KR100483584B1 - 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실시간으로 수질의 BOD농도를 측정할 수 있도록 기존의 생물 연료 전지를 변형시킨 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 부표형 센서는, 농화된 전기 화학적 활성 미생물에 의해 유기물을 산화시키도록 반응하는 음극(10a) 및 음극(10a)에서 생성된 전자가 전달되는 양극(10b)을 가지는 생물 연료 전지(10)와; 생물 연료 전지(10)의 음극(10a)으로 부유물의 유입을 방지하기 위한 전처리 장치(11)와; 생물 연료 전지(10)로 비, 먼지가 유입되는 것을 방지하기 위하여 생물 연료 전지(10)의 상부에 제공되는 비ㆍ먼지 막이(14)와; 생물 연료 전지(10)가 물에 뜰 수 있도록 생물 연료 전지(10)에 제공되는 부표(15)와; 생물 연료 전지(10)의 설치 방향을 보정하기 위하여 생물 연료 전지(10)의 후면부에 연결되는 센서 방향 보정 날개(18)와; 생물 연료 전지(10)에 의해 감지된 측정값을 송수신하기 위하여 생물 연료 전지(10) 상에 제공되어, 원거리에 배치된 데이터 수신 장치(44)로 데이터를 송신하는 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)와; 물에 떠있는 생물 연료 전지(10)의 위치를 고정하기 위하여 생물 연료 전지(10)에 연결되는 추(16)를 포함한다.

Description

수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서{Dipping sensor for real-time BOD monitoring of the water}
본 발명은 수질의 생화학적 산소 요구량(이하 BOD라 한다)을 실시간으로 측정하기 위한 수질의 실시간 BOD 측정용 부표형 센서에 관한 것이다.
일반적으로, 하천의 수질측정 항목은 생화학적 산소 요구량(BOD), 부유 물질(SS), 총인(T-P) 등 26개 항목으로서, 하천의 수질 환경 기준 및 수질 상태를 파악하기 위해 필요한 항목을 고려하여 측정하고 있다(수처리 시스템에서의 수질오염물질 모니터링 및 적용연구, 1999, 한국과학기술연구원).
이중 BOD는 수질오염의 중요한 지표로서 일반적으로는 5일 동안 유기화합물의 생화학적 산화에 요구되는 용존 산소의 양을 측정한다(Standard Methods for the examination of water and wastewaters, 1995, 19th Edition). 그러나, 이 방법은 측정자의 경험과 숙련도를 필요로 하고 15-20%의 불확실성을 가진다(Wilfrid et al., 2001, On-line monitoring of wastewater quality : a review, J. Chem. Technol. Biotechnol., 76 : 337-348). 더욱이, 5일이라는 긴 시간을 필요로 하기 때문에, 수질의 BOD 변화에 신속하게 대처할 수 없다는 한계가 있다.
현재까지 개발된 BOD센서의 일반적인 형태는 용존 산소 측정용 전극에 특정 미생물이 고정된 막을 부착하여 시료내의 산소 소비율을 측정하는 것이었다. 그러나, 이러한 BOD센서는 다공성 막에 미생물이 고정되기 때문에, 다공성 막을 자주 교환해 주어야 하며, 전자 전달 매개체와 별도의 변환기를 부착하여야 하는 단점이 있다(수질오염물질의 모니터링 기술 및 현상연구, 1998, 한국과학기술연구원, 88-89).
최근에, 무매개체 생물연료전지가 개발되었으며, 활성 슬러지를 접종원으로 하여 전기 화학적 활성을 가지는 미생물로 농화배양시킬 수 있었다. 농화 배양된 생물연료전지에서 발생하는 전류는 공급되는 유기물의 농도와 직접적으로 비례하는 관계를 보였다(김병홍 외, 1999, 매개체를 사용하지 않는 미생물연료전지, 미생물과 산업, 25(2), 7-10). 본 출원인은 이 원리를 응용하여 BOD 측정 기기(모델명 : HABS-2000과 HABS-2001)를 개발하여 상품화한 바 있다.
