[영국] 배스대학, 값싸고 지속가능한 수질정화용 토양 미생물 연료전지 연구
브라질 실험서 사람의 일상 식수를 여과할 수 있는 에너지를 만들 수 있는 것으로 입증된 '토양 미생물 연료전지(SMFCs)'

 

 

- 브라질 북동부 지역의 성공적인 현장 실험에서 토양 기반 유기체의 화학 반응을 이용하여 에너지를 생성하는 연료 전지

- 이러한 에너지를 사용하여 개인의 일상적 필요에 맞게 충분한 물을 여과할 수 있으며, 잠재적으로 규모를 증가시킬 수 있다.

- "이 프로젝트는 SMFC가 지속 가능한 낮은 에너지원으로서 진정한 잠재력을 가지고 있다는 것을 보여준다"고 미렐라 디 로렌조(Mirella Di Lorenzo) 박사는 말한다.

 

 

영국 배스대학교(University of Bath)의 공학자들은 토양 내 미생물에 발생하는 자연반응에 의해 생성되는 에너지를 포착하고 사용하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다.

화학 및 전기 엔지니어팀이 물을 정화시키는 전기화학 원자로에 동력을 공급하기 위해 지구에 매장된 값싸고 단순한 '토양 미생물 연료전지(SMFCs ; soil microbial fuel cells)'의 가능성을 입증했다.

개념 증명 설계는 2019년 브라질 북동부 지역에서 실시된 현장실험에서 입증되었으며  '토양 미생물 연료전지(SMFCs)'는 하루 약 3L의 물을 정화하여 한 사람의 일상적 물 수요를 충분히 충족시킬 수 있다는 것을 보여주었다.

이 프로젝트는 브라질 세라연방대학교(Universidade Federal do Ceara)의 지리학자팀과 북부 리오 그란데 대학교(Universidade Federal do Rio Grande do Norte)의 화학자팀이 협력한 것이다.

식수의 주요 공급원이 빗물이고 신뢰할 수 있는 전력망 접근이 부족한 반건조된 외딴 곳에 위치한 어촌인 이카푸이(Icapui)에서 시험이 이뤄졌다.

빗물은 마실 수 있도록 염소를 제거해야 하며, 나쁜 맛과 악취를 유발하는 것 외에도, 통제되지 않은 염소화는 인간의 건강에 위험하기 때문에 물을 치료하는 안전한 방법이 필수적이다.

■ 현장에서 작동하는 것으로 보이는  '토양 미생물 연료전지(SMFCs)'
 '토양 미생물 연료전지(SMFCs)'는 토양에 자연적으로 존재하는 특정 미생물(전자기)의 대사 활동으로 에너지를 생성하는데, 이 미생물은 세포 바깥으로 전자를 전달할 수 있다.

배스대학(University of Bath) 화학공학과와 전자전기공학과 연구원이 개발한 이 시스템은 일정한 거리(4cm)에 위치하여 외부 회로에 연결된 탄소 기반 전극 2개로 구성된다. 한 전극인 양극은 흙 속에 묻히고, 다른 전극인 음극은 흙 표면의 공기에 노출된다.

전기장치(Electrigens)는 양극의 표면을 채우고 토양에 존재하는 유기화합물을 '소비(consume)'하면서 전자를 생성한다. 이들 전자는 양극으로 전달되고 외부 회로를 통해 음극으로 이동하며 전기를 발생시킨다.

여러 개의 SMFC를 쌓고, 이것을 배터리에 연결함으로써 이 에너지를 수확하여 저장할 수 있으며, 이를 사용하여 수처리용 전기화학 원자로를 가동할 수 있다. 단일 SMFC 유닛은 단 몇 파운드 밖에 들지 않으며, 대량 생산과 전극 제작을 위한 국부 자원의 사용으로 더 줄일 수 있다.

■ 염화 문제에 대한 값싸고 지속가능한 해결책
이 지역에서 지속가능한 정수화가 필요한 것은 물의 주요 공급원이 강수량이라는 사실에서 비롯되는데, 이는 마실 수 있으려면 염소가 필요하다.

