Full metadata record
| DC Field | Value | Language |
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| dc.contributor.advisor | In, Su Il | - |
| dc.contributor.author | Lee, Kyeong Seok | - |
| dc.date.accessioned | 2017-05-10T08:53:49Z | - |
| dc.date.available | 2017-01-18T00:00:00Z | - |
| dc.date.issued | 2017 | - |
| dc.identifier.uri | http://dgist.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000002324818 | en_US |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/20.500.11750/1509 | - |
| dc.description.abstract | The growth of global population has been increased continuously. Because of this phenomena, the energy demand has been also increased sharply. So, the conventional fossil fuels are running out. To full fill the energy demands, humans are burning larger quantity of fossil fuels which results in the higher carbon dioxide concentration in atmosphere. Therefore, it is essential improving renewable, sustainable energy generating technology. Nowadays, microbial fuel cell (MFC) technology become the main solution for this situation to solve energy and environmental related problems. Because microbial fuel cell (MFC) technology can generate electricity from wastewater. However, there are some limitations such as low efficiency and high cost materials. Thus, this research is conducted to improve low efficiency of microbial fuel cell (MFC) technology by application of solar fuel. First, hybrid-MFC System is invented by application of suitable photoactive material. In this research, TiO2 nanotube arrays (TNT) are used as photoanode to use solar energy. TiO2 nanotube arrays (TNT) have high photostability, high electron transfers ability and broad absorption range. Additional electrons are generated from photoanode under irradiation and they can be involved in MFC system. By this effect, the power density of hybrid-MFC is increased 46.8 % compared to power density of normal MFC. Second, investigation of methylene blue (MB) degradation in hybrid-MFC is conducted. Methylene blue (MB) is used for various purposes. Especially, it is mainly used as a dye. The release of those chemicals in the ecosystem can be a critical source of non-aesthetic pollution, eutrophication and perturbations in the aquatic ecosystem. To create new approach for this problem, Methylene blue (MB) is degraded by TiO2 nanotube arrays (TNT) photoanode and bio-anode in hybrid-MFC system. Third, enhanced power generation in microbial fuel cells (MFCs) with modification of carbon fiber brush anode is investigated. Carbon fiber brush electrodes have been used to provide high surface areas for growth of microorganism and enhanced performance in microbial fuel cells (MFCs). Several modifications for anode in microbial fuel cells (MFCs) have been a successful way for increasing efficiency of MFC such as high-temperature ammonia gas treatment. But these methods are complicated and costly. Therefore, in this research simple and less expensive modification at carbon fiber brush anode with heat and acid treatment is conducted. ⓒ 2017 DGIST |