국내에서는 1974년 서울의 노량진과 뚝섬 수원지에 최초로 수질자동 측정기를 설치하였으며, 이후 전국의 주요 상수원 보호구역과 취수장에 자동측정기가 보급되어, pH, 용존 산소, 수온, 탁도, 전도율의 5개 항목과 화학적 산소 요구량(COD), Cd, Pb, Cu 등이 연속적으로 측정되고, 필요에 따라 유해 물질이 측정된다(수처리 시스템에서의 수질오염물질 모니터링 및 적용 연구, 1999, 한국과학기술연구원).
환경부에서는 1994년 1월 낙동강 수질 오염 사고를 계기로 전국 주요상수원 및 오염사고 취약지역 등의 수질상태를 연속적으로 자동 측정하고 상시 감시함으로써, 수질오염사고에 신속히 대처하기 위하여 수질 자동 측정망 설치사업을 추진하고 있다. 수질 자동 측정망은 설계 설치, 운영관리, 유지보수, 정도관리 무인원격감시시스템실 운영 등이 총체적으로 종합된 집약기술업무로서, 1995년부터 2000년까지 국립환경연구원에서 20개소에 설치하였으며, 2000년부터는 환경관리공단에서 민간대행사업으로 추진하고 있다. 앞으로 2005년까지 36개소의 수질 자동 측정망을 추가로 설치하여 수질오염사고 등에 대비할 계획이다(환경부 홈페이지 참고자료).
따라서, 앞으로 수질측정항목 중의 대표적인 측정항목인 BOD를 실시간으로 측정할 수 있는 센서에 대한 요구가 높아질 전망이다.
최근에, 생물 연료 전지를 이용하여 실시간 연속모드로 인공폐수의 BOD를 측정하였을 때 BOD농도와 전류값이 상관관계를 가진다는 연구결과가 보고되었다 (I.S.Chang et al., 2001, Continuous determination of BOD in wastewater using microbial fuel cell type of novel biosensor, Proceedings of the International Sensor Conference, 125-126, Seoul, Korea).
본 발명의 목적은 상기된 바와 같은 연구결과들과 사회적 요구를 토대로 하여, 실시간으로 수질의 BOD농도를 측정할 수 있도록 기존의 생물 연료 전지를 변형시킨 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서를 제공하는데 있다.
상기된 바와 같은 목적은, 농화된 전기 화학적 활성 미생물에 의해 유기물이 산화되는 음극 및 음극에서 생성된 전자가 전달되는 양극을 가지는 생물 연료 전지와; 상기 생물 연료 전지로 비, 먼지가 유입되는 것을 방지하기 위하여 상기 생물 연료 전지의 상부에 제공되는 비ㆍ먼지 막이와; 상기 생물 연료 전지가 물에 뜰 수 있도록 상기 생물 연료 전지에 제공되는 부표와; 상기 생물 연료 전지의 설치 방향을 보정하기 위하여 상기 생물 연료 전지의 후면부에 연결되는 센서 방향 보정 날개와; 상기 생물 연료 전지에 의해 감지된 측정값을 송수신하기 위하여 상기 생물 연료 전지 상에 제공되어, 원거리에 배치된 데이터 수신 장치로 데이터를 송신하는 데이터 수집ㆍ송신 장치와; 물에 떠있는 상기 생물 연료 전지의 위치를 고정하기 위하여 상기 생물 연료 전지에 연결되는 추를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서에 의해 달성될 수 있다.
상기에서, 상기 음극은 시료에 존재하는 유기물과 전기 화학적 활성 미생물과 직접 반응하도록 물이 흐르는 방향으로 배치된다.
상기 음극과 양극은 고분자 전해질막에 의해 분리되며, 효율의 향상을 위해 고분자 전해질막-전극 접합체가 적용된다.
또한, 상기 양극은 대기에 노출되어 대기 중의 산소가 산화제로 이용되며, 촉매층 및 촉매층을 지지하기 위한 지지체로 구성된다.