이카푸이(Icapui) 초등학교의 EEF 교육센터인 미진하(Mizinha)에 설치된 이 기술은 소량의 전력을 발생시켜 약 하루만에 최대 3리터의 물을 정화하는데 사용할 수 있다. 그 용량을 확장하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.

하루만에 가족이 필요로 하는 물을 정화할 수 있도록 장비 설계와 효율을 다듬겠다는 것이다. 이것은 세 가지 난제를 제시한다: 충분한 에너지 생성, 그 에너지를 효과적으로 수집하고 저장, 그리고 질과 음용성을 보장하기 위해 물을 효율적으로 처리하는 것이다.

이 프로젝트를 주도한 미렐라 디 로렌조(Mirella Di Lorenzo) 박사는 " '토양 미생물 연료전지(SMFCs)' 기술을 사용하여 가족의 일상적인 물 필요를 치료하는 것은 실험실 조건에서는 이미 달성할 수 있지만, 최소한의 유지보수가 필요한 시스템으로 야외에서 그렇게 하는 것은 훨씬 더 까다로우며, 이는 미생물 연료전지가 효과적인 것으로 간주되는 장벽이 이전에 입증된 바 있다. 이 프로젝트는 '토양 미생물 연료전지(SMFCs)' 가 지속 가능한 저에너지 원천으로서 진정한 잠재력을 가지고 있음을 보여준다"라고 말했다.

 

미렐라 디 로렌조(Mirella Di Lorenzo) 박사는 이어 "우리는 반 건조지역(semi-arid location )인 브라질 북동부 지역의 물 부족과 에너지 안보 문제를 다루고 있다"고 덧붙였다.

미렐라 디 로렌조(Mirella Di Lorenzo) 박사는 "우리는 물을 효과적으로 처리하고 마실 수 있게 하는 지속 가능한 방법을 모색했다. 빗물은 그 지역의 식수의 주요 공급원이지만, 이것은 살균된 것이 아니다 - 이 연구에서 우리의 접근법은 우리가 이 문제를 해결할 수 있는 방법을 가리킨다"라고 말했다.

미렐라 디 로렌조(Mirella Di Lorenzo) 박사는 "우리 프로젝트의 또 다른 중요한 요소는 지속 가능한 기술에 대한 교육이다. 현장 작업은 초등학교 학생들과 그들의 선생님들과 함께 수행되었다. 이들은 시스템의 작동 원리와 설치, 유지보수에 대해 교육을 받았다"라고 말했다.

2019년 진행된 현장실습에서는 초등학교에 시스템을 설치하여 이전에 연구실에서 보았던 결과를 그대로 재현할 수 있도록 시험하였다.

이 프로젝트의 브라질 리더인 UFC(Federal University of Ceara)의 아드리안 고라예브(Adryane Gorayeb) 박사는 "이 프로젝트의 교육적 요소뿐만 아니라 이 기술의 적용은 학생들에게 그들의 세계관을 넓힌 변화적인 경험을 제공했다"고 말했다.

아드리안 고라예브(Adryane Gorayeb) 박사는 "학생들은 토양 미생물 연료전지 제작을 도왔고 기술을 다루는 법을 배웠다. 이들은 '유엔 지속가능발전 목표(United Nations Sustainable Development Goals)'를 바탕으로 환경인식 제고를 위한 전용 워크숍에도 참여했다"라고 덧붙였다.

글로벌 챌린지 연구 재단(GCRF ;Global Challenge Research Fund) 프레임에 따라 리서치잉글랜드(Research England)와 브라질 과학기술개발 국가평의회(Brazilian National Council for Scientific and Technological Development)가 후원하는 이 프로젝트는 이제 작업을 지속하고 연료전지의 설계와 효율을 개선하기 위한 추가 기금을 부여받았다.

 

 

[원문보기]

 

 

Soil-Powered Fuel Cell Promises Cheap, Sustainable Water Purification
Soil microbial fuel cells proven to be capable of creating energy to filter a person’s daily drinking water in Brazil test

 

- Fuel cells that create energy using chemical reactions in soil-based organisms in successful field test in North-East Brazil

- They can be used to produce energy to filter enough water for a person’s daily needs, with potential to increase scale

- “This project shows that SMFCs have true potential as a sustainable, low-energy source”, says project lead Dr Mirella Di Lorenzo

 

 

Engineers at the University of Bath have shown that it’s possible to capture and use energy created by the natural reactions occurring in microorganisms within soil.

