Single-cathode와 Dual-cathode로 구성된 미생물연료전지에서 전류발생 향상을 위한 전자수용체로서의 Nitrate와 Ferric ion의 이용

장재경 ( Jae Kyung Jang ),유영선 ( Young Sun Ryou ),김종구 ( Jong Goo Kim ),강연구 ( Youn Koo Kang ),이은영 ( Eun Young Lee ) 한국미생물생명공학회(구 한국산업미생물학회) 2012 한국미생물·생명공학회지 Vol.40 No.4

미생물연료전지 운전을 할 때, 전압손실을 감소시키기 위한 다양한 방법들이 시도 되고 있다. 이 연구는 전해질과 저가의 금속이온을 전자수용체로 이용하여 전류발생을 확인하였다. 전해질로 phosphate buffer를 사용한 경우, 공기만 사용하였을 때보다 향상되었으며, 공기의 공급이 없이는 효과가 적은 것으로 나타났다. 전자수용체로 질산염(nitrate)을 사용하였을 때 산소를 공급하지 않았을 때보다 높은 전류발생을 보였으나 공기포화 물을 사용한 경우와 비교하여 전류발생이 향상되지는 않았다. 질산염을 양극부에 적용시에는 음극부와 양극부 모두 폐수처리가 가능한 시스템으로 구성하여 운전한다면 전류발생은 낮으나 서로 다른 폐수를 처리 할수 있을 것으로 판단된다. 이 연구에서 적용한 3가지 방법중에서 3가 철이온을 사용하였을 때 전류 발생이 가장 높았으며, 공기를 공급하지 않아도 전류 발생이 높게 유지되는 것으로 나타났다. 이것은 미생물연료전지의 규모를 증대시킬 때 폭기가 필요 없는 시스템을 구축할 수 있어 큰 장점으로 작용할 것으로 판단된다. 따라서 3가 철이온은 지구상에 가장 많은 금속 이온 중 하나로 용해도가 낮으나 저가의 3가 철이온을 잘 이용한다면 양극부 반응속도를 효율적으로 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다. The quantity of research on microbial fuel cells has been rapidly increasing. Microbial fuel cells are unique in their ability to utilize microorganisms and to generate electricity from sewage, pig excrement, and other wastewaters which include organic matter. This system can directly produce electrical energy without an inefficient energy conversion step. However, with MFCs maximum power production is limited by several factors such as activation losses, ohmic losses, and mass transfer losses in cathodes. Therefore, electron acceptors such as nitrate and ferric ion in the cathodes were utilized to improve the cathode reaction rate because the cathode reaction is very important for electricity production. When 100 mM nitrate as an electron acceptor was fed into cathodes, the current in single- cathode and dual-cathode MFCs was noted as 3.24±0.06 mA and 4.41±0.08 mA, respectively. These values were similar to when air-saturated water was fed into the cathodes. One hundred mM nitrate as an electron acceptor in the cathode compartments did not affect an increase in current generation. However, when ferric ion was used as an electron acceptor the current increased by 6.90±0.36 mA and 6.67±0.33 mA, in the singlecathode and dual-cathode microbial fuel cells, respectively. These values, in single-cathode and dual-cathode microbial fuel cells, represent an increase of 67.1% and 17.6%, respectively. Furthermore, when supplied with ferric ion without air, the current was higher than that of only air-saturated water. In this study, we attempted to reveal an inexpensive and readily available electron acceptor which can replace platinum in cathodes to improve current generation by increasing the cathode reaction rate.

Effect of ammonium on the current generation in the microbial fuel cell

장재경(Jang, Jae Kyung),최정은(Choi, Jung Eun),유영선(Ryou, Young Sun),이성현(Lee, Sung Hyung),김종구(Kim, Jong Goo),강연구(Kang, Youn Koo),김영화(Kim, Young Hwa),이형모(Lee, Hyung Mo) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

These studies carried out to know the effect of ammonium on the current generation in the microbial fuel cells (MFCs). MFCs used in the study were enriched with anaerobic digestion sludge and operated for 3 years using artificial wastewater (AWW). When the current was stably generated, ammonium ion with 27.0{pm}0.0, 51.5{pm}0.0, 103.5{pm}0.0mg/L with acetate fed into the anode compartment. The current values under condition included ammonium were changed from its initial 6.30{pm}0.06 to 6.28{pm}0.36, 5.95{pm}0.61, 5.64{pm}0.38mA, respectively. The current value was slightly decreased to 5.64{pm}0.38mA compared to 6.30{pm}0.06mA generated from MFC without ammonium ion in the AWW. But After 3days operating under ammonium concentration with 103.5{pm}0.0mg/L, the current was unstably generated when artificial wastewater without ammonium was fed again. MFC enriched with AWW without ammonium ion was inhibited by high concentration of ammonium. At this time, the ammonium was removed 5.27~16.41 mg per day under all conditions.