상기 양극에서, 백금(Pt)은 산소의 환원 반응에서 촉매 역할을 하며, 이러한 반응이 일어나는 지지체는 발수 처리된 다공성 탄소체이다.
상기 전처리 장치는 원통체로 형성되며, 상기 원통체의 상하부에 물의 흐름방향과 반대 방향으로 45°의 각도로 서로 엇갈리도록 다수의 판들이 설치되는 한편, 판에 인접하여 다수의 구멍들이 형성된다.
상기에서, 상기 데이터 수집ㆍ송신 장치는 생물 연료 전지에 의해 발생되는 전류의 전압을 측정하기 위한 전압계, 측정된 전압을 무선 송신용으로 변환시키기 위한 신호 변환기, 및 무선 송신용으로 변환된 신호를 송신하기 위한 송신기를 포함하고; 상기 데이터 수신 장치는 상기 데이터 수집ㆍ송신 장치로부터 송신된 데이터를 수신하기 위한 수신기, 수신된 신호를 특정 방식의 전압값으로 변환시키기 위한 신호 변환기, 및 특정 방식의 전압값으로 변환된 전압값을 해석하여 BOD를 출력하기 위한 데이터 해석기를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서는 도 1에 도시된 생물 연료 전지(10, 부표형 센서)의 전처리 장치(11)을 통하여 음극(10a)으로 유입되어, 전류를 발생시킨 후에, 음극 시료 유출구(12)를 통해 외부로 유출된다. 생물 연료 전지(10)의 양극(10b)의 상부 부분은 개방되어 대기 중의 산소가 산화제로 이용될 수 있어, 별도의 산화제 주입을 요구하지 않는다. 이 때, 비ㆍ먼지 막이(14)가 생물 연료 전지(10) 양극(10b)의 상부에 설치되어, 대기 중의 먼지나 비 등이 양극(10b)으로 유입되는 것을 방지한다. 이러한 생물 연료 전지(10)는 양극(10b) 상에 제공되는 부표(15)에 의해 물에 뜰 수 있으며, 부표(15)의 상부에는 데이터를 수집하여 송신하기 위한 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)가 제공된다.
생물 연료 전지(10)는 시료에 존재하는 유기물과 전기 화학적 활성 미생물이직접 반응하는 음극(10a)과 양극(10b)으로 구성되며, 음극(10a)은 시료가 용이하게 유입될 수 있도록 물의 흐름 방향을 향하여 배치된다. 생물 연료 전지(10)의 음극(10a)과 양극(10b)으로는 고분자 전해질막-전극 접합체가 적용되며, 양극에는 백금 촉매화 전극(본 출원인에 의해 출원된 대한민국 특허출원 제 2001-75259호, 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 생물 연료 전지)이 사용된다. 생물 연료 전지(10)의 음극(10a)은 농화된 전기 화학적 활성 미생물에 의해 유기물이 산화되는 반응이 일어나고, 이 때 생성된 전자가 양극(10b)으로 전달되어 전류가 발생됨으로써 센서로서 기능한다.
생물 연료 전지(10)의 양극(10b)은 대기에 노출되어 대기 중의 산소가 산화제로 이용되며, 촉매층 및 촉매층을 지지하기 위한 지지체로 구성된다. 촉매 물질로서는 산소의 환원반응에 촉매역할을 하는 백금(Pt)이 주로 사용되고, 지지체로서는 발수 처리된 다공성 탄소지 또는 탄소포와 같은 다공성 탄소체가 사용될 수 있다. 이러한 것들은 Pt/C의 전기적 연속성, 얇은 H2O막으로 채워진 전극 기공 내로의 산소의 원활한 이동, 그리고 H-이온의 Pt촉매로의 원활한 이동 등의 조건을 만족시킬 수 있으며, 전극에서의 전기 화학적 반응이 원활하게 진행되어 높은 성능을 낼 수 있다.