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| dc.description.tableofcontents | I. Introduction 1-- 1.1 Research Background 1-- 1.2 References 4-- II. Equipment 7-- 2.1 Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) 7-- 2.2 Potentiostat 8-- 2.3 X-ray Photoelectron Spectrometer (XPS) 9-- 2.4 X-ray Diffractometer (XRD) 11-- 2.5 Gas Chromatography (GC) 12-- 2.6 Ultraviolet–Visible spectroscopy (UV-Vis) 14-- 2.7 References 16-- III. Photo- coupled Bio-Anode: A New Approach for Improved Microbial Fuel Cell Performance 18-- 3.1 Introduction 18-- 3.2 Experimental Section 20 -- 3.2.1 Chemicals and materials 20-- 3.2.2 Preparation of SEM samples 23-- 3.2.3 Microbial Fuel Cell (MFC) assembly and operation 23-- 3.2.4 Microbial Fuel Cell (MFC) medium 24-- 3.2.5 Synthesis of TiO2 nanotube arrays (TNT) photoanode 24-- 3.2.6 Characterization of TiO2 nanotutbe arrays (TNT) photoanode 25-- 3.2.7 Evaluation photocurrent of TiO2 nanotutbe arrays (TNT) photoanode 25-- 3.2.8 Microbial Fuel Cell (MFC) characterization 25-- 3.3 Results and Discussion 26-- 3.3.1 FE-SEM Analysis of photoanode and microorganism on the anode surface 27-- 3.3.2 XRD patterns of TiO2 nanotube arrays (TNT) photoanode 28-- 3.3.3 XPS analysis of TiO2 nanotube arrays (TNT) photoanode 28-- 3.3.4 Photocurrent measurement of TiO2 nanotube arrays (TNT) photoanode 30-- 3.3.5 Performance evaluation of hybrid-MFC 31-- 3.3.6 Electrochemical characterization of hybrid-MFC 33-- 3.3.7 CO2 photoreduction test TiO2 nanotube arrays (TNT) photoanode 34-- 3.4 Conclusions 37-- 3.5 References 38-- IV. Electrochemical Degradation of Methylene Blue (MB) Powered by Photo- coupled Bio-Electricity in Hybrid-Microbial Fuel Cell 43-- 4.1 Introduction 43-- 4.2 Experimental section 44-- 4.2.1 Chemicals and materials 44-- 4.2.2 Reactor construction and operation 45-- 4.2.3 Evaluation of methylene blue (MB) decomposition in hybrid-MFC 47-- 4.2.4 Evaluation of power outputs of the hybrid-MFC 47-- 4.3 Results and discussion 48-- 4.3.1 Evaluation of power generation of hybrid-MFC 48-- 4.3.2 Degradation performance of hybrid-MFC 49-- 4.4 Conclusions 54-- 4.5 References 55-- V. Investigation of Air-cathode Single Chamber MFC Performance with Modified Carbon Fiber Brush Anode 57-- 5.1 Introduction 57 -- 5.2 Experimental section 58 -- 5.2.1 Chemicals and materials 58-- 5.2.2 Microbial fuel cell (MFC) configuration and anode pretreatments 58 -- 5.2.3 Microbial Fuel Cell (MFC) inoculum, substrate and medium 59-- 5.2.4 Analysis method 59 -- 5.3 Results and discussion 60-- 5.3.1 Power generation using different pretreatment anodes 60 -- 5.3.2 Surface characteristics of carbon fibers with different treatments 62-- 5.4 Conclusions 65-- 5.5 References 66 -- VI. Conclusions 68 |
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| dc.format.extent | 74 | - |