활성탄과 제올라이트 이용 메탄 흡착 성능 비교

장재경 ( Jae Kyung Jang ),이유경 ( Yookyung Lee ),백정현 ( Jeonghyun Baek ),황정수 ( Jeongsu Hwang ),유영선 ( Young Sun Ryou ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

대표적인 온실가스인 이산화탄소(CO₂) 대비 메탄(CH₄)은 23~25배 더 강력한 온실효과가 있는 것으로 알려져 있다. 축산업은 전 세계 온실가스 배출량의 14.5%를 차지하고, 이 중 소가 배출하는 양이 65%로 발표되어 최근 소에서 발생하는 메탄가스 저감기술 개발에 관심이 높아지고 있다. 소에서 발생하는 메탄의 95%는 호흡 과정에서 발생한다. 따라서 이 연구에서는 소 호흡 시 발생하는 메탄가스를 소에 직접 적용할 수 있는 형태로 개발하기 위하여 흡착에 의한 메탄 저감 디바이스 개발을 위한 기초 연구를 수행하였다. 흡착실험을 위해 반응기는 내경 4cm, 높이 40cm, 부피 약 500mL 크기의 원통형으로 제작하였다. 반응기 상부와 하부에는 미세공극이 타공된 메탈 막을 장착하여 가스가 담체 충진층으로 잘 분산되도록 하였다. 흡착용 담체는 입상 활성탄(4*8)(180g)과 제올라이트(420g)를 이용하였으며, 가스는 하단으로 유입, 상향류하여 상단에서 배출되도록 하였다. 실험은 약 70% 메탄을 포함하는 모사 가스를 400mL/min으로 공급하면서 메탄 저감 효과를 분석하였다. 메탄분석은 바이오테크 5000(영국) 이용하였다. 이 결과 제올라이트(Zeolite)를 사용하였을 때, 메탄은 68.6±0.5%에서 64.2±1.3%로 감소하여 약 4.4%가 감소하는 것으로 나타났으며, 이산화탄소는 29.7±0.2%에서 28.4±0.9%으로 1.3% 감소하는 것으로 나타났다. 입상 활성탄(4×8)을 사용하였을 때는 메탄과 이산화탄소는 63.6±0.2%와 28.2±0.1%로 각각 5.0%와 1.5%가 제어되었다. 메탄과 이산화탄소 측정 농도인 퍼센트(%) 단위를 ppm으로 환산하면, 처리된 메탄과 이산화탄소 농도는 각각 43,500~50,000ppm과 13,000~14,500ppm 정도 처리가 가능한 것으로 나타났다. 소 호흡 시 발생하는 메탄 챔버 연구 사례에서 메탄(CH₄), 이산화탄소(CO₂) 농도 측정 농도는 각각 0~700ppm, 이산화탄소 0~5,000ppm 정도인 것을 고려하였을 때 활성탄과 제올라이트를 이용하였을 때, 소 호흡 시 발생하는 메탄가스를 효과적으로 처리할 수 있을 것으로 판단되었다.

바이오가스에 포함된 이산화탄소의 원예시설 이용을 위한 습식 흡착에 의한 황화수소 흡착 성능에 관한 연구

장재경 ( Jae Kyung Jang ),문종필 ( Jong-pil Moon ),황정수 ( Jeongsu Hwang ),윤성욱 ( Sung-wook Yun ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

