이온을 공급하는 방법 등을 통해 애노드 챔버(140)의 pH를 유지할 수 있다.

애노드(140)에서 발생한 전자는 부하(load)를 거쳐 외부로 노출된 단자(133a)를 통해 관형 막-캐소드 어셈블리(135)로 전달될 수 있다.

화학식 1 및 화학식 2의 반응만 진행하도록 할 경우에는 미생물 전기화학시스템(100)은 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell, MFC)일 수 있다.

미생물 전기화학시스템(100)이 미생물 연료전지(MFC)인 경우에는 관형 막(131)은 정밀 여과막(microfilter membrane)일 수 있다. 정밀 여과막은 고분자 분리막으로 0.01~10㎛ 정도의 미세 기공을 갖고 애노드(145)에 부착되어 성장하는 전기화학활성을 가지는 미생물(147)이 애노드 챔버(140) 내에 머무르고 캐소드 챔버(130)로 이동하는 것을 저지하기 위한 것이다. 정밀 여과막의 물질로는 셀루로오스, 염화비닐, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 불소수지 등이 사용될 수 있다. 한편 관형 고분자막(131)으로는 양이온교환막, 음이온교환막 등도 사용될 수 있음은 물론이다

애노드(140)는 그라파이트 파이버(graphite fiber), 탄소 펠트(carbon felt), 탄소 클로스(carbon cloth)를 포함하는 브러쉬(brush) 형태를 가질 수 있다. 이러한 브러쉬 형태에 의해, 보다 많은 수의 미생물이 애노드(140) 상에 포함될 수 있고, 보다 많은 전자가 발생될 수 있다.

도면에서는 애노드(140)가 브러쉬 형태인 경우를 예시하였으나, 애노드(140) 또한 관형으로 형성될 수 있다. 또한, 탄소, 니켈, 크롬, 그래핀 등의 전도성 소재를 브러쉬, 메쉬(mesh), 폼(foam), 포일(foil) 등으로 형성한 다양한 재질과 다양한 형태의 애노드가 적용될 수 있다.

한편, 관형 막-캐소드 어셈블리(135)의 캐소드 코팅층(133) 상에는 집전체(current collector)(137)가 배치되는 것이 에너지 생성 효율 증대 측면에서 바람직하다. 집전체(137)는 티타늄 와이어 등으로 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것으로 아니다.

도 4는 다른 실시예에 따른 미생물 연료전지로 기능하는 미생물 전기화학시스템(200)의 개략도이다

관형 막-캐소드 어셈블리(135)의 캐소드 코팅층(133)에서 산소의 공급이 보다 원활해지도록 하기 위해서 도 1에 예시되어 있는 캐소드 챔버(130)을 삭제하고 관형 막-캐소드 어셈블리(135)가 외부로 노출되어 가스 확산 전극(gas diffusion electrode, GDE)으로 기능하도록 구성될 수 있다.

이 경우에는 애노드 챔버 및 캐소드 챔버의 기능이 하나의 챔버에서 진행되는 싱글 챔버가 될 수 있다.

도 5는 또 다른 실시예에 따른 미생물 전기합성기(Microbial Electrosynthesis)로 기능하는 미생물 전기화학시스템(300)의 개략도이다

미생물 전기합성기로 기능하는 경우에는 캐소드 코팅층(133)을 구성하는 촉매는 애노드(140)로부터 전달된 전자와 캐소드 챔버(130)내로 공급되는 전기 합성 소오스의 반응을 일으키는 환원촉매이거나 캐소드 코팅층(133)이 전기 합성 소오스와 전자의 환원반응을 일으킬 수 있는 미생물 또는 효소를 포함할 수 있다. 예를 들어 전기 합성 소오스로 이산화탄소가 공급되는 경우에는 캐소드 코팅층(133)을 구성하는 촉매는 이산화탄소 환원 촉매 또는 이산화탄소 환원 미생물 또는 효소일 수 있다.

