KR101582476B1 - 미생물 전기분해 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미생물을 이용하는 전기분해 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 전기분해 장치는 전기화학 활성균이 부착된 애노드을 구비하며 기질로서 유기성 폐수가 주입되어 전자를 생성하는 산화 전극조와, 캐소드을 구비하며 전해질로서 해수가 주입되어 수소 가스를 생산하는 환원 전극조와, 상기 산화 전극조와 상기 환원 전극조를 분리하며 상기 해수 내의 다가 양이온이 상기 산화 전극조로 이동하는 것을 방지하는 음이온 교환막과, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 연결되는 전원을 포함한다. 본 발명에 의하면 화학약품 투입 또는 전처리 막의 오염의 문제 없이 해수 담수화 공정에서의 스케일 유발 성분을 제거할 수 있다. 또한 본 발명은 기존의 물 전기분해를 이용하는 방법에 비해 적은 전기적 에너지를 사용하여 수소 가스를 생산할 수 있다.

Description

미생물 전기분해 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD OF MICROBIAL ELECTROLYSIS}

본 발명은 미생물 전기분해 장치 및 방법에 관한 것으로서 특히, 생물전기화학적 방법을 이용하여 폐수 처리와 동시에 해수로부터 수소 생산 및 다가이온 제거를 수행할 수 있는 미생물 전기분해 장치 및 방법에 관한 것이다.

해수 담수화 방식 중 막분리법에는 역삼투법(Reverse Osmosis: RO), 전기투석법(Electrodialysis: ED), 정삼투법(Forward Osmosis: FO) 등이 있다. 막분리법에서 막의 수명을 연장하고 공정의 성능을 지속적으로 유지하기 위해서는 막 표면에 염 화합물의 결정에 의해서 만들어지는 스케일 문제를 방지하여야 한다. 그러므로 막분리법은 스케일 성분을 제거하기 위한 해수의 전처리가 필수적이다.

해수의 스케일 성분 중 문제가 되는 물질은 농축과 pH값의 변화로 막 표면에 석출되어 막의 기능을 손상시키는 물질이다. 그러한 물질로는 탄산칼슘(CaCO₃), 황산칼슘(CaSO₄), 탄산마그네슘(MgCO₃), 황산마그네슘(MgSO₄) 등이 있다. 이러한 스케일 유발 물질을 제거하기 위해서 주로 사용하는 해수 담수화 전처리 공정으로는 화학약품 투입과 막분리법(MF, UF) 등이 있다. 이러한 공정들은 스케일 석출을 방지하기 위해서 pH를 낮게 유지하기 위한 화학약품을 투입해야 하거나 추가의 막분리법(MF, UF)을 사용함으로써 담수화 공정에서 발생할 수 있는 스케일 생성 문제를 전처리 공정에 전가하는 문제가 있다.

한편, 미생물 전기분해 장치(Microbial Electrolysis Cell : MEC)는 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell : MFC)의 환원전극조(Cathode chamber)에 산소 공급을 중단하여 수소 가스를 생산하는 장치이다. 미생물 전기분해 장치는 열역학적인 이유로 전기적 에너지를 약간 공급해 주어야 캐소드에서 수소 생산 반응이 일어날 수 있다. 기존의 물 전기분해를 이용한 수소 생산 방법에 비해서 전기에너지 주입량이 매우 적은데, 이는 산화 전극조(Anode chamber)에서 전기화학활성균(Electrochemically active bacteria)에 의해서 폐수를 에너지원으로 사용할 수 있기 때문이다. 산화 전극조에서 미생물의 기질이 아세테이트일 때 이론적으로는 약 0.11 V의 전압만 가해주면 폐수 처리와 동시에 수소가 생산될 수 있다.

본 발명은 화학약품 투입 또는 전처리 막의 오염의 문제 없이 해수 담수화 공정에서의 스케일 유발 성분을 제거하는 것을 일 목적으로 한다.

