1.서 론

전 세계적으로 소비되고 있는 에너지는 화석연 료로 대부분 석탄, 석유, 천연가스에 의존하고 있 으며, 화석연료 사용시 발생되는 이산화탄소로 인 해 지구온난화로 지구 기후변화에 심각한 문제를 야기하고 있다(Brennan, 2010).

화석연료의 대체 에너지 자원 중 하나로 바이 오 에너지가 있으며, 이는 크게 바이오-디젤, 바 이오-에탄올, 바이오-가스로 나눌 수 있다. 바이 오-디젤은 1세대 바이오매스인 육상식물을 바이 오매스로 이용하여 생산이 가능하나, 식물재배를 위한 넓은 경작지와 재배시간이 오래 걸린다는 단 점이 있다(Chisti 2007). 하지만 3세대 바이오매 스인 미세조류를 이용할 경우 미세조류는 성장시 CO₂를 이용함으로써 온실가스를 저감할 수 있고, 육상식물에 비하여 면적당 생산수율이 높으며, 배 양하기까지 걸리는 시간이 짧은 장점이 있음에도 불구하고(Lee et al., 2009), 현재 미세조류는 건 강 보조식품, 천연안료, 고부가가치 제품 등 제한 된 목적과 규모로 생산되고 있다(Cardozo et al., 2007; Raja et al., 2008).

미세조류를 바이오연료로 전환하기 위해선 미 세조류를 배양한 후, 배양액에서 미세조류만을 수확해야 한다. 미세조류 배양공정에서 미세조 류 수확을 위한 비용은 전체 비용의 약 20 ~ 30% 정도로 많은 부분을 차지하고 있어, 경제 적인 미세조류 수확 방안이 필요하다(Gudin et al., 1986).

본 연구에서는 미세조류 응집을 위해 전기응 집반응을 이용하여 미세조류 응집에 관한 연구 를 진행하였는데, 전기응집에서는 일반적으로 철 또는 알루미늄 등의 가용성 전극을 양극으로 사용하며, 양극에서는 전해반응 중에 금속이온 이 산화되어 용출이 일어나고, 음극에서는 물의 전기화학적 반응에 의해서 OH^-가 발생하여 응 집제 역할을 할 수 있는 Fe(OH)₂, Fe(OH)₃ 또는 Al(OH)₃를 생성시킨다(Kim et al., 2009). 미 세조류는 일반적으로 표면에 음전하를 띄고 있 어 용출된 금속이온이 전기적으로 결합하여 중 성화되고 응집 후 침전된다(Oh et al., 2001). 한편 직류전류를 통하게 되면 전기분해가 일어 나며, 이때 물은 O₂, H₂로 분해되어 미세기포를 발생시키게 된다. 발생된 기포는 수중에서 응집 된 미세조류 Floc을 흡착하여 부상하게 된다.

이에 본 연구에서는 저농도 수준의 하수고도 처리에 적용한 미세조류 회수를 위한 여러가지 방법 중에 하나인 전기응집에 있어, 미세조류의 응집부상회수에 필요한 최적의 전류량을 도출하 기 위한 기초적인 실험을 일반적으로 많이 연구 되고 있는 Scenedesmus dimorphus를 대상으 로 진행하였다.

2.재료 및 실험방법

2.1.미세조류 배양

Table 1에 나타낸 바와 같이, 본 연구에서 사 용한 미세조류(Scenedesmus dimorphus)는 KIOST(Korea Institute of Ocean Science & Technology)로부터 분양받았다. 분양받은 미세 조류 배양을 위해 배지로는 BBM(Bold's Basal Medium)을 이용하였다. 미세조류를 배양을 위 해 20 L 광생물 반응기를 이용하여 미세조류 농도가 1 OD_660nm가 될 때까지 배양한 후 사용하 였으며, 광원은 white LED, 광량은 100 ~ 150 μmol/m²/sec, 광주기는 Light : Dark cycle = 24 : 0, 온도는 25±2°C, aeration rate는 0.3 vvm으로 설정하였으며, pH는 pH controller 를 이용하여 7±0.5 로 유지하여 배양하였다.