캐소드 코팅층(133)에서 전기 합성 소오스의 환원반응이 일어나서, 메탄, 탄화수소 연료, 기타 화학물질 등으로 전환될 수 있다. 전기 합성 소오스로 이산화탄소를 사용하는 경우에는 이산화탄소는 애노드 챔버(140)에서 산화반응에 의해 생성된 이산화탄소일 수도 있고 외부에서 공급된 것일 수도 있다.

이산화탄소의 환원반응에는 큰 과전압을 필요로 하므로 미생물 전기화학시스템(300)은 풍력, 태양광, 역전기투석 장치 등과 같이 에너지 생성이 가능한 장치와 혼합되어 사용될 수 있다.

도 6은 또 다른 실시예에 따른 미생물 전해전지로 기능하는 미생물 전기화학시스템(400)의 개략도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 미생물 전기화학시스템(100)과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 그 설명을 생략한다.

도 6에 예시된 미생물 전기화학시스템(400)은 미생물 전해전지 (Microbial Electrolysis Cells, MEC) 일 수 있다.

전원 공급부(150)에서 공급되는 직류 전원에 의해 캐소드 챔버(130)에서 아래 화학식 3과 같은 물 분해 반응이 진행되어서 수소(H₂)가 생성될 수 있는 경우에는 미생물 전해전지로 기능할 수 있다.

[화학식 3]

2H₂O + 2e^- → 2H₂ ↑ + 2OH^-

전원 공급부(150)에서 0.3~2.0V, 바람직하기로는 0.9~1.5V의 직류 전원이 가해지면 화학식 3의 반응이 원활하게 진행될 수 있다.

따라서, 관형 막-캐소드 어셈블리(135)에서 관형 막(131a)은 미생물 및 유기물의 이동을 저지하는 것 뿐 만이 아니라 애노드 챔버(140)에서 발생한 유리 프로톤(free proton, H⁺)이 캐소드 챔버(130)로 이동하도록 하거나 캐소드 챔버(130)에서 발생하는 수소 가스의 순도를 유지할 수 있도록 하고 단락 회로가 형성되는 것을 방지하는 세퍼레이터(separator)로 기능하는 것을 방지하기 위한 프로톤 교환막, 또는 음이온 교환막, 바이폴라 막 또는 전하 모자이크 막인 것이 바람직하다.

생성된 수소(H₂)는 수소 수집부(122)를 통해 관형 몸체부(110)의 외부에 있는 수소 발전 장치(160)로 배출될 수 있고, 수소 가스를 이용한 발전 장치(160)의 원료로 사용되어 새로운 전력을 생산할 수 있다.

전자의 흐름을 설명하면, 애노드 챔버(140)에서 발생한 전자는 연결 라인을 통해 관형 막-캐소드 어셈블리(135)의 캐소드 코팅층(133)으로 이동하며, 캐소드 챔버(130)에서 반응에 사용되지 않은 전자는 캐소드 용액을 통해 정밀 여과막으로 기능하는 관형 막(131)에 도달할 수 있다. 관형 막(131)은 전자를 통과시킬 수 있기 때문에 전류의 흐름이 완성될 수 있다.

도 7은 또 다른 실시예에 따른 연수화 장치로 기능하는 미생물 전기화학시스템(500)의 개략도이다.

도 6을 참조하여 설명한 미생물 전기화학시스템(400)과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 그 설명을 생략한다.

도 7에 예시된 미생물 전기화학시스템(500)은 연수화 장치(Water Softening Apparatus) 일 수 있다.

고농도 전해질 용액과 저농도 전해질 용액의 염도 차이를 이용한 염분차 발전은 연속 생산이 가능하며 이산화탄소 및 오염물질 배출이 없는 무공해 공정이라는 장점을 갖는다. 염분차 발전 방식으로는 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis, PRO)방식과, 역전기투석(Reversed electric dialysis, RED)방식 등이 있다.

