AppliedChe미S따，
Vol.12,No. I,May 2008,201-204
미생물 연료전지를 이용한 폐수처리 및 전기생산 특성
좌쇠윌
·이성운-
.김정량
·이재욱-
.노성희+
조신대학교 생명화학공학과
Characteristics of Electricity Generation and Wastewater Treatment Using Microbial Fuel Cell
~l!.1넌u밴
.SUl1g-Wook Lee' Kyung-Ryang Kim' Jae-W‘
)ok Lee· Sung-Hee Roh+Dept. 이‘Chemical and Biochemical Enginecring‘ Chosun University. Gwangju 501-759. Korea
Abstract
Microbial Fuel cell (MFC) can be used to generate electricity from various from of organic matter. The power produced depends largely on the system architecture and internal resistance, bacteria on the anode, type of organic matter, chemical characteristics of medium (solution conductivity, pH and chemical concentration).
Performance of MFC was evaluated to treat synthetic wastewater and actual sewage. The MFC gave COD and BOD removal efficiencies of 88.2% and 87%‘
respectively, and TKN removal efficiεncy was around 75~80%. Biomass granulation was observed in the anode compartment of MFC. When acetate was used as a carbon source, the maximum power density was 613.0 mW/m2 (external res istance 100 와).
1. 서 론
전 세계가 직띤한 가장 끈 운재 중 하나는 청정한 재생에너지의 이용이다. 오염풍짐의 깨등플로 인한 환경파피 분제외- 애너지 부족 문제할 해결하기 위한 1]1 래에너지원 잊 고부가가치 에너지원 확보룹 위한 핵심기숲온 미생쉴- 에너지 전환기숲이다. 미생젤- 에너지 전환의 일차적인 방법은 떼 처l 엔료-릎 생 산한 수- 았븐 미 생풍흘 이용하븐 것이다. 미 생불 띤료전지 O\lFC, microbial fuel
C('II)는 빅테러아의 대사에너지쉴 이용하여 전기플 생성하는데， 폐기불올 포함한 모든 유지불칠은 박테랴아의 띄이가 될 수 있기 때문에 연료전지의 동럭에 이용될 수 있다.
기존의 하수'l;1t~1 사스템은 높은 에너지가 요구되므로 낮은 에너지와 적은 비용으르 효율적인 운전을 할 수 있는 대채 저괴기술이 필요하다. 아올-려. 세계적으로 환경 중요성과 에너끼 봉딴으 간， 인하여 단-회-수소 사용-의 최소화 렛 그l 갈되지 않는 칭정한 에너지 자원윤 개발하는데 지대한 관심윤 갖고 있다. l\ IFC는 폐수 종의 오염물잔윤 미생뭔꾀 벅이로샤 재거하연시 에너지 이용-완 동시에 함으쿄써 전기룹 회수딸 수 있다 따바샤 1'I'1 FC쉴 혜수저띠어l 직용한다면 칭정에너지렐 지l 꼼딴 수 있 Jl， 디불어 폐수의 효j’}적인 치리도 가능하다. 일반적 o 쿄 l\IFC는 영이온교환막 (PEl\I.
