1 / 31

Introduction Materials and methods Results Discussion

EVALUATION OF PROCEDURES  TO ACCLIMATE A MICROBIAL FUEL CELL FOR ELECTRICITY PRODUCTION JUNG RAE KIM . BOOKI MIN . BRUCE E. LOGAN. 목차. Introduction Materials and methods Results Discussion. INTRODUCTION. 미생물이나 효소를 이용한 전기생산 외부 mediator 첨가 없이 전기 생산하는 고정상 생물 반응조

dwight
Download Presentation

Introduction Materials and methods Results Discussion

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. EVALUATION OF PROCEDURES  TO ACCLIMATE A MICROBIAL FUEL CELL FOR ELECTRICITY PRODUCTIONJUNG RAE KIM . BOOKI MIN . BRUCE E. LOGAN

  2. 목차 • Introduction • Materials and methods • Results • Discussion

  3. INTRODUCTION

  4. 미생물이나 효소를 이용한 전기생산 외부mediator 첨가없이 전기 생산하는 고정상 생물 반응조 • mediator 첨가없이도 전극을 최종 전자 수용체로 사용할 수 있는 미생물 • Shewanella putrefaciens, Geobactor metallireducens, Rhodoferax ferrireducens • Geobacter sulfurreducens Ferriciron Cytochrome

  5. MFC접종에 혐기성 하수슬러지의 이용 • 하수처리장으로부터 쉽게 얻을 수 있다. • 전기화학적으로 활성을 가지는 박테리아종을 가진다. • 발효박테리아, 메탄생성 미생물, 황산염 환원 박테리아 • Dissimilatory iron-reducing bacteria • 전자공여체로 acetate사용 • 활성슬러지 속 총 박테리아의 3%를 구성. • 전기화학적으로 비 활성인 박테리아가 전극을 차지하여 전기생산 방해 혐기성 슬러지를 접종균으로 사용할 때 메탄 생성균 성장 억제와 전기화학적 활성도가 높은 박테리아의 성장 강화를 위한 농화필요

  6. 실험목표 • Anodesolution에접종균 주입 접종방법을 달리 하였을 때 박테리아간의 경쟁 발견 더 효과적인 농화기술을 이용해 더 빠른 전기생산과 높은 전압밀도를 얻을 수 있다 가정 ferric oxide-coated electrode를 사용 메탄발생 억제 위해 2-bromoethanesulfonate (BES)를 주입하는 방법 용해성 ferric iron medium을 사용한 철 환원박테리아의 농화 운전되고 있는 MFC anode에서 긁어낸 생물막을 새로운 anode에 공급 실험 전기화학적 활성 박테리아의 배양을 위해 두번째 전극을 두는 실험 몇 가지 운전 절차와 접종 절차의 효과를 테스트

  7. MATERIALS AND METHODS

  8. MEDIUM AND INOCULUM SOURCE • 배양균 : 혐기성 슬러지(10ml) • 폐수박테리아 제거 : 여과(0.2μm직경) • 농화실험 medium : 여과폐수+acetate(20mM) • 농화실험 후 medium • nutrient buffer solution(pH=7.0)+ NH4Cl (0.31 g/l), KCl (0.13 g/l), NaH2PO4·H2O(2.69 g/l), Na2HPO4 (4.33 g/l); and metal (12.5 ml) and vitamin (12.5 ml) 으로대체 • 전극 :autoclaved phosphate buffer(pH=7.0)으로 씻어냄 • Sodiumacetate : 박테리아의유일한 에너지원 • 모든 cell이동과 접종과정은 혐기성 glove box행해진다

  9. BATCHTESTS USING BACTERIAL ENRICHMENTS • 철환원박테리아의 pre-enrichment의 효과 연구 • Ferriccitrate(13.7g/l)와 acetate(20mM) 포함하는 nutrient buffer 에서 농화 • Sample(5ml)을 fresh medium(45ml)로 2주간 successive transfer • 30도에서배양

