KR100483587B1 - 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 비오디 계측기 - Google Patents
고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 비오디 계측기Info
- Publication number
- KR100483587B1 KR100483587B1 KR10-2002-0066364A KR20020066364A KR100483587B1 KR 100483587 B1 KR100483587 B1 KR 100483587B1 KR 20020066364 A KR20020066364 A KR 20020066364A KR 100483587 B1 KR100483587 B1 KR 100483587B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- bod
- sample
- electrolyte membrane
- electrode assembly
- cathode
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 32
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 claims abstract description 22
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000008399 tap water Substances 0.000 claims abstract description 11
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 claims abstract description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 claims description 32
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 claims description 17
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 claims description 17
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 7
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 5
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 claims description 4
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 claims description 3
- 238000011109 contamination Methods 0.000 abstract description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 8
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 5
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000003925 fat Substances 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 2
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 2
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 2
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005679 Peltier effect Effects 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036284 oxygen consumption Effects 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 1
- 239000013076 target substance Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/18—Water
- G01N33/1806—Biological oxygen demand [BOD] or chemical oxygen demand [COD]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Emergency Medicine (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
본 발명은 고분자 전해질막-전극 접합법(MEA)을 미생물연료전지에 적용하여, BOD 센서로서의 미생물 연료전지의 감도 및 정확성을 향상시킬 수 있는 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 BOD 계측기에 관한 것이다. 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 BOD 계측기는, 저농도 시료를 측정할 때 전기적 신호를 발생시키기 위한 센서부와; 센서부로부터의 출력을 생물학적 BOD 값으로 환산하고, 환산된 BOD 농도값을 무인 자동 측정 시스템으로 실시간으로 전송하기 위한 제어부를 포함한다. 센서부는 음극부, 양극부, 및 음극부와 양극부 사이에 배치되는 고분자 전해질막-전극 접합체를 구비하는 미생물 연료 전지, 시료 공급 펌프에 의해 공급된 시료를 소정 온도로 가열하여 음극부로 공급하기 위한 시료 가온기, 수도수 및 공기를 혼합하여 양극부로 공급하기 위한 공기 믹서, 및 음극부 상에 배치되는 열전도성 판에 설치되어, 양단 사이에 직류 전류가 인가되었을 때, 일단이 발열하고 타단이 흡열하는 펠티어 소자를 구비한다. 또한, BOD 계측기와 무인 자동 측정 시스템을 이용하여 오염 부하량이 자동으로 산정될 수 있다.
Description
본 발명은 유기물을 분해하면서 전기를 발생하는 미생물연료전지를 센서로서 이용하여, 수중 유기물의 오염정도를 측정할 수 있는 BOD(생물학적 산소 요구량) 계측기에 관한 것이다.
현재까지 개발된 BOD 센서의 일반적인 형태는 용존 산소 측정용 전극에 특정 미생물을 고정화시킨 막을 부착하여 시료내의 산소 소비율을 측정하는 방법이었다. 그러나 상기의 BOD 센서는 다공성 막에 미생물을 고정화시켰기 때문에 자주 막을 교환해 주어야 하며, 전자전달 매개체와 별도의 변환기를 부착하여야 하는 단점이 있다.
최근에, 전기 화학적 활성을 가진 미생물로 농화 배양된 생물연료전지를 사용하여 수중 유기물을 분해할 때 발생한 전류가 공급된 유기물의 농도와 비례한다는 것이 국내 연구진에 의해 밝혀졌다. 이를 이용한 미생물 연료전지형 BOD 센서는 용존 산소 전극을 사용하는 기존의 센서에 비해 신뢰도가 높고 운영이 간편하여 장기간 센서의 교환 없이 운전할 수 있는 장점이 있는 반면, 발생신호가 상대적으로 미약하여 저농도 시료를 측정할 때 발생하는 신호를 전기적으로 증폭하여야 하여야 하기 때문에 잡음 또한 동시에 증폭되어 정확한 측정을 할 수가 없다는 단점이 있다.
또한, 연료 전지 내부의 첨가되는 시료에 의한 압력이 불균등하여 전극-전해질막 사이에서 접합간격의 변화로 인한 내부저항의 변화로 신호값이 변화하는 현상이 나타났었다. 그리고, 기기를 사용할 때 발생하는 열로 인한 기기 내부온도의 상승을 제어할 수 없었기 때문에, 외기의 온도에 따라 신호값의 변화가 발생하였다. 따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 고분자 전해질막-전극 접합법을 이용한 BOD 계측기를 착안하게 되었다.
