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미생물 배터리 : 폐수에서 전기를 생산하는 방안
작성자 : 우정희 ㅣ 조회수 : 1,994

미국 스탠퍼드 대학(Stanford University) 소속의 연구진은 미생물이 식물과 동물 폐기물을 소화시킬 때 전기를 생성시키는 소형 발전소로 자연적으로 발생하는 전선 미생물(wired microbe)을 이용하여 하수(sewage)로부터 전기를 생산하는 새로운 방안을 고안했다. 2013년 9월 16일 미국 국립과학원회보(PNAS; Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표된 논문에서 재료 과학자인 Yi Cui, 환경 공학자인 Craig Criddle 및 학제간 연구원인 Xing Xie 등은 미생물 배터리(microbial battery) 발명에 대하여 보고했다.

미생물의 산화력을 이용함으로써 에너지는 해양 침전물, 폐수 및 폐기용 바이오매스 등과 같은 보다 덜 농축된 유기물 저장소로부터 회수될 수 있다. 버려진 관리되지 않은 이러한 저장소는 부영양화된 데드 존(dead zone)과 온실가스 생산 지역이 될 수 있다. 이 연구에서는 이러한 저장소로부터 에너지를 회수하는 수단으로 미생물이 군집을 이루는 산화 전극(anode)과 재산화가 가능한 고체 상태 환원 전극(cathode)으로 구성된 미생물 배터리를 도입했다.

산화 전극에서 미생물은 용해된 유기 물질을 산화시켜 외부 회로로 전자를 방출하고 여기서 생성되는 동력은 추출될 수 있다. 이후 전자는 고체 상태 전극으로 유입되어 전극 내에서 전자를 축적시킬 때 고체가 남게 된다. 고체 상태 전극은 배터리에서 주기적으로 제거 및 산화되고 지속 가능한 동력 생산을 재구축한다. 이러한 유형의 배터리는 분자 산소를 도입시킬 필요가 없으며, 이온 교환막 역시 피할 수 있으면서 높은 효율의 에너지 회수가 가능하다.

연구진은 새로운 미생물 배터리가 장차 하수 처리장과 같은 장소 또는 비료 유출수 또는 다른 유기 폐기물이 산소 수준을 고갈시킬 수 있고 해양 생명체를 질식시킬 수 있는 호수와 연안 해수의 데드 존에서 유기 오염물질을 분해하기 위한 장소에서 사용될 것으로 기대하고 있다.

현재 연구진의 실험실용 시제품은 D 셀 배터리(D-cell battery) 크기 정도이며, 하나는 양극, 다른 하나는 음극인 두 개의 전극이 폐수 병에 거꾸로 설치된 화학 실험 장치처럼 보인다.

흐린 유리병 내부에서는 선박의 선체에 붙어 있는 따개비처럼 음극에 부착된 특이한 유형의 박테리아가 유기 폐수의 입자를 섭취하여 배터리의 양극에서 포획될 수 있는 전기를 생성시킨다. 연구진은 이것을 전자를 위한 낚시라고 부른다고 도시 환경 공학부 교수인 Criddle은 밝혔다.

과학자들은 그들이 외기전성 미생물(exoelectrogenic microbe)이라고 알려진 물질을 오래 전부터 규명한 바 있다. 이러한 외기전성 미생물은 공기가 없는 환경에서 진화되어 유기 영양분을 생물학적 연료로 전환시키는 것처럼 산소를 호흡하기 보다는 산화광물(oxide mineral)과 반응하는 능력이 발달했다.

과거 12년 또는 그 이상 동안 몇몇 연구진이 바이오-발전기로 이러한 미생물을 사용하는 다양한 방법을 규명하기 위하여 노력했지만 이러한 에너지를 효과적으로 이용하는 것은 어려운 난제라는 것이 증명된 바 있다. 미생물 배터리에 관하여 새로운 것은 단순하지만 이러한 외기전기 미생물이 작동할 수 있는 효율적인 디자인이라는 점이다.

배터리의 음극에서 전선 미생물 군집은 효율적인 전기 전도체로 작동하는 탄소 필라멘트(carbon filament)에 매달려 있다. 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope)을 이용하여, 스탠퍼드 연구팀은 탄소 필라멘트에 희부연 덩굴처럼 붙어 있는 이러한 미생물의 이미지를 포착했다.

당신은 미생물이 나노전선이 과도한 전자를 폐기시키게 하는 것을 볼 수 있다고 Criddle은 밝혔다. 이러한 이미지를 원근법 관점에서 보자면, 100개 이상의 미생물이 나란히 배열된 것이 인간의 머리카락 한 가닥의 폭에 있는 것에 해당한다.

이러한 미생물이 유기물을 소화시켜 생물 연료로 전환시킬 때, 과도한 전자는 탄소 필라멘트로 흐르고 전자를 끌어당기는 물질인 산화은(silver oxide)으로 만들어진 양극을 거친다.

양극 교점(positive node)으로 흐르는 전자는 점진적으로 산화은을 은으로 환원시키고, 이러한 공정에서 여분의 전자를 저장한다. Xie에 따르면, 하루 또는 이틀 후 양극은 충분한 양의 전자를 흡수하고 대부분 은으로 전환된다. 그 지점에서, 은이 배터리에서 제거되어 산화은으로 다시 산화되면 저장된 전자가 방출된다.

스탠퍼드 공학자들은 미생물 배터리가 폐수에 갇혀 있는 잠재적인 에너지의 약 30%를 추출할 수 있다고 밝혔다. 이것은 일광을 전기로 전환시키는 가장 우수한 상업적으로 이용 가능한 태양 전지의 효율성과 유사한 수준이다.

물론, 폐수에서는 훨씬 더 적은 에너지 가능성이 있다. 그렇기는 하지만, 발명자들은 미생물 배터리가 폐수를 처리하기 위하여 현재 사용되는 전기의 일부를 상쇄할 수 있기 때문에 추구할 만한 가치가 있다고 밝혔다. 이러한 폐수에서 얻는 전기는 선진국에서 전체 전기 부하의 약 3%를 차지하고 있다. 이러한 전기의 대부분은 인간과 다른 동물처럼 소화 과정에서 산소를 사용하는 일반적인 박테리아가 있는 상용 처리장에서 폐수에 공기를 퍼 올리는 데 충당된다.

앞을 내다볼 때, 스탠퍼드 공학자들은 연구진의 가장 큰 도전 과제는 양극 교점에 대한 저렴하지만 효율적인 재료를 찾는 것이 될 것이라고 밝혔다.

연구진이 산화은을 사용하는 원리를 증명했지만, 은은 대규모로 사용하기에는 너무 비싸다고 재료과학 및 재료공학부 조교수인 Cui는 밝혔다. 비록 연구가 보다 더 실용적인 재료에 대하여 진행되고 있더라도 대체 재료의 발견은 시간이 소요될 것이라고 Cui는 밝혔다.

출처 KISTI 미리안 녹색기술정보포털


담당자 : 시험연구팀  우정희  Tel. 054-780-3454


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