폐기물을 에너지화하는 미생물 연료 전지 성능 향상
지구 상의 가장 작은 몇 가지 생물들은 행성 내 가장 큰 환경 문제들 중 두 가지를 해결하는데
도움이 될 수 있다. 그것은 어떻게 생산된 많은 양의 유기 폐기물을 처리할 것인가와 어디에서
청정, 재활용 가능한 에너지를 찾을 수 있는 가이다.
아리조나 대학의 바이오디자인 연구소 연구원인 Cesar Torres와 Sudeep Popat 에 따르면,
특정 종류의 박테리아가 폐기물의 변환시켜 에너지로 변환시킬 수 있다고 한다.
이 미생물은 미생물 연료전지 혹은 MFC로 알려진 혁신적인 기술을 통해 현재 적용되고 있다.
미생물 연료 전지의 큰 혜택은 유기 폐기물을 전기로 직접적인 전환이다.
앞으로, MFC는 폐기물 처리와 에너지 생산을 위해 오랫동안 지속 가능한 시스템을 제공하며
농업, 동물 폐기물의 원천과 도시 폐수에 연결될 수 있을 것이다. 그러나, 이 기술을 확대하기 위해,
효율 개선이 필요할 것이다.
연구원인 Propat은 그의 특정 관심은 전지로부터 전극 상으로 어떻게 음극 호흡 박테리아가 전자를
이동시키는 지를 기본적인 수준에서 이해하고 경제적이면서 효율적인 새로운 시스템을 디자인하는
것이라고 말했다.
이 연구그룹은 MFC 효율의 많은 손실은 연료 전지의 양극에서 일어나는 반응들에 의한 것이라는
것을 보여 주었다. 양극 내 사용된 물질을 개선하고 pH 수준을 조절함으로써, 연구원들은 양극 성능을
개선할 수 있었다.
이 연구 그룹의 연구 결과들은 MFC 기술에 대한 특별호가 있는 ChemSusChem 지에 최근 보고 되었다.
Torres와 Popat는 현재 연구의 공동 저자인 ASU Regents 교수 Bruce Rittmann에 의해 운영되는 환경
바이오기술을 위한 Biodesign`s Swette 센터에서 일하고 있다.
환경 바이오기술은 지역 사회를 도울 목적으로 박테리아를 포함한 생물학적 독립체들을 이용하기 위해
미생물학, 바이오정보학, 화학, 유전체학, 재료과학, 공학 등이 함께 모인 빠르게 발전하고 있는 학문
체계이다.
환경 바이오기술의 두 중요 영역은 생물학적 교정 혹은 환경 오염의 정화와 친환경 에너지 생산이다.
저자들의 지적에 따르면, MFC는 폐수로부터 전자들을 발생시키고 이 전자들을 유용한 에너지로 전환
시키는 두 가지 임무를 수행할 수 있다.
MFC는 전기화학전지와 생물학적 반응기를 가진 특이한 종류의 배터리이다.
일반적으로, MFC는 이온 교환 멤브레인에 의해 분리된 두 개의 전극으로 구성된다.
음극 쪽에서, 박테리아는 MFC 음극에 붙은 생물막으로 알려진 밀도 높은 전지 집단을 형성하며 성장하고
증식한다. 미생물의 물질 대사의 과정에서, 박테리아는 유기 물질을 CO2, 양성자, 전자로 변환시키는 촉매
물질로 역할을 한다.
자연 조건 하에서, 많은 박테리아는 물을 생산하기 위해 최종 전자 억셉터로써 산소를 사용하지만,
MFC의 산소가 없는 환경에서, MFC 음극인 용해되지 않는 전자 억셉터로 전자를 보내는 특정 박테리아가
지배한다.
음극 호흡 박테리아는 폐수에서 발견되는 박테리아처럼 유기 폐기물들을 산화시키고 음극으로 전자들을
이동시킬 수 있다. 이후, 채집된 전자들은 MFC 양극에 연결된 전기 회로를 통해 흐르고 이로써 전기를
발생시킨다.
이온들은 멤브레인이 자주 생략되지만, 전기 중성도를 유지하기 위해 연료 전지의 이온 멤브레인을 통해
이동된다. MFC 효율에서 기술을 개발하고 손실을 해결하여, 연구 그룹은 MFC 양극에서 산소 환원 반응을
찾았다.
양극에서 효율 손실이 양성자의 낮은 유용성 때문이었다고 오래 전부터 알려졌지만, 새로운 연구는 양극의
촉매 층으로부터 주위 액체 내로 수산화 이온 (OH-)의 이동이 소자 내 양극 잠재 손실을 지배한다는 것을
보였다.
연구원들은 이 양극이 MFC 내에서 발생시킬 수 있는 전력 밀도를 제한시키고 있다는 것을 발견했고 화학 연료
전지 내에서는 같은 촉매가 훨씬 더 큰 전력 밀도를 얻을 수 있기 때문에 매우 놀랍다고 Propat이 언급했다.
이 차이는 화학 연료 전지와 달리 MFC는 반응을 촉매 시키는 미생물의 최적 성장과 활동성을 확보하기 위해
음극 챔버 (chamber) 내 중성 pH에서 작동해야만 한다는 사실이다.
양극에서, OH- 이온들은 이 이온들의 제한된 이동률로 pH를 국부적으로 증가시키는 원인이 된다.
또한, 양극에서 pH 증가에 대한 단위 당 59 밀리볼트의 에너지 손실을 가져온다. 저자들은 국부적 양극 pH가
상당한 손실을 나타내는 12이상 쉽게 도달한다는 것을 발견했다.
이 상태를 치유하기 위하여, 연구그룹은 양극에서 이동 특성의 자세한 실험을 실시했다.
양극 내 포함된 이온 교환 바인더 (binder)는 주위 전해물질로 이온들의 이동을 일반적으로 돕는다.
일반적으로, 이 바인더는 양성자처럼 양으로 전하된 양이온들을 이동시키기에 좋지만 MFC 양극에서 모인
수산화 이온들 혹은 OH- 이온들을 이동시키는 인산염과 중탄산염처럼 음이온 버퍼 물질같이 음으로 전하된
음이온들의 나쁜 전도체인 Nafion이라 불리는 물질로 만들어진다.
높은 음이온 교환 능력을 가진 AS-4로 알려진 실험 폴리머는 이 연구에서 양이온 바인더로써 Nafion를 대체했다.
이 변화는 수산화 이온들의 효율적인 이동을 보장하고 양극의 성능을 개선했다.
이 연구는 OH- 이동이 양극 촉매에 대한 버퍼로써 공기와 섞인 CO2 첨가를 통해 pH를 직접 조절하여 훨씬 더
향상될 수 있을 것이다. 이 연구는 MFC 내 양극 한계의 최초 종합적인 분석을 보여주고 물질과 작동 조건의
개선을 통해 이 시스템들이 더 향상될 수 있다는 것을 보였다.
연구팀의 연구의 중요성은 직각적인 답을 얻는 것은 아니지만, 어떻게 양극이 작동하고 비효율적인 원천이 어떤
것인지 확인하는 메커니즘적 연구를 수행했다는 것이다. 현재, 연구원들이 이 연구를 기초로 하여 해결방법들을
찾기 시작했다.