또한, BOD 계측기의 전체적인 시스템은 무인 자동 측정 시스템(TMS, Tele-metering System)에 적용하여, 발생하는 폐수의 배출량, 오염도, 그리고 오염 부하량을 자동으로 산정할 수 있도록 구성된다. 이러한 것은 현재 폐수 배출수에 적용되는 농도규제(폐수중의 오염물질농도를 규제하는 방식)가 하천의 허용 오염 부하량을 고려하지 않고 있고 또한 오염부하의 양적 증가(배출 허용기준 이하 오폐수의 양적 팽창에 따른 오염부하의 증가)를 통제할 수 없기 때문에 수질 개선에 한계가 있음이 지적되어, 주요 하천 지역에 대해 오염 총량 관리제가 의무화되었으며, 대상물질은 BOD로 하고 필요할 때 인, 질소 등을 추가 지정하기로 하였다. 그러나, 이러한 경우 순간의 채수만으로 일정기간동안 허용총량 이내로 배출하였는지 알 수 없는 문제가 있다.
그러므로, 오염 총량제 시행에 앞서 발생하는 폐수의 배출량과 오염도를 자동으로 측정하여 오염 부하량을 산정하는 무인 자동 운전 시스템의 개발이 시급하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 고분자 전해질막-전극 접합법(MEA)을 미생물연료전지에 적용하여, BOD 센서로서의 미생물 연료전지의 감도 및 정확성을 향상시킬 수 있는 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 BOD 계측기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 센서에 대한 외부온도의 영향을 최소화하여 정확하게 계측할 수 있는 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 BOD 계측기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 무인 자동 측정 시스템에서 BOD 계측기를 적용하여 이를 자동으로 계산할 수 있는 오염 부하량 자동 산정 시스템을 제공하는데 있다.
상기된 바와 같은 목적은, 저농도 시료를 측정할 때 전기적 신호를 발생시키기 위한 센서부와; 상기 센서부로부터의 출력을 생물학적 산소 요구량(BOD) 값으로 환산하고, 환산된 BOD 농도값을 무인 자동 측정 시스템으로 실시간으로 전송하기 위한 제어부를 포함하며; 상기 센서부는 음극부, 양극부, 및 상기 음극부와 양극부 사이에 배치되는 고분자 전해질막-전극 접합체를 구비하는 미생물 연료 전지, 시료 공급 펌프에 의해 공급된 시료를 소정 온도로 가열하여 음극기로 공급하기 위한 시료 가온기, 수도수 및 공기를 혼합하여 양극부로 공급하기 위한 공기 믹서, 및 상기 음극부 상에 배치되는 열전도성 판에 설치되어, 양단 사이에 직류 전류가 인가되었을 때, 일단이 발열하고 타단이 흡열하는 펠티어 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 BOD 계측기에 의하여 달성될 수 있다.
상기에서, 전해질막-전극 접합체는 이온교환의 역할을 수행할 수 있는 소정 면적의 고분자 전해질막과, 양극에 사용되는 백금 촉매된 탄소부직포와 음극에 사용되는 소정 면적의 탄소지의 접촉면에 Nafion 용액을 붓으로 바른 후, 80℃의 오븐에서 건조시킨 후, 150℃, 1ton/cm2의 유압으로 고온-가압에 의해 형성될 수 있다.
상기 센서부는 내부에 설치된 온도 조절용 히터에 의해 내부 온도가 30℃로 일정하게 유지된다.
