탄소중립을 위한 친환경 기술 혁신 중 미생물 연료전지

화석 연료의 사용은 대기 중 온실가스 배출량 증가의 주요 원인이 되고 있습니다. 이러한 문제가 발생함에 따라 신재생 에너지 장치, 특히 연료 전지에 대한 관심이 많이 증가하고 있습니다. 본 연구에서는 기질, 전자극 재료, 전자, 전자 수송 매체, 회분 미생물 연료 전지의 전압 발생 및 전압 발생에 대한 미생물의 영향을 알아보기 위해 전주환경청에서 채취한 폐수에서 혼합 균주의 다양한 특성을 관찰하였다. 접종 시 발생하는 전압을 별도로 측정한 결과, 대장균 K12(대장균 K12)의 접종 전압은 0.45V, 혼합 균주의 최대 접종 전압은 1.2V로 나타났다. 이후 디지털 멀티미터를 이용하여 전압값을 수집하고 시간 경과에 따른 전압 발생량을 측정하였다. 대장균 K12의 경우 최대 전압이 0.45V에 도달하여 140시간 동안 셀 전압이 0.23V 이상으로 유지되었다. 이에 반해 혼합 균주의 경우 최대 전압이 1.2V에 도달하고 전압이 0.97V로 서서히 감소하였다. 또한 주사전자현미경을 이용하여 접종 시험 후 전극 표면에 대한 마이크로 바이알의 흡착 정도를 확인하였다. 따라서 이러한 결과는 미생물과 폐수를 이용한 수소 이온 생산을 통해 발전과 동시에 오염 물질을 정화할 수 있는 가능성을 보여주었다.

미생물 연료전지의 원리

알려진 다른 유형의 연료전지 중 미생물연료전지(MFC)는 저장된 에너지를 유기 에너지로 변환하는 장치. 일반 연료전지는 수소와 메탄올 등의 연료를 이용한 산화반응을 통해 수소이온(H+)과 전자(전자)로 나뉩니다. 하지만 미생물 연료전지는 수용액에 존재하는 포도당과 아세트산 등 유기물질을 미생물의 세포호흡 과정을 거쳐 직접 분해해 전기를 만드는 장치. 이 연구에 사용된 미생물 연료전지의 일반적인 측면은 미생물 연료전지의 시스템 구조가 외부 전기회로에 의해 산화극과 환원극을 연결해 양이온 교환막과 같은 이온교환막에 의해 분리된다는 것. 이때 산화 방지 백신을 맞은 미생물이 유기물을 분해하면 전자와 수소 이온이 생깁니다. 생성된 전자는 외부 전기회로를 통해 환원 극으로 이동하고, 수소이온은 양이온 교환필름을 통해 환원 극으로 이동합니다. 환원극으로 이동하는 수소 이온과 전자는 환원 극으로 공급되는 산소 분자와 결합하여 환원 반응을 통해 물을 생성합니다. 포도당을 기질로 사용할 경우 산화물 및 환원제 극에서의 화학반응 공식은 다음과 같습니다.

미생물 연료전지가 전기를 생산하는 방법

미생물 연료전지는, 1) 수소 이온을 생산해 에너지를 생산하는 방식과 2) 미생물이 생산하는 전자를 전극으로 전자 운반체에 전달하는 방식의 3개로 나눌 수 있습니다. 미생물 연료 전지의 분리기는 중요한 역할을 합니다. 첫 번째 역할은 산화 전극과 원자 전극을 분리하는 것. 전극에 기질을 산화시켜 전자와 수소 이온을 생산하는 미생물은 대부분 호기심이 왕성한 미생물. 호기심 많은 미생물은 기질 내 산화 호흡 과정을 이용해 최종 전자수용체로 세포 밖 전자(ATP)를 만들어 생존에 필요한 에너지를 얻습니다. 미생물 연료전지는 전자를 산화 극으로 전달하는 동시에 외부 회로를 통해 전기를 발생시키기 때문에 전극이 이런 호기심 많은 유기체에 산소를 공급하지 않고 최종 전자수 용기로 선택되는 것이 중요합니다. 산소와 강한 산화제를 사용하는 전극 부분의 수용액이 산화 전극 부분에 섞이지 않도록 하는 것이 중요하며, 이러한 강한 산화제는 미생물의 성장에 영향을 주고 전하를 감소시키는 산화 극을 손상합니다. 두 번째 역할은 환원 전극에 전달된 전자와 산화 전극에서 생성된 수소 이온이 만나 반응할 수 있도록 이산화수소 이온을 환원 전극에 전달하는 선택적 역할입니다. 미생물 연료전지에 주로 사용되는 분리막에는 양이온 교환막(PEM), 음이온 교환막(AEM), 양극 교환막(BEM) 등이 있습니다.