| dc.language | eng | - |
| dc.publisher | DGIST | - |
| dc.subject | Microbial fuel cells (MFCs) | - |
| dc.subject | Photoactive material | - |
| dc.subject | Hybrid-MFC | - |
| dc.subject | Power generation | - |
| dc.subject | Anodization | - |
| dc.subject | Oxygen reduction reaction (ORR) | - |
| dc.subject | 미생물 연료 전지 | - |
| dc.subject | 광활성 물질 | - |
| dc.subject | 하이브리드형 미생물 연료 전지 | - |
| dc.subject | 전력생산 | - |
| dc.subject | 양극 산화 | - |
| dc.subject | 산소 환원 반응 | - |
| dc.title | Investigation of Hybrid Microbial Fuel Cells for Enhanced Performance under Solar Irradiation | - |
| dc.title.alternative | 태양빛을 이용한 전력 생산 효율이 증가된 하이브리드 미생물 연료 전지의 분석 | - |
| dc.type | Thesis | - |
| dc.identifier.doi | 10.22677/thesis.2324818 | - |
| dc.description.alternativeAbstract | 세계 인구의 꾸준한 성장으로 인해, 국내 및 산업 에너지의 에너지 수요는 지속적으로 증가하고있다. 국제 에너지 기구 (IEA)의 보고서에 따르면, 전력 소비는 이산화탄소와 같은 온실 가스의 발생을 초래하는데, 이 양은 120 억 톤 오일을 사용하는 것과 같다. 현재 전력 소비를 비춰볼 때, 2035 년에는 180 억 톤 오일을 사용 했을 때의 양과 같다. 현재의 에너지 수요를 충족하고, 환경 문제를 해결하기 위해, 안정적이고 지속 가능한 청정 에너지 기술로 대체 되어야 한다. 1911 년 영국의 식물학자 포터 2 세의 발명 아이디어는 미생물을 이용하여 유기물을 산화하여 전기를 생산하는 것이었다. 이후, 미생물 연료 전지 (MFC) 기술은 큰 관심을 이끌기 시작했다. 미생물 연료 전지 (MFC) 기술은 애노드에서의 생 촉매로 미생물을 이용하여 유기물에 저장된 화학 에너지를 직접적으로 미생물의 대사에 의해 전기 에너지로 변환 하는 기술이다. 전기 화학적으로 활성화 된 미생물, 전자방출균의 물질 대사를 통해 전자가 생성되고, 미생물 양극으로 전자가 이동한다. 이 때 생성 된 전자는 외부 회로로 이동하며, 이를 통해, 음극으로 전달 된다. 대부분 미생물 연료 전지에서, 전해질로부터 온 양성자, 외부에서 확산되어 온 산소와 결합하여 최종 생성물로 물이 생성된다. 이러한 반응을 산소 환원 반응 이라고 한다. 위의 반응 과정을 통해 전기 에너지가 생성 된다. 미생물 연료 전지는 다른 형태의 연료 전지에 비해 많은 장점을 갖는다. 무기 연료 전지의 경우, 전기를 생산 할 수 있는 능력을 가지고 있으나, 오염 물질을 분해 할 수 없다. 그렇지만, 미생물 연료 전지는 미생물의 대사 작용에 의한 유기물 분해에 의해 생성되는 가역 생물학적 과정이기 때문에, 환경 친화적이다. 또한 무기 연료 전지의 경우, 사용할 수 있는 연료가 수소 (H2), 메탄올 (CH3OH) 및 에탄올 (CH2CH3OH) 등으로 제한적인데 비해, 미생물 연료 전지의 경우, 오폐수를 연료로 사용하기 때문에, 제한적이지 않다. 미생물 연료 전지는 지역 하수 처리장에 적용시켜서 사용할 수 있을 것으로 기대되었지만, 낮은 효율과 비싼 전극 재료는 미생물 연료전지를 이용하는데 있어 장애물로 작용한다. 최근, 반응기 구조의 변형을 통한 내부 저항 감소 및 미생물의 전자 전달 향상 등 여러 노력들을 통해 MFC 의 효율을 증가시키고 있다. 미생물 연료 전지의 전력 생산량은 꾸준히 향상되고 있지만, 미생물 연료 전지의 실질적인 전력 생산 장치로 이용하기 위해서는 전극의 내구성 향상 및 전력 생산량을 대폭 향상 시켜야 한다. 미생물 연료 전지의 효율을 높이기 위한 여러 가지 방법들 중, 태양 에너지를 이용하는 방법이 있다. 태양에너지는 고갈될 우려가 없으며 무한한 에너지 중에 하나이다. 한 시간 동안 지구에 도달하는 태양에너지의 양은 1 년간 소비되는 국제 에너지 소비량과 비슷하다. 따라서 태양에너지를 수집하고 이를 이용하는 방법은 환경 친화적이면서도, 지속 가능한 방법이다. 이전의 많은 연구에서 미생물 연료전지를 태양에너지와 결합하려는 시도들이 있었지만, 미생물 연료 전지의 산소환원반응 속도를 증가시키려는 시도는 없었다. 느린 산소환원반응 속도는 미생물 연료 전지의 효율을 감소시키는 여러 가지 요인들 중 하나이다. 따라서 이 연구에서는 첫째로, 태양에너지를 이용할 수 있는 hybrid - MFC 시스템이 제안되었다. 반도체 물질을 이용하여 태양에너지를 받아 전자를 생성하고 추가적인 전자를 미생물 연료 전지에 공급할 수 있다. 따라서 반도체 물질로 매장량이 많고, 가격이 저렴하고, 화학적으로 안정한 특성을 가지는 티타늄 호일 표면에 질소가 도핑된 TiO2 나노튜브를 형성하여 이를 미생물 연료 전지에 추가하였다. FE-SEM, XRD, XPS 를 통해 TiO2 나노튜브의 표면 및 Morphology를 분석하고, photocurrent 측정을 이용해 광전기화학적 분석을 통해 TiO2 nanotube arrays (TNT) photoanode 의 특성을 분석 하였다. 이렇게 준비된 TiO2 nanotube arrays (TNT) photoanode 를 미생물 연료전지에 적용 시키기 위해 일반적인 미생물 연료전지를 2 개월 이상 작동시켰다. 