Continuous microbial fuel cells convert carbohydrates to electricity

1. Continuous microbial fuel cells convert carbohydrates to electricity Yoom Hoon sik

2. contents • Introduction • Materials and method • Result • discussion

3. Introduction

4. MFC의 기본 원리 e- e-

5. Biofuel cells의 특징 • 종류 : Photo-autotrophs type, Heterotrophic type, Sediment biofuel cells • 전력 공급원의 특징 + 혐기성 반응기의 특징 표시단위 • 전력밀도 • - W/m2 (anode 표면적) or W/m3 (anode compartment) • 전기화학적인 파라미터(출력전류, 전지전압)로 표현되기도 함 • 생물학적 파라미터(기질부하율) • - kg/m3 d

6. 전극으로의 전자이동 • 과전압(overpotential)의 방해(transfer resistance)로 인해 출력이 작아짐. • 이러한 저항을 줄이기 위해서는? • 전극의 비표면적을 늘린다. • 산화환원 중개자(redox mediators) 첨가 • 산화환원 중개자 • 가역적으로산화 환원할수 있는 물질 • 박테리아가 바로 환원하지 못하는 기질에 전자를 보관하는데 쓰인다. • 경제성에 문제. • 색의 변화, 환경적 문제가 있다.

7. Batch process • Batch 공정 4.31W/m2 of anode surface = 479W/m3 of reactor • 스스로 전자를 전극으로 이동시키는 박테리아 종들의 발견 • Self-mediate는 process에 의존. • The expression of membrane-bound election transfer components • The production of soluble redox mediators • 두 가지 process를 동시에 사용하면 박테리아들은 전자를 전극으로 최대 89%[C (생산된 전기)/C (첨가한 탄소원의 양)]의효율로 보낸다. = 79% 에너지 효율 J(생산된 전기)/ J(첨가한 탄소원) • Batch type의 MFC들은 하수처리 공정에 적용하기에는 적절하지 않다. • 실제공정에서는 mediator들과 박테리아들이 밖으로 빠져 나가기 때문 • Anode 전극부에 표면이 넓고 효율이 좋은 biofilm 필요 • 전극의 특성과 biofilm이 잘 맞아야 하고, 적용에 적절해야 한다. • 본 연구에서는 몇가지 유입수를 이용하여 연속흐름식 MFC사용. • 반응기의 변수들을 최적화한 후에, 적합한 mediator의 결정을 위해 전기 화학적 특성들이 결정된다.

8. Materials and methods

9. Reactor setup • 재질 : plexi glass + 볼트 • Anode 전극 내부부피 : 0.25 리터 • 용액의 부피 : 반응기의 형태에 따라 0.08~0.22리터까지 변함 • 세가지 종류의 anode가 사용됨 • Plaingraphite anode(8x4x0.6cm) • Granularanode (baffle 미설치) : 평균직경 3mm, 0.08리터 liquid volume • Granularanode (baffle 설치) : 평균직경 3mm, 0.08리터 liquid volume

10. Reactor setup • Cathode전극부 • 250ml • 100mmol의 phosphate 포함. • Cathode 전극 • Plain graphite cathode (8x4x0.4cm) • Graphite felt electrodes (8x4x0.4cm) • Granular cathodes (baffle 미포함) • Influent • Anode쪽으로 1g/l·d의 부하율 • COD농도 : 0.111g/l(0.080ml anode liquid volume)에서 0.305g/l (0.080ml anode liquid volume) • 유입수부피 : 0.720l/d • 수리학적체류시간(HRT) : 2.7~7.3시간 • 반송 : 8 l/h (확실한 난류형성을 위해)

11. Reactor setup • 전력출력 측정 : Agilent HP 34970 데이터수집장치 • 매 30초마다 full channel scan이 행해지고 데이터 저장됨 • 외부저항 : 최대 100Ω • 전류계산, 출력 계산, 에너지생산 • I = V x R-1 = Q x t-1 (Eq.1) • P(W) = I x V (Eq.2) • E(J) = P x t (Eq.3) • 접종미생물 (inocula) • A sediment sample : 반응기주입전 혐기성 영양상태의 용액에서 자라난것. • Labmet에서 운전되었던 미생물 I : 전류(A) V : 전압(V) Q : 전하량(C) t : 시간(s)