또한 본 발명은 기존의 물 전기분해를 이용하는 방법에 비해 적은 전기적 에너지를 사용하여 수소 가스를 생산하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명은 미생물을 이용하는 전기분해 장치에 있어서, 전기화학 활성균이 부착된 애노드을 구비하며 기질로서 유기성 폐수가 주입되어 전자를 생성하는 산화 전극조와, 캐소드을 구비하며 전해질로서 해수가 주입되어 수소 가스를 생산하는 환원 전극조와, 상기 산화 전극조와 상기 환원 전극조를 분리하며 상기 해수 내의 다가 양이온이 상기 산화 전극조로 이동하는 것을 방지하는 음이온 교환막과, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 연결되는 전원을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 환원 전극조는 환원 반응을 통해 생성된 OH^- 이온을 이용하여 상기 해수 내의 다가 양이온을 침전시켜 침전물을 생성한다. 상기 다가 양이온은 Ca^{2 +} 또는 Mg^{2 +} 이다. 또한, 상기 환원 전극조의 침전물 또는 유출수의 일부를 상기 산화 전극조로 이송하는 수단을 더 포함한다. 상기 산화 전극조와 상기 환원 전극조는 모두 혐기성 상태이다. 상기 애노드은 복수개 구비한다. 또한, 상기 유기성 폐수 내의 유기물의 농도를 측정하는 센서를 더 포함한다.

본 발명에 의한 미생물 이용 전기분해 장치는 2개의 반응조 즉, 산화 전극조와 환원 전극조를 구비하며, 음이온 교환막(Anion exchange membrane : AEM)을 이용하여 두 반응조를 분리한다. 이 때 음이온 교환막을 사용하는 이유는 환원 전극조에 주입하는 해수 내의 스케일 형성 원인물질인 Ca^{2 +}과 Mg^{2 +} 등의 양이온들이 산화 전극조로 이동하는 것을 방지하기 위함이다.

산화 전극조와 환원 전극조는 모두 혐기성 상태를 유지하고 산화 전극조에서는 애노드 위에 전기활성 미생물을 부착하여 성장시키고 기질로서 유기성 폐수를 공급한다. 환원 전극조에는 해수를 주입하고 내부식성 소재의 전극을 사용하며 환원 반응의 촉진을 위하여 캐소드에 촉매를 입혀 사용한다. 애노드과 캐소드 사이에는 전원공급장치를 연결하여 전기에너지를 공급한다. 산화 전극조에서는 전기화학 활성균에 의해서 유기물이 분해되고 환원 전극조에서는 수소 가스와 OH^-가 생산되어 전극 표면에 닿아있는 해수의 pH를 상승시켜 해수 내 Ca^{2 +}와 Mg^{2 +}이 CaCO₃, MgCO₃, Ca(OH)₂, Mg(OH)₂의 형태로 침전되어 제거되도록 한다.

본 발명은 미생물을 이용하는 전기분해 방법에 있어서, 전기화학 활성균이 부착된 애노드을 구비하는 산화 전극조와, 캐소드을 구비하는 환원 전극조와, 상기 산화 전극조와 상기 환원 전극조를 분리하는 음이온 교환막을 구비하는 단계와, 상기 산화 전극조에 기질로서 유기성 폐수를 주입하여 전자를 생성하는 단계와, 상기 환원 전극조에 전해질로서 해수를 주입하여 수소 가스를 생산하는 단계와, 상기 환원 전극조에서 환원 반응을 통해 생성된 OH^- 이온을 이용하여 상기 해수 내의 다가 양이온을 침전시켜 침전물을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 발명에 의한 미생물 이용 전기분해 방법은 상기 환원 전극조의 침전물 또는 유출수의 일부를 상기 산화 전극조로 이송하는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 유기성 폐수 내의 유기물의 농도를 측정하여 일정 범위 내로 유지하는 단계를 더 포함한다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 산화 전극조의 폐수가 수소 가스 생성에 필요한 에너지의 일부를 제공하므로 적은 전기에너지의 주입으로도 환원 전극조에서 해수로부터 수소 가스를 생산할 수 있다.