대안적으로, 상기된 바와 같은 목적은 저농도 시료를 측정할 때 전기적 신호를 발생시키기 위하여, 음극부, 양극부, 및 상기 음극부와 양극부 사이에 배치되는 고분자 전해질막-전극 접합체를 구비하는 미생물 연료 전지, 시료 공급 펌프에 의해 공급된 시료를 소정 온도로 가열하여 음극기로 공급하기 위한 시료 가온기, 수도수 및 공기를 혼합하여 양극부로 공급하기 위한 공기 믹서, 및 상기 음극부 상에 배치되는 열전도성 판에 설치되어, 양단 사이에 직류 전류가 인가되었을 때, 일단이 발열하고 타단이 흡열하는 펠티어 소자를 구비하는 센서부, 및 상기 센서부로부터의 출력을 생물학적 산소 요구량(BOD) 값으로 환산하여 환산된 BOD 농도값을 실시간으로 전송하기 위한 제어부를 구비하는 BOD 계측기와; 상기 제어부로부터 전송된 BOD 농도값에 기초하여 오염 부하량을 산정하는 무인 자동 측정 시스템을 포함하며; 상기 무인 자동 측정 시스템에서 구해지는 오염 부하량(L)은 폐수 농도(C)와 폐수량(Q)을 곱하여 구해지며, 폐수의 농도(C)는 상기 BOD 계측기를 통해 매시간 단위로 측정되며, 측정된 농도에 한시간 동안 누적된 폐수량(Q)을 곱하여 오염 부하량(L)이 1시간마다 누적ㆍ개정되는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 오염 부하량 자동 산정 시스템에 의해 달성될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 도 7에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 오염 부하량 자동 산정 시스템을 구성하고, BOD 계측기(1)는 크게 제어부(1a)와 센서부(1b)로 구분 될 수 있다. 상부에 위치되는 제어부(1a)는 센서의 출력을 BOD값으로 환산하고, 환산된 BOD 농도 데이터를 무인 자동 측정 시스템을 통해 실시간으로 전송할 수 있도록 설계된다. 또한, 저농도 시료를 측정할 때 전기적 신호를 발생시키는 센서부(1b)는 종래의 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 미생물 연료전지와 그 기본적인 구성에 있어서는 유사하나, 외부온도의 통제를 위해 구조적인 면에서는 몇 가지 큰 변형이 이루어졌다.
도 1b는 본 발명에 따른 BOD 계측기의 센서부의 유로도이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 센서부(1b)는 부유물 전처리조(2)와 연결되어 있으며, 센서부(1b)에 의해 측정될 측정 시료는 시료채취용 펌프(3)에 의해 펌핑되어 라인(111)을 통해 전처리조(2)로 유입된다. 전처리조(2)에서 시료는 시료 내의 협잡물이 제거된 후에 센서부(1b) 내에 제공된 시료공급 펌프(4)를 통하여 시료 가온기(5)로 공급된다.
시료는 시료 가온기(5)에서 일정 온도로 가열된 후에, 핀치 밸브(6)를 통하여 연료 전지의 음극부(10)로 주입된다. 시료가 핀치 밸브(6)를 통해 연료 전지의 음극부(10)로 주입될 때, 연료 전지의 양극부(11)에는 수도수와 공기 혼합물이 주입된다. 수도수는 수도수 공급 펌프(9)의 펌핑에 의하여 수도수 탱크(7)로부터 믹서기(8)로 공급되어, 믹서기(8)에서 공기 주입 펌프(12)에 펌핑된 공기와 혼합된 후에 양극부(11)로 주입된다.
연료 전지의 음극부(10) 및 양극부(11)로 주입된 시료와 물을 라인(112,113)을 통해, 그리고 시료 가온기(5)에서 연료 전지로 보내지지 않고 남은 시료는 시료 주입용 핀치 밸브(6)에 의해 전처리조(2)로 복귀된 후에, 바이패스 밸브(13)에 의해 바이패스되어 외부로 배출된다. 또한, 센서부(1b)는 내부에 설치된 온도 조절용 히터(14)에 의해 내부 온도가 30℃로 일정하게 유지된다. 연료 전지의 음극부(10) 상에는 열전달용 알루미늄 판(15), 펠티어 소자(16), 방열판(17) 및 팬(18)이 순차적으로 설치된다.
도 2는 본 발명에 따른 센서의 구성도이다, 센서는 고분자 전해질막-전극 접합체 및 음극 부위의 미생물 촉매를 특징으로 하며, 펠티어 소자(16)를 미생물 연료전지의 항온장치로 사용하여 외부온도의 영향을 최소화하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 미생물 연료 전지(센서)의 음극부(10)에는 여러 종의 미생물이 혼합되어 있는 활성 슬러지가 종균으로서 주입되고, 양극부(11)에는 공기가 계속적으로 공급되어 음극부(10)와의 전압차가 유지된다. 연료로서 유기 폐수가 음극부(10)로 주입되기 시작하면, 음극부(10)에 전기 화학적 활성을 갖는 미생물들이 부착되며, 기질이 주입된 후 일정 시간이 경과되면, 다양한 조건(유기폐수의 특성, 온도, pH)에 적합한 개체수로 미생물들이 음극부(10) 내에서 유지된다. 음극부(10)에 부착된 미생물들이 일정하게 유지되면, 이것들이 기질(유기폐수)의 소비를 통해 생산되는 전자가 음극을 통하여 발생되며, 센서부(1b)를 통해 일정하게 전류를 발생하게 된다.