12. Influent prepatation (3가지) • 기본 medium(배양액) : M9 + glucose • 리터당 6g Na2HPO4; 1g NH4Cl; 0.5g NaCl; 0.2465g MgSO4∙7H2O; 3g KH2PO4; 14.7g CaCl2 • 탄소원 글루코스 첨가 : 부하율 1g COD/l·d를 달성하기 위해 • M9 + 단풍나무 시럽 • 합성폐수 : Jang 의 논문에 따라 준비됨 • 리터당 0.56g (NH4)2SO4; 0.2g MgSO4∙7H2O; 0.42g NaHCO3; 1mg FeCl3∙6H2O; 20mg MnSO4∙H2O; 14.7g CaCl2; 6.8g KH2PO4 • 반응기의 부하율 1g COD/l·d를 달성하기 위해 글루코스 첨가 • 모든 유입수는1ml의trace element solution(미량영양물질)이 첨가됨 : 리터당FeSO4∙7H2O 1g; ZnCl2 70mg; MnCl2∙4H2O 100mg; H3BO3 6mg; CaCl2∙6H2O 130mg; CuCl22H2O 2mg; NiCl2∙6H2O 24mg; Na2MO4∙2H2O 36mg; CoCl2∙6H2O 238mg이 포함

13. Cyclic voltammetry (순환전압전류법) • Feeding 전매일 15ml의 샘플 채취 • 테스트용 바이알에 주입하고 측정전에 질소가스 주입 • Park의 실험에서 사용된 것과 같이 실행 • 포텐시오 스텟을 사용하여 측정하고 데이터가 PC로 전달 • 스캔속도는 50mV/s (-450~900mV) • Working electrode : 5cm2 graphite rod(사용전 에탄올로 씻어낼것) • Counter electrode : platinum wire 와 Ag/AgCl 전극 • Mediator: Resorufin (Fluka), Indigo carmine(Sigma), Safranine O (Sigma)와New Metylene Blue(UCB) 순환전압전류법: 화합물의 전기화학적인 산화-환원 거동을 살펴보고, 이로부터 산화-환원반응의 메카니즘을 규명하는데 기본적으로 가장 많이 사용되는 전기화학적인technique이다.

14. Analysis • 샘플여과 : 0.22μm syringe 필터를 이용 • VFA분석을 위해 디에틸에테르 추출물이 사용 • CapillaryFID(flame ionization detector) 가스크로마토그래프와 GC 8000 Carlo Erba Instrument를컴퓨터와 연결해서 분석 • Column: Alltech • 135도 오븐 사용, 200도 detector와 injector • 운반가스 : 질소가스 3ml/min • 샘플은 10배 희석 • Headspace의 CO2와 CH4분석 : GC • H2 : GMI • pH전극 설치 • COD분석 : 중크롬산법사용

15. Result

16. Influence of the initial inoculum • Sediment에서 얻은 박테리아 배양균을 넣은 반응기 • 184±71mV의 평균전압 (이전연구에서는 133±21mV) • 두 접종균을 넣었을 때 커다란 차이가 나지 않았지만, 이후 실험에서는 sediment에서 얻은 접종균을 사용한다.

17. Microbial fuel cells on glucose • 글루코스를 주입하고 있는 짧은 시간 동안에는 안정적인 출력전력을 얻었다. • 초기 출력 전력 : 평균 5.7W/m3 • 기술적인 문제에 의한 하룻동안의 feeding중단 이후 • 전력 출력이 3주 동안 점차 늘어 하루 평균 37W/m3에 이르렀다. • 글루코스는 항상 모두 소진 • VFA의 축적은 측정되지 않음, 유출수속 VFA의 농도는 평균 52±45mg VFA/l 까지 점차 줄어듬 • 일반적으로 VFA의 많은 양이 acetate로 존재한다. • 첨가되는 COD의 최대 49±0.3%에 상응하는 전류가 발생한다.

