전도성 투과전극을 이용한 미생물 전기화학시스템의 메탄전환속도 향상

Enhanced methane conversion rate using conductive permeable electrode in microbial electrochemical

최근 대표적인 지구온난화 가스인 이산화탄소를 자원으로 활용하고자 하는CCU (Carbon Captured and Utilization) 기술 중, 미생물을 이용한 전기화학적 시스템은 신재생 에너지를 이용하여 친환경적으로 환원전극을 통해 이산화탄소를 유용한 유기물 (ex. 메탄, 아세트산 등)로 전환할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 전극과 이산화탄소 사이의 느린 물질 이동은 전체 전환 효율과 전환 속도를 제한하는주요 문제로 남아 있다. 본 연구에서는 미생물 전기화학시스템의 환원전극으로 탄소나노튜브 구조체를이용한 전도성 투과전극을 제조하고, 이산화탄소가 용해된 전해질을 전극 내부로직접투과 (flow-through)시킴으로써 미생물 전기화학시스템의 물질전달 한계를 극복하고자 하였다. 습식 방사를 통하여 제조한 탄소나노튜브 전극은 지름이 1 mm인중공사막형태로, 평균 공극 크기와 비표면적이 각각 13.8 nm 및 77.81 m2/g를 나타냈다. 탄소나노튜브로 제조된 전도성 투과전극에 전해질의 투과속도가 증가함에 따라 전류 밀도와 메탄 생성 속도가 증가하였으며, 2.1 ml/hr에서 비투과전극대비 각각 1.4배(0.54±0.21 mA/cm2) 및 1.7배(6.62±1.96 L/m2/d)를 나타내었다. 전극표면에부착한 미생물을 대상으로 차세대 염기서열 분석(NGS)을 수행한 결과 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 g_Methanobrevibactor (62.8%)와 g_Methanobacterium (33.9%)이 우점하고 있음을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구에서 개발한 탄소나노튜브 전극은 반응용액의 전극 투과를통해 이산화탄소의 물질 전달 한계를 극복함으로써 미생물에 의한 메탄 전환 속도를 향상시켰다.