센서의 고분자 전해질막-전극 접합체(19)의 제조는 이온교환의 역할을 수행할 수 있는 5 ×5 cm2 크기의 고분자 전해질막과 양극에 사용되는 백금 촉매된 탄소부직포(10a), 그리고 음극에 사용되는 탄소지를 각각 4 ×4 cm2 크기로 준비하여, 이온 교환막과 전극의 접촉면이 되는 부분에 Nafion 용액을 붓으로 바른 후, 80℃의 오븐에 넣고(Nafion 용액의 용매-aliphatic 알콜과 물을 제거하기 위해) 약 2시간동안 건조시킨 후, 150℃, 1 ton/cm2의 유압으로 고온-가압하였다. 이렇게 준비된 고분자 전해질막-전극 접합체(19)는 음극부(10)의 구성체인 탄소부직포와 아크릴판(12b), 양극부(11)의 구성체인 탄소판(11a), 누수 방지를 위한 한 쌍의 실리콘 고무(20)에 의해 누수되지 않도록 견고하게 조립된다.
또한, 음극부(10)에는 상기된 바와 같이 반도체 냉각기술을 이용한 펠티어 소자(16)가 장착된다. 일반적으로, 펠티어 소자(16)를 이용한 열전 변환 재료를 이용한 전자 냉각은 재료의 양단 사이에 직류 전류가 인가되면, 일단이 발열하고 타단이 흡열하는 펠티어 효과를 이용하는 반도체 냉각방식으로서 오존층 파괴와 온실효과를 일으키는 프레온 등의 냉매를 사용하지 않기 때문에 환경 친화적이며, 또한 구조가 간단하면서도 신뢰성이 높고, 기계적 작동부품이 없기 때문에 소음과 진동이 없으며, 회로의 국소 부위에 대한 선택적인 냉각이 가능한 장점을 가지고 있다. 이에 따라서 최근에는 냉장고, 에어컨 등 각종 분야에서 그 응용범위가 확대되고 있다.
따라서, 본 발명에서는 아크릴 판(10b)에 열전도율이 높은 알루미늄 기판(15)이 장착되며, 알루미늄 기판(15)과 알루미늄 기판(15)에 부착되는 방열판(17)을 통해 모듈 고온측의 열방출이 효과적으로 이루어질 수 있다. 이 동작은 전원을 입력하면, 펠티어 소자(16)의 고유특성에 의해 소자의 한쪽 면은 열에너지를 잃게 되는 반면에, 다른 면은 열에너지를 얻게 되는 작용을 하여, 펠티어 소자(16)의 한쪽 면에서 잃은 열에너지는 열전도성이 좋은 방열판(17)으로 전달되어 팬(18)에 의해 냉각된다. 여기서, 방열판(17)의 내부는 열전달되는 단면적이 큰 면적을 가지도록 만곡되어 있으며, 방열판(17)을 통해 온도가 고온인 여름철에도 센서의 온도가 일정 온도(약 30℃)로 셋팅됨으로써, 그 온도가 유지될 수 있다.
<실시예 1>
본 실시예는 예비실험으로서, 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 미생물연료전지에 종래의 인공폐수 대신 단백질, 지방, 인, 칼슘 등의 다양한 성분을 함유한 건조된 개 사료(단백질 32%, 지방 20%)를 본 실험의 연료로서 사용함으로써, 실제 폐수의 양상과 비슷하게 하였다.
저항은 반응초기에 무한대로부터 최종적으로 10Ω까지 낮춰서 발생하는 전류를 측정하였으며, 전압 발생량은 전압 전류 측정기(Multimeter)를 사용하여 측정하였다.
상기의 실험은 외기 온도의 영향을 크게 받지 않는 항온 아크릴 박스 안에서 수행되어졌으며 주입하는 건조된 개 사료의 양은 10ℓ당 3, 7, 12, 15개 주입함으로써, 각기 다른 농도의 폐수를 제조하였다. 이 때, 제조된 폐수의 농도는 각 45ppm, 90ppm, 150ppm, 180ppm이었다.
