KR20170031352A - Method for manufacturing a renewable energy storage and utilization equipment using microbial fuel cells - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양광 발전의 전력을 육가 크롬, 삼가 코발트, 삼가 망간과 같은 중금속의 산화형의 형태로 저장하고 그 저장한 중금속을 전자 흡수체로 사용하여 미생물 고전력을 발전하여 필요시에 사용하는 방법에 관련된다.The present invention relates to a method of storing power of photovoltaic power generation in an oxidized form of heavy metals such as hexavalent chromium, cobalt cobalt and manganese, and using the stored heavy metals as an electron absorber to develop microbial high power, .
지금까지 산소 미생물 연료전지(O2-MFC)는 출력 향상의 가능성을 향하여 국내·외적으로 많은 연구가 이루어져 왔으나 여전히 에너지 출력이 약하기 때문에 타 에너지 생산 기술과의 경쟁력이 약하여 실용화의 어려움이 있다. 미생물 연료전지의 환원 전극실에는 최종 전자 수용체로 환원전위가 높은 중금속 이온을 사용하면 산소에 비하여 전자전달 속도가 빠르고 농도도 높게 사용할 수 있어서 전류의 증가에 의하여 출력이 크게 향상된다. 이런 이유로 중금속의 제거 또는 회수에 미생물 연료전지를 효율적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 전력생산을 위한 전지의 출력생산을 위해서도 산업폐수 속에 있는 중금속 이온을 효율적으로 사용할 수 있게 된다. 전력출력이 획기적으로 향상된 결과들의 논문이 발표 되었다. 따라서 단일 폐수나 혼합폐수를 직접 미생물 연료전지의 환원전극실로 연속으로 통과시켜 미생물 연료전지로 구성하는데 매우 유리한 방책이 될 수 있다.Oxygen microbial fuel cells (O 2 -MFCs) have been studied extensively in domestic and foreign fields for the potential of improvement of power output. However, since they are still weak in energy output, they are difficult to commercialize because they are weaker in competitiveness with other energy production technologies. In the reductive electrode chamber of the microbial fuel cell, when the heavy metal ion having a high reduction potential as the final electron acceptor is used, the electron transfer rate is faster than that of oxygen, and the concentration can be increased. For this reason, not only the microbial fuel cell can be efficiently used for the removal or recovery of heavy metals, but also the heavy metal ions in the industrial wastewater can be efficiently used for producing the output of the battery for electric power production. A paper with remarkably improved power output was published. Therefore, it is very advantageous to construct a microbial fuel cell by continuously passing single wastewater or mixed wastewater directly to the reduction electrode chamber of a microbial fuel cell.
미생물 연료전지의 성능을 제한하는 다른 문제점은 산화전극실에 있는 금속 환원 박테리아와 같은 혐기성 전자방출 미생물이 유기물을 대사하여 생성한 환원형 nicotin amide dinucleotide(NADH)와 flavin adenosine dinucleotide(FADH2)가 미생물 세포외막의 촉매자리의 촉매에 전자를 전달하여 촉매를 환원하고 그 촉매의 전자는 다시 바탕의 산화전극으로 이동이 된다. 전기촉매의 전자/정공 생성속도가 촉매 반응에 의하여 가속되어 전자/정공의 농도를 상승시킨다. 이때 산화전극으로의 전자이동을 가속시키는 데 있어서 장애물은 오직 전극과 촉매 계면 간의 전자전달 저항이다. 전력생산을 증가시키기 위해서는 생성된 전자를 빠른 속도로 바탕 산화전극 전도체에 연결된 외부 도선을 통하여 환원전극으로 이동시켜야 한다.Another problem that limits the performance of microbial fuel cells is that the reduction type nicotin amide dinucleotide (NADH) and flavin adenosine dinucleotide (FADH 2 ), which are produced by anaerobic electron-emitting microorganisms such as metal-reducing bacteria in the oxidizing electrode chamber metabolize organic matter, The catalyst is reduced by transferring electrons to the catalyst of the extracellular membrane, and the electrons of the catalyst are transferred to the underlying oxidation electrode. The electron / hole generation rate of the electrocatalyst is accelerated by the catalytic reaction to increase the concentration of electrons / holes. The obstacle in accelerating the electron transfer to the oxidation electrode is only the electron transfer resistance between the electrode and the catalyst interface. In order to increase power production, the generated electrons must be transferred to the reduction electrode through an external lead connected to the background oxide electrode conductor at a high rate.
이들 전자를 빠른 속도로 바탕 산화전극으로부터 이동시켜 제거하여 주지 않으면 전자는 촉매자리에 있는 정공과 재결합함으로 전자는 소멸되게 된다. 이 음과 양의 재결합의 결과는 열이나 빛을 내고 다시 없어지게 되어 전자의 표류속도는 감소하게 되고 전자 이동속도와 전류의 양도 감소하게 된다. 역으로 여러 가지 요인에 의하여 전류의 양이 감소하면 전자와 정공의 재결합은 가속되어 얻으려는 에너지 출력이 역시 감소하게 될 것이다. 이 출력감소는 양쪽 전극 중 하나의 낮은 전류밀도에 의해서 전체 전류가 결정되기 때문에 환원전극에서의 반응이 산화전극에 비하여 느리다면 전지의 에너지 생산은 심각하게 제한을 받을 수 있는 것이다. 예를 들면, 탄소 환원전극에서의 산소분자의 전기화학적 환원반응은 촉매가 없이는 미생물 촉매로 피복된 산화전극에서 아세테이트와 같은 유기물 산화반응이 느린 반응이기 때문에 환원전극의 반응속도를 증가시켜서 전체 전지의 전류밀도를 증가시키기 위한 여러 가지 노력이 국내외적으로 진행되어 왔다.If these electrons are moved away from the background oxide electrode at high speed, the electrons will recombine with the holes in the catalyst sites, and the electrons will disappear. The result of this recombination of the positive and negative amounts is heat and light and disappears again, so that the drift velocity of the electron decreases and the electron migration rate and the amount of current decrease. Conversely, as the amount of current decreases due to various factors, the recombination of electrons and holes accelerates and the energy output to be obtained will also decrease. This output reduction is due to the fact that the total current is determined by the low current density of one of the two electrodes, so that if the reaction at the reductive electrode is slower than that of the oxidized electrode, the energy production of the battery may be severely limited. For example, an electrochemical reduction reaction of oxygen molecules in a carbon reduction electrode is a slow reaction of an organic substance oxidation reaction such as acetate in an oxidation electrode coated with a microbial catalyst without a catalyst, so that the reaction rate of the reduction electrode is increased, Several efforts have been made to increase the current density both domestically and externally.
국내외의 최근 연구에서는 환원전극 실에 산소를 전자 수용체로 사용하지 않고환원전위가 높고 전자를 가역적으로 빠르게 수용하는 중금속 이온들을 사용하는 데에 노력을 경주하여 미생물 연료전지의 출력의 개선을 도모하여 왔다. 산화전극과 환원전극의 전자전달 속도를 측정하기 위하여 electrochemical impedance spectroscopy(EIS)로 저항을 측정한 크롬 미생물 연료전지(Cr(VI)-MFC)의 경우, 환원전극이 산화전극에 비하여 수천 배 정도 느린 것으로 나타나 전체 미생물 전지의 출력은 환원전극의 전자전달 속도에 의하여 크게 제한이 되고 있음을 알 수 있다 (도 1 및 표 1). 산소 분자의 전자 수용체로서의 기능은 Cr(VI)에 비하여 더욱 낮다. O2-MFC에서는 Cr(VI)-MFC 보다 환원전극에 의한 전체 전지 출력의 제한이 더 큰 점으로 말미암아 국내외적으로 백금이나 인산기와 같은 기능기를 첨가하여 환원전극에 촉매의 도움을 받아 전체 전지 출력을 높이려는 노력이 꾸준히 있었다.Recent researches at home and abroad have attempted to improve the output of microbial fuel cells by using heavy metal ions that do not use oxygen as an electron acceptor in a reductive electrode chamber and have a high reduction potential and reversibly and rapidly accept electrons . In the case of chromium microbial fuel cells (Cr (VI) -MFC), where the resistance was measured by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in order to measure the electron transfer rate of the oxidizing electrode and the reducing electrode, the reducing electrode was several thousand times slower And the output of the whole microbial cell is greatly restricted by the electron transfer rate of the reducing electrode (FIG. 1 and Table 1). The function of the oxygen molecule as an electron acceptor is even lower than that of Cr (VI). In the O 2 -MFC, the limitation of the total cell output by the reduction electrode is larger than that of the Cr (VI) -MFC. Therefore, functional groups such as platinum and phosphate are added domestically to the reduction electrode, There was a steady effort to increase.
