The increasing oil price and energy demand combined with the general acceptance that man-made global warming is occurring commands the emergence of new energy solutions. Microbial fuel cell (MFC) technology can extract electric energy directly from wastewater, and is therefore a sustainable means of supplying energy to our electricity-based society. Several challenges are, however, facing us in that various limitations currently exist, such as the low generation of MFCs. Therefore, this study was conducted to overcome the problems of low power generation by reducing internal resistance and optimizing the operation parameters of MFCs treating actual wastewater.
First, experiments were conducted to reduce internal resistance in the form of ohmic resistance and charge transfer resistance. Ohmic resistance could be decreased using feasible buffer solutions of phosphate and PIPES buffers. A suitable buffer should be selected considering conductivity and the buffer capacity to enhance power output. It was also found that biofilm when attached to the anode was significantly related to charge transfer resistance. Dense biofilm on the anode can enhance the charge transfer rates due to the complex development of a biofilm matrix that anchors the electrochemically active microorganisms together on the anode surface.
Second, ammonia inhibition of electricity production in single-chamber MFCs was investigated in batch and continuous operations. For the first time, it was demonstrated that electricity generation in MFCs was inhibited by the total ammonia-N (TAN) concentration. Although TAN concentrations of over 1000 mg $NH_4^+$-N/L inhibited electricity generation in batch MFCs, stable electricity could be maintained with TAN concentrations as high as 3500 mg $NH_4^+$ -N/L under continuous operation due to bacterial adaptation to the high ammonia concentration.
Third, continuous electricity generation from fermented wastewater was achieved using upflow granular single-chamber MFCs. When GAC was used as an auxiliary anode in MFCs, continuous electricity generation from fermented wastewater was achieved and the maximum power was obtained at $3.84 g/L \sdot d$. It was revealed that the suitability of the substrate as well as the configuration of the MFCs could be significant factors in the field application of single-chamber MFCs.
Fourth, the loading effects of non-precious metal catalysts of iron phthalocyanine (FePc) and cobalt tetramethoxyphenylporphyrin (CoTMPP) were evaluated, as the usage of Pt should be reduced under continuous operation. The FePc catalyst showed excellent promise as an alternative to Pt for MFCs because the power density of FePc was similar to that of Pt and because a higher CE was obtained with FePc. Catalytic loading on the cathode and metal loading on the carbon support were factors that affected power generation. Thus, these loadings should be optimized for power enhancement purposes.
신재생에너지 생산의 새로운 공정으로서 관심을 받는 미생물연료전지(Microbial Fuel Cell, MFC)는 폐수 내 유기물로부터 직접적인 전기 생산이 가능함이 실험적으로 입증된 후 2000년대 초반부터 MFC 전기 생성 효율이 크게 증가할 수 있음이 보고되었다. 그러나 경제성의 이유 및 낮은 효율이 실용화의 걸림돌이 되고 있다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하고자 MFC의 효율에 미치는 영향인자를 알아보고 내부저항을 감소시킬 수 있는 방안을 모색하였다. 또한 single chamber MFC 를 이용하여 실폐수를 처리하고자 하였으며 백금을 대체할 수 있는 촉매에 대한 연구를 수행하여 경제적인 MFC를 개발하고자 하였다.
MFC의 내부저항을 감소시켜 성능을 향상 시키기 위해서는 적절한 버퍼를 사용해야 하였으며 anode 표면의 biofilm의 탈착을 방지하여야 했다. 버퍼의 전도율과 완충능력이 MFC의 성능에 영향을 미쳤으며 버퍼 용액의 전도율이 클수록 ohmic resistance가 감소하였다. PBS와 PIPES 를 이용한 경우 높은 전력 생산이 관찰되었고 pH가 중성으로 유지되어 MFC 운전에 적합한 버퍼임이 입증되었다.
Anode 표면에 부착된 biofilm 역시 내부저항에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 장기간 부유 미생물을 주입하여 biofilm을 형성 시킬 경우 더 많이 부착된 biofilm이 생성된 전자를 회로로 효율적으로 전달하여 활성화 저항을 감소시켰다. 즉 MFC운전시 anode표면의 biofilm의 탈착을 방지하여 전자전달속도를 향상시키는 것이 MFC의 성능 향상에 도움이 되는 것을 알 수 있었다.
고농도 암모니아가 미생물연료전지의 전기 생산에 영향을 미치는지 알아보았다. 회분식 MFC에서 0.5 g N/L이상의 암모니아가 MFC에 저해영향을 미치는 것을 확인 하였다. 그러나 연속운전에서는 전기활성균이 높은 암모니아 농도에 적응하여 3.5 g N/L까지 전력 생산 감소 없이 운전 할 수 있었으며 전력 발생 역시 증가하여 회분식 운전 보다 44% 높은 전력을 생산하였다.
암모니아 저해 영향이 없으며 다량의 유기산을 포함한 수소발효조 유출수를 MFC로 처리하여 연속적으로 전기를 생산하고자 하였다. 연속 운전 전에 적합한 반응조 구조를 개발하기 위해 활성탄을 이용한 single chamber MFC의 타당성에 대한 연구를 수행하였다. 활성탄은 auxiliary anode 및 bacteria supporter의 역할을 수행하여 전력과 기질 분해율의 향상을 수반하였다. 최적화 된 반응조를 이용하여 수소발효액을 처리하고 최적 운전 조건을 도출 하였다. 모든 유기물부하율 조건에서 기질 분해율은 86%-93% 로 높게 유지되었다. 최적 유기물부하율은 $3.84 g/L \cdot d$ 이었으며 이때 획득한 최대전력 밀도는 $3.0 W/m^3$ 이었다. 본 연구를 통해서 실폐수 처리와 동시에 연속적 전기 생산은 가능 하였으나 효율 개선을 위해서는 반응조 용량 대비 cathode 크기가 커야 함을 알 수 있었다.
경제적인 MFC를 운전하기 위해서는 cathode의 백금 사용량을 줄여야 했다. 따라서 Iron(II) phthalocyanine (FePc) 및 cobalt tetramethoxyphenylporphyrin (CoTMPP)를 MFC의 cathode 촉매로서 적용해보았다. 지금까지 비귀금속 촉매를 적용한 MFC 연구에서는 비귀금속 촉매의 정량적인 비교에 대한 정보가 부족하였기 때문에 본 연구에서는 최적 비귀금속 촉매량을 도출하고자 하였다. 결과적으로 비귀금속 촉매인 FePc와 CoTMPP로 제조된 촉매의 양이 적을수록 $(1 mg/cm^2)$ 성능이 향상됨을 확인하였다. 특히 비귀금속 촉매 중에서도 FePc 촉매를 사용한 MFC의 경우 백금 촉매를 사용한 MFC와 거의 동일한 성능을 보였다. 또한 탄소 지지체 위의 FePc와 CoTMPP의 함량이 MFC성능에 영향을 미치는 것으로 나타났으며 본 연구에서는 40 wt %로 촉매를 제조하는 것이 가장 적합한 것으로 나타났다.