한편, 최근에는 해수와 같은 고농도 전해질 용액을 담수화하거나, 다가이온이 많이 섞여 있는 센물을 연수화하는 기술들이 많이 연구되고 있는데, 최근에는 역삼투압(RO; reverse osmosis)을 이용하는 방향으로 연구 및 개발이 진행 중에 있다.

염분차 발전 장치 및 해수 담수화 장치에는 해수와 같은 전해질 용액이 필수적으로 다량 공급되어야 하는데, 해수와 같은 전해질 용액에 포함된 다가 이온으로 인해, 연결관이나 매니폴드(manifold) 등의 내구성 또는 신뢰성이 저하될 수 있다. 또한 특정 지역의 수도물 또는 우물물에는 다가이온이 많이 섞여 있어서 이 상태로는 이를 음용 또는 생활 용수로 그대로 사용할 수가 없다.

관형 막-캐소드 어셈블리(135)에서 관형 막(131b)이 다가 이온의 누설을 막기 위한 음이온 교환막을 포함하도록 할 경우에는 미생물 전기화학시스템(400)은 연수화 장치로 기능할 수 있다.

일 예로 관형 막(131b)은 음이온 교환 활성 고분자 물질을 포함하여 음이온을 선택적으로 통과시키는 단일 관형 음이온 교환막(anion exchange membrane)이거나, 정밀 여과막으로 이루어진 관형 지지막과 관형 지지막의 외주면 또는 내주면에 음이온 교환막이 접착되거나 음이온 교환 활성고분자 물질을 슬러리 형태로 관형 지지막에 코팅하고 경화시켜 형성한 막일 수 있다.

캐소드 용액으로 해수와 같은 전해질 용액을 주입할 경우 칼슘 양이온(Ca² ⁺) 또는 마그네슘 양이온(Mg⁺)과 같은 다가 이온이 다량 포함되어 있게 된다. 따라서, 캐소드 챔버(130)의 관형 막-캐소드 어셈블리(135)에서 화학식 2에서 생성된 OH^-이온에 의해서 아래 화학식 4와 같이 다가 이온이 수산화이온(OH^-)과 반응해서 Mg(OH)₂나 CaCO₃ 와 같은 하얀 침전물로 석출되어 침전물 배출부(124)로 제거되게 된다. 침전물을 후속 공정에서 FDFO(Fertiliser Drawn Forward Osmosis)와 연계하여 침전물 비료로 활용될 수 있다.

[화학식 4]

Mg² ⁺ + 2OH^- → Mg(OH)₂ ↓

Ca² ⁺ + HCO₃ ^- + OH^- → CaCO₃ ↓ + H₂O

화학식 4에서, HCO₃ ^-는 해수에 포함되어 있는 성분이다.

다가 이온이 제거된 전해질 용액은 캐소드 용액 배출부(116)을 통해 해수 담수화 장치 또는 염분차 발전 장치(170)로 제공될 수 있다.

따라서 해수 담수화 장치 또는 염분차 발전 장치(170) 내부의 연결관이나 매니폴드(manifold)와 같은 구성들의 부식을 최소화할 수 있고, 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

한편, 도면에는 도시되어 있지 않지만 다가 이온이 제거된 전해질 용액은 캐소드 용액 배출부(116)가 수도관이나 생활 용수 공급관 등과 연결될 경우에는 본 실시예에 따른 미생물 전기화학시스템(500)이 수돗물 또는 생활 용수의 연수화 장치로 사용될 수 있음은 물론이다.

한편, 연수화 공정이 진행됨에 따라 Mg(OH)₂ 나 CaCO₃ 와 같은 침전물이 관형 막-캐소드 어셈블리(135)에도 침전되어 두꺼운 스케일층을 형성하여 성능이 저하될 수 있다. 이 경우에는 관형 막-캐소드 어셈블리(135)로부터 침전물을 제거하는 재생(regeneration) 과정을 거칠 수 있다.