MFC의 개별 전극들의 전기화학적 임피던스 분광학적(EIS) 분석은 pH 2의 100 ppm Cr(VI)을 포함하는 환원전해질과 개방회로 전압에서 수행이 되었다. 생물막으로 피복된 산화전극과 산화전해질은 탄소 부러쉬 전극과 인산 바퍼의 아세테이트 용액이었다.Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) analysis of the individual electrodes of the MFC was performed at a reducing electrolyte containing 100 ppm Cr (VI) at
도 1A과 도 1B은 보데 도시를 나타내고 도 1C는 개별 전극들의 한 개의 시상수 모델(one time constant model; OTCM)과 전전지의 두 개의 시상수 모델(two time constant model; TTCM)에 대한 등가회로에 맞춘 나이퀴스트 도시를 보여준다. 도 1B에서는 보데 도시의 낮은 주파수대의 위상각은 환원전극보다 산화전극에서 더 -90°에 가까움을 나타내는데 이는 환원전극에서보다 산화전극에서 더 높은 이중층 용량(Cdl)이 존재한다는 것을 나타낸다. 이것은 산화전극이 환원전극보다 전하축적에 기인한 훨씬 높은 활성표면적을 갖는다는 것을 뜻한다. 흥미롭게도 산화전극의 Cdl이 나이퀴스트 도시에 의하여 환원전극의 그것보다 3 오더 크기가 된다는 것이 발견되었으며(도 1C 및 표 1), 이는 다시 생물 산화전극이 생촉매에 기인하여 훨씬 높은 활성 표면적을 가진다는 것을 나타낸다.FIGS. 1A and 1B show the Bodegas, and FIG. 1C shows a schematic diagram of an equivalent circuit for one time constant model (OTCM) of the individual electrodes and two time constant models (TTCM) Show Nyquist City. In FIG. 1B, the phase angle in Bodegau's low frequency band is closer to -90 ° at the oxidation electrode than at the reduction electrode, indicating that there is a higher bilayer capacity (C dl ) at the oxidation electrode than at the reduction electrode. This means that the oxidized electrode has a much higher active surface area due to charge accumulation than the reduced electrode. Interestingly, it has been found that the C dl of the oxidized electrode is 3 orders of magnitude larger than that of the reducing electrode by the Nyquist plot (Fig. 1C and Table 1), again indicating that the biooxidized electrode has a much higher active surface area .
Cdl은 전극표면에서 전압에 대한 전하밀도의 미분으로서 얻을 수 있다. 이것은 알짜 전류가 흐르지 않는 개방회로 전위 조건하 조차도 환원전극에 비하여 큰 Cdl에 기인하여 큰 전하 축적이 전자방출 대사 산화 가능 물질로부터 산화전극에서 일어난다는 것을 의미한다. 이것은 촉매지역의 최저 비점유 분자궤도함수(LUMO)로부터 산화전극으로 실제 음전하전달이 존재하고 촉매 지역은 미생물 속에 부착되어있는 상태로 존재할 수 있다. 그러나 생촉매 산화전극 근처의 용액에서 수행되는 순환전압법과 같은 전기화학적 측정에 따르면 용액 쪽에 있을 법한 매개체로부터 전류가 발견되지 않았다. 그러므로 전자전달이 용액에 있는 매개체에 의하여 일어난다는 것 보다는 외부 막에 결합되어 있는 촉매에 의하여 일어난다는 메카니즘이 더 가능성이 높다.C dl can be obtained as a derivative of the charge density with respect to the voltage at the electrode surface. This means that even under open-circuit potential conditions where no net current flows, large charge accumulation occurs at the oxidation electrode from the electron-releasing metabolizable material due to the large C dl as compared to the reduction electrode. This may be due to the fact that there is actually negative charge transfer from the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the catalytic region to the oxidation electrode and that the catalytic region is attached to the microorganism. However, according to electrochemical measurements such as cyclic voltammograms performed in solutions near the biocatalytic oxidation electrode, no current was found from the mediocre at the solution side. It is therefore more likely that the mechanism by which the electron transport occurs by the catalyst bound to the outer membrane rather than by the mediator in the solution.
도 1A에서 보데 도시의 낮은 주파수대는 카본솔 산화전극의 전하전달 저항(Rct)이 카본 천 환원전극의 것보다 2.5 오더의 크기로 낮은데 이는 산화전극에서의 아세테이트 산화속도가 환원전극에서의 Cr(VI)의 환원속도보다 훨씬 더 높을 수 있다는 것을 나타낸다. 전전지의 Rct와 위상각의 모양은 환원전극으로부터 주로 기여가 있기 때문에 환원전극의 그것들에 가깝다(도 1A 및 도 1B). 임피던스를 등가회로(도 1C)에 맞추어 얻은 맞춤 인자들은 표 1에 제시되었다. 옴 저항 RΩ은 산화전극실의 높은 용액 전도도에 기인하여 환원전극실에서 산화전극실에서보다 약 4.8 배 낮았다. 산화전극의 Rct는 나이퀴스트 도시에 의한 환원전극의 그것보다 50.8 배 낮은 것이 발견되었다.1A, the charge transfer resistance (R ct ) of the carbon brush electrode is lower than that of the carbon nanotube electrode electrode by a factor of 2.5, which indicates that the rate of acetate oxidation at the oxidizing electrode is lower than that of the Cr Lt; RTI ID = 0.0 > VI). ≪ / RTI > The shape of the R ct and phase angle of the whole cell is close to those of the reduction electrode (Fig. 1A and Fig. 1B), mainly because of the contribution from the reduction electrode. The fitting factors obtained by adapting the impedance to the equivalent circuit (FIG. 1C) are shown in Table 1. The ohmic resistance R Ω was about 4.8 times lower than that in the oxidizing electrode chamber in the reducing electrode chamber due to the high solution conductivity of the oxidizing electrode chamber. The R ct of the oxidized electrode was found to be 50.8 times lower than that of the reducing electrode of Nyquist.
산화전극과 환원전극의 Rct's의 합은 전전지 값(1.94 x 104 Ω)과 정확하게 일치하는 1.94 x 104 Ω이었는데 이는 Rct's의 대부분이 환원전극의 것으로부터 기여되었다는 것을 나타낸다(표 1). 그러나 전전지의 Cdl과 직렬연결에 대한 개별 이중층 용량의 역수의 합으로부터의 값은 각각 2.79 x 10-5 F과 7.66 x 10-5 F이었다. 각 기여의 합으로 정의되는 내부저항(Rint)은 전전지와 개별 기여의 합 둘 다 1.94 x 104 Ω이었다. 한편 같은 조건(100 ppm Cr(VI))에서 분극곡선의 키네틱 지역에서의 기울기로부터 얻은 Rint은 1.14 x 102 Ω이었다(표 1). 이것은 EIS에 의한 Rint가 옴의 법칙에 의하여 얻은 값보다 2 오더의 크기로 더 높다는 것을 나타낸다. 이는 두 방법 사이에 큰 차이가 있음을 보여준다. 후자의 방법은 옴 저항법에서 많이 벗어나기 때문에 옴저항과 함께 전하전달 저항의 일부가 포함될 수 있음을 보인다. 이 사실은 EIS 결과가 MFC의 참 내부저항을 나타내는 것으로 사료된다.Oxide electrode and the reduction electrode in the R ct 'the sum of s was 1.94 x 10 4 Ω to exactly match the former cell value (1.94 x 10 4 Ω) which R ct' indicates that the contribution from which most of the s of the reduction electrode (Table 1). However, the values from the sum of the reciprocal of the individual bilayer capacities for the C dl and the series connection of the entire cell were 2.79 × 10 -5 F and 7.66 × 10 -5 F, respectively. The internal resistance (R int ), defined as the sum of each contribution, was 1.94 x 10 4 Ω for both the total cell and the individual contribution. On the other hand, the R int obtained from the slope of the polarization curve in the kinetic region under the same conditions (100 ppm Cr (VI)) was 1.14 x 10 2 Ω (Table 1). This indicates that R int by the EIS is higher by 2 orders of magnitude than the value obtained by Ohm's law. This shows that there is a big difference between the two methods. The latter method deviates much from the ohmic resistance method, so it can be seen that some of the charge transfer resistance can be included with the ohmic resistor. This fact suggests that the EIS results represent the true internal resistance of the MFC.