40시간동안 각기 다른 폐수 농도에 따른 전류 발생량이 도 3에 도시되었으다. 본 실험을 통하여 건조된 개 사료를 이용한 폐수의 농도 증가에 따라서 전류량도 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 발생된 전류량이 유기물의 양에 비례하기 때문에, 발생된 전류량을 측정함으로써 시료 중에 존재하는 유기물의 양이 측정될 수 있다는 것을 확인하였다.
<실시예 2>
본 실시예에서는 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 시료를 연료로서 사용하였으며, 센서로서 고분자 전해질막-전극 접합법을 이용한 미생물연료전지(도 4b 참조)와 종래의 미생물 연료전지(도 4a 참조)를 비교하여 각기 다른 농도의 시료에 따라 반응하는 센서의 감응속도 및 발생되는 전류량을 살펴보았다. 기타 연료전지의 각종 운전조건 및 물리적인 조건은 외기 온도의 영향을 받지 않는 항온 아크릴 박스 안에서 수행됨에 따라서 실시예 1과 동일하게 해주었다. 사용된 시료는 45ppm, 90ppm, 150ppm, 180ppm의 건조된 개 사료를 사용하였으며, 시료의 주입은 1시간에 한번씩 이루어졌다.
도 4a에서와 같이 기존의 미생물연료전지에서 각 농도별 발생되는 전류량은 대략 4~5시간 후에 안정화되는 것에 비해, 고분자 전해질막-전극접합체를 이용한 미생물 연료 전지에서는 도 4b에서와 같이 각 농도에 대한 전류 발생시간이 더 빠르며 발생되는 전류량도 기존의 미생물연료전지를 이용한 BOD 측정기보다 더 높고, 안정한 것을 알 수 있다. 따라서, 고분자전해질-전극 접합체를 이용한 BOD센서의 경우 센서로서의 높은 감도 및 정확성을 지니는 것을 확인할 수 있었다.
<실시예 3>
본 실시예에서는 센서부에 냉각장치를 설치하였을 경우와 그렇지 않은 것을 비교함으로써, 온도 변화에 따른 BOD 변화를 살펴보기 위한 것이다.
이 실시예에서는 고온 및 저온 등의 다양한 기후변화에 놓이도록 실외에서 수행되었으며, 비, 바람 등을 고려해 기기 외부에 간이 칸막이를 설치해주었다. 또한, 본 실험은 실제 BOD값과 측정 기기에서 산출되는 BOD값의 차이가 주로 생기는 여름철(외부온도가 30℃이상이 되는 6월~8월)에 수행되었으며, 이 때 센서부의 온도 및 실외 기온의 온도는 온도 기록 장치를 통해 측정되어졌다.
본 실험의 측정 기기는 센서의 출력을 BOD값으로 환산시키는 제어부(1a)와 신호를 발생시키는 센서부(1b)로 구성되어있다. 센서부(1b)에서는 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 미생물연료전지를 사용하였으며, 양극부(11)와 음극부(10) 사이에는 10Ω의 저항을 연결하였다. 연료로는 BOD 180ppm(건조된 개 사료 15개/10ℓ) 시료를 주입하여 주었고, 센서부(1b)에서 생성된 전압신호는 제어부(1a)에서 BOD값으로 환산되어 무인 자동 측정 시스템을 통해 시료의 BOD 농도를 실시간으로 모니터링 할 수 있었다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 펠티어 소자(16)를 장착하지 않은 센서의 경우, BOD값은 하루 중 기온이 가장 높이 올라가는 오후 2시경에 상승하는 것을 알 수 있었다. 이는 특히 하늘이 맑게 개이고 한낮 기온이 33℃까지 올라가는 날에 그 양상이 더욱 두드러졌으며, 온도차가 많이 발생할수록 센서의 BOD값도 그 변화가 심한 것을 알 수 있었다.
이와 대조적으로 펠티어 소자(16)를 미생물연료전지의 항온장치로 사용하였을 경우, BOD값의 변화는 실제 BOD값과 계측기에서 산출되는 BOD값의 차이가 주로 생기는 여름철에도 외부온도의 변화에 무관한 것을 확인할 수 있었다(도 6a 및 도 6b 참조).
<실시예 4>
본 실시예는 중랑하수처리장에 본 발명에 따른 고분자 전해질막-전극접합법을 이용한 BOD 센서 및 BOD 계측기를 설치하여, 여기서 발생하는 폐수의 유량과 BOD 농도 데이터를 무인 자동 측정 시스템을 통해 실시간으로 전송 받아 오염 부하량을 자동으로 산정할 수 있도록 도 7에 도시된 바와 같은 시스템이 구성되었다.
