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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.28 No.2 pp.219-224
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2019.28.2.219

Basic Study for Harvesting Unused Energy based on Plant-Microbial Electrochemical Technology

Jaecheul Yu,Choon Hwan Shin1)*
Department of Civil & Environmental Engineering, Pusan National University, Busan 46241, Korea
1)Department of Energy & Environmental Engineering, Dongseo University, Busan 47011, Korea
*Corresponding author: Choon Hwan Shin, Department of Energy & Environmental Engineering, Dongseo University, Busan 47011, Korea Phone: +82-51-320-1787
05/12/2018 18/01/2019 08/02/2019

Abstract


In this study, we evaluated the energy production from plant-microbial fuel cells using representative indoor plants, such as Scindapsus aureus and Clatha minor. The maximum power density of microbial fuel cell (MFC) using S. aureus (3.36 mW/m2) was about 2 times higher than that of the MFC using C. minor (1.43 mW/m2). It was confirmed that energy recovery is possible using plant-MFCs without fuel. However, further research is needed to improve the performance of plant-MFCs. Nevertheless, plant-MFCs have proved their potential as a novel energy source to overcome the limitations of the conventional renewable energy sources such as wind power and solar cells, and could be employed to a power source for the sensor in charge of the fourth industrial revolution.



식물-미생물전기화학 기반의 미활용 에너지 회수 기초 연구

유재철,신춘환1)*
부산대학교 사회환경시스템 공학과, 1)동서대학교 에너지환경 공학과
    National Research Foundation of Korea
    2015R1C1A1A01054204
    2018R1D1A1B07046741

    1. 서 론

    세계 에너지는 글로벌 경제성장과 함께 꾸준히 증가 하여 15년 기준 136억toe를 공급하고 있으며, 화석연료, 원자력, 신재생에너지원이 각각 81.5%, 4.9%, 13.6%를 차지하고 있다(KEA, 2018). 하지만, 지구온난화 및 화 석연료 고갈에 따른 에너지 부족에 대한 글로벌 위기에 직면하고 있으며, 많은 국가에서는 에너지 대책 마련에 주력하고 있다. 국내에서도 기후변화 적응 및 에너지 자 립전략을 위해 온실가스 감축, 탈석유에너지 자립강화와 기후변화 적응 전략 강화의 정책방향을 수립하여 수행해 오고 있다(KEA, 2018).

    에너지 하베스팅(Energy Harvesting)은 주변에서 버 려지는 미소량의 물리적, 화학적, 전기적 미활용 에너지 를 수확하여 이용 가능한 전기 또는 에너지 등으로 수집 하여 이용하는 기술로서, 미국 등의 선진국에서는 미활 용 미량에너지를 수집 활용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다(Priya and Daniel, 2009).

    최근에서, 미생물을 촉매로 이용하여, 유/무기물의 산 화환원반응을 통해서 전기 및 유용물질을 회수할 수 있 는 미생물연료전지가 관심을 받아왔으며, 하수처리, 수 소생산, 해수담수화 등 다양한 분야에서 연구가 진행되 고 있다(Chue et al., 2012;Yu et al., 2012;Logan et al., 2015). 일반적으로 미생물연료전지는 산화전극부와 환원전극부로 구성되어 있으며, 분리막으로 구분되어 있 다. 산화전극부에서는 미생물에 의하여 유기물의 산화반 응이 일어나고, 전자와 수소이온이 발생한다. 전자와 수 소이온은 각각 외부도선과 분리막을 통해서 환원전극부 로 이동하게 된다. 환원전극부로 이동한 전자와 수소이 온은 산소 등과 같은 전자수용체와 최종환원반응을 수행 하게 된다. 이러한 일련의 연속반응을 통해서, 전기 또는 유용물질을 회수할 수 있다(Oh et al., 2010;Rabaey and Rozendal, 2010).