proton exchange
membnme)에 의해 나누어낀 산화전극과 환원전극 반응조로 01 푸어져 있다. 산
화전극부의 ul 생-뀔-은 공급되는 유기물을 분해하여 전자와 수소이온으보 변환사가!셔. 생성된 수갓 이온은 PEl\l을 봉헤 환원전극으쿄 이동하고 생성된 전자는 외부서껏플 통해 환원첸극으쿄 이폼한 디.201
202 김선일·이성욱·김경량·이재욱·노성회
분 띤구에서는- 폐수-룹 0] 용한 l\'IFCOI1 시 폐수지펴 효욕:ill- 젠기생산량살 족정하였으며. J\ lfC 의 효윌음， 증진시가고자 외부-만소위으로시 acetate 감 적용하여 기섣 -‘칸꼬이l 따픈 선지만생링을 평기 하였다
2. 실 험
J\IIiC 시스템잘 이용히여 폐수처리와 동시에 진 71 룹 생산시키기 위하여 도시하수에 하수종띨처
리장의 소화슛바지콸 접종하였으며， 외부탄소윈으보서 <1 ceta t.e 판 사용하였다. 유잉수외- 유뀔수의 수;싣{，F 석븐 채취 즉시
eric
filter 또 여파하여 standard method에 의해 분석하였다. J\IFC 시스템은
Fig. 1J:1}같이 산화진녁부와 환원전극부깥
PEI\I (Nafion!\! 117, Dupont Co. Delaware)g.보 분리하여 저l 작히였다. PEJ\ I 은 HιO~(30%)， 증류수， 0.5 1\'1 !-hS01, 승류수 순서쿄 각각 1 시간동 안 풍-팅 하여 전끼리 i떤 후 시 용하였다. 산화전극 (anode) 으로는 graphite plate륜 사용히-였으며 환 원진:;-(cathocle)으~.-::- gr8phite plate의 한 띤이 Pt모 코텅펀 킷을 사용하였니 각 전二1- 은 실험 선 -승류수에 하루 향안 딘가뚜었다가 시용하였으며， 산화선극 반웅조(anode chamber)는 협기성 -ξ 건으로 유지하였다. 실험에 사용한 시료는 DO의 영향을 최소회하기 위하여 질소가스쿄 15 분간 딸기시킨 후 사용하였으며. MFC의 운전조건은 T<lbJe 1 애 니따내었디.
Table 1. Operation Condition for the Experiment
Item Condition
Temperature CC) pH
25(土2) 7.0(土 I)
Substrate acetate
COD (mg/L) 100--500
----’
、‘，/
m
매”깨 에
빼 뼈빠 ”뼈 m냉서빼 mm
66.7300Fig. I. Two chambered microbial fuel cell used in this experiment
I\Il"C011 서 생산된 선류펀 측정하기 위하여 외부서킷으로 산화전극과 환원전극 사이에 서항을 연 결하였으며， ::1 저항 사이의 생성 전압을 multimeter (l\lodel 2700, Keithley) 괄 이용하여 연속적 으쿄 측정하였다. 생성된 파위는 P= VI 로 계산히였으며， 여기에서 P{m 찌는 펴-워이며 v(v) 는
;서암 ， J( A) 는 전류이다. 파워펠도 (power density) 는 MFC 의 산화선극 표면적에 대한 값으로 훤-산 하였다. 제거뭔 COD 의 전 71 전환 정도콸 얄이보기 위하여 전하량 효율 (C E: coulombic efficiency)
윤 이판적 전하량(C
7l
，: theol•etical coulombs)과 실현걱 진하량(GEx
: experimental coulombs)과의 비쿄 구히였다.T
C&=
~(Vι /
R) . (I)웅용화학， 제 12 권 제 l 호， 2008
Characteristics of ElectricityGeneration뻐dWastewater Treatment Using Microbial FuelCell 203
Cn,=0.125x Fx DCODx working volume ...‘ . . . . . (b) . (c)
젠 자덩 링 수이 고 .F는 Faraday’s constant (96,485 Clmol e-)
G.E= _-C«- xlQO
ν n，
야기서 0.125 깐 g COD 영 생산되는 이다
3.
결과 및 토론
l\HT의 기질 농도에 따룬 선기 생섞 특성을 조사하기 위해 합성폐수륜 사용한 산화전극 만응죠
이I ilcet8te 꾀 팎도관 변화시키띤서 주입 iii 였으며(첩 7] 성 미생룹로 섞총히.:iL 산화전극파 환원전극 {~. 100 딩 저-상파 연견하(져 반생꾀는 voltage 원- 측-정하였다. 실힘겸파 l\ IFC 는， acE'LaI.e 펀- 에너지원 으갚 아-생-하여 선기칠- 생생 i싹을 ‘갈 수 있었다. Fig. 2 애 나티낸바와 같이 빌생되늠 volta딩 c 는- 주입한 ae‘etate 농또범위('11 서 농도쥬가에 관계없이 일정하였으며 전기발생 시간만 츄가히었디
AceLaμ、 stock solulion CO.5 IVI) 0.6 mL릎 1\ 1FC 의 산화진극 반-장조에 주입하었을 떼 voltage 는 3 시까 후부터 상승하기 시작하여 49 시간만어11 0.'1 V에 도달하여 일정시간풍-안 -i'r7.1 되었디.