재생 과정은 다양한 방식으로 진행될 수 있다. 첫번째 방법으로는 캐소드 챔버(130)에 강산, 예컨대 pH 1 정도의 강산액을 주입하여 스케일층이 해리되도록 할 수 있다. 두번째 방법으로는 도 7에 도시되어 있는 바와 가스 주입기(gas bubbler)(180)를 캐소드 챔버(130)에 설치하여, 비활성 가스(N2, Ar) 또는 이산화탄소 가스(CO2) 등을 주입하여 스케일층을 제거할 수 있다. 세번째 방법으로는 관형 막-캐소드 어셈블리(135)의 단자(133a)와 애노드(145)에 역전기를 인가하여 스케일층이 떨어지도록 할 수 있다. 네번째 방법으로는 관형 막-캐소드 어셈블리(135)를 시스템(500)으로부터 분리하여 스케일층을 스크래핑(scrapping)할 수도 있다.

본 발명에 따른 시스템(500)은 네번째 방법을 제외하고는 관형 막-캐소드 어셈블리(135)를 분리하지 않고도 인-시츄로 스케일층을 제거할 수 있는 장점이 있다.

도 8은 또 다른 실시예에 따른 미생물 전기화학시스템(600)의 개략도이다.

도 1 내지 도 7에 예시되어 있는 미생물 전기화학시스템(100, 200, 300, 400, 500)과 달리 캐소드 챔버(130)와 애노드 챔버(140)의 위치가 반대인 경우를 예시한다. 관형 막(131)의 내주면에 캐소드 코팅층(133)이 형성되고 애노드(145)가 관형 막(131)의 외주면과 이격되어 관형막-캐소드 어셈블리(135)를 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다.

도 1 내지 도 7에 예시되어 있는 미생물 전기화학시스템을 여러 개를 직렬로 연결함으로써 대용량화를 하거나, 이하에서 설명하는 바와 같이 한 챔버 내에 다수의 전극 모듈을 배열하여 대용량화를 시도할 수 있다.

도 9는 또 다른 실시예에 따른 멀티 모듈형 미생물 전기화학시스템(700)의 개략도이고, 도 10은 도 9에 예시된 미생물 전기화학시스템의 상면도와 단면도를 함꼐 나타낸 도면이다.

도 9 및 도 10을 참조하면 관형 몸체부(710) 내에 세 개의 전극 모듈(M1, M2, M3)이 삽입되어 있다.

각각의 전극 모듈(M1, M2, M3)은 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한 전극 모듈 중 어느 것이라도 가능하나, 도 9 및 도 10에서는 수소 생성 및 연수화 기능을 모두 구비한 경우를 예시한다.

각각의 막-캐소드 일체형 모듈(M1, M2, M3)에는 캐소드 용액 공급부(112)와 애노드 용액 공급부(112)를 통해서 캐소드 용액(전해질 용액)과 애노드 용액(유기성 용액)이　공급되고 전원 공급부(150)에서 직류 전원이 공급되면, 앞에서 설명한 화학식 1 내지 화학식 4의 반응이 각각의 모듈(M1, M2, M3)에서 진행되게 된다.

각각의 모듈(M1, M2, M3)에서 다가 이온이 제거된 캐소드 용액은 캐소드 용액 배출부(116)를 통해서 해수 담수화 장치 또는 염분차 발전 장치(170)로 제공되고, 애노드 용액은 애노드 용액 배출부(118)을 통해서 배출된다.

각각의 모듈(M1, M2, M3)에서는 반응의 부산물로 수소 기체(H₂)가 발생할 수 있다. 수소는 수소 수집부(122)을 통하여 수소 발전 장치(160)로 배출되어 새로운 전력원으로 사용될 수 있다.

각각의 모듈(M, M2, M3)에서 제거된 다가 이온은 수산화이온(OH^-)과 반응하여 침전물의 형태로 침전물 배출부(124)을 통해 관형 몸체(710)의 외부로 배출될 수 있다.

