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하수처리와 동시에 전기를 생산하는 새로운 공정
KOTERI 2014-11-21 4076
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 가정용 세탁기와 유사한 크기로 하수에서 박테리아를 성장시켜 전기를 생산함과 동시에 하수를 처리하는 효율적인 공정이 개발되었다. 243 National Meeting & Exposition of the American Chemical Society에서 발표된 보고서는 이 공정의 상업용 버전이 개발도상국과 미국의 물부족 지역에서 요긴하게 사용될 수 있을 것이라고 주장하였다

 


 본 보고서를 작성한 Orianna Bretschger 박사는 본 공정이 이전 버전에 비하여 절반의 가격으로 6배 높은 효율로 5배 많은 하수를 처리할 수 있다고 주장하였다.

 

 연구팀은 에너지 회수율을 기존의 2퍼센트에서 약 13퍼센트까지 향상시켰다. 이것은 본 기술이 상업적인 규모로 시행된다면 상당한 양의 전기를 생산할 수 있는 범주에 있음을 나타낸다. 실제로, 연구팀은 하수처리를 위한 비용이 필요하지 않았으며 이는 개발도상국이나 미국의 물부족 지역에서 보다 많은 폐수 재활용 기술을 사용하여 깨끗한 물을 얻을 수 있다는 것을 의미한다.

 

 현재의 폐수 처리 기술은 하수 내에 존재하는 고상과 액상 물질을 여과하여 물을 깨끗하게 하기 위한 여러 가지 단계를 포함하고 있다. 여기에는 침전조, 크기가 큰 물질들을 분쇄하기 위한 분쇄기, 입자들을 여과하기 위한 멤브레인, 생물학적 소화 단계, 유해한 미생물을 죽이는 화학적 처리 단계 등이 존재한다. 한 예측 결과에 따르면 이러한 단계에 소요되는 에너지량은 미국 전체에서 소비되는 양의 약 2퍼센트에 달한다

 

 연구팀은 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell; MFC)를 개발하고 있다. 우주 왕복선에 사용되었으며 향후의 “수소경제”에서 자동차에 사용될 것으로 예상되는 기존의 연료 전지는, 연료를 연소시키지 않으면서 그것을 전기로 바로 전환시킨다. 예를 들면, 연료전지는 수소, 산소와 반응하거나 결합하여 전기와 음용수를 생산한다. MFC는 생물학적인 연료전지이다. MFC는 하수 내에 존재하는 물질과 같은 유기 물질을 연료로 사용하며, 이를 이용하여 미생물이 유기 물질을 분해한다. 이러한 공정 내에서 미생물은 전자를 생산하며 이것은 전기의 원단위이다. 전기는 전자와 다른 전하들이 회로를 따라 흐르는 것으로 이루어져 있다.

 

 본 연구에서 개발한 새로운 MFC는 일반적인 하수 처리장에서 얻은 하수를 사용하였다. 하수 내에 자연적으로 존재하는 미생물은 슬러지 내에 존재하는 유기 물질을 대사 또는 소화 과정에서 전자를 생산한다. 연구진은 MFC에 존재하는 미생물 군집이 슬러지 내에 존재할 수 있는 벤젠과 톨루엔 같은 유해 물질까지 분해할 수 있음을 발견하였다

 


 MFC는 전극 위의 필름에 미생물이 자라는 밀봉된 챔버로 구성되어 있으며, 이곳에서 생성된 전자를 받는다. 그 동안 양전하가 대전된 밀봉되지 않은 장치가 양자가 다시 한 번 멤브레인을 통과할 수 있도록 한다. 이 곳에서, 다른 전극 위해서 자라고 있는 미생물들은 양자와 결합하고 전자의 흐름은 물과 과산화수소 등을 생산한다. MFC는 하수에서 유기 물질을 처리하는 데에 매우 효율적이며, 연구 데이터에 따르면 병원균도 감소함을 보였다.

 

 연구진은 본 장치를 통해 약 97퍼센트의 유기물이 제거되었다고 설명한다. 이는 깨끗하지만 마실 수 있을 정도는 아니다. 음용수를 얻기 위해서는 99.99퍼센트의 제거율이 요구되며 보다 완벽한 소독 과정이 필요하다. 연구팀은 여전히 본 MFC가 현존하는 폐수 처리장을 대체할 날이 올 것이라고 기대하고 있다

 

 연구팀은 그들의 첫 MFC를 작년에 공개하였다. 그 이후로 그들은 장치가 한 주에 처리할 수 있는 폐수의 양을 20 갤런에서 100갤런으로 향상시켰으며, 여기 사용되는 폐수는 San Diego 인근의 폐수처리장에서 공급받았다. 연구진은 또한 티타늄 부품을 PVC와 흑연 전극으로 교체하였다. 이러한 연유로 새로운 연료 전지에 소비되는 비용은 갤런 당 150 달러로, 이전 장치에 소비된 비용의 반 정도에 불과하였다. 연구진은 언젠가는 비용을 갤런 당 20 달러 이하로 줄여 현존하는 폐수처리 기술과 경쟁할 수 있게 되기를 원한다.

 

 연구팀은 본 장치가 슬러지 내 사용 가능한 에너지의 13 퍼센트를 전기로 전환함에 따라 이전 장치보다 6배 이상 높은 효율을 가짐을 보고하였다. 연구팀은 이것이 적은 전류 생산에 불과하지만 20에서 25 퍼센트의 효율로 가동되는 대형 장치의 경우에는 현존하는 폐수처리장을 운전할 수 있을 만큼의 전기를 생산할 수 있을 것이라고 설명한다. 일반적인 하수 처리장은 1만 가구 이상에 필요한 전력만큼을 소비하는 것으로 알려져 있다.

 

본 연구는California State PIER EISG programSan Diego Foundation Blasker Science and Technology award의 지원을 받아 수행되었다.

 

출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2012/03/120328203620.htm

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