전극간 거리와 크기가 토양미생물연료전지의 성능에 미치는 영향

임성원(Seong Won Im),이혜정(Hye Jeong Lee),정재우(Jae Woo Chung),안용태(Yong Tae Ahn) 大韓環境工學會 2014 대한환경공학회지 Vol.36 No.11

토양 내에서 유기성 오염물질은 혐기성 미생물에 의해 분해되지만 전자수용체의 부족으로 상당량이 토양에 잔류하게 된다. 토양미생물연료전지(soil microbial fuel cells, SMFC)는 전극을 통해 전자 소비를 증진시켜 유기물 분해를 촉진시키고 동시에 전력도 생산하기 때문에, 다양한 유기성 오염원으로 오염된 토양을 환경 친화적으로 복원시킬 수 있는 기술로서많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 전극간 거리와 전극 크기가 SMFC의 전기적 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 유기물이 풍부한 토양과 인공폐수 혼합물을 이용하여 SMFC를 단일반응조로 구성하였다. SMFC에서 발생된 전력량은 전극간 거리가 멀어지거나 전극 크기가 작아질수록 내부저항이 증가하여 감소하였다. 전극 크기는 64 cm2로 고정하고 전극간 거리는4~9 cm로 변화를 주었을 때, 전극간 거리가 4 cm 조건에서 최대전압 326 mV, 최대전력밀도 19.5 mW/m2가 얻어졌고 거리가멀어질수록 전압발생량은 19~32% 감소하고 최대전력밀도는 56~69% 감소하는 것으로 나타났다. 전극 크기 변화 실험에서는전극간 거리를 4 cm로 고정하고 전극 크기를 16~64 cm2로 변화를 주었다. 두 전극 크기가 64 cm2 조건에서 최대전압 291mV, 최대전력밀도 0.34 mW/m3로 측정되었으며 산화전극 크기가 작아지면, 최대전압은 19~29% 감소하였고, 환원전극의 경우는 3~12% 감소하였다. 최대전력밀도는 산화전극이 작아지면, 49~68% 감소하였고, 환원전극이 작아지는 경우에는 29~47%감소하였다. SMFC는 인공폐수와 토양 혼합물질을 반응기 내부물질로 사용하기 때문에, 전자 및 이온전달속도가 느려 환원전극 크기에 비해 산화전극 크기에 더 많은 영향을 받는 것으로 판단된다. Soil microbial fuel cells (SMFC) have gained a great attention as an eco-friendly technology that can simultaneouslygenerate electricity and treat organic pollutants from the contaminated soil. We evaluated the effect of electrode spacing and sizeon the performance of SMFC treating soil contaminated with organic pollutants. Maximum power density decreased with increasein electrode distance or decrease in electrode size, likely due to higher internal resistance. The maximum voltage and powerdensity decreased from 326 mV and 19.5 mW/m2 with 4 cm of electrode distance to 222 mV and 5.9 mW/m2 with 9 cm ofelectrode distance. In case of electrode size test, the maximum voltage and power density generated was 291 mV, 0.34 mW/m3when both of anode and cathode area were 64 cm2 with 4 cm of electrode distance. The maximum voltage decreased by 19~29%when the anode area decreased to 16 cm2 while only 3~12% of voltage decreased with cathode area decrease. The maximumpower density decreased by 49~68% with decreasing anode size, and by 29~47% with decreasing cathode size. These resultsshowed that the anode area had more significant effects than the cathode area on the power generation of SMFC which has a highinternal resistance due to a coexistence of soil and wastewater in the reactor.