미생물 연료 전지의 전압 생성 패턴이 안정화 되고 난 후, photoanode 를 일반적인 단일 비생물 연료 전지에 연결하였으며, 전력 생산량을 분석하기 위해 전류-전압 그래프 및 power density 그래프를 측정하였다. Anode 는 기준전극 겸 상대 전극으로 사용되었고, cathode 는 작업 전극으로 사용되었다. 전류를 200 μA 씩 증가시키면서 1분동안 가해주었으며, 그때 나오는 측정되는 전압을 기록하고 전압의 값이 0 이하로 떨어질 때까지 측정을 진행하였다. 측정 결과로 얻은 전류-전압 그래프를 통해 TiO2 nanotube arrays (TNT) photoanode 에 빛을 조사해줬을 경우, 미생물 연료 전지에 더 많은 전류가 흐른다는 것을 알 수 있었다. 이 추가적인 전류는 TiO2 nanotube arrays (TNT) photoanode 에 빛을 조사함으로써 생성되는 전자로부터 기인한 것이며, 이 전자들은 cathode 쪽에서 산소 환원 반응에 참여할 수 있다. 따라서 산소 환원 반응의 속도를 증가시킬 수 있다. Power density 의 결과로부터 빛을 조사했을 경우 빛을 조사하지 않은 반응조에 비해 power density가 46.8% 증가한 것을 확인할 수 있었다. 또한 electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 분석을 통해, 빛이 조사했을 경우, 빛을 조사하지 않은 반응조에 비해 impedance (교류 저항)의 charge transfer resistance 가 54.7% 감소된 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로, TiO2 nanotube arrays (TNT) photoanode에 빛이 조사되었을때, 이산화탄소 광환원 반응이 일어나 메탄이 생성되는 것을 확인 할 수 있었다. (메탄 생성량: 1.1 ppm∙cm-2∙hr-1) 둘째로, 염료의 전기화학적 분해를 향상시키기 위해 미생물 연료 전지 시스템에 태양에너지가 적용되었다. 태양 에너지를 MFC 에 적용하면, 전기 화학적 분해 능력을 크게 향상 시킬 수 있다. 본 연구에서 TiO2 nanotube arrays (TNT)은 태양에너지를 적용 할 수 있는 photoanode 로 사용되었다. 목표 오염 물질로, 수생환경 및 인간 생활에서 폭 넓은 사용되고 있고, 강한 독성을 지닌 메틸렌 블루(MB)가 사용되었다. 본 연구에서 MFC 에 TiO2 nanotube arrays (TNT) photoanode를 적용해 태양 에너지를 접목시켜, 가격 대비 효율적인 메틸렌 블루 (MB) 분해 능력을 향상 시켰다. 메틸렌 블루 (MB)의 분해 농도비는 UV 스펙트럼에 의해 측정되었다. 그 결과, 빛을 조사하였을 경우, 하이브리드 MFC 에서 메틸렌 블루 (MB)의 최고 분해 비(81 %)와 최대 전력 밀도 (1024 mW∙m-2)를 나타냈다. 본 연구를 통해 하이브리드 MFC 에서 생성 된 광-바이오 전기를 이용하여 염료의 전기 분해 능력을 향상시켜 향상 시켰음으로, 염료 분해 장치의 새로운 대안을 제시 할 수 있다. 셋째로, 탄소 섬유 브러시 양극의 화학적 처리를 통해, 전력 생산이 증가된 미생물 연료 전지가 연구되었다. 미생물 연료 전지에 탄소 섬유 브러시 양극을 적용하면 전력 생산이 향상된 결과를 보인다. 고온 암모니아 가스 처리 방법이 양극 재료를 처리하는 효과적인 방법으로 보고 되었는데, 이 방법은 전극 표면에 양 전하를 생성 할 수 있다. 또한 이전 연구에서, 열 처리 방법은 탄소 천MFC의 성능을 향상시키는 효과를 보고 하고 있는데, 이는 N 1S / C 1S 의 증가된 비율과 관련이 있다. 따라서, 본 연구에서는 산 처리, 열 처리, 산 처리와 열 처리 결합한 처리 방법을 이용하여 미생물 연료 전지의 성능을 평가 하였다. 특히 이들 섬유의 표면에서 화학적 변화도 분석되었다. 실험 결과, 산 및 열처리 공정을 통해 전력 생산량이 기준이 되는 처리 방법 보다 36 %까지 향상되었다. (950 to 1230 mW∙m−2) 이는 전하 이동 저항의 감소에 기인한다 (RCT). 향상된 미생물 연료 전지의 성능은 탄소 섬유의 표면에 변화와 관련되어 있고, 이는 탄소 섬유 표면에 N 1S / C 1S 의 증가된 비율 (4.6 % to 5.6 %)을 포함 한다. 따라서 이러한 변화는 미생물 연료 전지의 효율을 개선하기 위한 지침이 될 것이다. ⓒ 2017 DGIST |
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| dc.description.degree | Master | - |
| dc.contributor.department | Energy Systems Engineering | - |
| dc.contributor.coadvisor | Kim, Eun Joo | - |
| dc.date.awarded | 2017. 2 | - |
| dc.publisher.location | Daegu | - |
| dc.description.database | dCollection | - |
| dc.date.accepted | 2017-01-18 | - |
| dc.contributor.alternativeDepartment | 대학원 에너지시스템공학전공 | - |
| dc.contributor.affiliatedAuthor | Lee, Kyeong Seok | - |
| dc.contributor.affiliatedAuthor | In, Su Il | - |
| dc.contributor.affiliatedAuthor | Kim, Eun Joo | - |
| dc.contributor.alternativeName | 이경석 | - |
| dc.contributor.alternativeName | 인수일 | - |
| dc.contributor.alternativeName | 김은주 | - |
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