• 대한환경공학회지
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• 제34권11호
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• pp.757-764
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• 2012

본 연구에서는 흑연섬유직물로 이루어진 산화전극의 표면을 하이드로젤 및 하이드로젤과 다중벽탄소나노튜브 복합체를 이용하여 표면을 개질하였다. 개질된 산화전극이 미생물연료전지의 성능향상에 미치는 영향을 회분식 시스템을 이용하여 평가하였으며, 개질하지 않은 흑연섬유직물 및 흑연펠트 산화전극과 비교하였다. 미생물연료전지의 전력밀도는 산화전극 및 환원전극의 성능에 크게 영향을 받았다. 최대전력밀도는 하이드로젤과 다중벽탄소나노튜브 복합체로 흑연섬유직물 표면을 개질한 산화전극을 사용한 경우 $1,162mW/m^2$로서 표면개질을 하지 않은 흑연섬유직물 산환전극을 사용한 미생물연료전지에 비하여 27.7% 향상되었다. 산화전극 표면을 개질에 사용된 하이드로젤과 다중벽탄소나노튜브 복합체는 산화전극 표면의 생물친화도와 전도성을 증가시키고 활성화저항을 크게 감소시킬 수 있는 우수한 표면개질제로 평가되었다.

• 대한환경공학회지
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• 제36권11호
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• pp.753-757
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• 2014

산화전극부 전극은 단순히 전자를 받아 전달할 수 있는 역할 뿐만 아니라 공극이 많아 표면적이 큰 구조로 미생물을 고정화할 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 사용된 가축분뇨는 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. 암모니아성 질소 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 약 1/50 정도로 줄일 수 있는 것으로 예상되어. 흑연펠트 대체제로 적용이 가능할 것으로 판단된다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.219.1-219.1
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• 2011

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.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제24권12호
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• pp.1707-1718
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• 2014

In this study, the phylogenetic diversities of bacterial and archaeal communities in a plant-microbial fuel cell (P-MFC) were investigated together with the environmental parameters, affecting its performance by using rice as a model plant. The beneficial effect of the plant appeared only during a certain period of the rice-growing season, at which point the maximum power density was approximately 3-fold higher with rice plants. The temperature, electrical conductivity (EC), and pH in the cathodic and anodic compartments changed considerably during the rice-growing season, and a higher temperature, reduced difference in pH between the cathodic and anodic compartments, and higher EC were advantageous to the performance of the P-MFC. A 16S rRNA pyrosequencing analysis showed that the 16S rRNAs of Deltaproteobacteria and those of Gammaproteobacteria were enriched on the anodes and the cathodes, respectively, when the electrical circuit was connected. At the species level, the operational taxonomic units (OTUs) related to Rhizobiales, Geobacter, Myxococcus, Deferrisoma, and Desulfobulbus were enriched on the anodes, while an OTU related to Acidiferrobacter thiooxydans occupied the highest proportion on the cathodes and occurred only when the circuit was connected. Furthermore, the connection of the electrical circuit decreased the abundance of 16S rRNAs of acetotrophic methanogens and increased that of hydrogenotrophic methanogens. The control of these physicochemical and microbiological factors is expected to be able to improve the performance of P-MFCs.

• 대한환경공학회지
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• 제32권2호
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• pp.113-120
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• 2010

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.

• Bulletin of the Korean Chemical Society
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• 제33권10호
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• pp.3349-3354
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• 2012

Understanding exoelectrogenic reactions of the bioanode is limited due to its complexity and the absence of analytics. Impedance and thermodynamics of bioanode, abiotic anode, and riboflavin-amended anode were evaluated. Activation overpotential of the bioanode was negligible compared with that of the abiotic anode. Impedance spectroscopy shows that the bioanode had much lower charge transfer resistance and higher capacitance than the abiotic anode in low frequency reaction. In high frequency reaction, the impedance parameters, however, were relatively similar between the bioanode and the abiotic anode. At open-circuit impedance spectroscopy, a high frequency arc was not detected in the abiotic anode in Nyquist plot. Addition of riboflavin induced a phase angle shift and created curvature in high-frequency arc of the abiotic anode, and it also drastically changed impedance spectra of the bioanode.