오염 부하량(g)은 발생 폐수의 농도(ppm=mg/l=g/m3)와 폐수량(m3)의 곱으로 나타내어진다. 본 시스템의 경우 1시간에 한번씩 자동으로 발생한 폐수량과 농도를 통해 오염 부하량이 누적되도록 프로그램을 구성하였다.
오염부하량(L) = 농도(C) ×폐수량(Q)
폐수의 농도(C)는 BOD 계측기를 통해 매시간단위로 측정되며, 측정된 농도에 한시간 동안 누적된 폐수량(Q)을 곱하여 오염 부하량(L)이 1시간마다 누적ㆍ개정된다. 본 시스템의 무인 자동 측정 시스템 화면은 도 8에 도시된 바와 같이 측정된 BOD농도, 폐수량 그리고 오염 부하량의 변동을 컴퓨터 화면에 그래프로 나타내며, 화면의 스크린 슛(screen shot)은 도 8과 같다. 상기 실시예의 중랑하수처리장에서의 BOD는 14.5ppm이며, 1시간동안 누적된 폐수의 유량은 60,000ton이다. 따라서, 이 두 값의 곱으로 오염 부하량을 나타낼 수 있으며, 데이터는 무인 자동 측정 시스템를 통해 실시간으로 전송됨으로써 오염 부하량이 자동으로 산정될 수 있다. 이때, 도 8에 도시된 바와 같은 각각의 L SUM, BOD 그리고 Q SUM의 값은 y축을 마우스로 클릭 할 때마다 변경 가능하며, 그래프의 확대, 축소, DATA의 저장 등도 가능하다.
이상 설명한 본 발명에 따르면, 고분자 전해질막-전극 접합체법을 미생물연료전지에 적용함으로써, 물의 유기물의 양을 측정하는 BOD센서의 감도와 정확성을 향상시킬 수 있었다.
이와 함께 반도체 냉각기술을 이용한 펠티어 소자를 센서에 장착하여 외부온도의 영향을 최소화함으로써 센서의 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있게 되었다.
또한 무인 자동 측정 시스템에 본 BOD계측기를 적용하여 발생하는 폐수의 배출량, 오염도, 그리고 오염 부하량을 자동으로 산정할 수 있게 되었다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명에 따른 고분자전해질막-전극접합체를 이용한 BOD 계측기의 구성도 및 유로도.
도 2는 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 BOD 센서의 개략도
도 3은 건조된 개 사료를 연료로 사용한 본 발명의 연료전지에서 생성된 농도별 전류량을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명 실시예의 온도와 BOD와의 상관관계를 나타낸 그래프로서, 도 4a는 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용하지 않았을 경우 BOD값의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 4b는 전해질막-전극 접합체를 이용한 경우 BOD값의 변화를 나타낸 그래프.
도 5 및 도 6은 본 발명 실시예의 BOD의 상관관계를 나타낸 그래프로서, 도 5a는 펠티어소자를 센서에 장착하지 않았을 경우의 시간에 따른 센서부의 온도 및 실외기온의 온도 변화를 나타낸 그래프이며, 도 5b는 펠티어소자를 센서에 장착하지 않았을 경우의 온도변화에 따른 BOD값의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 6a는 펠티어소자를 센서에 장착하였을 경우 시간에 따른 센서부의 온도 및 실외기온의 온도 변화를 나타낸 그래프이고, 도 6b는 는 상기의 온도변화에 따른 BOD값의 변화를 나타낸 그래프.도 7은 본 발명에 따른 오염 부하량 자동 산정 시스템의 구성도
삭제
삭제
도 8은 측정된 BOD농도, 폐수량 그리고 오염부하량의 변동을 컴퓨터 화면에 그래프로 나타낸 무인 자동 측정 시스템(TMS) 화면을 도시한 도면.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 : BOD 계측기 1a : 제어부
1b : 센서부 2 : 부유물 전처리조
3 : 시료 채취용 펌프 4 : 시료 공급 펌프
5 : 시료 가온기 6 : 핀치 밸브
7 : 수도수 탱크 8 : 믹서기
9 : 수도수돗 공급 펌프 10 : 음극부
11 : 양극부 12 : 공기 주입 펌프
13 : 바이패스 밸브 14 : 온도 조절용 히터
15 : 알루미늄 기판 16 : 펠티어 소자
17 : 방열판 18 : 팬
19 : 고분자 전해질막-전극 접합체 20 : 실리콘 고무
Claims (4)
- 저농도 시료를 측정할 때 전기적 신호를 발생시키기 위한 센서부와;상기 센서부로부터의 출력을 생물학적 산소 요구량(BOD) 값으로 환산하고, 환산된 BOD 농도값을 무인 자동 측정 시스템으로 실시간으로 전송하기 위한 제어부를 포함하며;상기 센서부는 음극부, 양극부, 및 상기 음극부와 양극부 사이에 배치되는 고분자 전해질막-전극 접합체를 구비하는 미생물 연료 전지,시료 공급 펌프에 의해 공급된 시료를 소정 온도로 가열하여 음극기로 공급하기 위한 시료 가온기,수도수 및 공기를 혼합하여 양극부로 공급하기 위한 공기 믹서, 및상기 음극부 상에 배치되는 열전도성 판에 설치되어, 양단 사이에 직류 전류가 인가되었을 때, 일단이 발열하고 타단이 흡열하는 펠티어 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 BOD 계측기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전해질막-전극 접합체는 이온교환의 역할을 수행할 수 있는 소정 면적의 고분자 전해질막과, 양극에 사용되는 백금 촉매된 탄소부직포와 음극에 사용되는 소정 면적의 탄소지의 접촉면에 Nafion 용액을 붓으로 바른 후, 80℃의 오븐에서 건조시킨 후, 150℃, 1ton/cm2의 유압으로 고온-가압에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 BOD 계측기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 센서부는 내부에 설치된 온도 조절용 히터에 의해 내부 온도가 30℃로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 BOD 계측기.