도 2에는 본 발명에 따른 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서에 사용되는 생물 연료 전지(10)가 보다 상세하게 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 음극(10a)은 전처리 장치(11)가 장착되는 시료 유입구(21)가 형성된 아크릴 통체(20)와 통체(20) 내에 위치되는 전극(22)을 포함한다. 생물 연료 전지(10)의 음극(10a)의 시료 유입구(21)에는 도 1에 도시된 바와 같이 시료 중의 부유 물질을 걸러내기 위해 전처리 장치(11)가 설치되며, 이러한 전처리 장치(11)에 의해 시료 내의 부유물로 인한 음극(10a)의 막힘 현상이 방지될 수 있다. 전처리 장치(11)를 통하여 음극(10a) 내로 유입된 시료는 전극(22)에 직접 접촉하여 반응하여, 전극(22)에 농화된 전기 화학적 활성 미생물에 의해 시료내의 유기물이 산화되며, 전극(22)과 반응한 시료는 유출구(12)를 통해 외부로 유출된다.
또한, 아크릴 판으로 만들어지는 양극(10b)은 도 2에 도시된 바와 같이 아크릴 통체(24a)와, 통체(24a)의 상부 중앙에 위치되는 상부 개방관(24b)을 포함하고, 상부 개방관(24b)을 통하여 외부의 대기중 산소가 전극(25, MEA중 양극부 전극(백금 촉매화된 탄소))으로 공급될 수 있다. 생물 연료 전지(10)의 구성체인 고분자 전해질막-전극 접합체(25, Membrane-Electrode Assembly, MEA), 및 누수 방지용 실리콘 고무(27)가 음극(10a)과 양극(10b)의 사이에 배치된 상태에서 아크릴 또는 플라스틱 나사(28)에 의해 견고하게 조립된다. 본 발명에서 사용되는 생물 연료 전지(10)의 양극(10b)에 백금을 촉매화한 전극을 사용하여 전극에서의 화학반응이 원활하고 센서 자체의 내부 저항이 낮다. 고분자 전해질막-전극 접합체(25)는 도 2에 도시된 바와 같이 음극(10a)과 양극(10b) 사이에 배치되며, 약 Φ=0.5 mm의 지름을 가지는 한 쌍의 백금선(26)들 중 하나는 음극(10a)의 전극(22)에 연결되고 다른 하나는 고분자 전해질막-전극 접합체(25)의 양극부 전극부분에 연결되어, 시료내의 유기물 산화를 통해 음극(10a)에서 생성된 전자는 백금선(26)들을 통해 양극(10b)으로 흐름으로써 전류가 발생된다.
한편, 생물 연료 전지(10)로 유입되는 시료는 전처리 장치(11)를 통하여 음극(10a)으로 유입되며 이는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이 원통체로 형성된다. 상기 원통체의 상하부에 물의 흐름방향과 반대 방향으로 45°의 각도로 서로 엇갈리도록 다수의 판(31)들이 설치되는 한편, 판(31)에 인접하여 다수의 구멍(32)들이 형성된다. 전처리 장치(11)에 물과 함께 유입된 부유물은 서로 엇갈리도록 배치되는 판(31)들에 의해 걸러지며, 걸러진 부유물은 구멍(32)들을 통해 외부로 배출된다. 상기된 바와 같이 전처리 장치(11)에 의해 부유물이 걸러진 시료(물)는 음극(10a)으로 유입된다.
상기된 바와 같은 구성을 가지는 부표형 센서의 데이터 송ㆍ수신 시스템이 도 4에 개략적으로 도시되었다. 생물 연료 전지(10)에는 도 4에 도시된 바와 같은 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)가 제공되며, 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)는 생물 연료 전지(10)에 의해 발생되는 전류의 전압을 측정하기 위한 전압계(41), 측정된 전압을 무선 송신용으로 변환시키기 위한 신호 변환기(42), 및 무선 송신용으로 변환된 신호를 송신하기 위한 송신기(43)를 포함한다.