또한 본 발명에서 수소 가스가 환원 전극조에서 생산되면 계속적으로 pH가 상승하게 되므로, 전해질로서 해수를 환원 전극조에 주입하면 Ca^{2 +}, Mg^{2 +}와 같은 해수 내의 다가 양이온들이 CaCO₃, MgCO₃, Ca(OH)₂, Mg(OH)₂의 형태로 침전하게 된다. 따라서 본 발명은 화학약품 투입 또는 전처리 막의 오염의 문제 없이 해수 담수화 공정에서의 스케일 유발 성분을 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 미생물 이용 전기분해 장치의 구성도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 실시예들을 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 잘 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 가급적 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 핵심을 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 미생물 이용 전기분해 장치(100)의 구성도이다. 도시된 바와 같이, 전기분해 장치(100)는 2개의 챔버 즉, 산화 전극조(102)와 환원 전극조(104)를 구비하며, 음이온 교환막(106)을 이용하여 두 개의 챔버(102, 104)를 분리한다. 전기분해 장치(100)에서 산화 전극조(102)에는 폐수를 주입하고 환원 전극조(104)에는 해수를 주입한다. 애노드(108)과 캐소드(112) 사이에는 직류 전원(113)이 연결된다.

산화 전극조(102)는 챔버(107)와 애노드(108)을 포함하며 혐기성 조건을 만들어 준다. 산화 전극조(102)에는 폐수 저장설비(114)로부터 폐수가 주입된다. 애노드(108)에는 전기화학 활성균(110)을 부착해 성장시킨다. 전기화학 활성균(110)은 폐수 내 유기물을 산화하며, 수소이온(H⁺)과 전자(e^-)을 생성한다. 생성된 전자는 미생물에 의해서 애노드(108)으로 전달되며 이 전자는 저항(도시되지 않음)이 연결된 회로를 통하여 환원 전극조(104)로 이동한다.

전기화학 활성균(110)의 활성을 위해서는 pH를 중성으로, 온도를 25℃ 이상으로 유지할 필요가 있다. 산화 전극조(102)는 산화 반응이 진행되면서 pH가 저하되므로 pH를 중성으로 유지하기 위해 환원 전극조(104)의 침전물 또는 유출수의 일부를 산화 전극조(102)로 이송할 수 있다. 이러한 침전물 또는 유출수의 이송은 다른 첨가물의 투입 없이 산화 전극조(102)의 전도도를 향상시킬 수 있다는 측면에서도 유익하다.

산화 전극조(102)는 충분한 전자 생성을 위해 애노드(108)을 복수 개 설치할 수 있다. 또한 산화 전극조(102)의 반응 속도를 향상시키기 위해 애노드(108)을 브러쉬 타입으로 형성하여 비표면적을 최대화할 수 있다.

산화 전극조(102)에 주입되는 폐수는 도시하수, 산발효액, 혐기성 소화 유출액, 식품가공폐수 등 유기성 물질이 포함된 혼합물일 수 있다. 산화 전극조(102)에 주입되는 폐수는 유기물 농도를 적정 수준으로 유지할 필요가 있다. 이를 위해 유기물 농도 검출 센서(도시되지 않음)를 폐수 저장설비(114)에 설치하여 유기물 농도를 모니터링 하고, 폐수 내의 유기물 농도가 적정 수준 이하인 경우에는 태양열 등을 이용하여 폐수를 농축한 후에 산화 전극조(102)에 주입할 필요가 있다.

직류 전원(113)을 이용하여 최소 0.3 V 이상의 전압을 인가해주어 캐소드(112)의 전위가 애노드(108)의 전위보다 낮게 하면 수소 가스가 생산될 수 있다. 이론적으로 수소 가스 생산을 위해서는 캐소드(112)의 전위가 약 - 0.6 V 보다 낮아야 한다. 직류 전원(113) 대신에 전원공급 수단으로서 RED(Reverse electrodialysis : 역전기투석) 발전을 활용하거나 신재생에너지를 사용할 수 있다.

환원 전극조(104)는 챔버(111)와 캐소드(112)을 포함한다. 환원 전극조(104)에는 해수 저장설비(116)로부터 해수가 주입된다. 캐소드(112)으로서는 내부식성 소재를 사용하고 백금 등의 촉매를 입혀 사용한다.

환원 전극조(104)에서는 화학식 1의 반응을 통해 수소 가스가 생성되므로 수소 가스 포집장치(도시되지 않음)를 포함하고 있어야 한다. 발생된 수소 가스는 해수 내 입자성 물질을 제거하는데 이용될 수 있다.