그러므로 Rct와 Cdl에 대한 상기 언급된 논의를 요약하면 전하전달은 현 시스템에 대한 환원전극에서 보다 산화전극에서 약 2 오더 크기로 더 빠르다는 것이 예상된다. 전전지의 높은 전력을 성취하기 위하여 (1) Cr(VI)의 농도를 증가하여, (2) 환원전극 면적을 증가하여, (3) 환원반응에 대한 활성화 에너지를 감소하여 환원전극의 행동은 향상될 수 있다.Therefore, in summary of the above-mentioned discussion of R ct and C dl , it is expected that the charge transfer will be about two orders of magnitude faster at the electrode than at the reduction electrode for the current system. (1) increase the concentration of Cr (VI), (2) increase the area of the reducing electrode, (3) decrease the activation energy for the reduction reaction, and .
첫째로 다른 Cr(VI) 농도에 대한 전전지의 EIS 분석에 의하면 Rint는 단계적으로 감소하나 1000 ppm 보다 높은 농도에서는 포화된다(도 2). 봉우리 전류밀도(Jpeak)는 Rint에 역비례하고 봉우리 전류의 크기는 봉우리 전압 이전의 전하전달 조절 과정 하에서 내부저항에 의하여 주로 결정되었다. 전류 봉우리 이후의 전압들에서 전류는 물질전달(이 경우에는 확산) 조절에 의하여 재한된다(도 2A). 그러나 1000 ppm에서 2000 ppm으로 Cr(VI)를 증가하여도 극한 전류는 크게 증가하지 않았다. 이것은 산화반응 동결로 설명이 될 수 있다. 둘째로 환원전극 면적효과를 증가시키는 것은 전력이 그다지 증가하지 않기 때문에 높지 않다. 본 선행 연구에서 환원전극의 보다 작은 면적을 사용하는 것은 큰 면적에 비하여 전력밀도를 증가시키나 총 전력은 이 둘 사이에 유사하였다. 이 인자에 의한 전력향상에는 한계가 있을 것이다.First, according to the EIS analysis of the entire cell for different Cr (VI) concentrations, R int decreases stepwise, but saturates at concentrations higher than 1000 ppm (FIG. 2). The peak current density (J peak ) is inversely proportional to R int and the magnitude of the peak current is mainly determined by the internal resistance under the charge transfer control process prior to the peak voltage. At voltages after the current peaks, the current is limited by mass transfer (diffusion in this case) (Fig. 2A). However, the increase of Cr (VI) from 1000 ppm to 2000 ppm did not significantly increase the extreme current. This can be explained by the oxidation reaction freeze. Second, increasing the reductive electrode area effect is not high because the power does not increase much. In this previous study, using a smaller area of the reducing electrode increased the power density compared to the larger area, but the total power was similar between the two. There will be a limit to power improvement by this factor.
셋째로 전류밀도의 큰 향상은 산화전극에 의한 동결이 일어날 때까지 촉매를 가진 환원전극에 의하여 성취될 것으로 예상된다. 이것은 Rct를 감소시키는 것으로 귀결된다. Rct 감소가 농도 증가에는 한계가 있을지라도 앞으로 개발될 필요가 있는 좋은 촉매를 가지고는 높일 수 있을 것으로 예상된다. 이 개발은 극대 전력밀도 향상을 초래할 것이다. 본 선행연구에서 Cr(VI)-MFC의 극대 전력밀도가 1/Rct cell(기울기 1.14 x 105 Wm-2Ω; 맞춤도 R2 = 0.975), 1/Rint ce11(기울기 1.14 x 105 Wm-2Ω; R2 = 0.975), and 1/Rslope (기울기 4.52 x 102 Wm-2Ω; R2 = 0.990)와 선형관계로부터 예측될 수 있다는 것을 아는 것은 더 흥미롭다. 전압대 전류밀도 곡선으로부터 봉우리 전류밀도(기울기 0.768 W/A; R2 0.982)와 극대 전류밀도(기울기 0.774 W/A; R2 = 0.957)와 같은 선형관계로부터 그 값을 역시 예측할 수 있다.Third, a large improvement in current density is expected to be achieved by the reduced electrode with catalyst until freezing by the oxidation electrode occurs. This results in decreasing R ct . R ct reduction is expected to increase with good catalysts that need to be developed even though there is a limit to the increase in the concentration. This development will result in an increase in maximum power density. In the previous study, the maximum power density of Cr (VI) -MFC was 1 / R ct cell (slope 1.14 x 10 5 Wm -2 Ω; fit R 2 = 0.975), 1 / R int ce 11 (slope 1.14 x 10 5 It is more interesting to know that a linear relationship can be predicted with Wm -2 Ω; R 2 = 0.975) and 1 / R slope (slope 4.52 × 10 2 Wm -2 Ω; R 2 = 0.990). The value can also be predicted from a linear relationship such as peak current density (slope 0.768 W / A; R 2 0.982) and maximum current density (slope 0.774 W / A; R 2 = 0.957) from the voltage versus current density curve.
위에 설명한 바와 같은 크롬 미생물 연료전지의 고출력의 장점을 산화환원 흐름 미생물 연료전지에 적용하여 연속 운전하게 되면 방전물질인 Cr3+가 생성되게 된다. 따라서 연속 고출력을 얻으려면 Cr3+를 전기화학적으로 산화하여 미생물 연료전지의 환원전극실의 전자 흡수체인 Cr6+로 만들어 계속적으로 재생하여 공급하여 주어야 한다. 이 재생을 위해서는 크롬이 산화되는 산화전극실과 이와 짝을 이루어 환원반응이 일어나야 하는 환원전극실과 그 양 전극실 사이에 용액이 섞이지 않도록 분리막을 사용한 전기화학 전기분해 전지를 이용하여야 한다. 여기에 반응이 일어나게 하기 위한 외부 전력을 공급하여야 하는데 이 전력은 재생에너지인 태양광 발전 전력을 사용한다. 물론 화력발전, 소수력 발전, 원자력 발전 등의 야간이나 남아도는 전력을 사용할 수도 있다. 그러나 도 2는 태양광 발전을 연계한 에너지 순환시스템을 상세히 보여주었다. 도 2는 태양광 연동 크롬 미생물 연료전지의 (A) 측면도, (B) 발전기 저장장치의 단면도를 보여주는데 태양광 전력을 이용하여 생산된 전자 흡수체를 저장하는 저장조를 주목하기 바란다. 장치의 실제 예 그림에는 배스킷 속에 미생물이 든 산화전극을 독립적으로 조절하는 사용법을 보여주고 있다. 도 3은 태양광 발전 전력의 재생 전자 흡수체 전기분해조를 연계한 연속 및 회분식 중금속 미생물 연료전지의 개념도이다. 도 4는 고에너지 저장과 생산을 위한 복합 전극을 가지고 있는 연속 및 회분식 장치의 개념도이다. 이와 같은 미생물 연료전지를 연계한 에너지 저장 및 재생 시스템의 고안은 지금까지 발표된 바가 없다.When the high output power of the chromium microbial fuel cell as described above is applied to the redox flow microbial fuel cell and continuous operation is performed, the discharge material Cr 3+ is generated. Therefore, in order to obtain high continuous power, Cr 3+ should be electrochemically oxidized and converted into Cr 6+ , which is an electron absorbing material of the reducing electrode chamber of the microbial fuel cell, and continuously regenerated and supplied. For this regeneration, an oxidizing electrode chamber in which chromium is oxidized, a reductive electrode chamber in which a reduction reaction is to be made in a pair with the electrode, and an electrochemical electrolytic cell using a separation membrane so as not to mix the solution between the electrode and the electrode chamber should be used. Here, external power must be supplied to cause the reaction to occur, and this power uses photovoltaic power, which is renewable energy. Of course, it is possible to use electricity at night or at night, such as thermal power generation, small hydro power generation, and nuclear power generation. However, FIG. 2 shows a detailed energy circulation system that links solar power generation. FIG. 2 is a side view (A) of a solar cell chromium microbial fuel cell, and FIG. 2 (B) shows a cross-sectional view of a generator storage device. Note the reservoir storing the electron absorber produced using solar power. A practical example of the device shows how to independently control the microbial oxidation electrode in the bathtub. 3 is a conceptual diagram of a continuous and batch type heavy metal microbial fuel cell in which a regenerative electron absorber electrolytic cell of photovoltaic power generation is connected. 4 is a conceptual diagram of a continuous and batch device having a composite electrode for high energy storage and production. The design of an energy storage and regeneration system that links such a microbial fuel cell has not been disclosed until now.