- 저농도 시료를 측정할 때 전기적 신호를 발생시키기 위하여, 음극부, 양극부, 및 상기 음극부와 양극부 사이에 배치되는 고분자 전해질막-전극 접합체를 구비하는 미생물 연료 전지, 시료 공급 펌프에 의해 공급된 시료를 소정 온도로 가열하여 음극기로 공급하기 위한 시료 가온기, 수도수 및 공기를 혼합하여 양극부로 공급하기 위한 공기 믹서, 및 상기 음극부 상에 배치되는 열전도성 판에 설치되어, 양단 사이에 전류가 인가되었을 때, 일단이 발열하고 타단이 흡열하는 펠티어 소자를 구비하는 센서부, 및 상기 센서부로부터의 출력을 생물학적 산소 요구량(BOD) 값으로 환산하여 환산된 BOD 농도값을 실시간으로 전송하기 위한 제어부를 구비하는 BOD 계측기와;상기 제어부로부터 전송된 BOD 농도값에 기초하여 오염 부하량을 산정하는 무인 자동 측정 시스템을 포함하며;상기 무인 자동 측정 시스템에서 구해지는 오염 부하량(L)은 폐수 농도(C)와 폐수량(Q)을 곱하여 구해지며, 폐수의 농도(C)는 상기 BOD 계측기를 통해 매시간 단위로 측정되며, 측정된 농도와 한시간동안 누적된 폐수량(Q)을 곱하여 오염 부하량(L)이 1시간마다 누적ㆍ개정되는 것을 특징으로 하는 오염 부하량 자동 산정 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2002-0066364A KR100483587B1 (ko) | 2002-10-30 | 2002-10-30 | 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 비오디 계측기 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2002-0066364A KR100483587B1 (ko) | 2002-10-30 | 2002-10-30 | 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 비오디 계측기 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20040037747A KR20040037747A (ko) | 2004-05-07 |
| KR100483587B1 true KR100483587B1 (ko) | 2005-04-19 |
Family
ID=37336029
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR10-2002-0066364A KR100483587B1 (ko) | 2002-10-30 | 2002-10-30 | 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 비오디 계측기 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100483587B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210214251A1 (en) * | 2018-06-01 | 2021-07-15 | Island Water Technologies Inc. | Bio-electrochemical sensor, system, and method for optimizing performance of a water or wastewater treatment system |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100619729B1 (ko) * | 2004-06-25 | 2006-09-08 | 엘지전자 주식회사 | 연료전지의 스택 방열 장치 |
| KR101351540B1 (ko) | 2010-11-22 | 2014-01-15 | 한국전자통신연구원 | 용존 산소량 측정 시스템 |
| SG11201811467SA (en) * | 2016-06-29 | 2019-01-30 | Nat Univ Singapore | A toxicant monitoring system |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5612546A (en) * | 1979-06-07 | 1981-02-06 | Ajinomoto Co Inc | Method and apparatus for measuring bod |
| JPS6093952A (ja) * | 1983-10-28 | 1985-05-25 | Nissin Electric Co Ltd | Ｂｏｄ連続測定方法 |
| JPH09229923A (ja) * | 1996-02-23 | 1997-09-05 | Fuji Electric Co Ltd | 汚濁負荷量計 |
| KR20030044495A (ko) * | 2001-11-30 | 2003-06-09 | 한국바이오시스템(주) | 고분자전해질막-전극접합체를 이용한 생물연료전지 |
| KR20040023170A (ko) * | 2002-09-11 | 2004-03-18 | 한국바이오시스템(주) | 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서 |
-
2002
- 2002-10-30 KR KR10-2002-0066364A patent/KR100483587B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5612546A (en) * | 1979-06-07 | 1981-02-06 | Ajinomoto Co Inc | Method and apparatus for measuring bod |
| JPS6093952A (ja) * | 1983-10-28 | 1985-05-25 | Nissin Electric Co Ltd | Ｂｏｄ連続測定方法 |
| JPH09229923A (ja) * | 1996-02-23 | 1997-09-05 | Fuji Electric Co Ltd | 汚濁負荷量計 |
| KR20030044495A (ko) * | 2001-11-30 | 2003-06-09 | 한국바이오시스템(주) | 고분자전해질막-전극접합체를 이용한 생물연료전지 |