기후변화로 인하여 기존 화석연료 기반의 에너지에서 신재생에너지로의 전환이 요구되면서 농업 분야에서도 가축분뇨를 이용한 바이오가스 생산 시설 확대를 추진하고 있다. 그러나 바이오가스는 메탄뿐만 아니라 다양한 가스(이산화탄소, 황화수소, 암모니아 등)가 혼재되어 있어 저품위의 에너지원으로 사용되고 있다. 따라서 바이오가스의 고품질화가 필요하며 이 과정에서 발생하는 온실가스인 이산화탄소의 처리, 활용 기술 개발이 동반 필요하다. 따라서 본 연구는 이산화탄소를 원예시설에서 사용하는 액화탄산 대체용으로 활용하기 위해 습식 흡착법을 이용한 황화수소 저감 기술을 개발하기 위한 것이다. 황화수소는 낮은 농도에서도 작물피해 영향이 커 사전 제거가 필요하다. 이를 위해 바이오가스를 모사하여 100ppm H₂S, 30% CO₂, CH₄을 밸런스 가스로 하는 혼합가스를 이용하였다. 습식 흡착 반응기는 직경 5cm, 높이 30cm의 원통형으로 상부에 노즐을 장착한 별도의 챔버를 두고 살수할 수 있도록 하였다. 흡착제로 활성탄(4*8, 290g)을 이용하였으며, 혼합가스는 활성탄 충진층 하부 1cm 위로 유입되어 상향류하여 상부에서 유출되도록 하였다. 혼합가스는 450ml/min으로 유지하면서 흡착 시험을 수행하였다. 가스 분석은 암모니아, 황화수소를 동시에 측정할 수 있는 바이오테크 5000(영국) 이용하였다. 실험하는 동안 물을 이용하여 활성탄 층에 간헐적으로 살수하면서 실시하였다. 가스 분석하기 전 공기를 이용하여 바이오가스 측정 센서를 크리닝한 후 측정하였으며, 표준 농도 검정용으로 조제한 혼합가스를 이용하였다. 혼합가스 실측한 결과 CH₄ 69.0%, CO₂ 29.6%, 황화수소 113ppm, 암모니아 109ppm으로 나타나 조제한 성분과 유사함을 확인하였다. 이 결과 황화수소는 유입농도 113ppm에서 유출농도 1ppm으로 99.1%가 제거되는 것이 확인되었다. 이와 함께 혼합가스에 포함되어 있던 암모니아 가스 경우에도 109ppm에서 유출될 때는 0ppm으로 나타나 100% 제거되는 것으로 확인되었다. 따라서 활성탄을 이용한 습식 흡착으로 황화수소와 암모니아 가스 성분을 효과적으로 처리할 수 있음을 확인하였다.

바이오가스에 포함된 이산화탄소의 원예시설 이용을 위한 습식 흡착에 의한 황화수소 흡착 성능에 관한 연구

장재경 ( Jae Kyung Jang ),문종필 ( Jong-pil Moon ),황정수 ( Jeongsu Hwang ),윤성욱 ( Sung-wook Yun ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

기후변화로 인하여 기존 화석연료 기반의 에너지에서 신재생에너지로의 전환이 요구되면서 농업 분야에서도 가축분뇨를 이용한 바이오가스 생산 시설 확대를 추진하고 있다. 그러나 바이오가스는 메탄뿐만 아니라 다양한 가스(이산화탄소, 황화수소, 암모니아 등)가 혼재되어 있어 저품위의 에너지원으로 사용되고 있다. 따라서 바이오가스의 고품질화가 필요하며 이 과정에서 발생하는 온실가스인 이산화탄소의 처리, 활용 기술 개발이 동반 필요하다. 따라서 본 연구는 이산화탄소를 원예시설에서 사용하는 액화탄산 대체용으로 활용하기 위해 습식 흡착법을 이용한 황화수소 저감 기술을 개발하기 위한 것이다. 황화수소는 낮은 농도에서도 작물피해 영향이 커 사전 제거가 필요하다. 이를 위해 바이오가스를 모사하여 100ppm H₂S, 30% CO₂, CH₄을 밸런스 가스로 하는 혼합가스를 이용하였다. 습식 흡착 반응기는 직경 5cm, 높이 30cm의 원통형으로 상부에 노즐을 장착한 별도의 챔버를 두고 살수할 수 있도록 하였다. 흡착제로 활성탄(4*8, 290g)을 이용하였으며, 혼합가스는 활성탄 충진층 하부 1cm 위로 유입되어 상향류하여 상부에서 유출되도록 하였다. 혼합가스는 450ml/min으로 유지하면서 흡착 시험을 수행하였다. 가스 분석은 암모니아, 황화수소를 동시에 측정할 수 있는 바이오테크 5000(영국) 이용하였다. 실험하는 동안 물을 이용하여 활성탄 층에 간헐적으로 살수하면서 실시하였다. 가스 분석하기 전 공기를 이용하여 바이오가스 측정 센서를 크리닝한 후 측정하였으며, 표준 농도 검정용으로 조제한 혼합가스를 이용하였다. 혼합가스 실측한 결과 CH₄ 69.0%, CO₂ 29.6%, 황화수소 113ppm, 암모니아 109ppm으로 나타나 조제한 성분과 유사함을 확인하였다. 이 결과 황화수소는 유입농도 113ppm에서 유출농도 1ppm으로 99.1%가 제거되는 것이 확인되었다. 이와 함께 혼합가스에 포함되어 있던 암모니아 가스 경우에도 109ppm에서 유출될 때는 0ppm으로 나타나 100% 제거되는 것으로 확인되었다. 따라서 활성탄을 이용한 습식 흡착으로 황화수소와 암모니아 가스 성분을 효과적으로 처리할 수 있음을 확인하였다.