A team of chemical and electrical engineers has demonstrated the potential of cheap, simple ‘soil microbial fuel cells’ (SMFCs), buried in the earth to power an electrochemical reactor that purifies water.

The proof-of-concept design was demonstrated during field testing in North-East Brazil that took place in 2019 and showed that SMFCs can purify about three litres of water per day- enough to cover a person’s daily water needs.

The project is a collaboration with a team of geographers from Universidade Federal do Ceara and a team of chemists from Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

Testing took place in Icapui, a fishing village located in a remote semi-arid location where the main source of drinking water is rainwater and access to a reliable power network is scarce.

Rainwater must be chlorinated to be drinkable, and in addition to causing bad taste and odour, uncontrolled chlorination is dangerous to human health - so safe methods to treat water are essential.

Soil microbial fuel cells shown to work in the field
SMFCs generate energy from the metabolic activity of specific microorganisms (electrigens) naturally present in soil, which are able to transfer electrons outside their cells.

The system, developed by staff from Bath’s Department of Chemical Engineering and Department of Electronic & Electrical Engineering, consists of two carbon-based electrodes positioned at a fixed distance apart (4cm) and connected to an external circuit. One electrode, the anode, is buried inside the soil, while the other, the cathode, is exposed to air on the soil surface.

Electrigens populate the surface of the anode and as they ‘consume’ the organic compounds present in soil, they generate electrons. These electrons are transferred to the anode and travel to the cathode via the external circuit, generating electricity.

By building a stack of several SMFCs, and by connecting this to a battery it is possible to harvest and store this energy, and use it to power an electrochemical reactor for water treatment.

A single SMFC unit costs just a few pounds, which could be further reduced with mass production and with the use of local resources for the electrode fabrication.

Cheap and sustainable solution for a chlorination problem
The need for sustainable water purification in the area stems from the fact that the main supply of water is from precipitation, which needs to be chlorinated to be drinkable.

The technology, installed at the EEF Professora Mizinha of Icapui primary school, creates a small amount of power, which can be used to purify up to three litres of water in about a day. Further research is needed to scale-up its capacity.

The team is aiming to refine the design of the equipment and its efficiency to allow one piece of equipment to purify the water needed by a family in a day.

This presents three challenges: generating enough energy; collecting and storing that energy effectively; and treating the water efficiently to ensure quality and drinkability.

Dr Mirella Di Lorenzo, who led the project said: “Using soil microbial fuel cell technology to treat a family’s daily water needs is already achievable in laboratory conditions, but doing so outdoors and with a system that requires minimal maintenance is much trickier, and this has previously proven a barrier to microbial fuel cells being considered effective. This project shows that SMFCs have true potential as a sustainable, low-energy source.”

She added: “We’re addressing the issue of water scarcity and energy security in North-East Brazil, which is a semi-arid area. We sought a sustainable way to treat water effectively and make it drinkable."

"Rainwater is the main source of drinking water in the area, but this is not sterile - our approach in this work points to a way we could solve the issue."

“Another important element of our project is education around sustainable technologies. The field work was performed together with primary school pupils and their teachers. They were trained on the system’s working principles, installation and maintenance.”

During the fieldwork, which took place in 2019, a system was installed at the primary school, where it was tested to ensure it could replicate results previously seen in the lab.

The Brazilian leader of the project, Dr. Adryane Gorayeb, from Federal University of Ceara (UFC), said: “The application of the technology, as well as the educational element of the project, provided a transformative experience to the pupils, that have broadened their world view.

“The pupils helped with the soil microbial fuel cells fabrication and have learned how to handle the technology. They also participated in a dedicated workshop to raise environmental awareness, based on the United Nations Sustainable Development Goals.”

The project, which is funded by Research England under the Global Challenges Research Fund (GCRF) frame and by The Brazilian National Council for Scientific and Technological Development, has now been granted further funds to continue its work and improve the design and efficiency of the fuel cells.

[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/soil-powered-fuel-cell-promises-cheap-sustainable-water-purification-0001) / 2020년 10월 28일]