Assessment of Modified Cathode Electrode for Bioelectrochemical Hydrogen Production in Anaerobic Digestion

Abstract

세계적인 기후변화에 대한 걱정과 화석연료의 고갈 문제는 신·재생에너지에 대한 관심을 갖게 하였다. 수소는 청정한 에너지이며 높은 에너지 함량을 갖고 있어 산업계에 미래 잠재에너지원으로 활용하기 위한 여러 노력을 하고 있다. 수소는 수증기 개질, 전기분해와 같은 공정의 물리화학적인 방법과 암발효와 광발효와 같은 생물학적인 방법으로 생산이 가능하다. 이 중 바이오매스를 활용한 바이오수소는 탄소중립과 연계한 친환경에너지로서 각광을 받고 있다. 바이오매스 중 하나인 유기성폐자원의 혐기성 소화를 통한 바이오가스 생산 기술은 에너지 측면에서 메탄가스를 생산하기 위한 공정으로 오래전부터 활용되어 왔으나 바이오수소의 관심으로 산발효를 통한 수소의 이용가능성에 대한 연구가 관심을 받고 있다. 본 연구는 가축분뇨와 같은 유기성폐자원으로부터 기존 혐기성 소화 공정에 생물전기화학 기술을 융합하여 고효율의 수소를 생산을 하고자 한다. 특히, 생물전기화학 기술의 핵심재료인 캐소드 전극과 변형 캐소드 전극의 적용가능성을 확인하기 위해 각 전극의 전기화학적, 생물전기화학적 특성을 파악하고자 하였다. 먼저, 효율적이고 경제적인 생물전기화학적 바이오수소 생산하기 위해 캐소드(cathode) 전극으로서 연구적으로 많이 사용하고 있고 경제적인 측면에서 흑연펠트(graphite felt), 흑연판(graphite plate), 니켈판(nickel plate), 스테인리스판 (stainless steel plate) 전극을 선별하였으며 순환전류법을 이용한 전기화학적 성능을 확인하여 각 전극의 환원반응에 문제 없음을 확인하였다. 또한, 이러한 전극들을 생물전기화학적 반응조에 설치하고 전극을 삽입하지 않은 생물학적 반응기를 추가하여 회분식 반응으로 수소생산을 평가하였다. 그 결과, 흑연 펠트 전극은 8일 운전 동안 생물학적 반응기에서 가장 많은 수소 생산을 보였다. 수소 수율 또한 흑연 펠트 27.2±2.0 mL/g VS로 전극을 삽입하지 않은 생물학적 반응기(10.5±3.0 mL/g VS)와 다른 캐소드 전극을 삽입한 반응기(흑연판 12.7±9.0 mL/g VS, 니켈판 3.9±0.0, mL/g VS, 스테인리스판 1.4±0.0 mL/g VS)보다 높았음을 확인하였다. 같은 실험구성에 0.3 V의 외부전압을 인가한 생물전기화학적 반응을 진행한 결과 흑연판과 스테인리스판 순으로 수소 수율이 높게 나왔으며 이러한 수소생산측면과 전극의 가격을 고려하여 흑연펠트전극과 스테인리스판을 생물전기화학적 수소생산반응을 위한 캐소드 전극으로 선정하였다. 전극의 비표면적과 전기화학적 오버포텐셜을 고려하여 수소생산 효율을 향상 시키기 위해 흑연펠트와 스테인리스판 전극에 carbon nanotube (CNT) 및 CNT+TiO2로 딥 코팅하여 수소생산 성능을 비교해보았다. 그 결과 딥 코팅을 하지 않은 대조군(흑연펠트와 스테인리스판) 대비 CNT를 코팅한 전극을 사용한 반응기에서 우수한 수소생산과 수소생산수율을 보였으나 전극에 CNT+TiO2 코팅한 전극에서는 수소생산이 상대적으로 감소하거나 발생하지 않은 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 스테인리스판 혹은 흑연펠트에 CNT를 코팅한 전극이 수소생산 측면에서 유리하다고 판단할 수 있었다. 추가적으로 효율적인 수소생산을 위한 생물전기화학 반응기 내 전극의 위치 선정 방법을 알기 위해 애노드와 캐소드 사이의 전극 간격(1cm, 2cm, 4cm)에 따른 최대 수소생산성을 확인한 결과 전극 간격이 가까울수록 보다 높은 수소생산을 확인할 수 있었으며, 이는 저항에 관련된 것이라 추정한다. 본 연구에서는 생물전기화학적 고효율의 수소생산을 위해 기존 혐기성 소화 공정 내 생물전기화학적 융합 기술 적용시 변형캐소드의 특성평가에 따른 전극 선별과 전극거리의 중요성을 확인할 수 있었다.