    특히, 식물의 광합성의 결과로 생성되는 유기물을 이 용하여, 전기를 생산할 수 있는 식물-미생물연료전지도 많은 관심을 받고 있다(Rosenbaum et al., 2010;Deng et al., 2012). 부레옥잠(Mohan et al., 2011), 우산식물 (Klaisongkram, 2014), 공심채(Liu et al., 2013), 호밀 풀(Habibul et al., 2016), 벼(Kaku et al., 2008; Bombelli et al., 2013; Kouzuma et al., 2013;Arends et al., 2014), 벼과식물(Helder et al., 2010;Trimmers et al., 2010;Chiranjeevi et al., 2012), 부들 등을 이용해서 5.9 - 225 mW/m2 전력밀도를 생산한다고 보고하고 있 다. 하지만, 국내에서는 벼과식물을 이용한 연구(Ahn et al., 2014)를 제외하고는 보고된 사례가 없다.

    따라서, 본 연구에서는 벼과식물이외에 국내에서 쉽 게 재배할 수 있는 실내용 식물을 이용하여 미활용에너 지 회수 가능성을 평가하고자 하였으며 이러한 결과를 미생물 전기화학 기술개발 및 미래 에너지 자원 확보를 위한 기초 자료로 제공하고자 한다.

    2. 연구재료 및 방법

    2.1. 식물 선정

    본 연구에서는 국내에서 쉽게 구할 수 있고, 유지관리 가 쉬운 습지 식물중에서 동의나물(학명: Clatha minor NAKAI)과 스킨답서스(학명: Scindapsus aureus)의 2 종을 선정하였다. 동의나물은 전국적으로 분포하고 있으 며, 습지나 물가에 나는 미나리아재비과에 속하는 여러 해살이 식물로서 흰 수염뿌리를 많이 가지고 있다. 스킨 답서스는 천남성과에 속하는 반음지 식물로 밝은 실내에 서 잘 자라며, 수경재배도 가능하다.

    2.2. 식물-미생물연료전지 구축 및 운전 조건

    본 연구에서 사용된 미생물전기화학 장치는 LED 조 명(450~660 nm)이 설치된 직사각형태의 반응기(690 mm × 620 mm × 360 mm) (Fig.1) 에서 약 10 cm 정 도 될 수 있도록 흙을 쌓고, 식물을 식종하였다(Table 1). 산화전극으로는 흑연팰트(Graphite felt)(GF-20-5F, Nippon Carbon, Japan)(50 × 50 mm)를 이용하였으며, 환원전극으로는 백금으로 코팅된 탄소천(Carbon cloth) (SGL Group Carbon, Co., Germany)(50 × 50 mm)을 사용하였다. 산화전극은 토양 표면에서 3 cm 아래에 두 었으며, 환원전극은 대기중에 노출될 수 있도록 하였다. 대조군으로 식물이 없는 조건에서 전극을 설치하여 연결 하였다. 산화전극과 환원전극은 외부저항 100Ω 으로 연 결하였으며, 상온에서 운전되었다.

    2.3. 전기발생량 측정 및 계산

    전압계를 이용하여, 매일 1회씩 전압발생량(mV)을 측정하였다. 최대전력밀도값(mW/m2)을 구하기 위하여, 외부저항을 1000~5Ω 으로 변화하면서 전압 및 전류값 을 측정하였다. 또한 에너지 회수율을 계산하기 위하여 아래 수식을 사용하였다. pH, 전기전도도, 및 습도는 각 각 pH 및 전기전도계와 습도계를 이용하여 측정하였다.

    E r = 전력밀도  ×  산화전극부면적 A s × 잎면적 × P e × R p × R a

    • Er: 에너지 회수율

    • Pe: 광합성 효율(4-6%)

    • Rp: 광합성으로 뿌리에 저장되는 탄수화물의 비율

    • Ra: 미생물이 이용 가능한 유기물 비율(20%)

    • As: 연평균 태양에너지 이용량(170 W/m2)