2.2.실험장치

본 실험에 사용된 전기응집장치는 1.5 L 장방 형 반응기로 아크릴 재질로 제작하여 반응현상 을 쉽게 관찰할 수 있도록 하였다. 전극의 재질 은 알루미늄 전극(순도 99.5%)을 이용하여 0.2 cm×5 cm×13.5 cm (두께×가로×세로) 규격 으로 제작하여 실제 응집반응에 참여하는 금속 전극의 면적을 100 cm²로 하였다. 시료의 완 전혼합을 위하여 반응조의 하부에 마그네틱-바 를 이용하여 최소한의 혼합이 이루어지도록 저 속으로 교반을 실시하였다. 전원공급을 위해서 는 30 V, 3 A 용량의 DC power supply(Gw Instek, GPD-2303S, Taiwan)를 사용하였으 며, 반응 전후를 포함한 반응 중의 pH 변화를 측 정하였다.

2.3.실험방법

실험은 상온(25°C±2)에서 진행하였으며, 20 L 광생물 반응기에서 배양된 미세조류를 1.5 L 의 전기응집 반응기에 일정량 주입한 후 전기응 집 실험을 실시하였다. 0.5 N NaOH와 0.5 N HCl를 이용하여 pH를 조절해 주었으며, 최소 한의 교반을 통해 반응기 내의 미세조류가 가 라앉지 않도록 혼합시켰다. 자세한 실험조건은 Table 1과 같다. 양극으로부터 용출된 알루미늄 의 양은 전기응집반응 전후의 전극무게를 측정 하여 구했으며, 수중의 알루미늄 농도 증가분을 측정하기 위해, sampling된 시료를 GF/C 여 지를 사용하여 여과한 뒤 알루미늄 분석용 kit 및 UV spectrometer(HS 3300, Humas Co., Korea)를 이용하여 농도 변화를 측정하였다.

2.4.응집효율 측정 방법

미세조류의 응집효율을 알아보기 위한 지표 로 OD(Optical Density)를 측정하였으며, OD 는 분광광도계(Optizen POP, Mecasys Co.)를 이용하여 측정하였다. 응집실험이 진행되어 응 집이 진행되면서 응집된 미세조류 플럭은 발생 된 미세기포에 의해 부상하게 되는데, 따라서 미 세조류의 응집효율은 응집실험 직전 미세조류가 접종된 배양액의 OD를 먼저 측정하고, 응집반 응이 끝난 직후의 부상된 미세조류 플럭층 하부 (부상층 밑 5 cm지점)를 채취하여 OD를 측정함 으로서 다음과 같이 응집효율을 구할 수 있었다.

3.결과 및 고찰

전류량에 따른 미세조류 응집효율 평가를 위 해 0.1, 0.15, 0.2 0.3 A의 전류를 인가해준 후 30 분간 전기응집 반응을 실시했으며, 5분 간격 으로 sampling하여 OD에 의한 응집효율과 응 집 처리수의 dry weight 변화를 측정하였다.

Fig. 1에서 알 수 있듯이, 0.3 A > 0.2 A > 0.15 A > 0.1A 의 순서로 응집효율이 높게 나 타났으며, 0.3 A, 0.2 A, 0.15 A에서는 전류 를 20분간 흘려주었을 때 95%의 응집효율을 나 타냈고, 0.15 A에서는 25분간 전기응집 반응을 시킨 후에 95%의 응집효율을 나타냈다. 또한, Fig. 2에 나타난 바와 같이, 응집처리 후 용액 의 dry weight를 측정한 결과 역시 예상했던 대 로, 응집효율에 반비례하여 감소하는 경향을 나 타내었다.

모든 실험 조건은 초기 pH 5로 설정하여 실험 을 진행하였으며, 30분간 전기응집 반응 후 모 든 조건에서 pH는 8 ~ 8.5인 것을 확인할 수 있었다.

위의 Fig. 3 그래프를 참고하여 pH에 따른 알 루미늄의 몰 분율을 알 수 있는데, 초기 pH인 5 근처에서는 Al(OH)₄^-를 제외한 모든 성분이 유사 한 몰 분율로 공존하며 전기응집에 기여하며, 그 이후 응집이 진행됨에 따라 pH가 8 ~ 8.5 수준 으로 증가하며 이 시점에서는 대부분이 Al(OH)₄^- 및 Al(OH)₃ 형태로 존재함으로 더 이상 응집이 이루어지기 어려운 상황이 됨을 확인할 수 있었 다. 이러한 pH의 증가는 높은 전류를 흘려준 조 건에서 전기화학반응에 의한 OH^- 발생에 기인 하며, 병행하여 다가 알루미늄 이온의 빠른 용 출에 따른 미세조류의 빠른 응집으로 귀결된다.