도 9 및 도 10에서는 모듈을 세 개(M1, M2, M3) 도시하였지만, 이는 설명의 편의를 위한 것이고, 수십개의 모듈이 삽입될 수 있음은 물론이다. 이러한 멀티 모듈 구조를 채용함으로써 대용량화가 손쉽게 가능해질 수 있다.

도 11는 본 발명의 실시예들에 사용가능한 이온교환막(131)의 사진이고, 도 12는 이온교환막(131) 표면에 캐소드 코팅층(133)이 형성된 막 캐소드 코팅층 일체형 모듈(135)의 사진이다. 도 12에 예시되어 있는 캐소드 코팅층 일체형 모듈(135)을 적용하여 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 미생물 전기화학시스템을 구성할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

관형 몸체부;
상기 몸체부 내에 포함되고 정밀 여과막 또는 이온 교환막인 관형 막과 상기 관형 막의 일 표면 및 기공 내의 캐소드 코팅층을 포함하는 관형 막-캐소드 어셈블리를 포함하고, 산소(O₂) 및 전자가 반응하여 수산화이온(OH^-)이 생성되는 캐소드 챔버; 및
상기 관형 막의 타 표면과 대향하는 애노드를 포함하고, 외부에서 공급된 유기성 용액에 포함된 유기물이 미생물에 의해 분해되어 전자가 생성되는 애노드 챔버를 포함하는 미생물 전기화학 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 캐소드 챔버 및 애노드 챔버는 하나의 막-전극 모듈을 구성하고, 상기 몸체부에는 상기 막-전극 모듈이 다수개 삽입되는 미생물 전기화학 시스템.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 관형 막의 두께는 1~5mm인 미생물 전기화학 시스템.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 캐소드 코팅층은 귀금속 촉매, 비 귀금속 촉매, 유기금속 촉매, 합금 촉매, 또는 이들의 촉매가 지지체에 분산된 촉매 구조체로 형성된 미생물 전기화학 시스템.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 캐소드 코팅층 상에는 집전체를 더 포함하는 미생물 전기화학 시스템.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 애노드 챔버의 pH는 4 내지 6이고, 온도는 20 ℃ 내지 100 ℃ 인 미생물 전기화학 시스템.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 관형막은 미생물 또는 유기물의 이동을 저지하는 정밀 여과막인 미생물 전기화학 시스템.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 캐소드 챔버로 공급되는 전기 합성 소오스와 상기 전자가 환원 반응하여 메탄, 탄화수소 연료 또는 기타 화학물질을 생성하는 미생물 전기화학 시스템.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 캐소드에 직류 전원을 인가하는 전원 공급부를 더 포함하여, 상기 캐소드 챔버에서 물 분해반응이 일어나도록 하는 미생물 전기화학 시스템.
제9 항에 있어서,
상기 물 분해 반응시 발생하는 수소를 수집하는 수소 수집부를 더 포함하는 미생물 전기화학 시스템.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 캐소드에 직류 전원을 인가하여 상기 캐소드 챔버에서 물 분해 반응이 일어나도록 하는 전원 공급부를 더 포함하고,
상기 캐소드 챔버 내의 수산화이온(OH^-)이 캐소드 용액의 다가 이온과 반응하여 침전물이 형성되는 미생물 전기화학 시스템.
제11 항에 있어서,
상기 관형 막은 음 이온 교환막인 미생물 전기화학 시스템.
제11 항에 있어서,
상기 다가 이온이 제거된 상기 캐소드 용액은 상기 관형 몸체부의 외부에 위치하는 해수 담수화 장치 또는 염분차 발전 장치로 배출되는 미생물 전기화학 시스템.
제11 항에 있어서,
상기 다가 이온이 제거된 상기 캐소드 용액은 수돗물 또는 생활 용수로 사용되는 미생물 전기화학 시스템.
제11 항에 있어서,
상기 캐소드 챔버에 기체를 주입하는 기체 주입기를 더 포함하는 미생물 전기화학 시스템.