바이오수소 생산을 위한 미생물전기분해전지에서 간헐적 외부 전압 인가시간에 따른 운전 성능평가 (Effect of Duty-ratio on the Operating Characteristics of Microbial Electrolysis Cells for Biohydrogen Production)

서지정보

· 발행기관 : 유기성자원학회
· 수록지 정보 : 유기물자원화 / 32권 / 4호 / 17 ~ 24페이지
· 저자명 : 서휘진, 권이현, 안용태

초록

미생물전기분해전지의 운전에 있어서 환원전극에서의 수소생성 반응은 전체 공정의 율속단계인 것으로 널리알려져 있다. 수소생성을 위하여 외부전압을 연속적으로 인가하게 되더라도 일부는 환원전극에서 전기화학반응에사용되지 않게 될 것이다. 이를 해결하기 위하여 간헐적으로 외부에서 전압을 주입하는 방식의 MEC 공정에 대한연구를 진행하였다. 기존의 연구와는 달리 전압을 인가하지 않는 시간을 고정하고 전압 인가시간 증가에 따른 MEC 반응조의 효율에 대해 알아보았다. 유기물 제거율은 전압을 인가하는 시간이 증가하여도 크게 감소하지 않는경향을 나타내었다. 이에 비해 전류밀도는 전체 duty-cycle 시간이 특정 시간 이상으로 증가하게 되면 일부감소하는 경향을 보였으며, 이와 유사하게 바이오가스 내 수소가스의 조성도 일부 감소하였다. 수소 수율의측면에서는 On/Off 시간 15s/5s 조건이 연속적으로 전압을 인가한 조건에 비해 14.3%의 증가가 가능하였다. Cathodic hydrogen recovery 또한 30% 가량 증가가 가능하였는데, 이들은 전기활성 미생물의 활성화와 전기적과전압(overpotential) 저감 등에 기인한 것으로 판단된다. 본 연구를 통하여 간헐적 전압인가 방식의 duty length 가 짧은 경우에 보다 수소발생량이 향상됨을 확인할 수 있었으며, 추후 전압인가 조건의 최적화를 통하여 유기물 제거율, 수소발생량, 그리고 에너지효율의 극대화가 가능할 것으로 예상된다.

영어초록

It is widely known that the hydrogen production reaction at the cathode electrode is the rate-limiting step of the entire process in the operation of a microbial electrolysis cell. Even if an external voltage is continuously applied to produce hydrogen, some of input energy will not be used for the electrochemical reaction. To solve this problem, we conducted a study on the MEC process in which voltage is intermittently applied. Unlike previous studies, we fixed the off-time and investigated the efficiency of the MEC reactor according to the increase in the voltage application time. The organic matter removal rate did not significantly decrease with intermittent energy input. In contrast, the current density tended to decrease slightly when the on/off cycle time increased beyond a certain value, and similarly, the composition of hydrogen gas in the biogas also decreased. In terms of hydrogen yield, the on/off time of 15s/5s allowed an increase of 14.3% compared to the condition where the voltage was continuously applied. Cathodic hydrogen recovery also increased by about 30%, which might be due to the enhanced performance of electroactive microorganisms and reduction of electrical overpotential. It was confirmed that the hydrogen generation can be improved when the duty length of the intermittent voltage application was short. Also, it is expected that the organic matter removal, hydrogen generation, and energy efficiency can be maximized through optimization of the voltage application strategies.

참고자료

· 없음