[화학식 1]

2H₂O + 2e^- → H₂ ↑ + 2OH^-

캐소드(112)에서 형성된 OH^-에 의해서 화학식 2의 반응에 의해 해수 내 Ca^{2 +}, Mg²⁺ 등의 다가 양이온이 침전되어 침전물을 형성하게 된다. 침전물은 후속 공정에서 FDFO(Fertiliser Drawn Forward Osmosis)와 연계하여 침전물 비료로 활용할 수 있다. 환원 전극조(104)는 Ca^{2 +}, Mg^{2 +} 의 침전 위해 pH 를 9 이상으로 유지해야 한다.

[화학식 2]

Ca^{2 +} + HCO₃ ^- + OH^- → CaCO₃↓ + H₂O

Ca^{2 +} + 2OH^- → Ca(OH)₂↓

Mg^{2 +} + HCO₃ ^- + OH^- → MgCO₃↓ + H₂O

Mg^{2 +} + 2OH^- → Mg(OH)₂↓

침전물이 캐소드(112)에 부착되면 환원 반응이 일어나기 어렵게 되므로 캐소드(112)을 스케일링(scaling)할 필요가 있다. 이를 위해 스키머(skimmer)를 이용하거나, 캐소드(112)에 진동 또는 초음파를 적용하거나 주기적으로 기포를 분사할 수 있다.

환원 전극조(104)와 산화 전극조(102)는 음이온 교환막(106)으로 분리되어 있다. 음이온 교환막(106)으로 산화 전극조(102)와 환원 전극조(104)를 분리하는 이유는 해수 내 포함된 양이온들이 산화 전극조(102)로 이동하는 것을 방지하기 위함이다. 음이온 교환막(104)의 표면도 스키머(skimmer)를 이용하거나, 진동 또는 초음파를 적용하거나 주기적으로 기포를 분사하여 스케일링(scaling)할 필요가 있다.

지금까지 실시예를 통하여 본 발명에 따른 미생물 이용 전기분해 장치 및 방법에 대하여 설명하였다. 본 명세서와 도면에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 상기에 기재된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100 : 미생물 이용 전기분해 장치
102 : 산화 전극조
104 : 환원 전극조
106 : 음이온 교환막
107 : 산화 전극조 챔버
108 : 애노드
110 : 전기화학 활성균
111 : 환원 전극조 챔버
112 : 캐소드
113 : 전원공급장치
114 : 폐수 저장설비
116 : 해수 저장설비

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 해수의 다가 양이온을 제거하기 위해 미생물을 이용하는 전기분해 방법에 있어서,
   전기화학 활성균이 부착된 애노드를 구비하는 산화 전극조와, 캐소드를 구비하는 환원 전극조와, 상기 산화 전극조와 상기 환원 전극조를 분리하는 음이온 교환막과, 상기 캐소드의 전위가 상기 애노드의 전위보다 낮게 하는 직류 전원을 구비하는 단계와,
   상기 산화 전극조에 기질로서 유기성 폐수를 주입하고, 상기 전기화학 활성균에 의해 상기 유기성 폐수를 산화하여 수소이온과 전자를 생성하는 단계와,
   상기 생성된 전자를 상기 환원 전극조로 이동시키는 단계와,
   상기 환원 전극조에 전해질로서 해수를 주입하고 상기 이동된 전자와 상기 해수를 반응시켜 수소 가스와 OH^- 이온을 생성하는 단계와,
   상기 환원 전극조에서 생성된 OH^- 이온을 이용하여 상기 해수 내의 다가 양이온을 침전시켜 침전물을 생성하는 단계를
   포함하고,
   상기 다가 양이온의 침전을 위해 상기 환원 전극조의 pH를 9 이상으로 유지하고,
   상기 환원 전극조의 침전물 또는 유출수의 일부를 상기 산화 전극조로 이송하여 상기 산화 전극조가 상기 전기화학 활성균의 활성에 적합한 pH가 되도록 하며,
   상기 음이온 교환막은 상기 해수 내의 다가 양이온이 상기 산화 전극조로 이동하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 미생물 전기분해 방법.
   
9. 삭제
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 유기성 폐수 내의 유기물의 농도를 측정하여 일정 범위 내로 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 전기분해 방법.

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