[중국] 박테리아를 이용한 폐기물의 동력 전환 : 수세미
부드러운 피부 박리에 사용하는 것으로 잘 알려져 있는 수세미(Loofahs)가 에너지와 폐기물 두 분야에서 지속 가능성을 개선하는 새롭고 유망한 도구로 작용할 것으로 기대된다.
이 연구는 미생물 연료 전지(MFC; microbial fuel cell)를 창출하기 위하여 박테리아와 수세미를 결합하는 것에 대하여 다루고 있으며, 관련 논문은 “고성능 미생물 연료 전지를 위한 폴리아닐린으로 조작된 천연 수세미 스펀지를 기반으로 하는 나노구조 다공성 바이오양극(Nanostructured Macroporous Bioanode Based on Polyaniline-Modified Natural Loofah Sponge for High-Performance Microbial Fuel Cells)”이라는 제목으로 ACS 저널인 Environmental Science & Technology에 발표됐다.
중국 친환경 및 토양 과학 광둥 연구소 (Guangdong Institute of Eco-environmental and Soil Sciences) 소속의 Shungui Zhou와 동료 연구진은 일부 박테리아의 능력을 이용하여 폐기물을 동력으로 전환시키는 MFC가 전 세계 증가하는 폐기물 문제와 청정 동력의 수요 증가 등 두 가지 문제를 모두 해결하는데 도움을 줄 수 있다고 지적했다.
현재의 MFC 장치는 고가의 비용이 소요되며, 그 제작이 복잡하다. 부가적으로 전지에 있는 구멍 혹은 기공은 종종 박테리아가 내부로 확산되기에는 너무 작다. 최근 연구진은 저비용 대안으로 식물 재료를 전환했지만, 기공 사이즈가 아직까지도 문제가 되고 있다.
수세미 식물의 완전히 익은 과육에서 유래한 수세미는 일반적으로 목욕용 스펀지로 사용된다. 이러한 수세미는 거대한 기공을 가지고 있지만, 저렴하게 사용이 가능하다. 이러한 장점 때문에 Zhou 소속의 연구팀은 MFC에서 수세미를 사용할 수 있는 가능성에 대하여 조사하기로 결정했다.
연구진이 수세미 위에 질소가 풍부한 탄소 나노입자를 올린 후 박테리아를 투입했을 때, 결과적으로 얻어지는 MFC는 전통적인 MFC보다 더 우수한 성능을 보여주었다. 이 연구는 저비용으로 지속 가능한 천연 재료로부터 고성능 양극을 제작하는 유망한 방안을 소개하고 있다고 연구진은 언급했다.
미생물 연료 전지는 다양한 유형의 폐기물로부터 전기 에너지를 회수하기 위한 유망한 기술이다. 그러나 실용적인 응용을 위한 MFCs의 동력 밀도는 주로 낮은 박테리아 부하 용량과 낮은 세포 밖 전자 이동(EET; extracellular electron transfer) 효율성으로 유발되는 양극 성능(anode performance 또는 산화전극 성능)에 의해 제한된다.
이 연구에서 개방형 3D 구조 전극(open three-dimensional structured electrode)이 전구물질로 천연 물질인 수세미 스펀지(loofah sponge)를 이용하여 제작됐다. 수세미 스펀지는 단순한 연속 탄화 공정(carbonization procedure)을 통하여 연속 3D 다공성 탄소로 직접 전환됐다.
수세미 스펀지 탄소(LSC; loofah sponge carbon)는 미세한 구조를 개선하기 위하여 공동 탄화 폴리아닐린-혼성 수세미 스펀지에 의해 질소가 풍부한 탄소 나노입자로 장식됐다.
LSC의 거시적 다공성 구조는 박테리아 부하 용량을 크게 증가시켰다. 탄소 나노입자의 미세규모 코팅은 박테리아와 양극 사이의 상호작용을 강화시킴으로써 EET를 촉진시켰다.
제작된 양극을 갖춘 단일 챔버 MFC를 이용하여, 1090 ± 72 mW m?2의 동력 밀도가 달성됐으며, 이러한 수치는 유사한 크기의 전통적인 3D 양극에서 얻을 수 있는 동력 밀도보다 훨씬 더 큰 것이다.
[원문보기]
Turning waste into power with bacteria - and loofahs
Loofahs, best known for their use in exfoliating skin to soft, radiant perfection, have emerged as a new potential tool to advance sustainability efforts on two fronts at the same time: energy and waste.
Current MFC devices can be expensive and complicated to make. In addition, the holes, or pores, in the cells’ electrodes are often too small for bacteria to spread out in. Recently, researchers have turned to plant materials as a low-cost alternative, but pore size has still been an issue. Loofahs, which come from the fully ripened fruit of loofah plants, are commonly used as bathing sponges.
They have very large pores, yet are still inexpensive. That’s why Zhou’s team decided to investigate their potential use in MFCs.
When the scientists put nitrogen-enriched carbon nanoparticles on loofahs and loaded them with bacteria, the resulting MFC performed better than traditional MFCs. “This study introduces a promising method for the fabrication of high-performance anodes from low-cost, sustainable natural materials,” the researchers state.
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