표제지
목차
1. 서론 12
1.1. 연구 배경 및 필요성 12
1.2. 연구 목적 13
2. 문헌연구 16
2.1. 미생물 연료전지 16
2.1.1. 미생물연료전지 개요 및 메카니즘 16
2.1.2. 미생물연료전지 전망 20
2.1.3. 전기활성미생물 23
2.1.3.1. 전자방출균 23
2.1.3.2. 미생물 군집분석 25
2.1.4. 산화전극 (Anode electrode) 27
2.1.4.1. 종이(paper), 천(cloth), 발포형(foam)과 망상형 탄소물질(RVC) 탄소재료 28
2.1.4.2. 흑연막대(rod), 직물(felt)/발포형(foams), 판형(plates), 박판형(sheets) 탄소재료 29
2.1.4.3. 흑연섬유와 브러쉬(graphite fiber and brush) 30
2.1.5. 환원전극 (Cathode electrode) 31
2.1.5.1. Pt 탄소 환원전극 32
2.1.5.2. 촉매 결합제(Catalyst binders) 33
2.1.5.3. 촉매를 사용하지 않은 탄소 환원전극(Plain carbon cathode) 34
2.1.5.4. 원통형 탄소 코팅 환원전극 34
2.1.5.5. Biocathode 35
2.1.6. 분리막 36
2.1.6.1. 양이온 교환막 38
2.1.6.2. 음이온 교환막(Anion exchange membrane) 39
2.1.6.3. 여러 가지 다른 분리막과 멤브레인 40
2.1.7. 미생물연료전지의 전압손실 42
2.1.7.1. 활성화 저항에 의한 전압손실 43
2.1.7.2. 물질전달 저항에 의한 전압손실 44
2.1.7.3. 옴 저항에 의한 전압손실 44
3. 실험재료 및 방법 47
3.1. Lab-scale 미생물연료전지 47
3.1.1. 미생물연료전지 구성 47
3.1.2. 기질 50
3.1.3. 미생물 접종 53
3.1.4. 측정 및 분석 53
3.1.5. 운전 방법 55
3.2. Pilot plant 57
3.2.1. Pilot plant 구성 57
3.2.2. 기질 61
3.2.3. 미생물 접종 61
3.2.4. 측정 및 분석 62
3.2.5. 운전 방법 62
4. 결과 및 고찰 64
4.1. 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time, HRT)의 영향 64
4.1.1. 수리학적 체류시간에 따른 전압 및 전력밀도 64
4.1.2. 내부저항 측정 66
4.1.3. 수리학적 체류시간에 따른 유출수 농도와 유기물 제거효율 68
4.1.4. 유기물 제거율과 쿨롱효율에 수리학적 체류시간의 영향 70
4.2. 실제하수 적용 72
4.3. Air-cathode의 적용 73
4.4. 유입농도의 영향 76
4.4.1. 유입수의 농도에 따른 전압 및 전력밀도 76
4.4.2. 내부저항 측정 78
4.4.3. 유입수의 농도에 따른 유출수 농도와 유기물 제거효율 80
4.4.4. 유기물 제거율과 쿨롱효율에 유입수 농도의 영향 82
4.5. 유출수의 Air-purging 시간에 따른 처리효율 84
4.5.1. Air-purging 시간에 따른 유출수 COD 농도와 COD 제거율 84
4.5.2. Air-purging 시간에 따른 유출수 SS 농도와 SS 제거율 85
4.5.3. Air-purging 시간에 따른 유출수 COD 제거율과 SS 제거율 87
4.6. Pilot plant 운전 결과 89
4.6.1. Pilot plant의 시간에 따른 전압 생산 89
4.6.2. Pilot plant의 전력밀도 및 환원전극의 직렬 연결 93
4.6.3. 각 환원전극부의 전압 발생량 차이의 원인 95
4.6.4. Pilot plant의 유출수 농도와 유기물 제거율 97
4.7. 다른 연구와의 비교 100
4.8. 차후 미생물연료전지를 이용한 하수처리를 위한 설계 102
5. 결론 104
6. 참고문헌 107
ABSTRACT 112
Table 2.1. Microbial community of anode in the MFC to use oxygen in cathode 26
Table 2.2. Internal resistance, maximum power density of cation, anion and ultrafiltration membranes in H-type, cube microbial fuel cell 38
Table 2.3. Mass transfer coefficient and diffusion coefficient in CEM, AEM, UF membrane 41
Table 3.1. Applied domestic sewage characteristics 52
Table 3.2. Composition of the vitamin and mineral solution 52
Table 3.3. Operating conditions according to mode 56
Table 3.4. Operating conditions according to mode. 63
Table 4.1. Comparison with other studies 101
Fig. 1.1. Existing wastewater treatment process(a) and containing microbial fuel cell wastewater treatment process(b). 14
Fig. 2.1. Basic configuration of a microbial fuel cell 20
Fig. 3.1. Schematic diagram (a) and Photos (b) of continuous flow microbial fuel cell(MFC) 50
Fig. 3.2. Schematic diagram (a) and photos (b) of continuous flow pilot plant 60
Fig. 4.1. Effect of hydraulic retention time on voltange and power density of microbial fuel cell 66
Fig. 4.2. Effect of hydraulic retention time on power density curve of microbial fuel cell 67
Fig. 4.3. Effect of hydraulic retention time on effluent COD concentration and COD removal efficiency 69
Fig. 4.4. Effect of hydraulic retention time on COD removal and coulombic efficiencies 71
Fig. 4.5. Effect of actual sewage and artificial substrate on voltage 73
Fig. 4.6. Effect of tap water cathode and air-cathode on voltange 75
Fig. 4.7. Effect of influent COD concentration on voltage and power density 77
Fig. 4.8. Effect of influent COD concentration on polarization curve 79
Fig. 4.9. Effect of influent COD concentration on power density curve 80
Fig. 4.10. Effect of influent COD concentration on effluent COD and COD removal 81
Fig. 4.11. Effect of influent COD concentration on COD removal and Coulombic efficiencies 83
Fig. 4.12. Effect of air-purging on COD concentraton and COD removal 85
Fig. 4.13. Effect of air-purging on SS concentration and SS removal 86
Fig. 4.14. Effect of air-purging on COD removal and SS removal 88
Fig. 4.15. Voltage generation on each cathode of pilot plant at 1st, 2nd 90
Fig. 4.16. Sewage volume in a pilot plant operation 91
Fig. 4.17. Voltage generation at each cathode of pilot plant 92
Fig. 4.18. Voltage and power at each unit in pilot plant 94
Fig. 4.19. Voltage at serial connection in pilot plant 95
Fig. 4.20. Effect of cathodes on voltage and dry weight 96
Fig. 4.21. Change of effluent SS concentration and SS removal efficiency 98
Fig. 4.22. Change of effluent COD concentration and COD removal efficiency 99
Fig. 4.23. Schematic diagram of continuous flow full scale microbial fuel cell 103