관형 미생물 연료전지의 성능에 대한 탄소원의 영향에 대한 모델링 및 실험적 조사

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11070(2023) 이 기사 인용

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미생물 연료 전지(MFC)는 청정 에너지 생산과 폐수 처리라는 두 가지 주요 목적을 수행합니다. 이 연구에서는 다양한 탄소원이 MFC 성능에 미치는 영향을 조사하고 분극 곡선을 복제하는 수학적 모델을 개발합니다. 생물학적 반응기는 세 가지 유형의 탄소원, 즉 단순 공급원인 포도당, 미세결정질 셀룰로오스(MCC), 복합 공급원인 도시 고형 폐기물의 유기 성분 슬러리(SOMSW)를 사용했습니다. MFC는 개방 회로 모드와 폐쇄 회로 모드 모두에서 작동되었습니다. 달성된 최대 개방 회로 전압은 기판인 포도당의 경우 695mV, MCC의 경우 550mV, SOMSW의 경우 520mV였습니다. 폐쇄 회로 모드에서 기판의 영향도 조사되었으며, 그 결과 기판인 포도당, MCC 및 SOMSW에 대해 각각 172mW/m2, 55.5mW/m2 및 47.9mW/m2의 최대 전력 밀도가 나타났습니다. 두 번째 섹션에서는 평균 상대 오차(ARE)가 10% 미만인 전압 손실, 즉 활성화, 오믹 및 농도 손실을 고려하면서 분극 곡선을 묘사하는 수학적 모델을 개발했습니다. 수학적 모델은 기판의 복잡성에 따라 전압의 활성화 손실이 증가하고 SOMSW를 기판으로 사용할 때 최대 값에 도달한다는 것을 보여주었습니다.

최근 수십 년 동안 인구 증가와 산업 발전으로 인해 전 세계적으로 에너지 수요가 크게 증가했습니다. 현재 에너지 수요의 대부분은 가스, 석유, 석탄과 같은 유한한 화석 연료 자원에 크게 의존하여 충족됩니다. 에너지 소비가 계속 증가함에 따라 과학자들 사이에서는 재생 가능하고 환경 친화적이며 신뢰할 수 있는 에너지 대안을 찾기 위한 경쟁이 치열해졌습니다. 화석 연료원은 유한할 뿐만 아니라 환경적으로 지속 불가능하기 때문에 이러한 문제를 해결하는 것이 필수적입니다. 에너지 관련 문제 외에도 온실가스, 특히 CO2 배출에 대한 우려가 높아지면서 정밀 조사가 강화되었습니다1. 따라서 전 세계의 화석 연료 의존도를 완화하기 위해 원자력 및 재생 에너지와 같은 대체 연료를 탐색하는 데 광범위한 연구 노력이 집중되어 왔습니다. 재생 가능한 자원에 의존하는 환경 친화적인 에너지 옵션을 식별하는 데 중점을 두고 있습니다2,3,4. 원자력 에너지는 대안으로 고려되었지만 자원 가용성은 제한적이며 효과적인 폐기물 처리는 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다5. 결과적으로, 폐기물 배출을 최소화하거나 전혀 발생시키지 않는 재생 에너지원은 과학계에서 상당한 주목을 받았습니다.

미생물 연료전지(MFC)는 미생물을 생체촉매로 사용하여 전자와 양성자의 이동을 촉진하여 유기물을 전기로 전환하는 독특한 유형의 연료전지입니다. 값비싼 촉매에 의존하는 기존 연료전지와 달리 MFC는 양극실 내에서 미생물을 활용합니다. 이들 미생물에 의해 생성된 전자는 외부 회로를 통해 음극 표면으로 전달되기 전에 매개체를 통해 또는 나노와이어 또는 생물막을 사용한 직접 변환을 통해 양극 전극에 도달합니다. 멤브레인이 없는 단일 챔버 MFC(SCMFC)의 경우 양성자는 양극액을 통과하여 음극 전극에 도달합니다. 음극에서는 산소 분자가 환원되어 물이 생성됩니다1. 그러나 MFC의 잠재적인 이점에도 불구하고 몇 가지 중요한 과제로 인해 실제 시나리오에 대한 광범위한 적용이 방해를 받고 있습니다. 이러한 과제에는 발전 효율성, 전극 및 분리막과 관련된 재료비, 설계 및 작동의 단순성과 타당성에 대한 필요성, 유지 관리 비용 및 전반적인 실행 가능성이 포함됩니다. 이러한 장벽을 극복하기 위해 MFC의 채택은 전통적인 화석 연료 기반 에너지 생산에 대한 유망한 대안으로 간주되었습니다. 결과적으로 지난 20년 동안 이러한 문제 중 하나 이상을 해결하고 MFC의 실제 적용 가능성을 향상시키기 위해 상당한 노력이 기울여졌습니다. 높은 에너지 생산을 달성하기 위해 다양한 작동 조건6,7,8 및 별도의 양극 및 음극 재료9,10, 변형된 양극 또는 음극 전극11, 흐름 공정(배치 및 연속)2 및 미생물 유형12,13,14,15,16이 연구되었습니다. MFC에서. MFC의 초기 비용을 줄이기 위해 저가형 양극 전극 재료(예: 스테인레스 스틸 메쉬17), 분리막(예: 캔버스 천18) 및 바이오 음극(금속 촉매가 없는 음극 전극19)을 사용했습니다. 간단한 구조와 쉬운 유지 관리로 MFC를 설계하기 위해 다양한 MFC 구조20,21가 연구되었습니다. 지금까지는 흐름(수직)22과 수평20의 두 가지 유형의 관형 MFC가 활용되었습니다. 관형 MFC는 손쉬운 유지 관리 및 구조적 특징(예: 연속 모드에서 막다른 골목 없음)을 위해 실제 전기 생산 및 폐수 처리 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 관형의 경우에도 전기 생산 비용이 여전히 높고 정당화하기 어려워 지금까지 적용이 제한되었습니다.