생물 연료 전지(10)는 양극(10b)과 음극(10a) 사이에는 500Ω의 저항을 연결하고 양극사이의 전압은 전압계(41, DDV-032)에 의해 측정된다. 전압계(41)에 의해 측정된 전압은 신호 변환기(42, 자체 제작한 RC-232S 방식)에 의해 무선 송신용으로 변환되어, 송신기(43, RATA 10V)에 의해 기기와 떨어져 있는 데이터 수신 장치(44)로 송신된다.
데이터 수신 장치(44)는 부표형 센서에 부착된 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)로부터 송신된 데이터를 수신하기 위한 수신기(45, RATA 10V), 수신된 신호를 변환시키기 위한 신호 변환기(46, RC-232S 방식), 및 변환된 전압값을 해석하여 BOD를 출력하기 위한 데이터 해석기(47)를 포함한다.
데이터 수집ㆍ송신 장치(19)로부터 송신기(43)를 통해 송신된 데이터는 데이터 수신 장치(44)에서 수신기(45)를 통해 수신된다. 수신기(45)를 통해 수신된 신호는 신호 변환기(46)에 의해 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)와 동일한 방식인 RC-232S 방식에 의해 전압값으로 변환되어, 데이터 해석기(47)에 의해 BOD값으로 환산되어 BOD를 출력한다. 이러한 무인원격 감시 시스템(Tele-meter System, TMS)을 이용하여 사용자는 사무실에서 현장수질의 BOD농도를 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
<실시예 1>
본 실시예는 본 발명에 따른 부표형 센서에 다양한 농도의 인공폐수를 주입하였을 때 발생되는 전류값의 변화를 살펴본 것이다. 전기 화학적 활성 미생물로 농화 배양하기 위하여, 중랑 하수 처리장의 폐수 처리용 슬러지를 접종원으로 하여 인공폐수를 연속적으로 주입하였다.
생물 연료 전지(10)에서의 저항은 500Ω으로 하였으며, 전지(10)에서의 전압 발생량은 전압계(DDV-032)에 의해 측정된 전압 신호를 RC-232S 방식을 이용하여 변환시켜 수신하였으며, 120초 간격으로 전압값을 측정하였다. 120 ×60 ×100(㎝)의 수조에 부표형 센서를 장착하고, 글루코오스와 글루타믹산을 이용하여 BOD농도를 10, 20, 40, 50 ppm으로 조절하여 준 인공폐수를 넣어 주어 부표형 센서가 잠기도록 하였으며, 이 때 발생되는 전류값을 측정하였다(도 5 참조). 부표형 센서가 담긴 수조에 새로운 농도의 인공폐수를 주입하였을 때, 전류값이 점차 증가하기 시작하여 최대 전류값에 도달하는 양상을 보였다.
약 17시간 동안 생성된 평균 전류값과 인공폐수의 BOD 농도와의 관계가 도 6의 그래프에 도시되어 있다. 회귀결과 1차 직선 관계를 보였으며, 회귀계수(r2)가 약 0.98로서 높은 비례관계를 나타내었다.
도 7은 인공폐수의 농도별로 생성된 최대 전류값의 관계를 나타낸 그래프이다. 인공폐수의 BOD농도와 최대 전류 생성량은 약 40 ppm 이하의 BOD농도까지 1차적으로 비례하는 경향을 보였으나, 약 40-50 ppm 이상의 BOD농도에서는 약 1㎃로 더 이상 증가하지 않는 경향을 나타내었다.
일정시간(약 17시간)동안 인공폐수의 BOD 농도별로 생성된 전류값을 누적(도 8a 참조)하여 쿨롱값으로 비교한 결과, 10 ppm 일 때 약 34 쿨롱, 20ppm 일 때 약 42 쿨롱, 40ppm 일 때 50 쿨롱, 그리고 50 ppm일 때 약 58 쿨롱이 생성되었다. 회귀계수(r2)는 약 0.98로 1차 비례 관계를 나타내었다(도 8b 참조).