본 발명의 목적은 기존의 태양광 저장 장치에 사용되는 납산 밧데리는 특정 시간 동안만 축전이 가능하다는 저장 능력의 한계점을 개선하기 위하여 설치비용이 저렴하고 친환경적인 미생물 연료전지와 전자 흡수체의 에너지 저장 작용을 결합한 태양광 에너지의 저장 및 에너지 재사용 방법을 제공하고자 하는 것이다. 또한 규모가 큰 발전시스템은 물론 가정용의 소규모에 이르는 환경에서 유기물 폐수를 정화함과 동시에 실용적인 에너지의 생산과 저장 및 재사용의 패러다임을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a lead-acid battery capable of storing electricity for a specific period of time, To provide a method of storing and reusing solar energy in combination with solar energy. It also purifies organic wastewater in large-scale power generation systems as well as small-scale households, while providing a paradigm for practical energy production, storage and reuse.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 태양광 발전 전력을 이용하여 크롬과 같은 중금속을 산화하여 미생물 연료전지의 환원전극의 전하 흡수체로 준비하여 저장한다. 이를 필요시에 미생물 연료전지의 카본, 티타늄, 스테인레스 강과 같은 재료의 환원전극을 가진 환원전극 실로 순환하고 미생물 연료전지의 산화전극에는 혐기성 미생물의 성장을 위한 가능한한 비표면적이 넓은 탄소 재료인 그래파이트 솔, 그래파이트 펠트 및 탄소 폼, 다공성의 나노 탄소막과 같은 탄소전극 상에 성장시키고 산화전극 실에는 유기물 폐수를 순환시켜 미생물의 대사에 필요한 유기물로 공급하여 유기물의 제거와 동시에 전력생산을 얻는 종합적인 방법과 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a charge absorber of a reducing electrode of a microbial fuel cell by oxidizing heavy metals such as chromium by using solar photovoltaic power. If necessary, it is circulated to a reduction electrode chamber having a reduction electrode of a material such as carbon, titanium, or stainless steel of a microbial fuel cell, and an oxidizing electrode of a microbial fuel cell is provided with a graphite brush as a carbon material having as large a specific surface area as possible for growth of anaerobic microorganisms , Graphite felt, carbon foam, porous nano carbon film, and the organic electrode wastewater is circulated in the electrode electrode room to supply organic matter necessary for the metabolism of microorganisms, thereby achieving power generation simultaneously with removal of organic matter Device.
해결수단의 예를 보면, 저장한 전기에너지를 재사용하기 위해서 환원전위가 높은 전자 흡수체로Cr(VI)를 사용하여 작동 극대전압 0.95 V에서 23 Wm-2, 전류 38 Am-2(3.8 mAcm-2) 정도를 성취할 수 있으나 이 전지의 환원전극 실에서 Cr(III)의 생성이 일어나는데 이를 산화하여 Cr(VI)으로 재생하는 것이 필요하다. 이는 태양광 발전 시스템의 저장물질을 사용한 밧데리 시스템인 Cr(VI)-MFC의 방전사용 후 Cr(III)의 산화는 별도의 Cr(VI)로 Cr(III)의 산화를 위한 분리 막이 장착된 전지를 구성하여 황산 바퍼를 pH 2 정도로 조절한 수용액에 Cr(III)을 넣은 전극실을 산화전극으로 하고 Cr(III)이 들어 있지 않는 전극실을 환원전극으로 한다. 필요한 전압과 전력을 태양광 전지를 사용하여 낮의 발전시간 동안 Cr(VI)를 재생하여 저장하고 발전시에 Cr(VI)-MFC의 환원전극 실에 공급하면 연계한 미생물 연료전지의 지속적 발전이 가능하다.An example of a solution is to use the Cr (VI) as the electron absorber with a high reduction potential to reuse the stored electrical energy, to achieve 23 Wm -2 at an operating maximum voltage of 0.95 V, a current of 38 Am -2 (3.8 mA cm -2 ), But the formation of Cr (III) occurs in the reductive electrode chamber of this cell, and it is necessary to oxidize it and regenerate it as Cr (VI). This is due to the fact that the oxidation of Cr (III) after the discharge of Cr (VI) -MFC, which is a battery system using the storage material of PV system, And an electrode chamber containing Cr (III) as an oxidizing electrode and an electrode chamber containing no Cr (III) as a reducing electrode. By using the photovoltaic cells, the required voltage and power can be regenerated and stored in the Cr (VI) during the daytime power generation and supplied to the reductive electrode chamber of Cr (VI) -MFC during the power generation to enable continuous development of the connected microbial fuel cell. Do.
본 발명에서는 Cr(VI)과 같은 높은 환원전위와 우수한 가역성에 힘입는 장기간 사용이 가능한 고출력의 흐름형 산화환원형 크롬 미생물 연료전지(HPCMFC)의 환원물질인 Cr(III)을 산화하여 Cr(VI)로 재생하는 지속과정이 필요한데 이 재생에 필요한 에너지는 역시 지속 가능한 재생에너지인 태양광 발전 전기 에너지를 연계 시스템으로 이용하는 것이 바람직하다. Cr(VI)과 같은 전자 흡수체의 원료는 폐수에서 얻는 것이 환경문제의 해결의 관점에서는 매우 바람직하다. 폐수처리의 관점에서 중금속들은 혼합으로 발생되는 경우가 많다. 이 경우에도 높은 환원전위를 가진 중금속 이온이 있으면 낮은 환원전위를 가진 중금속 이온이 혼합된 폐수를 직접 환원전극 실에 낮은 HRT로 통과시키면 일단 높은 환원전위를 가진 중금속 이온이 금속으로 환원전극 실에서 석출되거나 낮은 산화상태로 환원되고 이때 전압과 전력을 발생시키는 것이 가능하다.In the present invention, Cr (III), which is a reducing material of HPCMFC, is oxidized to produce Cr (VI), which can be used for a long time, which is supported by high reduction potential such as Cr (VI) and excellent reversibility. ). It is desirable to use solar energy, which is sustainable renewable energy, as a link system. The raw material of the electron absorber such as Cr (VI) is preferably obtained from the waste water from the viewpoint of solving environmental problems. In terms of wastewater treatment, heavy metals are often generated by mixing. In this case, if heavy metal ions having a high reduction potential are present and the waste water mixed with heavy metal ions having a low reduction potential is directly passed through the HRT electrode in the reduction electrode chamber, heavy metal ions having a high reduction potential once are precipitated in the reducing electrode Or it is reduced to a low oxidation state and it is possible to generate voltage and power at this time.
본 발명에서는 위하여 이실(two chambers) 전지 디자인에 변화를 준 디자인을 사용하는데 오른쪽 환원전극 실에 환원 전해질이 조절된 적정 수리학적 체류시간(HRT)을 유지하면서 지나가게 하고 왼쪽에 혐기성 박테리아를 피복한 산화전극으로 유기물이 역시 적정 HRT를 유지하면서 유기물을 연료로 사용하는 전지 디자인을 가지고 고 전력을 얻는 시스템을 제공한다.In the present invention, a design that changed the two-chamber cell design was used. The reduction electrode was passed through the right reducing electrode chamber while maintaining the proper hydraulic retention time (HRT) controlled, and the anaerobic bacteria It provides a system that obtains high power with a battery design that uses an organic material as fuel while maintaining the proper HRT of an organic material as an oxidation electrode.
