과학

오수나 폐수를 연료로하여 미생물의 움직임으로 발전하는 "미생물 연료 전지"란?

o2zone 2020. 12. 25. 15:20

기후 변화의 완화가 세계적인 이슈가 되고있는 가운데, 각국은 태양 광이나 풍력 등 신 재생 에너지를 이용한 발전의 도입을 추진하고있다. 최근에는 널리 알려진 태양 광 발전이나 풍력 발전과 더불어 미생물을 이용해 페수 등으로부터 전력을 일으키는 "microbial fuel cells(미생물 연료 전지)"가 주목받고있다라는 것으로, 웨스트 민스터 대학에서 생체 촉매 기술에 대해 연구하는 Godfrey Kyazze 씨가 미생물 연료 전지의 구조 및 응용에 대해 설명하고있다.

 


연료 전지에는 외부 회로로 전자가 흐르기 시작하는 애노드(음극)와 외부 회로로부터 전자가 흘러 들어오는 캐소드(양극)이 존재하며, 두 전극 사이에 주어진 연료를 소비하고 발전한다. 미생물 연료 전지에서는 전극에서 연료로 전자를 추출하는 반응을 "유기물을 분해하여 전자를 추출하는 미생물"이 담당하고 있는 것이 특징이다.

일반적인 미생물 연료 전지는 애노드 실과 캐소드 실이 막으로 분리되어 있으며, 촉매로되는 미생물은 애노드로 성장하고, 연료 중의 유기물을 분해하여 전자와 수소 이온으로 변화한다. 이 반응에서 생성 된 전자는 외부 회로를 통해 캐소드 실로 흘러 들어, 수소 이온도 막을 통해서 캐소드 실로 이동하기 때문에, 캐소드 실에서는 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다.

지속적으로 연료 중의 유기물이 미생물에 의해 분해되어 전자가 외부 회로를 통해 캐소드 실에 전송 됨으로써 전류가 발생하는 구조이다.

 


현시점에서는, 이미 소형 팬과 LED 조명을 작동시킬 수있는 미생물 연료 전지가 개발되고 있다. 또한 미생물 연료 전지에는 "염분에 대한 내성이 강하다", "실온에서도 동작한다", "다양한 물질을 연료로 가능하다"라는 장점도 있기 때문에, 앞으로 발전 시스템을 크게 바꿀 가능성도 있다는 것.

Kyazze 씨는 미생물 연료 전지의 응용이 유망 할 것으로 보여지고 있는 4가지 사례에 대해 설명....



■ 1. 분뇨를 이용한 발전

대변과 소변에 포함 된 생분해 성 유기물은, 미생물 연료 전지가 전기를 만들어내는 연료로 주목받고 있다. 실제로 가나에서는 화장실에 미생물 연료 전지를 구현하는 연구가 이루어지고 있으며, 화장실이 발전소가 될 가능성이 시사되고 있다는 것.

 


이 실험에서는 약 2년간 미생물 연료 전지를 갖춘 화장실이 사용되어, 소변으로부터 질소를 제거하고 배설물을 퇴비로하면서, 화장실의 LED 조명에 전력을 공급하기에 충분한 전력이 생성되었다고한다. 전력망이 정비되지 않은 원격지나 난민 캠프에서 화장실의 분뇨를 연료로하여 발전 할 수있는 이 구조가 매우 도움이 될 수 있을 것으로 생각...

■ 2. 식물을 이용한 발전

미생물 연료 전지를 응용하는 것으로, 살아있는 식물을 이용하여 발전을 할 수있다라는 것. 


식물은 성장과정에서 포도당 등의 탄수화물을 생성하지만, 이 일부분은 뿌리의 침출액으로 주위에 흘러간다. 그래서 뿌리 주위에 애노드 실, 막으로 막은 장소에 캐소드 실을 설치하여 미생물 연료 전지를 만들 수 있다.

 


뿌리 침출액을 연료로해서, 미생물이 전자를 꺼내고...외부 회로를 통해 조명과 장치의 충전 등에 사용가능하다는 것. 결국 전자는 캐소드 실로 흘러들어간다.

식물을 이용한 미생물 연료 전지는, 전력망에 액세스 할 수없는 고립된 지역 사회의 발전에 혁명을 일으킬 수 있다는 것. Kyazze 씨는 미래에 가로수를 사용하여 도시의 거리를 비추게 될 수도 있다고 주장.



■ 3. 저전력의 탈염 시스템

미생물 연료 전지의 색다른 변화로 주목 받고있는 것이, 미생물을 사용한 "탈염 시스템"이다. 이 시스템에서는, 미생물 연료 전지의 애노드 실측에 음 이온 교환 막을, 캐소드 실측에 양이온 교환 막을 설치하고, 2개의 막 내부에 탈염하고싶은 물을 넣는다.

 


미생물이 반응해 애노드 실측에서 수소 이온이 발생한 경우, 수소 이온은 음이온 교환 막을 통과하여 탈염하고 싶은 물쪽으로 이동할 수 없다. 따라서 탈염하고 싶은 물로부터 음이온 교환 막을 통해서 음이온이 애노드 실측으로 흘러간다. 한편, 외부 회로를 통해 전자가 캐소드 실쪽으로 이동에 반응하여 수소 이온이 소비되기 때문에, 양이온 교환막을 통해 탈염하고 싶은 물에서 양이온이 캐소드 실쪽으로 흘러간다.

이 상호 작용을 반복하여 2개의 막으로 둘러싸인 물이 담수로 되는 것. 기존의 해수를 담수로 바꾸는 시스템은 매우 큰 에너지를 소비하기 때문에 발전하면서 대규모 담수화를 달성하는 방법은 혁명적이라고 말할 수 있다는...

■ 4. 메탄 발효법의 효율 개선

 


메탄 발효법(혐기성 발효법)은 폐수에 포함 된 유기물을 미생물로 분해시켜 천연 가스로 사용할 수있는 메탄 가스를 주성분으로하는 바이오 가스를 추출하는 방법이다. 일반적으로 메탄 발효법은 비효율적이라고 하지만, Kyazze 씨에 따르면 메탄 발효법과 미생물 연료 전지 시스템을 결합한 electromethanogenesis하는 수법을 사용함으로써, 메탄 발효법의 효율성을 개선 할 수 있다고한다.

현재 시점에서는, 여러 신생 미생물 연료 전지의 상용화를 위한 연구를 하고있다고하고, 장래적으로는 미생물 연료 전지가 우주 공간에서의 발전에 사용되는 장기 우주 임무에 전력을 공급 할 가능성도 있다고 한다.