특집_제25회 한국원자력연차대회 - 지역 에너지 원자로 REX-10 개발 연구

김종원,이연건,주형민,장병일,임성원,류은현,주한규,김무환,박군철,Kim, Jong-Won,Lee, Yeon-Geon,Ju, Hyeong-Min,Jang, Byeong-Il,Im, Seong-Won,Ryu, Eun-Hyeon,Ju, Han-Gyu,Kim, Mu-Hwan,Park, Gun-Cheol 한국원자력산업회의 2010 원자력산업 Vol.30 No.3

유기염소계 난분해성 산업폐수의 처리를 위한 미생물제제의 개발

이현돈(Hyun Don Lee),임성원(Seong Won Im),서현효(Hyun-Hyo Suh) 한국생명과학회 2014 생명과학회지 Vol.24 No.8

유기염소계 난분해성 산업폐수처리에 효과적인 미생물제제 개발을 위하여 PCP (pentachlorophenol)와 TCE (trichloroethylene) 등과 같은 유기계 염소화합물이 오염되어있는 토양 및 산업폐수로부터 PCP 분해활성이 높은 GP5, GP19와 TCE 분해활성이 높은 GA6, GA15를 분리하였다. 이들 분리균주 GP5, GP19, GA6, GA15등은 Acetobactor sp., Pseudomonas sp., Arthrobacer sp., Xanthomonas sp.과 유사한 것으로 나타나 최종적으로 Acetobacter sp. GP5, Pseudomonas sp. GP19, Arthrobacer sp. GA6, Xanthomoas sp. GA15로 명명하였다. 유기염소계 산업폐수의 처리를 위한 복합미생물제제 OC17은 PCP와 TCE를 분해하는 4개의 분리 분리균주와 방향족화합물 분해균주인 Acinetobacter sp. KN11, Neisseria sp. GN13의 배양액을 혼합하여 제조하였다. 복합미생물제제 OC17은 2.8×10<SUP>9</SUP> CFU/g의 균체수를 갖고 있으며, 밀도는 0.299 g/㎤, 수분함량은 26.8%를 나타내었다. 복합미생물 제제 OC17은 PCP 500 mg/l가 포함되어있는 인공폐수를 이용한 실험에서 배양 65시간에 87%의 분해효율을 나타내었고, TCE (300 uM)의 분해효율은 배양 50시간에 90%의 분해효율을 나타내었다. 복합미생물제제 OC17을 이용한 유기 염소계 산업폐수의 처리효율 시험을 위한 연속배양 실험 에서 10일간 처리 하였을 때 91%의 COD 제거효율을 나타내었다. The screening of the microorganisms degrading chlorinated organic compounds such as PCP (pentachlorophenol) and TCE (trichloroethylene) was conducted with soil and industrial wastewater contaminated with various chlorinated organic compounds. Isolates (GP5, GP19) capable of degrading PCP and isolates (GA6, GA15) capable of degrading TCE were identified as Acetobactor sp., Pseudomonas sp., Arthrobacer sp., Xanthomonas sp. and named Acetobacter sp. GP5, Pseudomonas sp. GP19, Arthrobacer sp. GA6 and Xanthomoas sp. GA15, respectively. The microbial augmentation, OC17 formulated with the mixture of bacteria including isolates (4 strains) degrading chlorinated organic compounds and isolates (Acinetobacter sp. KN11, Neisseria sp. GN13) degrading aromatic hydrocarbons. Characteristics of microbial augmentation OC-17 showed cell mass of 2.8×10<SUP>9</SUP> CFU/g, bulk density of 0.299 g/㎤ and water content of 26.8%. In the experiment with an artificial wastewater containing PCP (500 mg/l), degradation efficiency of the microbial augmentation OC17 was 87% during incubation of 65 hours. The degradation efficiency of TCE (300 uM) by microbial augmentation OC17 was 90% during incubation of 50 hours. In a continuous culture experiment, analysis of the biodegradation of organic compounds by microbial augmentation OC17 in industry wastewater containing chlorinated hydrocarbons showed that the removal rate of COD was 91% during incubation of 10 days. These results indicate that it is possible to apply the microbial augmentation OC17 to industrial wastewaters containing chlorinated organic compounds.