  10. MFC CONSTRUCTION AND OPERATION • 두 개의 mediabottle(310ml 용량)이 glass tube와 결합 • PEM : 직경 2.1cm(Nafion 117; Dupont) • 전극 : plain porous carbon, ferric oxide coated anode(chemical vapor deposition technique) • Cathode : plainporous carbon + Pt 촉매 함유(0.5mg/cm2; 10% Pt; E-TEC) • 전선 : flourinated ethylene propylene tube(Chemflour FEP Tubing; 내부직경 0.8mm)에 삽입된 구리전선이 회로를 연결

  11. MFC CONSTRUCTION AND OPERATION • 전극의 전처리 : pre-filter되고 deionize된 물에 담금. • Cathode 전극부 :Phosphate buffer(50mM, pH7.0)+연속적 공기 살포. • Anode 전극부의산소 부족시 PEM을 통해 확산되는 산소 예방책 없음. • Anodechamber 지속적 mixing. • 30도의 온도에서 실험.

  12. ANALYSIS • 전압측정 : multitester(470Ω에서 30분 간격) • Acetate 농도 • FID와 DBFFAP fused-silica capillary column이 설치된 가스크로마토그래피로 측정 • Headspace의 가스구성 • thermal conductivity detector와 stainless steel column (1.8 m×1/8″) packed with PorapakQ이 설치된 가스크로마토그래피 • 철이온 농도 • ferrozine method에의해 측정

  13. RESULTS

  14. ENRICHMENT WITH ANAEROBIC SLUDGE 70 Lag time 20시간

  15. ENRICHMENT WITH ANAEROBIC SLUDGE • Ferric-coated carbon electrode+슬러지 접종+acetate를 주입한 폐수로 추가 실험 • Ferric-coated carbon electrode를사용했을 경우의 영향 • Carbonelectrode+BES첨가 메탄으로의 전환을 억제함으로서 메탄생성 미생물이 전력 생산에 끼치는 영향을 알아봄

  16. Fig. 2a–d Enrichment of MFCs with anaerobic sludge containing a carbon electrode (•), ferric electrode (○) or a carbon electrode with (BES) (▵). a Voltage output at enrichment • Carbonelectrode를 사용할 경우 10~20mV가량 낮은 전압 발생 • BES 부족 시 headspace에서 메탄의 축적이 40%까지 일어난다.

  17. b ferrous concentration in solution, c acetate concentration and d methane production in headspace of a MFC (error bars±SD based on duplicate measurements)  Acetate의소비와 용액 속 ferrous ion농도의 증가와의 연관성

  18. Ferric oxide electrode를 사용할 경우 적은 양의 메탄(3~4%,v/v in the headspace) • 철 환원박테리아가 선택적으로 electrode에 부착됨 • 철 환원 박테리아가 메탄생성 박테리아와 acetate를 얻기 위해 경쟁 • BES와 carbonelectrode를 넣은 반응기에서의 메탄생성(2%이하) • 대조군(40%)와 비교할 때, 무시할 수 있다. • ∵메탄생성이 줄어들고, ~10mM의 acetate가 200시간이 지나도 여전히 존재 • BES 존재 하에 전압의 생산이 250시간 동안 100mV까지 지속된다.

  19. ANALYSIS OF VOLTAGES AND CE • 기질의농도가 CE에 미치는 영향 Fig. 3 Effect of acetate concentration on voltage generation using a carbon electrode MFC. The enriched anode solution was replaced twice to rem ove suspended cells prior to conducting the experiment. Arrows indicate acetate injections according to the order shown of 0.5, 0.4, 0.3, 0.2 and 0.5 mM, respectively acetate의 농도가 낮아질수록 전압의생산이 낮아진다.

