발전 및 폐수 처리를 위한 태양열 전지
최근 물 저널에 게재된 논문에서 연구자들은 태양 에너지와 박테리아를 사용하여 전기를 생산하고 폐수를 처리하는 혁신적인 장치인 태양광 구동 광-바이오 전기화학 전지(s-PBEC)를 소개했다. 이 접근 방식은 광촉매와 전기 활성 바이오필름을 결합한 하이브리드 양극을 사용한다.
배경
폐수 처리는 주로 인프라와 자원이 부족한 개발도상국에서 중요한 환경 문제다. 의약품, 개인 위생용품, 살충제와 같은 기존 기술은 에너지 집약적이고 유기 오염 물질을 제거하는 데 비효율적인 경우가 많다. 이러한 오염물질은 지속성, 독성, 생체 축적으로 인해 인간의 건강과 생태계를 심각하게 위협한다.
미생물 전기화학 시스템(MES)은 생분해와 전기화학 공정을 통합하여 폐수를 처리하고 재생 에너지를 생성하는 유망한 기술로 떠오르고 있다. MES는 전기화학 활성 박테리아(EAB)를 생체 촉매로 사용하여 유기 화합물을 산화시키고 생성된 전자를 전극으로 전달한다. 그러나 MES는 전극 재료와 세포 외 전자 전달(EET) 효율에 따라 달라지는 낮은 에너지 출력과 기판 활용률과 같은 문제에 직면해 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해 연구자들은 바이오 양극과 비생물 광음극을 통합하여 광촉매를 통해 EET 속도를 높이고 난해한 오염 물질을 분해할 것을 제안했다. 광촉매는 빛을 사용하여 이산화티타늄(TiO2)과 같은 반도체 물질을 활성화하여 유기 분자를 산화시키는 활성 산소 종(ROS)을 생성한다. 광촉매와 생분해(ICPB)의 긴밀한 결합은 두 프로세스 간의 시너지를 창출하여 MES의 성능을 향상시킨다.
연구 개요
이 논문에서 저자는 좁은 밴드 갭과 높은 가시광선 흡수 능력으로 알려진 2차원(2D) 인산코발트(Co3(PO4)2)와 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 이종 접합 광촉매를 사용하여 새로운 ICPB 광전극 기반 s-PBEC를 개발했다. 이 광촉매는 3차원(3D) 탄소 폼 양극에 증착된 다음 혐기성 소화 슬러지로부터 EAB에 의해 식민화되었다.
이 연구에서는 양극 구획을 위한 석영 창과 탄소 펠트 음극을 갖춘 이중 챔버 반응기를 사용했다. 양극 용액에는 아세테이트를 주 탄소원으로 하는 합성 폐수가 포함되었고, 음극 용액에는 전자 수용체로서 칼륨 헥사시아노페퍼레이트(III)가 포함되었다. 반응기는 1000Ω의 외부 저항으로 작동하고 태양 시뮬레이터로 조명을 비췄다.
시스템의 전류 밀도, 전력 출력 및 전기 화학적 활성을 어둡고 밝은 조건에서 모니터링했다. 준비된 광촉매의 형태, 광학적 특성 및 결정 구조는 X-선 회절(XRD), 라만 분광법, UV-Vis 확산 반사율 분광법(DRS), 광발광(PL) 분광법, 고해상도 투과 전자 현미경(HR-TEM) 등 다양한 기술을 사용하여 분석되었다. 또한 빛 노출이 미생물 군집 구성과 다양성에 미치는 영향을 조사하기 위해 양극 바이오필름의 고처리량 시퀀싱을 수행했다.
연구 결과
ICPB 양극을 사용한 s-PBEC는 빛이 비추면 전류 밀도가 급격히 증가하여 1시간 이내에 0.15A/m²에서 0.32A/m²로 상승하고 2.5시간 후에는 최대 0.38A/m²에 도달하는 것으로 나타났다. 전력 출력은 조명 조건에서 66.0mW/m²에서 91.5mW/m²로 증가했다.
전기화학 임피던스 분광법(EIS) 및 선형 스윕 전압 측정법(LSV) 분석에 따르면 조명된 ICPB 양극은 낮은 옴 저항과 전하 전달 저항을 보여 EET 효율이 향상되었음을 보여주었다.
XRD, 라만, HR-TEM 분석 결과, 작은 구형 입자를 가진 2D/2D Co3(PO4)2/Mg(OH)2 이종 접합 광촉매가 성공적으로 형성되어 2D 시트 형태의 형태를 나타냄을 확인했다. DRS 및 PL 스펙트럼은 광촉매의 강한 가시광선 흡수와 낮은 전하 재결합 속도를 보여주었다.
샷건 메타게놈 분석 결과, 조명 후 양극 생물막의 미생물 군집 구성에 상당한 변화가 있는 것으로 나타났다. 액티노박테리아, 박테로이데테스, 펌리쿠테스 등 여러 문(phyla)의 상대적 풍부도는 감소한 반면, 프로테오박테리아의 상대적 풍부도는 증가했다. 어두운 조건에서 가장 많은 속은 EET와 생분해 능력으로 알려진 지오박터, 로도코커스, 데클로로소마 속이었지만 조명이 켜진 후 상대적 풍부도가 감소하여 다른 EAB가 이들을 앞질렀다는 것을 시사한다.
조명 조건에서 가장 풍부한 속은 Neisseriales, 베타프로테오박테리아 및 알파프로테오박테리아에 속하는 미분류 속이었으며, 이는 향상된 전류 생성과 관련이 있다. 이러한 결과는 광촉매가 선택적 압력을 만들어 미생물 군집 구조에 간접적으로 영향을 미쳐 높은 비율의 EET가 가능한 미생물을 선호할 수 있음을 시사한다.
결론
요약하면, 새로운 s-PBEC는 지속 가능한 에너지 생산과 폐수 처리, 특히 난분해성 유기 오염 물질에 효과적인 것으로 입증되었다. 이 장치는 태양 에너지를 효율적으로 활용하여 광촉매를 활성화하고 오염 물질을 EAB가 소비할 수 있는 생분해성 화합물로 분해했다.
또한 광촉매에서 생성되는 ROS로부터 오염 물질을 보호하여 EAB의 독성을 감소시켰다. 저자들은 암/광 주기, 광촉매 구성, 미생물 군집 구성을 조정하여 장치를 최적화할 것을 제안했다.
출처:
라피에니아, R.; 마흐무드, M.; 압델-와헤드, M.S.; 갓-알라, TA; 살비안, A.; 파카스, D.; 엘-고하리, F.; 아비뇨네 로사, C. Co3(PO4)2/Mg(OH)2 광전극을 탑재한 태양 구동 광-바이오 전기화학 전지에서 향상된 전기 생산량 구현. Water 2024, 16, 1683. https://doi.org/10.3390/w1612168