| 초록 |
1. 서론 전 세계적으로 에너지소비량이 매년 증가하고 있다. 여러 가지 에너지원 중 화석연료는 주로 연소를 통해 에너지를 얻는데, 이와는 달리 연료전지(fuel cell) 방식을 통한 에너지 획득 방법이 있다. 연료전지는 연소와는 달리 전기화학적 방법을 사용하여 카르노(Carnot) 효율의 제한을 받지 않으며, 이론적으로는 100 #37; 에너지변환이 가능하다. 또한 유해 오염물질 배출이 없는 환경친화적인 공정이라는 점, 무소음 등의 장점이 있다. 기존의 연료전지는 전극 촉매로서, 백금 같은 고가의 귀금속 촉매를 사용한다. 이와 대조적으로, 미생물연료전지(microbial fuel cell, MFC)는 전극 촉매로서 생체촉매인 미생물(microorganism)을 이용하며, 연료로 유기물질 기질을 사용하여 전기에너지를 만든다. 최초의 MFC는 1911년 Potter에 의해 발명되어 박테리아를 사용해 전류를 얻을 수 있었다. MFC는 산화전극(또는 양극)(anode)실과 환원전극(또는 음극)(cathode)실로 구성되며, 양성자교환막(proton exchange membrane, PEM)으로 연결되어 있다(그림 1). 그림 1. MFC의 구조 모식도 산화전극실에서는 유기기질(organic substrate)이 미생물 촉매에 의해 산화반응하면서 전자와 양성자 등을 생성한다. 이후 생성된 전자는 전기회로를 통해 전기에너지를 만든다. 한편 양성자는 PEM을 통해 환원전극실로 이동하여 산소, 전기회로를 돌아 환원전극으로부터 방출된 전자와 함께 환원반응을 하여 물을 생성한다. 유기기질이 아세트산인 경우에, 각 전극의 반응은 다음과 같다. C 2 H 4 O 2 + 2H 2 O A 2CO 2 + 8H + + 8e - : 산화전극 2O 2 + 8H + + 8e - A 4H 2 O : 환원전극 일반적으로 산화전극실에서의 유기기질의 미생물 촉매산화반응은 혐기성(anaerobic) 반응이므로, 산소가 있으면 반응이 저해된다. 따라서 전지 효율 향상을 위해서는 산화전극실의 산소 차단이 중요하다. MFC의 PEM은 환원전극실의 산소가 산화전극실로 유입되는 것을 차단하는 기능도 한다. MFC는 산화전극실에서 산화반응에 의해 생성된 전자가 산화전극까지 이동할 때 매개체(media)[예: 생체막(biofilm)]를 통하거나 그렇지 않는, 2가지 범주가 있다. MFC의 성능은 다음과 같은 몇몇 인자에 영향을 받는다 ―환원전극실에서의 산소 공급과 소비 ―산환전극실에서의 유기기질의 산화 ―산화전극실에서의 산화반응 후 전자의 산화전극으로의 이동 ―PEM의 투과도(permeability) 한편, MFC는 전력 생산에 있어서 두 가지 큰 문제점(bottleneck)이 있다. ―MFC의 전력 생산과 기질 농도는 직접적인 관례가 있으며, 기질 농도가 특정 값보다 커지면 전력 생산이 방해받는다. ―MFC의 내부저항이 막대한 경우, 전력 생산이 제한된다. PEM이 큰 내부저항의 주요 원인임은 기억해둘 만하다. 한편, PEM의 내부저항을 제거하기 위하여 PEM을 없앤 MFC 설계를 하기도 한다. 이때 MFC는 형태에 따라 단일실 MFC(single chamber MFC, SCMFC), 적층(stacked) MFC, 상향류(up-flow) MFC 등이 있다. 그 밖에 환원전극에서의 촉매 산소환원 반응이 적절한 성능 조건을 만족하기 위해 생체전극을 사용하기도 한다. 흙이나 침전물(sediment)은 식물과 동물 배설물, 혹은 박테리아나 플랑크톤의 침전 등으로부터 생성된다. 침전물의 유기탄소 함량은 일반적으로 0.4~2.2 중량 #37;이다. 따라서 침전 유기탄소는 어떤 지역에서는 충분한 전력 발생원이 되며 전자방출균(exoelectrogen)을 통해 직접 전자를 세포 외로 이동시켜 전류를 만들 수 있다. 침전물-기반 미생물연료전지(sediment-type microbial fuel cell, SMFC)는 혐기성 침전물층에 산화전극을, 그 위의 물층에 환원전극을 설치하고, 두 전극을 이어 전기회로를 만듦으로써 전류를 발생시킨다(그림 2). 