용출된 알루미늄의 양을 측정하기 위해 응집 반응 전후의 무게를 측정하여 용출된 알루미늄 의 양을 측정하였으며, 그 결과는 다음의 Fig. 4 와 같다.

전류가 가장 높았던 0.3 A 조건의 경우 5분 간 전기반응 시켰을 때, 약 10.6 mg의 알루미 늄 이온이 용출되었으며, 0.2 A 조건의 경우에 는 약 7.8 mg, 0.15 A 조건의 경우 약 6.0 mg, 0.1 A 조건의 경우에서는 약 3.7 mg의 알루미 늄이 용출되어, 전류가 높을수록 비례적으로 많 은 양의 알루미늄이 용출된다는 사실을 확인할 수 있었다.

그리고 응집에 참여하고 남은 수중의 잔류 알 루미늄의 농도를 측정한 결과, Fig. 5와 같이 전 류가 높은 조건일수록 응집에 사용되지 못하고 수중에 잔류된 알루미늄의 농도가 전반부에서는 높게 나타났지만, 후반부에서는 큰 차이가 없이 거의 일정한 값을 나타냈는데, 이는 반응조 안 의 미세조류의 양이 일정하기 때문에 전류치에 따라 응집속도가 달라져 잔류농도는 전반부에서 다소 차이가 날 수 있으니 결국 응집에 요구되는 알루미늄의 양은 일정하기 때문이다. 또한, 알루 미늄의 농도는 모든 전류조건에서 “먹는물 수질 기준” 인 0.2 mg/L 이하로 측정되어 전기응집 후 2차 처리 없이 처리수의 방류가 가능한 수준 이라 판단된다.

전류량에 따른 전력 사용량의 변화를 Table 2 에 제시하였는데, 전류를 높게 흘려주기 위해 높 은 전압이 필요했으며, 이에 따라 전류가 높은 조건일수록 전력이 많이 사용되었다. 20분간 전 기응집반응을 하였을 때 응집효율이 95%로 나 타난 0.15 A, 0.2 A, 0.3 A 조건에서의 전력 사 용량을 평가하였을 때, 전류를 가장 낮게 사용 한 0.15 A 조건에 비해, 0.2 A, 0.3 A 조건에서 의 전력 사용량은 각각 약 1.8배 및 약 3.9배 많 이 사용되었다.

사용된 전력량 당 수중에서 응집된 dry weight를 구하여 에너지 효율에 대하여 계산해 본 결과, 다음 Table 3과 같은 결과가 얻어졌다.

위와 같이 계산된 에너지 효율을 비교해 본 결과, 0.15 A 조건에서 2,656 mg/wh/L로 가 장 높은 에너지 이용효율을 나타냈으며, 다른 조 건에 비해 1.7 ~ 3.6 배 높은 에너지 이용 효율 을 나타내어, 본 실험에서의 최적조건으로 도출 되었다.

4.결 론

본 연구에서는 알루미늄 전극을 적용한 전기 응집반응을 이용하여 자연침강이 쉽지 않은 미 세조류를 효과적으로 응집시키기 위한 최적의 전류조건을 도출하는 것을 목적으로 기초적인 연구를 진행하였다.

전류량에 따른 응집효율을 평가한 결과, 본 연 구에서는 전류가 높은 0.3 A > 0.2 A > 0.15 A > 0.1 A의 순으로 응집효율이 좋게 나타났 으며, 20분간의 전기응집 후 0.1 A를 제외한 모 든 조건에서 95% 이상의 높은 응집효율을 나타 내었다.

경제적인 에너지 이용량 요인을 감안하여 최 적의 전류효율을 도출하기 위해 에너지 효율을 비교해 본 결과, 본 연구에서는 0.15 A인 경우 에 2,656 mg/wh/L로 에너지 이용 효율이 가장 최적인 것으로 나타났다.

0.15 A조건에서 전기응집 후 수중에 남아 있 는 알루미늄 농도를 측정한 결과는 약 0.14 mg/ L로 나타나, “먹는 물 수질기준” 인 0.2 mg/L 이하인 것이 확인되었다.