미생물 연료전지의 환원전극 실에서 중금속 산화조로 돌아온 중금속은 태양광 전력과 전압 사용으로 산화반응을 통하여 다시 전하 흡수가 가능한 높은 산화상태로 되돌려서 재사용을 준비한다. 그러나 연속 흐름으로 전해질을 회전시켜 pH를 일정하게 유지시키는 것이 필요할 수 있다. 이는 흐름형 산화환원 미생물 연료전지로의 디자인의 장점을 이용하여 pH를 일정하게 유지할 수 있다.The heavy metals returned from the reductive electrode chamber of the microbial fuel cell to the heavy metal oxidizing vessel are returned to a high oxidation state through the oxidation reaction using the photovoltaic power and the voltage to prepare for the reuse. However, it may be necessary to keep the pH constant by rotating the electrolyte with a continuous flow. This allows the pH to be kept constant by taking advantage of the design of the flow-type redox microbial fuel cell.
본 발명에서 미생물에 필요한 유기물은 사실상 무한한 자원인 실 유기물 폐수를 적용하였을 경우 실용성의 미생물 연료전지에서는 유기물 폐수의 연속 흐름으로 공급하여 최종 단계에서는 유기물이 환경에 큰 영향을 주지 않을 정도의 환경기준의 수준으로 연속 흐름으로 최종 배출이 될 수 있으면 이상적일 것이다. 이는 미생물 산화전극 실을 폐수가 단계적으로 통과하게 하여 체류시간을 길게 하여 줌으로써 이 수준의 성취를 이룰 수 있을 것이다. 따라서 충전과 방전만 가능한 기존 저장 시스템에 비하여 유기물 폐수처리와 함께 전기생산이라는 기존 저장 시스템이 갖지 못한 장점이 있다. 또한 기존 납산 저장 시스템은 태양광 발전 시스템에 의하여 낮 시간 중의 제한된 시간만 충전이 가능하기 때문에 중금속 재생 시스템과 연계된 미생물 전지의 에너지 재생 시스템은 매우 용도가 촉망되는 시스템으로 발전될 가능성이 있다. 또한 복합 중금속 이온으로 오염된 중금속 폐수도 사용이 가능하다. 이는 두 가지 이상의 기술의 융합형으로 시너지 효과를 내는 흥미로운 장치로 미생물 연료전지는 미생물이 대사하여 전자를 발생할 유기물공급과 전자를 흡수할 환원물질만 연속공급이 되면 시간에 구애됨이 없이 발전하며 특히 태양광이 성취할 수 없는 야간에도 발전과 전기공급이 가능하며 유기물을 동시에 제거하는 친환경적 실용성이 있는 전기 생산 시스템으로 발전될 수 있다.In the present invention, the organic matters required for the microorganisms are supplied as a continuous stream of the organic wastewater in the practical microbial fuel cell when the organic organic wastewater, which is an infinite resource, is applied. In the final stage, the organic matter does not significantly affect the environment. It would be ideal if it could be the final discharge with continuous flow to the level. This can be accomplished by allowing the wastewater to pass through the microbial oxidation electrode chamber in a stepwise fashion, thereby prolonging the residence time. Therefore, compared with the conventional storage system capable of only charging and discharging, there is an advantage that the conventional storage system of electricity production together with the treatment of organic wastewater is not available. In addition, since the conventional lead storage system can be charged only for a limited time during the daytime by the photovoltaic power generation system, the microbial battery energy recovery system connected with the heavy metal recovery system is likely to be developed as a highly promising system. Heavy metal wastewater contaminated with complex heavy metal ions can also be used. This is an interesting device that synergizes with two or more technologies. As microbial fuel cells are metabolized and generate electrons, only the reducing materials that absorb the electrons and the electrons are continuously supplied. It can be developed into an electric production system with environmentally friendly practicality that can generate electricity and supply electricity even at night when sunlight can not be achieved and remove organic matter at the same time.
미생물 연료전지가 전력생산면이 부족하여 경쟁력이 낮게 보였는데 본 발명으로 이를 돌파할 수 있을 것으로 사료된다. 이러한 고성능의 흐름형 미생물 연속 연료전지는 국내는 물론 국제적으로도 최초이며 연료전지로서 실용화에 한 발 더 접근하는 발명이다. 그러나 본 발명에서 고성능 흐름형 MFC의 산화전극의 활성을 유지하기 위해서는 산화전극실의 pH는 혐기성 미생물이 살기에 적합한 7로 조절하는 것이 요망된다. 전자 흡수체인 육가 크롬은 황산 버퍼로 pH를 2로 조절하는 것이 반응에 유리하다.The microbial fuel cell seems to have a low competitiveness due to the lack of power production, but the present invention is expected to break through this. This high-performance flow-type microorganism continuous fuel cell is the first in the world, not only in Japan, but also as a fuel cell, one approach to commercialization. However, in order to maintain the activity of the oxidation electrode of the high-performance flow MFC in the present invention, it is desired that the pH of the oxidation electrode chamber is adjusted to 7, which is suitable for living anaerobic microorganisms. The hexavalent chromium, which is an electronic absorber, is advantageously reacted with a pH of 2 with a sulfuric acid buffer.
본 발명에 따르면 전자 수용체로서 Cr(VI)의 강력한 환원 에너지 준위와 전자전달 반응속도에 힘입은 Cr(VI)-MFC의 경우처럼 800 ppm Cr(VI) 농도만 가지고도 비슷한 시스템의 세계 문헌자료에 비하여 거의 15 배에 달하는 극대전력의 향상에 힘 입어 극대 전력 23 Wm-2, 극대 전력에서의 기초 인자들인 극대 전류는 38 Am-2와 극대 전압은 0.61 V로 비교적 실용적인 전지로 발전이 가능하게 된 사실에 주목하면 Co3+, Ce4+, S2O8 2-, Mn3+, MnO2, NiO2이나 VO2 +와 같은 높은 환원전위의 중금속의 선택으로 성능은 획기적으로 향상되었다. Cr(VI)-MFC를 예로 들면 환원전극실의 방전물질은 Cr(III)인데 이를 육가 크롬으로 산화하여 지속적으로 공급 회전하여 전지는 태양광 발전의 거의 영구적인 저장시스템으로 사용이 가능함과 동시에 유기물 폐수가 처리된다. 본 발명에서의 이러한 새로운 고성능의 전력생산과 태양광 발전의 저장 시스템 연계 장치는 국내외 발명의 예가 없기 때문에 신재생 에너지 연계 사용의 한가지 패러다임을 제공한다.According to the present invention, even in the case of Cr (VI) -MFC, which has a strong reduction energy level of Cr (VI) as an electron acceptor and electron transfer rate, The peak power of 23 Wm -2 , the maximum current of 38 Am -2 and the maximum voltage of 0.61 V are the basic factors of maximum power, As a matter of fact, the selection of heavy metals such as Co 3+ , Ce 4+ , S 2 O 8 2- , Mn 3+ , MnO 2 , NiO 2 and VO 2 + In the case of Cr (VI) -MFC, for example, the discharge material in the reductive electrode chamber is Cr (III), which is continuously supplied and oxidized by hexavalent chromium so that the battery can be used as an almost permanent storage system of solar power generation, Waste water is treated. This new high performance power generation system and solar power generation storage system linkage apparatus according to the present invention provide a paradigm of use of renewable energy linkage because there is no example of domestic or foreign invention invention.