<실시예 2>
본 실시예에서는 부표형 센서를 현장에 적용시켰을 때, 발생되는 전류값을 통해 수질의 BOD 농도를 측정하였다. 부표형 센서 음극에 전기 화학적 활성 미생물로 농화 배양하기 위하여, 실시예의 1과 동일하게 중랑하수 처리장의 폐수처리용 슬러지를 접종원으로 하여 인공폐수를 연속적으로 주입하여 주었다.
농화 배양이 끝난 부표형 센서를 상수원 보호구역인 팔당댐 상류 부근에 설치하여 전류값의 변화를 살펴보았다(도 9 참조). 이 때의 전압 발생량은 DDV-032의 전압계에 의해 측정된 전압 신호를 RC-232S 방식을 이용하여 변환시켜 수신하였으며, 120초 간격으로 전압값을 측정하였다. BOD 측정결과는 표 1에 정리하였다. BOD5 농도 3.8±0.5 ppm인 시료를 적용한 결과, 0.52 ㎃의 평균 전류, 약 17시간 동안 생성된 쿨롱값이 31.04 쿨롱으로 나타내었다. 위 쿨롱값을 도 8b의 회귀결과(생성 쿨롱 = 0.57 ×BOD농도 + 29.06)에 적용하여 계산된 팔당 시료의 BOD값은 3.47 ppm이었다. 생물 연료 전지(10)를 이용한 BOD 계측기인 HABS-2000(한국바이오시스템, 한국)을 이용하여 측정된 BOD값은 3.5±0.1 ppm으로, 시료를 주입시켜 BOD 농도를 측정한 경우와 비슷한 결과를 얻을 수 있었다. BOD5 값과는 약 0.3 ppm의 차이를 나타내었으며, 이 또한 오차범위 내에서의 값이다. 이들 결과는 부표형 센서의 현장 적용 가능성을 나타내어 준다.
표 1
측정방식 BOD 농도(ppm)
BOD5 3.8±0.5
HABS-2000 3.5±0.1
부표형 센서 3.5
이상 설명한 본 발명에 따르면, 센서의 음극이 개방되어 시료가 직접 음극에 접촉함으로써, 시료를 채취하여 분석하던 현재의 수질 모니터링 시스템보다 용이하게 실시간으로 현장시료의 BOD농도를 모니터링할 수 있다.
또한, 고분자 전해질막-전극 접합체(MEA)와 백금을 촉매화한 전극을 사용함으로써, 전극의 화학반응을 보다 활발하게 하여 센서의 감도를 높일 수 있다. 이와 함께 양극의 상부 부분을 개방하여 대기 중의 산소를 산화제로 이용함으로써, 전위차를 유지하기 위해 양극으로 주입되던 물과 공기 등의 주입장치의 사용이 제거될 수 있어, 구조가 보다 간단하게 될 수 있다.
또한, 물에 뜰 수 있는 재료와 추를 통해 부표형 센서가 균형적으로 물에 뜰 수 있는 한편, 물 흐름의 반대방향으로 날개가 설치되어 강물의 흐름에 큰 장애를 받지 않고 안정적으로 수질의 BOD농도를 모니터링 할 수 있다. 또한 부표형 센서에 무인 원격 감시 시스템(TMS)을 도입함으로써 사용자가 사무실에서 현장수질의 BOD농도를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 부표형 센서의 개략도.
도 2는 부표형 센서의 음극과 양극의 개략도.
도 3a는 전처리 장치의 입체도.
도 3b는 전처리 장치 측면의 평면도.
도 4는 데이터 송ㆍ수신 시스템의 개략도.
도 5는 인공폐수의 농도별 전류값의 변화를 나타낸 그래프.
도 6은 인공폐수의 농도와 평균 전류값의 관계를 나타낸 그래프.
도 7은 인공폐수의 농도와 최대 전류값의 관계를 나타낸 그래프.
도 8a는 인공폐수의 농도별 생성된 쿨롱을 면적으로 나타낸 그래프.
도 8b는 인공폐수의 농도별 생성된 쿨롱 생성량과의 관계를 나타낸 그래프.