| KR20040023170A (ko) * | 2002-09-11 | 2004-03-18 | 한국바이오시스템(주) | 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210214251A1 (en) * | 2018-06-01 | 2021-07-15 | Island Water Technologies Inc. | Bio-electrochemical sensor, system, and method for optimizing performance of a water or wastewater treatment system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20040037747A (ko) | 2004-05-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Min et al. | Importance of temperature and anodic medium composition on microbial fuel cell (MFC) performance | |
| Feng et al. | Brewery wastewater treatment using air-cathode microbial fuel cells | |
| Wen et al. | Electricity generation and modeling of microbial fuel cell from continuous beer brewery wastewater | |
| Vologni et al. | Increased power generation from primary sludge by a submersible microbial fuel cell and optimum operational conditions | |
| CN101620201B (zh) | 一种生化需氧量的测定方法和bod传感器及应用 | |
| Jiang et al. | Effect of inoculum types on bacterial adhesion and power production in microbial fuel cells | |
| Yang et al. | Factors affecting the performance of a single-chamber microbial fuel cell-type biological oxygen demand sensor | |
| CN108007983B (zh) | 利用微生物燃料电池评价水质有机污染状况的装置和方法 | |
| Lóránt et al. | Single chamber air–cathode microbial fuel cells as biosensors for determination of biodegradable organics | |
| CN110530956B (zh) | 一种用于测定水体中可生化降解有机物的局部库仑法 | |
| JPH05258760A (ja) | 液体燃料電池の運転制御方法及び装置 | |
| US9236622B2 (en) | Fuel cell system with wetness sensor | |
| KR100483587B1 (ko) | 고분자 전해질막-전극 접합체를 이용한 비오디 계측기 | |
| CN115207417A (zh) | 一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法 | |
| Solomon et al. | Enhancing power generation by maintaining operating temperature using phase change material for microbial fuel cell application | |
| Krieg et al. | Insights into the applicability of microbial fuel cells in wastewater treatment plants for a sustainable generation of electricity | |
| KR100483584B1 (ko) | 수질의 실시간 비오디 측정용 부표형 센서 | |
| CN113839065A (zh) | 一种燃料电池冷却水回路热补偿温度控制***及控制方法 | |
| Belleville et al. | Influence of nitrogen limitation on performance of a microbial fuel cell | |
| CN103367784A (zh) | 一种单室无膜壁式空气阴极微生物燃料电池装置 | |
| CN214310266U (zh) | 基于微生物燃料电池的湿地堵塞检测装置 | |
| Aimin et al. | Dynamic performance analysis and neural network predictive control of microbial fuel cell | |
| AU2021103612A4 (en) | Rapid portable bod detector | |
| US8834692B2 (en) | Dissolved oxygen measurement system | |
| Velasquez-Orta et al. | Microbial fuel cell sensors for water and wastewater monitoring |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130408 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20140407 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160407 Year of fee payment: 12 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170407 Year of fee payment: 13 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180404 Year of fee payment: 14 |