그림 2. 침전물-기반 MFC의 모식도(참고문헌 6) 2. MFC에서의 산화전극의 효과 MFC의 산화전극실에서는 미생물이 생체촉매가 되어 유기물 기질의 산화반응을 촉진한다. 따라서 MFC는 전력을 발생시킬 뿐만 아니라, 동시에 유기폐기물 기질을 제거하는 기능도 한다. MFC 산화전극실은 유기기질, 매개체(선택사항임), 미생물, 그리고 산화전극으로 구성된다. 일반적인 산화전극실에서의 산화반응은 다음과 같다. 유기기질 CO 2 + H + + e- 미생물촉매 위 반응의 활성화에너지를 낮추는 촉매로 작용하는 여러 미생물이 있으며, 표 1에 몇몇 예와 대응하는 전극 등을 나타내었다. 표 1. 다양한 산화전극 구성의 MFC 성능에의 영향 기질 산화전극 미생물 생체촉매 시스템 배치 최대 전력밀도(mW/m 2 ) 포도당 먹지(carbon paper) GeobacterSPP (Firmicutes) 2실 (two-chamber) 40.3±3.9 포도당 흑연 Saccharomyces cerevisiae 2실 16 아세테이트 먹지 G. sulfurreducens 2실 48.4±0.3 젖산(lactate) 먹지 Geobacter SPP 2실 52±4.7 에탄올 - Betaproteo bacterium 2실 40±2 시스테인 먹지 Gammaproteo and shewanellaaffinis (KMM3586) 2실 36 아세테이트 내의 해양침전물 흑연 Deltaproteo bacterium 2실 14 해양침전물 비부식성(noncorroding) 흑연 Desulfurmonas SPP and hellip; 2실 25.4~26.6 하수도 슬러지 Mn 4+ 를 가지는 흑연 Escherichia coli 1실 (single chamber) 91 하수도 슬러지 뉴트럴 레드(neutral red, NR)를 가지는 흑연 Escherichia coli 1실 152 하수도 슬러지 백금/폴리아닐린 Escherichia coli 1실 6000 포도당 흑연/PTTE Escherichia coli 1실 760 포도당 테플론 처리된 탄소섬유지(carbon fiber paper) Electrochemically active bacteria 2실 (H-형 MFC) 15.2 젖산 - - - 17.2 셀룰로오스 비방수성(non-wet-proof) 먹지 Cellulose degrading bacteria - 188 포도당 흑연 판(plate) Mixed culture 2실 공기환원전극(air cathode) MFC 283 포도당 PPY-CNT/먹지 Escherichia coli DCMFC 228 산화전극에서의 전자전달 능력은 MFC의 성능을 결정하는 가장 효과적인 인자 중 하나이며, 전자전달 매개체나 전지 구조 설계, 전극 최적화 등을 통해 전자전달성을 향상시킬 수 있다. 이런 맥락에서 산화전극은 MFC 성능 향상에 필수적인 요소이며, 이상적인 전극물질 요건은 다음과 같다. ―높은 전기전도도와 낮은 저항 ―높은 생체적합성(biocompatibility) ―화학적 안정성, 내부식성 ―넓은 표면적 ―적절한 기계적 강도 및 내구성(toughness) 산화전극물질로 가장 많이 사용되는 재료는 탄소물질로서, 흑연섬유블러시(graphite fiber blush), 탄소천(carbon cloth), 흑연봉(graphite rod), 먹지(carbon paper), 망상유리질탄소(reticulated vitreous carbon, RVC), 탄소펠트 등이 있다. 또한 흑연과립(graphite granule, GG)과 과립형 활성탄소(granular activated carbon, GAC)는 미세기공성이 높고 활성점이 많다. 산화전극물질을 수정(modification)함으로써 MFC의 성능을 향상시킬 수 있는데, 이러한 면에서 최근 나노공정 기술을 통한 전극 개량 연구가 이루어지고 있다. 예를 들면 카본나노튜브(carbon nanotube, CNT)나 탄소물질과 폴리아닐린 같은 전도성고분자의 복합체(composit |