문단 단위의 계층적 콘텐츠 구성

장재경(Jae Kyung Jang),김호성(Ho Sung Kim) 한국HCI학회 2005 한국HCI학회 학술대회 Vol.2005 No.1

스텐철사를 전극으로 이용하는 미생물연료전지의 전류 발생

장재경(Jae Kyung Jang),김경민(Kyung Min Kim),변성아(Sungah Byun),유영선(Young Sun Ryou),장인섭(In Seop Chang),강연구(Young Koo Kang),김영화(Young Hwa Kim) 大韓環境工學會 2014 대한환경공학회지 Vol.36 No.11

산화전극부 전극은 단순히 전자를 받아 전달할 수 있는 역할 뿐만 아니라 공극이 많아 표면적이 큰 구조로 미생물을고정화할 수 있는 표면적을 제공할 수 있어야 한다. 미생물의 수가 많을수록 폐수처리 효율과 전류발생을 높일 수 있기 때문이다. 따라서 전극은 미생물연료전지의 효율을 높일 수 있는 중요한 역할을 하는 인자 중의 하나이다. 본 연구는 미생물연료전지에 사용하는 고가의 흑연펠트를 스텐철사 타래(철 수세미)로 대체할 수 있는지 알아보기 위한 것이다. 이 연구에 사용된가축분뇨는 전처리를 거친 후 유기오염물질(COD)로 500 mg/L로 희석한 것을 이용하였고, 이때 전류 발생은 스텐철사 타래를 적용하였을 때 약 5% 정도 낮았지만 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 유기오염물질(COD)의 감소는 스텐철사 타래를 이용하였을 때 88.3%이었으며, 흑연펠트를 사용하였을 때 82.4%로 스텐철사 타래의 제거율이 더 높게 나타났다. 암모니아성질소 이온의 경우는 두 경우 모두 반응시간에 따라 농도 변화가 거의 없는 것으로 나타났다. 이 결과 스텐철사 타래를 적용하였을 때 전류발생이나 수처리 측면 모두 효과가 유사하거나 더 좋은 결과를 보였으며, 초기 시스템을 구축하는 비용을 약1/50 정도로 줄일 수 있는 것으로 예상되어. 흑연펠트 대체제로 적용이 가능할 것으로 판단된다. Anode electrode in a microbial fuel cell (MFC) should transfer the receiving electron as well as provide large surfacearea that can be immobilized microorganisms. Microorganisms’ population is one of important factors to improve the currentgeneration and to treat the livestock wastewater by biological treatment. These studies were attempted to investigate if stainless-steelwire skein (SSWS) could be used as anode electrode replacement a graphite felt electrode in microbial fuel cell. For these studies,pretreated livestock wastewater was used diluted to 500 mg/L as COD before use. At this time, the current showed a little differenceof about 5% when using each of a SSW and graphite felt (control). There was no significant difference in the current value. Theorganic removal rate in the microbial fuel cells used graphite felt and SSWS was 82.4% and 88.3%, respectively. The COD removalin the MFC used the SSWS was higher than that of graphite felt. Ammonium nitrogen was showed similar trend in two case all. These results about current generation and organic matter reduction seem possible that SSWS was used to anode electrode. WhenSSWS is used, the initial investment for system construction is expected to be able to reduce by approximately 1/50.