미생물 연료전지 구동

연료전지 전압을 정상적으로 발생시키기 위해서는 미생물 산화 전극을 이용한 안정적인 예방접종이 필요합니다. 이번 실험에서는 환경공단에서 산화 전극에 1차 침전물 유출과 슬래그 능동 누출이 혼합된 슬래그 120㎖를 1대 4 비율로 채운 뒤 외부 저항 1000Ω의 30℃에 연결하는 방식으로 진행됐습니다. 미생물 연료전지의 전압은 15분마다 디지털 멀티미터를 사용하여 미생물의 원활한 백신접종을 확인하고 측정합니다. 72시간 작동 후 일정 전압이 100mV 이상일 때는 접종이 완료된 것으로 보고 비타민 2gL-1 아세테이트를 함유한 50M 인산염 버퍼 용액을 미리 준비한 실험실 배양액으로 대체했습니다. 내부 용액이 침전되는 것을 방지하기 위해 지속해서 혼합 및 마케팅 바를 사용하여 기능했습니다. 그 후 분해 시스템을 운영하면서 그는 산화 전극의 미생물 막을 10주간 배양했습니다. 전압 발생이 최대 출력과 다른 것을 확인한 후 편광 곡선 분석을 실시하였습니다.

혼합 균주 접종

1000Ω의 저항으로 적재된 멀티미터를 산화 및 감소 필드에 연결한 후 시간에 따른 전류 값을 측정함. 실험 후 약 2주 후에 우리는 전압 생성이 거의 중단되었음을 알 수 있습니다. 기질로 쓰이는 아세트산나트륨이 거의 소진됐다는 얘기다. 접종 단계 중 전압이 발생하며, 접종 단계 후 산화 전극 액체를 교체한 후 전압이 발생한 것으로 표시됩니다. 혼합 균주로 접종된 미생물연료전지는 백신접종 초기 0.4V에서 시작하여 5시간 동안 매우 빠른 속도로 1.18V로 상승한 후 38시간 동안 이 수준을 유지하여 1.2V로 상승하였습니다. 전주시 환경미화원은 저준위 산소와 고농도 유기물질을 보유하고 있어 혐기성 환경이 형성되기 쉽고 풍부한 유기물질로 인해 미생물 교류가 활발하다는 것. 이때 예방접종을 완료했다고 판단하여 전극의 산화물을 채운 폐수 호스를 정화하고 인위적으로 준비한 아세테이트 나트륨을 첨가한 완충장치를 채워 전압 발생을 다시 측정하였습니다. 산화 전극을 교체한 후 발생하는 전압은 약 1.2V로 완성된 후 얻은 값과 비슷하지만 기판으로 사용되는 유기물질 농도가 낮아지면서 140시간 동안 0.97V로 점차 낮아지는 것으로 나타났습니다.

결론

환경공단에서 수거한 폐수에서 미생물 연료전지를 접종한 미생물과 비교하여 기초적인 전기 생산 응용 연구를 진행하였습니다. 분산형 미생물 연료 시스템으로부터의 전기 생산은 예방 접종된 미생물의 종류, 내부 저항 및 미생물의 활동에 영향을 받습니다.