Science

미생물 연료전지 한 대가 세 가지 역할 수행

장종엽엔에스 2014. 12. 10. 08:30

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=253797&cont_cd=GT
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-10
- 수처리, 전력, 인 -

기후대학 유역권과학연구센터 연구팀은 2014년 12월 2일 미생물 연료전지를 사용하여 유용한 원소인 인을 폐수로부터 제거 회수하는데 성공하였다고 발표하였다. 폐수를 정화할 수 있으며, 전력도 얻을 수 있다.

축산폐수를 정화할 뿐만 아니라 동시에 전력을 얻고, 귀중한 인을 회수할 수 있다. 미생물 연료전지를 대규모화할 수 있다면 외부전력의 이용을 억제하면서 폐수처리와 인 회수를 실현할 가능성이 있다. “에너지절약 + 수입자원의 일본 국내 조달”이 가능하게 된다. 이번 성과는 인을 회수할 수 있다는 것이 새롭다. 미생물 연료전지를 이용하여 인을 폐수로부터 제거·회수할 수 있다는 주장을 정량적으로 증명하였다. 이것이 세계 최초의 성과이다.

폐수처리의 기본적인 역할을 물에 용해되어 있는 물질을 제거하는 것이다. 특히 인의 제거가 중요하다. 인을 포함한 물을 주위의 수역으로 배출하면 부영양화를 일으킨다. 예를 들면 녹조의 이상 번식으로 환경이 파괴된다. 인은 도움이 되지 않는 폐기물이 아니다. 농업에 필수인 비료 중 하나이다. 대량의 인을 간단하게 회수하는 기술은 의미가 있다.

미생물 연료전지는 유기물을 이산화탄소와 수소이온으로 분해하는 미생물의 자연 능력을 이용한 연료전지이다. 연구팀이 채용한 미생물 연료전지는 하나의 수조 내에 부극과 정극을 놓는 형태이다. 정극의 일부가 대기 중에 노출되어 있어 산소를 흡수한다.

미생물 연료전지의 주요 동작은 그림 2와 같다. 좌측의 부극 측에서는 미생물이 유기물을 이산화탄소와 수소이온, 전지로 분해한다. 전자는 전지 밖에서 작용한 후 정극에 도달한다. 정극 측에서는 수소이온과 산소가 전자를 받아 물을 생성한다. 미생물 연료전지에서는 발전 미생물이 활동하지 않으면 반응이 진행되지 않는다. 실험에 이용한 미생물 연료전지의 크기는 수십 mL~수백 mL의 규모이다. 여기에 양돈폐수와 소량의 논 토양을 첨가하여 운전하면 발전 미생물이 증가한다.

그림 2와 같은 구조를 구성하는 것만으로는 인을 회수할 수 없다. 미생물 연료전지 자체는 이전부터 연구가 진행되고 있다. 연구팀이 실험을 위해 인공폐수가 아니라 실제 양돈폐수를 이용하였기 때문에 인을 회수하기 용이한 조건이 갖춰졌다.

이번에 인을 얻기 위한 조건을 확립하였다. 폐수 중의 인산이온이 동일한 폐수 중의 마그네슘이온 및 암모늄이온과 반응하여 인화합물이 되어 정극표면에서 석출된다. 정극표면에 부착하는 형태로 인화합물을 얻을 수 있다. 정극표면에서는 산소와 물, 전자의 반응에 의해 수산화물이온의 농도가 높아진다. pH가 크다. pH가 큰 조건에서만 인산화합물(MgNH4PO4 6H2O)이 석출되기 때문에 정극에서 떨어진 위치가 아니라, 표면에서 반응이 일어나다.

폐수처리능력은 어느 정도인가? 폐수의 조건에 따라 성능이 변한다. 양돈폐수를 이용한 경우, 어느 조건 하에서는 폐수 중의 인 중 27%를 얻을 수 있다. 일주일에서 10일에 걸쳐 유기물의 화학적산소요구량의 76~91%가 제거된다는 데이터도 있다.

연구팀의 목표는 인의 회수에 있지만, 전지로서의 가능성도 높다. 폐수에 포함된 화학에너지는 일본의 연간 전력에너지 공급의 약 5%에 해당한다. 폐수처리에 필요한 전력량의 약 9배에 해당하는 양이다. 물론 모든 화학에너지를 이용하는 것을 불가능하지만, 폐수처리를 에너지절약화할 경우 이용할 수 있다. 지금까지의 실험에서 최대출력은 전극표면 당 2.3W/m2이다. 폐수를 주입한 후, 생산하는 전력이 증가하고 정화가 진행되면 감소하는 커브를 나타낸다. 그 후 폐수를 교환하면 다시 전력이 증가한다.

(그림 1) 미생물 연료전지를 중심으로 한 인의 순환　
(그림 2) 미생물 연료전지의 동작