도 9는 팔당 시료에 적용하였을 때 전류값의 변화를 나타낸 그래프.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
10 : 생물 연료 전지 10a : 음극
10b : 양극 11 : 전처리 장치
12 : 음극 시료 유출구 14 : 비ㆍ먼지 막이
15 : 부표 16 : 추
17 : 추 고정용 실 18 : 센서 방향 보정 날개
19 : 데이터 수집ㆍ송신장치 20 : 아크릴 통체
21 : 음극 시료 유입구 22 : 전극(음극)
24a : 양극부 아크릴 통체 24b : 상부 개방관
25 : 고분자 전해질막-전극 접합체 26 : 백금선
27 : 실리콘 고무 28 : 플라스틱 나사
31 : 판 32 : 구멍
41 : 전압계 42, 46 : 신호 변환기
43 : 송신기 44 : 데이터 수신 장치
45 : 수신기 47 : 데이터 해석기

Claims (8)

  1. 농화된 전기 화학적 활성 미생물에 의해 유기물을 산화시키도록 반응하는 음극(10a) 및 음극(10a)에서 생성된 전자가 전달되는 양극(10b)을 가지는 생물 연료 전지(10)와;
    상기 생물 연료 전지(10)로 비, 먼지가 유입되는 것을 방지하기 위하여 상기 생물 연료 전지(10)의 상부에 제공되는 비ㆍ먼지 막이(14)와;
    상기 생물 연료 전지(10)가 물에 뜰 수 있도록 상기 생물 연료 전지(10)에 제공되는 부표(15)와;
    상기 생물 연료 전지(10)의 설치 방향을 보정하기 위하여 상기 생물 연료 전지(10)의 후면부에 연결되는 센서 방향 보정 날개(18)와;
    상기 생물 연료 전지(10)에 의해 감지된 측정값을 송수신하기 위하여 상기 생물 연료 전지(10) 상에 제공되어, 원거리에 배치된 데이터 수신 장치(44)로 데이터를 송신하는 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)와;
    물에 떠있는 상기 생물 연료 전지(10)의 위치를 고정하기 위하여 상기 생물 연료 전지(10)에 연결되는 추(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 음극(10a)으로 유입되는 시료 중의 부유물을 걸러내기 위하여 상기 음극(10a)의 유입구(21)에 설치되는 전처리 장치(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 음극(10a)은 시료에 존재하는 유기물과 전기 화학적 활성 미생물과 직접 반응하도록 물이 흐르는 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 음극(10a)과 양극(10b)에 고분자 전해질막-전극 접합체(MEA) 방식을 적용하여, 고분자 전해질막과 전극을 접합하는 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 양극(10b)이 대기중에 노출되어 대기중의 산소가 산화제로 이용되며, 촉매층 및 촉매층을 지지하기 위한 지지체로 구성되는 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 촉매물질은 백금(Pt)으로 산소의 환원 반응에서 촉매 역할을 하며, 이러한 반응이 일어나는 지지체는 발수 처리된 다공성 탄소체인 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 전처리 장치(11)는 원통체로 형성되며, 상기 원통체의 상하부에 물의 흐름방향과 반대 방향으로 45°의 각도로 서로 엇갈리도록 다수의 판(31)들이 설치되는 한편, 상기 판(31)들에 인접하여 다수의 구멍(32)들이 형성되는 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)는 생물 연료 전지(10)에 의해 발생되는 전류의 전압을 측정하기 위한 전압계(41), 측정된 전압을 무선 송신용으로 변환시키기 위한 신호 변환기(42), 및 무선 송신용으로 변환된 신호를 송신하기 위한 송신기(43)를 포함하고; 상기 데이터 수신 장치(44)는 상기 데이터 수집ㆍ송신 장치(19)로부터 송신된 데이터를 수신하기 위한 수신기(45), 수신된 신호를 특정 방식의 전압값으로 변환시키기 위한 신호 변환기(46), 및 특정 방식의 전압값으로 변환된 전압값을 해석하여 BOD를 출력하기 위한 데이터 해석기(47)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서.
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