미세기포 부상분리 및 마이크로필터 적용 액비 재이용

장재경 ( Jae Kyung Jang ),이동관 ( Donggwan Lee ),백이 ( Yee Paek ),이태석 ( Taeseok Lee ),임류갑 ( Ryugap Lim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

가축분뇨 공동처리장에서 생산되는 액비를 연중 이용하기 위하여 미세기포 부상처리와 마이크로필터 융합방법을 적용하여 슬러지 저감 및 총대장균군 저감 여부를 확인하였다. 미세기포 부상처리와 마이크로 크기 공극을 갖는 필터 효과를 pH, SS, TCOD, SCOD, TN, PO₄-P 농도와 총대장균군을 측정하여 분석하였다. 마이크로필터는 챔버에 공급되는 유속을 10.5~105.5 mL/min 사이에서 변화시키면서 처리 효과에 미치는 영향을 알아보았다. SS 유발물질은 미세기포 부상분리 과정을 거치면서 57.9%가 제거 되었으며, 수리학적 체류시간(Hydraulic retention time, HRT) 0.2h(반응기부피 대비 5배 처리)일 때 최대 94.9%까지 감소 되었으며, HRT가 0.1h (반응기부피 대비 10배 처리)까지 증가시켰을 때도 92.9 %까지 제거되었다. 대장균군은 정성 및 정량 분석을 시도하였는데 100 mL 당 0 M PN으로 검출되지 않았으며, 유기오염 물질은 10배 높은 유속에서 TCOD 64.5%, SCOD 70.1 %까지 제거되었다. 인산염인(PO₄-P)과 총질소(TN) 농도도 미세기포 부상분리와 마이크로필터 과정을 거치면서 각각 54.9%와 51.5%까지 감소되는 것으로 확인되었다. 일반적으로 생물 반응조를 거쳐 생산되는 액비는 작물이 있는 여름철에는 토양 살포 제한으로 액비 처분 문제가 처리 현장에서는 어려움있어 왔다. 따라서 액비를 추비로 이용하기 위해서는 액비 내 슬러지 저감, 병원균에 대한 안정성 문제를 확보하는 것이 중요하다. 본 연구에서 이용한 미세기포 부상분리와 마이크로필터 공정은 액비를 추비로 이용할 수 있으며, 기후변화에 의한 물 부족시 희석을 통해 농업용수로도 사용이 가능할 것으로 판단된다.

여대생의 이러닝 학습태도 변화에 따른 뇌파 분석

장재경(Jae-Kyung Jang),김호성(Ho Sung Kim) 한국콘텐츠학회 2011 한국콘텐츠학회논문지 Vol.11 No.4

생체선호인 뇌파를 이용하여 이러닝 학습자의 학습태도를 파악하고 그에 따른 적절한 피드백을 제공하여 학습자의 학습효율을 극대화하려는 연구의 일환으로 여대생을 대상으로 학습자의 학습태도와 뇌파를 분석하여 이들의 상관관계를 밝혀보고자 한다. 학습자가 학습에 집중하는 태도와 그렇지 않은 태도에 대해 뇌파의 파워 스펙트럼을 추출하여 학습자의 뇌파가 어떻게 반응하는지에 중점을 두어 연구하였다. 학습에 집중하는 태도의 대조군으로 산만한 태도와 눈감은 태도를 설정하여 실험을 진행하였다. 학습에 집중하는 태도에서는 집중도가 산만한 태도에 비하여 높게 나타나고 이완지표는 낮게 나타나며, 클릭과 눈굴림과 같은 산만한 태도에서는 주의지표와 잡파 비율이 높게 나왔다. 특히, 눈을 감았을 때는 알파 세타 비율이 1이하로 나타나 눈을 뜬 다른 상태와 뚜렷이 구분되었다. Using EEG, human physiological signal, as part of research which investigates the state of student learning and provides appropriate feedback to maximize learning efficiency, the relationship of learning attitude and analysis of EEG for female college student is presented. We study the reaction of learner's EEG using the concentration level extracted from the EEG power spectrum when students learn at various learning attitude. The experiment was conducted for the concentrating on learning and, as a control group, erratic attitude and closed eyes state. The attitude of concentrated Learning shows high concentration index and low relaxation index, where as the erratic attitude, such as eye movement and clicking, shows high level of attention index and noisy wave ratio. Especially, the state of closed eyes shows the ratio of alpha and theta wave under 1. This is distinct with open eyes cases.

가축분뇨를 탄소원으로 이용하는 미생물연료전지의 임피던스를 이용한 전기화학적 특성 평가

장재경(Jae Kyung Jang),김태영(Taeyoung Kim),양윤석(Yoonseok Yang),강석원(Suk Won Kang),백이(Yee Paek) 한국신재생에너지학회 2017 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.9