Aιetate stock solution읍 1.2 mL 및 1.8 mL룹 주입하었을 때에는 voltage가 급걱하거l 상승히 여 0.4±0.02 V즙 유지하였다. 이와 같이 voltage가 급격하게 상숭한 이유는 유 7] 묻을 분<511 하띤 서 전자활 전닫하는 활성회된 n1생물듬이 '\IFC 에 석응하여 산화진극 표면에 부착하여 성장하고 있기 때문으모 사료펀다.
l\ IFC 의 성능을 파익하기 위하여 도시하수를 사용하여 폐수처리 효융과 전기생산 확성을 평가하 였으며. l\1F C의 효갈을 증진시키고자 외부탄소원으보서 ncetatc 틀 주입하여 전기발생량을 측정하 였다s: λ1 하수 (200-250 mg/L COD) 릎 유입시킨 \lFC 에서 발생되는 voltage 는 0.22 V 끼지 상 승하였으며. COD 제거융은 75.717<、이었디. 운진 6 익 후 aC E' tatei털- 주입하였을- 떼어l 는 voltage 가 급격하게 상승하여 0 .4土 0.05 V 범위에서 오랜시간동안 안정되었으며， COD 제거율은 88.2 '7f'또 뜸가하였디. 이때 최고 반생 피워는 1.6 mW 이었으며， 이릎- 산화전극의 표띤적으로 훤-산하띤 피우1
만도 6
l:3.0 m\V/m2에 해당한다.
(4t)
ioz--5ξω
100
60
‘。
80 0.6f 융R
g회
~'P"증~← .힐’‘
4
훌~흥훨fJW'훌훌g용g행.，
0.0 m o
0.2
a
&0.4 걷。
>
700 : 0.2 mM acetate 0.3 mM acetate
0.1 mMa여late
,wm.:&:: a r.>. rrr、‘ a
600 500
300 400
Time (hr) 200
100 0.6
0.5
E
훌 0.3
0.0o
0.1
60
Fig. 3. COD removal and voltage generation observed in MFC (On 6th day acetate
was used as a carbon source in the wastewater).
30 ‘。 50 Time(day)
Fig. 2. Voltage generation with acetate as an energy source (external resistance
100 &~).
AppliedChemis따， Vol.12,No.1,2뼈
204
4. 결 료르L . .
김선일·이성욱·김경량·이재욱·노성회
4F ?!구에서는: lI IFC 의 성능--g- 파악하기 위하여 도시하수갚 사용히여 폐수처리 Ii융과 진기 생신 뜩싱블 평가테였다. 띤지 기질 농도에 따판 선기 생산 뜩생을 조사하기 위해 산회전극- 반응조에
<1 CetHte 의 농도찰 변화시기띤서 주입한 걷고~ l\ lFC는: Hcetate 픔 에너지원으로 이용히여 전기델- 생 성힘감 안 수 있었으며， 반생되는 voltage 는 71 젤의 놓도증-가에 관껴1 없이 띤정하였으며 진 71 띤생 시간이 증가되었다. 심폐수룹 적정-한 I\IF‘C 의 회:>감을 증진사 71 j~ 자 91 부탄소원으쿄서 acetate 릎 주임하여 선기씨산 턱성윤 평가한 결과 voltage 가 급격하게 상숭히여 OAHJ.OS V 엠위에서 오괜
시까동안 안정되었으며. 이때 최고 발생 피-워멸도는
()13.0mW/m~ 이었다. 띠바시 폐수치리룹 위 헨
t\IFC공직에 유기싱 폐기불에 익한 유기산퓨 (acetate) 플 외부탄소원으쿄서 적당젠다띤 폐수서
리 효:i']- 및 천기 생산 효율윌- 향상시천 수 있윌- 것으로 사료펀디.감사의글
이 논문은 2007 년도 정부(교육인적자원부. )의 재원으로 한국학솔진흥재단의 지원꽉 받아 수행된 띤구임 (KRF-2007-359-D00003).
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웅용화학， 제 12 권 제 1호， 2008