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 전압발생량 변화

    외부저항 100Ω에서 동의나물을 이용하는 P1의 전압 발생량은 약 1.98±0.6 mV의 전압발생량을 보였으며, 스 킨답서스를 이용한 P2의 전압발생량은 약 7.91±5.9 mV 으로 약 5배정도 높게 나타났다(Fig. 2). 또한, 식물이 없 는 대조군에서는 0.1 mV의 이하의 전기가 발생하는 결 과로부터 식물의 광합성으로 발생하는 유기물이 전기 생 산에 이용된 것으로 판단이 가능하다. 이러한 판단의 근 거는 동일한 전극을 사용하였기 때문에, 식물에 따라서 이용할 수 있는 기질의 차이 때문인 것에서 찾을 수 있다. 선행연구에서도 스킨답서스를 이용한 MFC의 최대 전압 발생량은 약 0.6 V으로, 용혈수를 이용하는 MFC의 최 대 전압발생량(0.4 V)보다 약 50% 이상 높게 나타났는 데, 이는 식물뿌리 미생물의 기질 이용도와 미생물의 농 도 차이로 인해서 식물에 따라서 전압발생량의 차이가 발생할 수 있다고 보고하였다(Sarma and Mohanty, 2018). 본 연구에서도 식물종류에 따른 미생물의 기질이 용도 및 농도차이 때문에 전압발생량의 차이가 발생한 것으로 사료된다.

    3.2. 전력밀도 및 에너지 회수율

    전압-전류곡선을 통해서 P1과 P2의 최대전력밀도와 내부저항을 구하였다 (Fig. 3). P1과 P2의 내부저항은 약 220 Ω으로 유사하게 나타났으나, 열린회로의 전압값 은 P2(0.98 mV)가 P1(0.68 mV)보다 약 40%이상 높게 나타났다. 또한, P1의 최대전력밀도는 약 1.43 mW/m2 (전극면적기준)으로 나타났으며, P2의 최대전력밀도는 약 3.36 mW/m2으로 P1보다 2배 이상 높게 나타났다. 또한 낮은 전력밀도로 인하여 에너지 회수율도 1%이하 로 낮게 나타났다.

    P1과 P2의 최대전력밀도값은, 벼를 이용하는 미생물 연료전지의 최대전력밀도 값(7.3 mW/m2) (Ahn et al., 2014)과 스킨답서스를 이용하는 미생물연료전지의 최대 전력밀도 (15 mW/m2) (Sama and Mohanty, 2018)보 다 상대적으로 낮게 나타났다. 특히, 스킨답서스를 이용 한 미생물연료전지의 경우, 추가적으로 탄소원이 공급되 었으며(COD 167-176 mg/L), 초음파 처리를 통해 전극 표면이 개질된 전극을 사용하였기 때문에 전력밀도가 높 게 나온 것으로 사료된다. 본 연구의 경우, 식물이 없는 조건(22 mg/L)에 비해 COD 농도는 33-55 mg/L 이하 로 높게 나타났지만, 선행연구(Sama and Mohanty, 2018)에서 보고된 COD 농도보다 상대적으로 매우 낮았 기 때문에, 전력밀도값도 낮게 발생한 것으로 사료된다.

    3.3. 식물-미생물전기화학 기술에 대한 적용

    3.3.1. 식물-미생물연료전지의 상용화

    국내의 경우, 국립농업과학원에서 국내최초로 벼를 이 용한 식물-미생물연료전지 연구를 수행한 보고는 있으나 (Anh et al., 2014), 국내에서는 비교적 관련 연구가 활발 히 진행되지 않고 있다. 반면, 세계 최초로 식물-미생물연 료전지 기술을 발견한 네덜란드의 경우, P-MFC를 주로 연구하는 Plane-e Co. (http://www.plant-e.com)에서는 P-MFC를 공원내 조명장치로 적용하거나, 하천변에 부 유형태로 설치하여 수질정화 및 하천조명전원으로 활용 하기도 하였다. 이외에도 소형 P-MFC를 가정용 및 교육 용으로 판매하고 있으며, 고속도로 논, 숲, 습지 등을 이 용하여 전기를 대량 생산하는 연구를 진행하고 있다. 하 지만, 식물-미생물연료전지의 상용화를 위해서 안정적인 전기에너지 회수 가능성이 확보되어야 하며, 전극의 안 정성과 내구성이 장기간 유지될 수 있는 재료의 개발이 필요하다.