유기성 폐기물로부터 바이오수소 생산 증대를 위한 암모니아 개질 기술 활용

김지민(Kim, Jimin),김동훈(Kim, Dong-Hoon),임성원(Im, Seong Won),김경철(Kim, Kyeong Choel),알사예드(Alsayed Mostafa),프라카시옴(Om Prakash) 대한토목학회 2021 대한토목학회 학술대회 Vol.2021 No.10

음식물류폐기물 수소 발효액의 유변학적 특성과 교반강도 고찰

김민균(Min-Gyun Kim),이모권(Mo-Kwon Lee),임성원(Seong-Won Im),신상룡(Sang-Ryong Shin),김동훈(Dong-Hoon Kim) 유기성자원학회 2017 유기물자원화 Vol.25 No.4

점도, 임펠러 종류, 소비전력 등에 의해 영향을 받는 생물학적 폐기물 처리시설 및 에너지 생산 플랜트에서 적절한 교반 시스템의 설계는 필수적이다. 본 연구에서는 적절한 교반 시스템의 설계를 위해 음식물류폐기물을 이용하여 다양한 조건(운전 pH 및 농도)에서의 수소발효 시 유변학적 특성의 변화를 조사한 후, 이를 기반으로 교반강도를 설계하였다. 운전 pH에 따른 수소발효 실험에서 수소전환율은 0.51~1.77 mol H 2 /mol hexose added 였고, 가장 높은 수소전환율은 운전 pH 5.5에서 나타났다. 발효액은 전단속도가 증가함에 따라 점도가 감소하는 Shear thinning 거동을 보였다. 탄수화물이 분해되면서 발효 이후 점도는 초기 점도보다 감소하는 경향을 보였으나, 운전 pH의 변화에 따른 발효액의 점도 변화는 크지 않았다. 탄수화물 농도 10~50 g Carbo. COD/L에서 수소전환율은 1.40~1.86 mol H 2 /mol hexose added 로 운전 pH 조건이 수소전환율에 미친 영향과 비교했을 때 큰 차이는 없었다. 발효액의 Zero viscosity와 Infinite viscosity는 탄수화물 농도에 따라 각각 10.4~346.2 mPa‧s와 1.7~5.3 mPa‧s로 나타났는데, 10 g Carbo. COD/L와 20 g Carbo. COD/L에서 발효액의 점도 값은 거의 차이가 없었다. 실험 결과에 기초하여 교반강도를 설계한 결과, 기질농도 30 g Carbo. COD/L의 수소발효 초기 및 발효 후 교반강도는 각각 26.0, 10.0 rpm으로 약 2.5배 정도의 교반강도를 줄임으로써 에너지를 절약할 수 있을 것으로 사료된다. The design of proper agitation system is requisite in biological waste treatment and energy generation plant, which is affected by viscosity, impeller types, and power consumption. In the present work, hydrogen fermentation of food waste was conducted at various operational pHs (4.5~6.5) and substrate concentrations (10~50 g Carbo. COD/L), and the viscosity of fermented broth was analyzed. The H 2 yield significantly varied from 0.51 to 1.77 mol H 2 /mol hexose added depending on the pH value, where the highest performance was achieved at pH 5.5. The viscosity gradually dropped with shear rate increase, indicating a shear thinning property. With the disintegration of carbohydrate, the viscosity dropped after fermentation, but it did not change depending on the operational pH. At the same pH level, the H 2 yield was not affected much, ranging 1.40~1.86 mol H 2 /mol hexose added at 10~50 g Carbo. COD/L. The zero viscosity and infinite viscosity of fermented broth increased with substrate concentrations, from 10.4 to 346.2 mPa‧s, and from 1.7 to 5.3 mPa‧s, respectively. There was little difference in the viscosity value of fermented broth at 10 and 20 g Carbo. COD/L. As a result of designing the agitation intensity based on the experimental results, it is expected that the agitation intensity can be reduced during hydrogen fermentation. The initial and final agitation intensity of 30 g Carbo. COD/L in hydrogen fermentation were 26.0 and 10.0 rpm, respectively. As fermentation went on, the viscosity gradually decreased, indicating that the power consumption for agitation of food waste can be reduced.

음식물류 폐기물을 이용한 고순도 바이오메탄 직접 생산

김상미(Kim, Sang Mi),김동훈(Kim, Dong-Hoon),강석태(Kang, Seok Tae),임성원(Im, Seong Won),알사예드(Alsayed Mostafa),프라카시옴(Om Prakash),김지민(Kim, Ji Min) 대한토목학회 2020 대한토목학회 학술대회 Vol.2020 No.10