미생물 연료전지는 국내외 아직 상용화할 만한 시스템의 개발이 되어있지 않았는데 그 이유는 충분한 전력과 전류의 생산이 이루어지는 시스템이 개발되지 않고 있기 때문이었다. 본 발명의 연속 흐름형 Cr(VI)-MFC과 같은 산업 폐수처리용 중금속 이온 혼합형 MFC의 환원전극을 최적화함으로써 흐름형 산화환원 미생물 연료전지는 흐름형 바나듐 산화환원 전지와 같은 기존 장치를 능가하는 경제성 있는 장치가 가능했다.Microbial fuel cells have not been developed for commercialization at home and abroad because a system for producing sufficient power and current has not been developed. By optimizing the reducing electrode of the heavy metal ion mixed MFC for industrial wastewater treatment such as the continuous flow type Cr (VI) -MFC of the present invention, the flow type redox microorganism fuel cell is more economical than existing devices such as flow type vanadium redox batteries There was a device available.
태양광 발전에 의한 전력생산에 있어서 저장시스템은 대부분 태양광 발전 가능 시간 동안 납산 밧데리와 같은 재충전 밧데리에 전기를 충전하여 부하에 전기를 공급하여 사용하는 형식이 대부분이어서 충전을 효율적, 경제적으로 수행하는 전기에너지 저장형 밧데리의 개발이 결정적이므로 연속 흐름형 미생물 연료전지로 대체하는 것이 필요할 수 있다. 본 발명에서는 상용 태양전지인 150 W와 500 W의 태양광 발전 시스템을 연동할 수 있는 저장 시스템의 모델로서 개발하였다.Most of the storage systems for generating electricity by solar power generation are those that charge electricity to rechargeable batteries such as lead-acid batteries for the time of solar power generation and supply electric power to the load, so that charging is performed efficiently and economically As the development of electric energy storage batteries is critical, it may be necessary to replace them with continuous-flow microbial fuel cells. The present invention has been developed as a model of a storage system capable of linking photovoltaic power generation systems of 150 W and 500 W, which are commercial solar cells.
이를 2도에 제시한 바와 같이 본 발명의 예에서는 Cr(VI)-MFC에서 Cr(III)을 방전 물질로 발생시키는데 재생을 위하여는 이를 산화하여 Cr(VI)를 축적시키고 이를 Cr(VI)-MFC의 환원전극실에 Cr(VI)을 재공급함으로써 태양광 발전에서 생산하여 축적한 전기에너지를 흐름형 산화환원형 미생물 연료전지로 재생이 가능하다. 따라서 두 시스템을 결합 사용함으로써 에너지를 대량 환경친화적으로 이용할 수 있다. 이러한 융합 개발은 국내는 물론 국제적으로도 개발된 예가 없기 때문에 국제적으로도 에너지 면에서 경쟁력 있는 단계로 끌어 올리는 효과가 있다.As shown in FIG. 2, in the present invention, Cr (VI) -MFC generates Cr (III) as a discharge material. In order to regenerate Cr (III) By re-supplying Cr (VI) to the reductive electrode chamber of MFC, it is possible to regenerate electric energy accumulated in photovoltaic power generation by flow-type photocatalytic cyclic microbial fuel cell. Thus, by combining the two systems, energy can be used in a mass-eco-friendly manner. The development of such convergence has not been developed in the domestic as well as internationally, so it has the effect of raising it to a competitive stage in the international energy.
본 발명에서는 기존의 잉여 태양광 전력을 이용한 새로운 미생물 연료전지의 구축은 폐수처리장의 혐기성 소화조의 혐기성 슬러지로 탄소전극과 같은 재료의 산화전극을 접종하고 환원전극은 탄소, 티타늄, 스테인레스 강을 사용하는 등 매우 저렴한 설비와 유지비용이 드는 효과가 있다. 이러한 미생물 연료전지분야에 태양광 발전 시스템의 저장기능을 연계한 대체에너지의 실용성을 추구하여 국내의 대체에너지 이용의 전체 에너지 수급의 점유율을 높이려는 국내의 노력과 부합된다.In the present invention, the construction of a new microbial fuel cell using the existing surplus solar power is performed by using an anaerobic sludge of an anaerobic digestion tank of a wastewater treatment plant and inoculating an oxidizing electrode of a material such as a carbon electrode and using a carbon, titanium, or stainless steel Which is very cheap and has a maintenance cost effect. This is in line with domestic efforts to increase the share of total energy supply and demand for alternative energy use in Korea by pursuing the practicality of alternative energy linked with the storage function of PV system in the field of microbial fuel cells.
본 발명에서는 태양광 발전에서는 수소를 대량 생산하여 필요한 곳에 이송할 수도 있겠으나 수송저장의 한계와 고압 용기의 사용 등이 불리하나 대량으로 태양광 발전에 의한 생산한 산화형의 Cr(VI)은 고농도로 운반에 드는 비용이 절감되어 기체의 운반보다는 고밀도 에너지의 수급이 가능하다. 제안한 흐름형 산화환원 미생물 연료전지에 재생이 필요한 Cr(VI) 전자 수용체는 바나듐이나 Co(III)와 같은 대체 전자수용체를 사용하는 방법도 가능하여 물질 사용의 융통성이 있다. 혐기성 미생물의 대사물질은 유기물이기 때문에 국내 음식물 폐기물을 전기 에너지화 하는데도 크게 일조할 수 있어서 이러한 에너지의 환경 친화적이다.In the present invention, it is possible to mass-produce hydrogen and transfer it to a necessary place in the photovoltaic power generation, but the limit of transportation storage and the use of a high-pressure vessel are disadvantageous. However, oxidized Cr (VI) The cost of transportation is reduced, and it is possible to supply and receive high-density energy rather than transporting gas. Cr (VI) electron acceptors, which require regeneration in the proposed flow-type redox microbial fuel cell, are available with alternate electron acceptors such as vanadium or Co (III), which is flexible in material use. Since the metabolites of anaerobic microorganisms are organic matter, they can contribute greatly to the energy conversion of domestic food waste, which is environmentally friendly.
도 1은 Electrochemical impedance spectroscopy of the MFC: (A) logarithm of modulus of impedance lZl vs. logarithm of frequency, (B) phase angle (degree) vs. logarithm of frequency f, and (C) Nyquist plots. Catholyte; 100 ppm HCrO4 - at pH 2.
도 2는 태양광 연동 크롬 미생물 연료전지의 측면도이다.
도 3 은 미생물 연료전지 발전 장치의 단면도이다.
도 4은 태양광 발전 전력을 이용해서 전자 흡수체를 재생한다. 여기서 전자흡수체를 담고 있는 전기분해조를 연계한 연속 및 회분식 중금속 미생물 연료전지의 개념도이다.
도 5는 고에너지 저장과 생산을 위한 복합 전극을 가지고 있는 연속 및 회분식 장치의 개념도이다.
도 6은 Effects of initial concentration of HCrO4 - at pH 2 on (A) peak currents and (B) maximum power densities: the anolyte was 1.0 g (12.2 mM) sodium acetate with phosphate buffer at pH 7.
도 7은 Peak current densities and maximum power densities vs. Cr(VI) concentrations.
도 8은 Discharging curves: (A) Buffer A; 0.1 M H3BO3, 0.2 M NaCl,(B) Buffer B; 0.1 M NaHSO4, 0.2 M Na2SO4, (C) Buffer C; 0.1 M NaHSO4, 0.2 M NaCl, and (D) Buffer D; 0.1 M NaHSO4, 0.1 M Na2SO4. The Cr(VI) concentration was 500 ppm at pH 2. The load resistor was 1000 Ohms.FIG. 1 shows an electrochemical impedance spectroscopy of the MFC: (A) logarithm of modulus of impedance lZl vs. logarithm of frequency, (B) phase angle (degree), etc. logarithm of frequency f, and (C) Nyquist plots. Catholyte; 100 ppm HClO 4 - at
2 is a side view of a solar cell chromium microbial fuel cell.
3 is a cross-sectional view of the microbial fuel cell generator.
4 reproduces an electronic absorber using solar power generation power. Here, a conceptual view of a continuous and batch heavy metal microbial fuel cell connected with an electrolysis tank containing an electron absorber.
5 is a conceptual diagram of continuous and batch devices having composite electrodes for high energy storage and production.
Figure 6 Effects of initial concentration of HCrO 4 - at
FIG. 7 illustrates Peak current densities and maximum power densities vs.. Cr (VI) concentrations.