18. Microbial fuel cells in maple syrup • 탄소원으로 maple syrup주입 + M9 medium • 기본 전해질로 이루어진 유입수 초기 출력 전력 : 4W/m3정도 에너지 생산 1.2kWh/m3·d 최대 전지 포텐셜 : 625mV 전압 : 6.3mV VFA의 축적은 없다 유출수의 농도는 16±9mg/l 정도까지 지속적으로 감소

19. Microbial fuel cells on artificial wastewater • 탄소원으로 글루코스로 만든 합성폐수 이용 • 앞의 두 실험과 큰 차이 없음 • 출력 전력이 앞의 두 기질보다 낮음. (24.7W/m3) • 유출수속 VFA농도는 지속적으로 16±9 mg/l까지 줄어든다.

20. Influence of the electrode structure • Graphitefelt cathode와 Plain graphite cathode • 운전 시작한 처음 50시간 동안 출력 전력 • Graphitefelt cathode : 8.8±0.4W/m3 • Plain graphite cathode : 8.0±0.6W/m3 출력 전력에는 큰 차이가 없다. • 반응기의최대 출력 전력 • Graphitefelt cathode : 15.9W/m3 • Plain graphite cathode : 15.2W/m3 • Graphitegranule cathode • 초기 출력 전력 : 다른 cathode와 비슷한 수준. • 출력이 급격하게 감소함. • 음극 전해질의 탈색현상 : 철 농도의 변화는 보이지 않는다. • Granularmatrix가 물형성을 위해 필요한 양이온의 전달을 방해하는 것으로 보임 • Plate shaped anode 에서 granularanode로 바꾸었을 때 MFC전압이 2배로 증가. • Anode 전극부에 baffle 설치 시 전압이 더 늘어난다.

21. Cyclic voltammetry • 글루코스를주입하는 MFC로 실험 • 산화와 환원의 최대치를 발견 : -50mV ( 수소전극기준) • 실험결과 • Anode에 mediator를첨가하면, 급속한 탈색이 발견되고, 이는 mediator의 감소를 나타낸다 • 출력전력에 커다란 효과를 얻지는 못했다. • Batch 시스템에서 얻은 연구와는 다른 결과이다. (batch에서는 mediator 첨가시 출력전력 상승)

22. Discussion

23. Removal of COD by microbial fuel cells • 최대 50%의 COD가 제거되어 전기로 전환 • 남은 COD는 acetate형태로 전환되거나, 검출되지 않는다. = 유출수의 acetate가 작다 = MFC의 기질 생분해 능력은acetate나VFA로의 단순 발효보다 뛰어남 COD제거에 사용하기에 적절하다. • 생산된 전기는 하수처리장 운영에 있어 경제적인 가치가 있다. • 높은 에너지 효율을 얻기 위해, 전류와 전압이 아주 커야 한다. • 저항이 너무 크거나 혹은 너무 작아서도 안된다. • 대부분의 MFC연구에서 500Ω이 넘는 큰 저항을 사용->낮은 전압->낮은 출력전력 • 최적의 저항 결정을 위한 연구가 필요 • 저항 결정요소 : application, 접종균, 반응기 종류, 기질, MFC내 potential loss… • MFC를 다른 기술들과 비교하기 위해서는 W/m3로 표현해야 한다.

24. Applicability of the used substrates • 에너지 recovery: 최대 26% ( 부하율 1kg/m3·d일때 ) • 하수처리를 위한 MFC의 장점 • COD가 제거된다. • 유용한 전기가 생산된다. • 폭기가 필요없다. • Biogas공정을 위한 복잡한 장비가 필요없다.

25. Importance of redox mediators • Batch system : redox mediator첨가로 인한 출력전력의 상승 • 연속흐름식 MFC : 큰 효과 없음 anode에 soluble mediator 첨가는 좋은 방법이 아님.