    3.3.2. 환경적 영향 평가

    연료 없이도 전기에너지 생산이 가능한 식물-미생물 연료전지는 식물이나 환경조건에 따라서 발생하는 전력 량은 차이가 있을 수 있지만, 현재 식물재배면적 m2당 약 0.4 W의 전력이 발생하고 있으며, 앞으로 3.2 W/m2 이 상까지 향상될 수 있을 것으로 기대하고 있다(Helder, 2010). 비록, 식물-미생물연료전지에서 발생하는 전력발 생량은 기존의 풍력(5-7.7 W/m2)이나 태양광(4.5-7.5 W/m2)보다 상대적으로 낮은 수준이지만(Ahn et al., 2014), 에너지 생산시 소음이 발생하지 않고, 기상조건 에 큰 영향을 받지 않는다는 장점이 있다. 또한, 식물 성 장에도 전혀 영향이 없기 때문에 기존의 신재생에너지원 이 가지고 있는 문제점을 극복할 수 있는 새로운 에너지 원이 될 수 있을 것이다. 또한, 이론상 식물이 있는 곳이 라면 어디든 설치가 가능하기 때문에, 4차 산업혁명을 책 임지고 있는 센서의 전력원으로도 충분히 활용이 가능할 것으로 예상된다.

    4. 결론

    본 연구는 국내에서 쉽게 볼 수 있는 실내 식물을 대상 으로 전기에너지 회수 기초 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    가. 외부저항 100Ω에서 동의나물을 이용하는 미생물 연료전지(P1)의 전압발생량(1.98±0.6 mV)에 비해 스킨 답서스를 이용하는 미생물연료전지(P2)의 전압발생량 (7.91±5.9 mV)은 약 5배정도 높게 나타났다. 반면에 식 물이 없는 대조군에서는 0.1 mV의 이하의 전기가 발생 하였기 때문에 식물의 광합성으로 발생하는 유기물이 전 기 생산에 이용된다는 사실을 확인 할 수 있었다.

    나. P1과 P2의 내부저항은 약 220 Ω으로 유사하게 나 타났으나 열린회로의 전압 값은 P2(0.98 mV)가 P1(0.68 mV)보다 약 40%이상 높게 나타났으며 P1의 최대전력밀도는 약 1.43 mW/m2(전극면적기준), P2의 최대전력밀도는 약 3.36 mW/m2으로 높게 나타났다. 하 지만, 상대적으로 낮은 전력밀도로 인하여 에너지 회수 율도 1%이하로 낮게 나타났으며, 이를 개선하기 위한 추 가적인 연구가 필요하겠다.

    다. 식물-미생물연료전지에 의한 에너지 생산시 소음 이 발생하지 않고 기상조건에 큰 영향을 받지 않는다는 장점이 있으며 식물 성장에도 악영향을 끼치지 않을 뿐 만 아니라 이론상 식물이 있는 곳이라면 어디든 설치가 가능하기 때문에 에너지원으로 충분히 활용이 가능할 것 으로 예상된다.

    감사의 글

    본 연구는 2015년도 및 2018년도 정부(과학기술정보 통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구입니다(No. 2015R1C1A1A01054204 및 2018R 1D1A1B07046741).

    Figure

    JESI-28-2-219_F1.gif

    Diagram of plant-microbial fuel cell (P-MFC) used in this study; R: external resistance.

    JESI-28-2-219_F2.gif

    Voltage generation of P1(MFC using C. minor, ) and P2(MFC using S. aureus, ○); ∆: control(MFC without plant).

    JESI-28-2-219_F3.gif

    Power density (●) and voltage-current (○) curves of P1(MFC using C. minor)(a) and P2(MFC using S. aureus)(b).

    Table

    Operating conditions of plant-Microbial fuel cell (P-MFC) in this study

    Reference

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