Figure 8 shows the discharging curves: (A) Buffer A; 0.1 MH 3 BO 3 , 0.2 M NaCl, (B) Buffer B; 0.1 M NaHSO 4, 0.2 M Na 2
이하에서는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 다음의 실시예는 폐수에 포함된 중금속을 이용한 전자 흡수체를 이용한 연속 흐름형 미생물 연료전지와 태양광 발전과 저장형 중금속 산화과정을 결합한 태양광 전력의 저장과 중금속 미생물 연료전지를 이용한 전력의 재생을 보여주는 대표 실시예로서 발명의 예시일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 재한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. In the following examples, the continuous-flow type microbial fuel cell using the heavy metal contained in the wastewater is combined with the photovoltaic power generation and the storage heavy metal oxidation process, and the recovery of the power using the heavy metal microbial fuel cell And the scope of the present invention is not limited to these examples.
실시예 1; 태양광 연계 미생물 연료전지Example 1; Photovoltaic-linked microbial fuel cell
본 발명에서는 미생물 연료전지에 탄소전극과 함께 Cr(VI)(1.33 V vs. NHE), Co(III)(1.82 V vs. NHE)나 VO2 +(0.9994 V vs. NHE) 전자 수용체가 들어있는 환원전해질을 넣어 높은 환원전위를 갖는 Cr(VI), Co(III) 또는 VO2 +를 이용하여 전력생산 능력을 향상시키는 효과가 있다. Cr(VI) 용액에 황산 바퍼를 사용하여 환원전해질을 개선한 경우 pH의 낮은 변화와 높은 전도도의 유지하는 방법의 개발은 세계 최초로 창의성과 도전성이 두드러진다.In the present invention, the microbial fuel cell contains a carbon electrode together with Cr (VI) (1.33 V vs. NHE), Co (III) (1.82 V vs. NHE) or VO 2 + (0.9994 V vs. NHE) electron acceptor (VI), Co (III) or VO 2 + having a high reduction potential by adding a reducing electrolyte. When the reduction electrolyte is improved by using sulfur hexafluoroborate (Cr (VI)) solution, development of a method of maintaining a low pH change and high conductivity is the first in the world to be prominent in creativity and conductivity.
도 2에서 도 4는 환원전극실에 Cr(VI)이 연속 지나가게 하고 수리학적 지체 시간(HRT)하여 방전물질의 양을 조절하고 다시 태양광 전력을 사용하여 Cr(VI)으로 재생하는 양상을 보여주는데 전지 연결에 따라 대용량을 성취한다. 미생물 촉매실을 유기물 폐수가 지나가게 하여 미생물의 양에 의한 반응량을 HRT를 조절하여 유기물의 처리수준을 창의적으로 조절할 수 있다. 이 창의적인 시스템은 태양광 발전의 저장시스템으로 사용한다. 고성능 흐름형 미생물 연료전지는 폐수로부터 제거가 어려운 타 중금속을 제거하는 전력원으로도 사용한다.FIG. 2 to FIG. 4 illustrate the pattern of regenerating Cr (VI) using photovoltaic power and adjusting the amount of discharge material by HRT to make Cr (VI) It shows high capacity according to battery connection. By controlling the amount of reaction by the amount of microorganism by allowing organic wastewater to pass through the microorganism catalyst chamber, the level of organic matter treatment can be creatively controlled. This creative system is used as a storage system for solar power generation. High-performance flow-type microbial fuel cells are also used as a power source to remove other heavy metals that are difficult to remove from wastewater.
실시예 2; 육가 크롬 전자 흡수체를 이용한 미생물 연료전지의 전력량의 향상Example 2: Improvement of the power of microbial fuel cell using hexavalent chrome electron absorber
도 5A과 도 5B는 HCrO4 - 초기농도의 변화에 따른 전류밀도 대 전압곡선(작업곡선)과 극대 전력밀도 곡선을 나타내고 있다. 전기화학적 인자는 표 2에 요약하였다. PCD와 MPD는 HCrO4 - 초기농도 증가에 따라 증가하여 극대화하고 다시 증가한 후에 극대화하는 양상을 보였다(도 5). 이들 인자들의 초기 극대화에 대한 이유는 알려지지 않고 있다; 그러나 낮은 HCrO4 -의 농도범위에서 Cr2O3 막의 전류에 대한 저항 막이 전극 표면에 형성되는 것이 가능하다. SEM/EDS 마이크로 그래프가 이 막의 존재를 확인해주었다.5A and 5B show the current density vs. voltage curve (work curve) and the maximum power density curve according to the change of the initial concentration of HCrO 4 - . Electrochemical factors are summarized in Table 2. PCD and MPD increased as the initial concentration of HCrO 4 - increased, maximized, and then increased again (Fig. 5). The reason for the initial maximization of these factors is unknown; However, it is possible that a resistive film for the current of the Cr 2 O 3 film is formed on the electrode surface in the range of low HCrO 4 - . A SEM / EDS micrograph confirmed the presence of this membrane.
표 2에 보인 바와 같이 전기화학적 인자를 고려해보면 Cr(VI)의 증가에 따라 Jmax가 증가한다는 것을 발견할 수 있다. 그러나 개방회로 전압(Vo)는 0 ppm에서 800 ppm 까지 Cr(VI) 농도증가 범위에서는 증가하고 800 ppm에서 2000 ppm까지는 Jmax는 거의 일정하다. 이 높은 농도범위에서 Vo는 산화전극 반응에 의하여 영향을 받는 듯하여서 MFC 수행의 산화전극 농도분극 고정에 기인되었다. 같은 경향이 Jpeak와 Pmax에도 나타났다(도 6). Vmax와 F.F.는 극대 전력점에 기인한 농도 상승효과와 상관관계를 허락하지 않았다. R(slope)는 내부저항이 Cr(VI) 농도증가에 따라 감소하는 경향으로 Cr(VI) 농도가 증가함에 따라서 감소하였다. 2000 ppm Cr(VI)의 환원전해질에서 최대 극대전력밀도는 0.668의 채움효과(F.F.)를 가진 10.22 W/m2임이 발견되었다.As shown in Table 2, it can be seen that J max increases with increasing Cr (VI) considering the electrochemical factor. However, the open circuit voltage (V o ) increases from 0 ppm to 800 ppm in the Cr (VI) concentration increase range and J max is almost constant from 800 ppm to 2000 ppm. In this high concentration range, V o appears to be affected by the oxidation electrode reaction and was due to the polarization fixation of the oxidation electrode concentration of the MFC performance. The same trends were observed for J peak and P max (FIG. 6). V max and FF did not allow correlation with the concentration increasing effect due to the maximum power point. R (slope) decreased with increasing Cr (VI) concentration and decreased with increasing Cr (VI) concentration. The maximum maximum power density in a 2000 ppm Cr (VI) reducing electrolyte was found to be 10.22 W / m 2 with a fill factor (FF) of 0.668.
여러 연구에 의하여 성취된 값들과 최근의 Pmax를 비교하기 위해서 Table 2에 데이터들이 제시되었다. 이 표로부터 Li et al. (2008)에 의하여 발표된 200 ppm Cr(VI)의 200 mL 환원전해질의 같은 조건하에서 흑연 종이 환원전극이 가장 높은 Pmax를 보였다는 것을 알 수 있다. 최근 결과의 Pmax 값은 3.4 배 높았다. 그러나 최근에 적용된 환원전극 면적에 대한 용액의 비는 Li et al의 것에 비하여 3.3 배 컸다(0.667 m3/m2 vs. 0.200 m3/m2). 만일 보다 큰 비가 직선의 비율로 작은 비율보다 큰 Pmax를 생성한다는 것을 고려하면 최근 연구의 Pmax는 발표된 값과 유사한 것을 알 수 있다. Cr(VI)의 농도가 0 ppm에서 2000 ppm까지 증가할 때 Pmax는 0 Wm-2에서 10.22 Wm-2까지 증가했다. 1000 ppm에서 2000 ppm까지는 Pmax는 전압 동결에 대한 산화형 전자수용체 농도에 기인하여 변화가 거의 일어나지 않았다. 이것은 촉매 지역에서 전자-정공 쌍 형성과 그 재결합을 통한 박테리아의 외막에서 산화전극으로 직접적인 전자전달(DET)을 지지한다.Data are presented in Table 2 to compare the recent P max values achieved by several studies. From this table, Li et al. (2008) showed that the graphite redox electrode showed the highest P max under the same conditions of a 200-mL reducing electrolyte of 200 ppm Cr (VI). The Pmax value of recent results was 3.4 times higher. However, the ratio of the solution to the area of the reducing electrode applied recently was 3.3 times larger than that of Li et al (0.667 m 3 / m 2 vs. 0.200 m 3 / m 2 ). If we consider that a larger ratio produces a larger P max than a smaller ratio at the ratio of the straight line, we can see that the P max of the recent study is similar to the published value. When the concentration of Cr (VI) to increase from 0 ppm to 2000 ppm P max is increased from 0 to Wm -2 10.22 Wm -2. From 1000 ppm to 2000 ppm, P max hardly changed due to oxidized electron acceptor concentration for voltage freezing. This supports direct electron transfer (DET) to the oxidation electrode in the outer membrane of the bacteria via electron-hole pair formation and recombination in the catalytic region.
