Electricity Generation and Microbial Community Structure Variation Depending on Separator Types and Cathode Characteristics in Air-cathode MFC

Air-cathode microbial fuel cell consisted of 4 unit cells were operated under batch condition and electricity generation and microbial community structure variation were investigated, depending on separator types and cathode characteristics: A) PEM(Proton Exchange Membrane)-30% Wet proofing Carbon Cloth(WC), B) AEM(Anion Exchange Membrane-WC, C) CEM(Cation Exchange Membrane)-WC, D) PEM-No Wet proofing Carbon Cloth(NC). Maximum power densities of PEM-WC, AEM-WC and CEM-WC were 510.9, 522.1 and 504.8 $mW/m^2$, respectively. But PEM-NC showed relatively lower maximum power density of 218.3 $mW/m^2$. And PEM-WC, AEM-WC and CEM-WC showed similar internal resistances(20.0-28.2 ${\Omega}$). PCRDGGE, PCA and diversity indices showed that uncultured bacteria which reported in previous MFC studies were detected in suspended growth bacteria and attached growth bacteria would be affected not by separator type but by cathode characteristic. Thus, cathode characteristic can be one of the critical factors for power generation in air-cathode MFC using PEM, AEM, and CEM as separator.

공기환원전극 미생물연료전지에서 분리막 종류 및 환원전극 특성에 따른 전기발생 및 미생물 군집구조 변화

분리막의 종류 및 환원전극의 특성에 따른 전기발생량 및 미생물 군집을 비교하기 위하여, 분리막 및 환원전극의 특성이 다른 4개의 단위전지로 구성되어 있는 공기환원전극 미생물연료전지(4 air-cathode microbial fuel cell)를 회분식 운전하였다: A) PEM(Proton Exchange Membrane)-30% Wet proofing Carbon Cloth(WC), B) AEM(Anion Exchange Membrane-WC, C) CEM(Cation Exchange Membrane)-WC, D) PEM-No Wet proofing Carbon Cloth(NC). 분리막의 종류에 상관없이 최대전력밀도는 PEM-WC(510.9 $mW/m^2$), PEM-WC(522.1 $mW/m^2$), PEM-WC(504.8 $mW/m^2$)로 유사하였으나, 환원전극이 달랐던 PEM-NC는 218.3 $mW/m^2$으로 낮게 나왔다. 내부저항은 분리막의 종류에 상관없이 20.8-28.2 ${\Omega}$으로 유사하게 나타났다. PCR-DGGE, PCA, 종다양성 분석 결과, 부유미생물 군집은 시간이 경과함에 따라 다르게 나타났으며 기존 MFC 연구에서 보고되었던 uncultured bacteria가 관찰되었다. 한편, 부착미생물 군집은 분리막의 종류에 따라 큰 변화를 나타내지 않았지만, 환원전극의 특성에 따라 군집의 변화가 관찰되었다. 따라서, 기존의 이온교환막을 분리막으로 사용하는 공기환원전극 MFC에서는 환원전극의 선택도 중요한 것으로 나타났다.