  20. Fig. 4 Effect of initial acetate concentration on a maximum voltage, in MFCs using a carbon electrode (•), ferric electrode (○), or a carbon electrode that contained BES only during the initial acclimation on wastewater (▵). For abbreviations, see Figs. 1 and 2 Ferricoxide-coated electrode MFC에서 가장 높은 전압을 지속적으로 생산 (180mV with 0.2mM of acetate)

  21. Fig. 4 Effect of initial acetate concentration on Coulombic efficiency, in MFCs using a carbon electrode (•),ferric electrode (○), or a carbon electrode that contained BES only during the initial acclimation on wastewater (▵). For abbreviations, see Figs. 1 and 2 ferricoxideanode나 BES를 포함하는 MFC의 CE는대조군(40%)보다 훨씬 크다(70~80%). • Fresh medium으로 대체할 때 전압이 항상 늘어난다. • 전력 생산은 부유 박테리아나, 박테리아가 생산한 mediator가 아닌 전극에 • 붙어있는 박테리아에 의한 직접적인 전자 이동에 의한 것임.

  22. EFFECT OF ENRICHMENT IN FERRIC MEDIUM ON INITIAL POWER GENERATION • Ferric citrate+acetate 함유 medium에 serially transfer(최대 25x) • 혐기성슬러지 속에 존재하는 철 환원 박테리아의 농도를 늘리기 위해 • Serial transfer메탄생성을 억제 original 1회 8회 20회

  23. 20회 1회 8회 철 환원 박테리아를 농화 시키면, 철 환원의 속도가 상대적으로 증가

  24. 순응된 배양균은 대조군 보다 전력 생산이 적다(50mV, ~2mW/m2)

  25. DIRECTAPPLICATION OF BACTERIA ONTO THE ANODE • 운전중에있는 MFC의 anode 전극에서 긁어낸 biofilm을 새로운 anode에직접 공급 • lag period는 순응시키지 않는 슬러지와 비슷. • 전압생산 : 순응시킨 슬러지(205mV; 40mW/m2)에서 아주 커진다. • 25번 serial transfer한 철환원 박테리아로 농화 실험시 순응 시키지 않은 슬러지와 비교해 전압이 크게 변하지는 않음.

  26. INTRODUCTION OF A SECOND ELECTRODE INTO AN OPERATING MFC • 원 회로와 완전히 분리된 새로운 전극set을 설치 • 전기화학적으로 활성이고 잘 자라는 박테리아의 농화 위해 • 새로운 회로의 전압 : 80mV까지 점차 증가(PEM과 cathode의 크기가 영향을 미침) • 원래 전극의 전압 : 점차 줄어듬. 결국 새로운 전극의 전압과 같아짐.

  27. 두 전극의 결합전압밀도는 일정하게 유지됨

  28. 두 번째 전극을 제거하여 다른 MFC에 설치 • 두 번째 전극으로 인한 전력 생산이 원래 전극으로 인한 생산보다 큰지를 알아보기 위한 실험 • 원래의 전극과 거의 같은 출력을 보임(140mV, 18mW/m2) 새로설치한전극 세트가 농화 박테리아의 성장으로 사용 가능

  29. DISCUSSION

  30. Peak power level에 도달하기까지의 순응 시간을 줄이지는 못함. • Anode로 ferric-coated carbon electrode를 사용할 때 전력이 22에서 30mW/m2으로 늘어남. • 운전중인 MFC의 anode에서 얻은 biofilm을 새로운 전극에 공급 : 최대 40mW/m2까지 늘어남. • InhibitorBES첨가 • 메탄생성을 억제, CE향상(40%70%) • Ferriciron electrode : CE향상 • Ferriciron이 전기화학적 활성인 박테리아가 전극 표면에 접촉하는 효율을 늘려주는 것으로 생각됨. • Cathode 표면과 PEM이 최대 전력 생산에 영향 • Serial transfer 을통한 농화 • 빠른 전력 생산과 높은 전력 생산을 위한 효과적인 방법

  31. IMPLICATIONS FOR FUTURE STUDIES • MFCs에서 긴 기간동안 안정적인 전력 생산을 위한 연구 • Cathode의 DO공급을 위한 산기장치 • 직접 공기가 cathode에 유입되는 시스템 • 에너지 회수나 전압을 늘리기 위한 연속식 MFC의 구조의 향상이 필요

More Related