실시예 3; 전자 흡수체 환원액에 황산 완충액의 첨가효과Example 3: Effect of Addition of Sulfuric Acid Buffer to Electron Absorber Reducing Solution
장시간 동안 잘 작동할 수 있는 Cr(VI)-MFC의 환원 전해질을 구성하는 것이 바람직하다. 이 최적화된 Cr(VI)-MFC에서 Cr(VI)는 제거되는 동시에 전자 흡수제로 이용될 수 있다. 네 가지 다른 종류의 완충제를 방전 실험을 사용하여 시험하였다(도 7).It is preferable to construct a reducing electrolyte of Cr (VI) -MFC that can operate well for a long time. In this optimized Cr (VI) -MFC, Cr (VI) can be removed and used as an electronic absorber. Four different types of buffer were tested using discharge experiments (Figure 7).
보릭산 완충제를 가진 Cr(VI)-MFC의 방전전압은 초기에서 20 시간까지는 서서히 감소하고 25 시간까지는 급속히 떨어지고 다시 천천히 낮게 떨어졌다. 그러나 황산이온을 기반으로 한 나머지 완충용액이 Cr(VI)-MFC의 방전전압에 매우 느린 감소를 허락하였다. 0.1 M NaHSO4와 0.2 M Na2SO4를 완충용액을 사용한 도 7B는 특히 장시간 동안 가장 높은 전압을 유지하였다. 도 7B의 완충액이 더 높은 전압을 주는 이유는 Na2SO4의 농도는 도 7C나 도 7D의 것보다 더 높은 반면에 NaHSO4의 농도는 일정하다. 이것은 0.1 M NaHSO4와 0.2M Na2SO4,를 기반으로 한 완충용량이 48 시간 반응시간 후에도 Cr(VI)-MFC의 환원전해질의 낮은 pH와 전도도 변화를 갖는다는 것을 의미한다.The discharge voltage of Cr (VI) -MFC with boric acid buffer gradually decreased until 20 hours from the beginning, dropped rapidly and dropped slowly again until 25 hours. However, the remaining buffer solution based on sulfate ion allowed a very slow decrease in the discharge voltage of Cr (VI) -MFC. 0.1 M NaHSO 4 and 7B with the buffer solution 0.2 M Na 2 SO 4 was maintained at the highest voltage, particularly during long periods of time. Figure 7B is the reason that the buffer voltage is higher concentration of the NaHSO higher than the other hand, the Na 2 SO 4 concentration in Figure 7C and Figure 7D 4 is constant. This means that the buffering capacity based on 0.1 M NaHSO 4 and 0.2 M Na 2 SO 4 has a lower pH and conductivity change in the reducing electrolyte of Cr (VI) -MFC even after 48 h of reaction time.
완충액 B의 pH는 초기 값의 단지 16%만 상승한 반면 다른 완충액은 98%-31%의 상승을 나타내었다. 완충액 B의 전도도는 다른 완충액의 42%-21% 감소에 비하여 13% 감소만을 보였다. 그러므로 이 실험결과에 의하면 0.1 M NaHSO4과 0.2 M Na2SO4로 만든 완충액 B는 네 가지 합성 중에서 실험범위 내에서는 현 Cr(VI)-MFC에 대하여 가장 안정한 완충액을 형성한다는 것을 알 수 있다. Cr(VI)-MFC는 에너지의 저장과 생산을 지속하기 위해서 환원전극실의 Cr(VI)이 지속 회전되고 유기물의 공급이 계속되는 조건에서 장시간 안정성을 가진 산화환원 흐름 MFC로서 이용이 가능하다. Cr(VI)이 환원이 되고나면 Cr(III)이 생성되어 순환을 시키기 위해서는 이를 Cr(VI)로 산화시키는 것이 필요하다. 이는 무공해의 무한 자원인 태양광 전력을 사용하여 낮 동안 발생한 전력을 Cr(VI)로서 변환하여 저장 및 미생물 연료전지로 연속 회전할 수가 있으며, 훌륭한 태양광 전력의 저장 시스템으로서의 작용이 가능함을 의미한다. 또한 태양광 전력생산이 태양광이 있는 동안만 가능한 점을 보완해주는 중요한 태양광 전력 저장시스템의 경제적인 운용이 가능함을 보여준다. Co(III)-MFC와 Ag(I)-MFC와 같은 유사한 MFCs들에 대해서도 같은 목적으로 변형될 수 있다.The pH of buffer B rose only 16% of the initial value while the other buffer showed a rise of 98% -31%. Conductivity of buffer B showed a 13% reduction compared to 42% -21% reduction of other buffers. Therefore, according to the experimental results, it can be seen that Buffer B made of 0.1 M NaHSO 4 and 0.2 M Na 2 SO 4 forms the most stable buffer for Cr (VI) -MFC in the experimental range within the four syntheses. Cr (VI) -MFC can be used as a redox flow MFC with long-term stability under the condition that Cr (VI) in the reductive electrode chamber is continuously rotated and the supply of organic matter is continued to sustain energy storage and production. When Cr (VI) is reduced, it is necessary to oxidize it to Cr (VI) in order to generate Cr (III) and to circulate it. This means that the power generated during the day can be converted into Cr (VI) by using solar power, which is an infinite resource of pollution, and can be continuously rotated and stored as a microbial fuel cell, and it can act as a good solar power storage system . It also shows that solar power generation is economically feasible for important solar PV power storage systems, which are only possible during solar PV. Similar MFCs such as Co (III) -MFC and Ag (I) -MFC can be modified for the same purpose.
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|---|---|---|---|---|
| KR20190005676A (en) * | 2017-07-07 | 2019-01-16 | 충북대학교 산학협력단 | Electrode mixture microbial electrolysis apparatus combined solar cell |
| WO2021075816A1 (en) * | 2019-10-15 | 2021-04-22 | 박용학 | Microbial fuel cell using electron absorber having high reduction potential, and method of generating electric energy using same |
| CN113109532A (en) * | 2021-04-14 | 2021-07-13 | 齐鲁工业大学 | Water quality monitoring device based on microbial fuel cell |
| CN113371797A (en) * | 2021-07-13 | 2021-09-10 | 西安热工研究院有限公司 | Treatment system and method for degrading organic wastewater by using visible light fuel cell |
-
2015
- 2015-09-11 KR KR1020150128739A patent/KR20170031352A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190005676A (en) * | 2017-07-07 | 2019-01-16 | 충북대학교 산학협력단 | Electrode mixture microbial electrolysis apparatus combined solar cell |
| WO2021075816A1 (en) * | 2019-10-15 | 2021-04-22 | 박용학 | Microbial fuel cell using electron absorber having high reduction potential, and method of generating electric energy using same |
| KR20210044494A (en) * | 2019-10-15 | 2021-04-23 | 박용학 | Microbial fuel cell using an electron absorber having a high reduction potential and method for producing high electric energy using the same |
| CN113109532A (en) * | 2021-04-14 | 2021-07-13 | 齐鲁工业大学 | Water quality monitoring device based on microbial fuel cell |
| CN113371797A (en) * | 2021-07-13 | 2021-09-10 | 西安热工研究院有限公司 | Treatment system and method for degrading organic wastewater by using visible light fuel cell |
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