• 유기물자원화
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• 제18권1호
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• pp.57-65
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• 2010

양성자 교환막 미생물연료전지(PEM-MFC)의 경우 양극의 표면적을 기준으로 유기물 제거능력을 산출하면 유기물 부하에 관계없이 $3.0gCOD/m^2$ 수준으로 나타났다. 또 안정적인 전압이 관찰된 시기의 쿨롱 효율은 22.4~23.4 %로 높지 않은 수준이었다. 양성자 교환막은 양성자뿐만 아니라 초산도 통과시키는 것으로 확인되었다. 양성자 교환막을 사용하지 않은 상향류식 미생물연료전지(ML-MFC)의 경우 다공성 RVC 전극을 사용한 관계로 전극의 외부면적당 유기물 제거능력은 $9.3{\sim}10.1gCOD/m^2{\cdot}d$로 나타났다. 이는 양성자 교환막을 사용한 경우에 비하여 3배 정도 높은 수준이다. 그러나 RVC 양극의 비표면적 차이에 따른 유기물 제거 능력 차이는 크지 않았다. ML-MFC의 경우 전기 발생이 안정적이지 못하였으며, 쿨롱 효율도 3.6~3.7 %로 매우 낮은 수준이었다. 전기 발생량이 안정적이지 못한 것은 음극에 성장한 미생물의 영향으로 판단된다. 이를 해결하기 위해 음극부의 공기주입량을 증가시키면 일시적으로 전기 발생이 증가하였으나 오래 지속되지 못하였다.

• 한국물환경학회지
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• 제26권4호
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• pp.681-686
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• 2010

Two different MFC designs were evaluated in batch mode: single compartment combined membrane-electrodes (SCME) design and twin-compartment brush-type anode electrodes (TBE) design (single chamber with two air cathodes and brush anodes at each side of the reactor). In SCME MFC, carbon anode and cathode electrodes were assembled with a proton exchange membrane (PEM). TBE MFC was consisted of brush-type anode and carbon cloth cathode electrodes without the PEM. A brush-type anode was fabricated with carbon fibers and was placed close to the cathode electrode to reduce the internal resistance. Substrates used in this study were glucose, leachate from cattle manure, or sucrose at different concentrations with phosphate buffer solution (PBS) of 200 mM to increase the conductivity thereby reduce the internal resistance. Hydrogen generating bacteria (HGB) were only inoculated in TBE MFC. The peak power densities ($P_{peak}$) produced from the SCME systems fed with glucose and leachate were 18.8 and $28.7mW/m^2$ at external loads of 1000 ohms, respectively. And the $P_{peak}$ produced from TBE MFC were 40.1 and $18.3mW/m^2$ at sucrose concentration of 5 g/L and external loads of 470 ohms, with a mediator (2-hydroxy-1, 4-naphthoquinone) and without the mediator, respectively. The maximum power density ($P_{max}$) produced from mediator present TBE MFC was $115.3mW/m^2$ at 47 ohms of an external resistor.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제26권12호
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• pp.2171-2178
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• 2016

Polyester cloth (PC) was selected as a prospective inexpensive substitute separator material for microbial fuel cells (MFCs). PC was compared with a traditional Nafion proton exchange membrane (PEM) as an MFC separator by analyzing its physical and electrochemical properties. A single layer of PC showed higher mass transfer (e.g., for $O_2/H^+/ions$) than the Nafion PEM; in the case of oxygen mass transfer coefficient ($k_o$), a rate of $50.0{\times}10^{-5} cm{\cdot}s^{-1}$ was observed compared with a rate of $20.8{\times}10^{-5}cm/s$ in the Nafion PEM. Increased numbers of PC layers were found to reduce the oxygen mass transfer coefficient. In addition, the diffusion coefficient of oxygen ($D_O$) for PC ($2.0-3.3{\times}10^{-6}cm^2/s$) was lower than that of the Nafion PEM ($3.8{\times}10^{-6}cm^2/s$). The PC was found to have a low ohmic resistance ($0.29-0.38{\Omega}$) in the MFC, which was similar to that of Nafion PEM ($0.31{\Omega}$); this resulted in comparable maximum power density and maximum current density in MFCs with PC and those with Nafion PEMs. Moreover, a higher average current generation was observed in MFCs with PC ($104.3{\pm}15.3A/m^3$) compared with MFCs with Nafion PEM ($100.4{\pm}17.7A/m^3$), as well as showing insignificant degradation of the PC surface, during 177 days of use in swine wastewater. These results suggest that PC separators could serve as a low-cost alternative to Nafion PEMs for construction of cost-effective MFCs.

• 대한환경공학회지
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• 제36권11호
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• pp.758-763
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• 2014

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 기술로서 많은 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 $64cm^2$로 고정하고 전극간 거리는 4~9 cm로 변화를 주었을 때, 전극간 거리가 4 cm 조건에서 최대전압 326 mV, 최대전력밀도 $19.5mW/m^2$가 얻어졌고 거리가 멀어질수록 전압발생량은 19~32% 감소하고 최대전력밀도는 56~69% 감소하는 것으로 나타났다. 전극 크기 변화 실험에서는 전극간 거리를 4 cm로 고정하고 전극 크기를 $16{\sim}64cm^2$로 변화를 주었다. 두 전극 크기가 $64cm^2$ 조건에서 최대전압 291 mV, 최대전력밀도 $0.34mW/m^3$로 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.