Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.29 No.6 pp.643-649
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2015.29.6.643

Feasibility Study on Electro Coagulation Flocculation for Microalgae Harvesting

Seok Min Lee1, jae Hyung Cho1, Kyung Ho Noh1, shan Zhang1, Hyeon-Jeong Hwang1, guisook Nam2, Sun-Jin Hwang1*
1Department of Environmental Engineering, Center for Environmental Studies, Kyung Hee University, ଇ2Korea Rural Community Corporation
Corresponding author: Sun-Jin Hwang (sjhwang@khu.ac.kr)
October 15, 2015 November 25, 2015 November 26, 2015

Abstract

Although microalgae are considered as a promising feedstock for biofuels, cost-efficient harvesting of microalgae needs to be significantly improved. In this study, the use of electro coagulation as a more rapid flocculation method for harvesting a freshwater (Scenedesmus dimorphus) microalgae species was evaluated. The results showed that, electro coagulation was shown to be more efficient using an aluminum anode than using an iron anode. And optimum conditions of electro coagulation for harvesting Scenedesmus dimorphus were found. The optimum stirring speed was 100 rpm and optimum pH was 5. Furthermore, the current density which the fastest and highest recovery efficiency is achieved at 30 A/m2, while the highest energy efficiency was achieved at 10 A/m2. A the rapid and high recovery efficiency indicate that electro coagulation is a particularly attractive technology for harvesting microalgae.


수처리용 미세조류의 수확을 위한 전기응집기술의 적용

이 석민1, 조 재형1, 노 경호1, 장 산1, 황 현정1, 남 귀숙2, 황 선진1*
1경희대학교 공과대학 환경공학과 환경연구센터·2한국농어촌공사 농어촌연구원

초록


    Korea Rural Community Corporation

    1.Introduction

    현재 전 세계적으로 소비되고 있는 에너지는 대부 분 석탄, 석유, 천연가스와 같은 연료에 의존하고 있 다. 그러나 한정적인 원유량, 원유가격의 상승 및 화 석연료 사용시 발생되는 이산화탄소에 의한 지구온난 화로 지구의 기후변화에 심각한 문제를 야기하고 있 다(Brennan et al., 2010).

    국제사회에서는 기후변화 및 자원고갈 위기에 대응 하기 위해 재생 가능한 에너지 개발을 위한 연구를 진행하고 있으며, 우리나라도 태양광 에너지, 풍력에너 지, 지열 에너지, 바이오 에너지 등에 대한 연구를 활 발히 진행하고 있다. 바이오 에너지의 경우, 바이오 디 젤, 바이오 에탄올 등의 바이오 연료와 메탄 등의 바 이오 가스로 나눌 수 있으며, 바이오 디젤은 1 세대 바 이오매스인 육상식물을 바이오매스로 이용하여 생산 이 가능하나, 식물재배를 위한 넓은 경작지와 재배시 간이 오래 걸린다는 단점이 있으며(Chisti 2007), 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 3 세대 바이오매스인 미 세조류를 활용하는 기술이 많은 관심을 받고 있다.

    미세조류 이용기술은 성장 시 대기나 수중의 이산 화탄소와 물을 원료로 광 에너지를 이용하여 유기물 질을 합성하고, 산소를 생산하게 하는 광합성 생물로 서, 지구 전체 광합성 양의 절반을 담당하며(Rubio et al, 2003), 높은 CO2 고정능력으로 온실가스 저감을 위 한 미래의 대안기술로 평가받고 있다. 또한, 식품, 의 약품, 양식 등 그 응용 분야가 날로 확대되고 있는 미 래 생물자원이다. (Han et al., 1999)

    미세조류를 바이오 연료로 전환하기 위해선 미세조 류를 배양한 후, 필연적으로 배양액에서 미세조류만 을 수확해야 한다. 일반적으로 적용되고 있는 미세조 류 수확기술에는 원심분리기를 이용한 미세조류 수확 법이 있는데, 회수효율은 좋으나 설치 및 운영비용이 높은 단점이 있으며(U.S. DOE 2010), 여과법은 시간경 과에 따라 필터의 막힘현상이 생겨 주기적으로 막을 교체해 주어야 하는 단점이 있다. 또한, 침전법의 경 우에는 소요되는 에너지 비용은 적으나 침전에 시간 이 오래 소요되어 반응기 사이즈가 커지게 되며 (Udman et al., 2010) DAF(dissolved air flotation)의 경 우는 미세조류에 적용하기 위해서는 추가적인 응집제 주입이 필요하다는 단점이 있다(Greenwell et al., 2010).

    이렇듯 미세조류 배양공정에서 미세조류 수확을 위한 상용화 기술은 여러 가지가 개발되어 있는데, 미세조류의 경우 수확비용이 전체 바이오 연료화 비용의 약 20~30% 정도를 차지하므로, 효과적이고 경제적인 미세조류 수확 방안이 필요하다고 할 수 있다(Gudin et al., 1986).

    본 연구에서는 미세조류 응집을 위해 전기응집을 이용한 미세조류 응집기술에 대한 연구를 진행하였 다. 전기응집에서는 일반적으로 철 또는 알루미늄 등 의 전기적 가용성 전극을 양극으로 사용하는 것이 일 반적인데, 이러한 양극에서는 전해반응 중에 금속이 온이 산화되어 용출이 일어나게 되고, 전해반응에 의 해 생성된 금속 양이온은 전기장의 힘에 의해 확산되 며, 이때 미세조류와 전기적으로 결합하여 중성화된 후 응집되어 부유상태가 되어 서서히 침전하게 되는 데, 이때 침전에 소요되는 시간이 너무 길어 침전효율 이 저조하다는 문제점이 있다.

    이러한 문제를 해결하기 위해서 본 연구에서는 일 반적으로 많이 연구되고 있는 Scenedesmus dimorphus 를 대상으로 전기응집 시 물의 전기분해에 의해 생성 되는 O2 및 H2 미세기포가 적당한 교반에 의해 수중 에서 응집된 미세조류 플록(floc)을 포집(trap)하여 수 면으로 동반부상시킴으로 효과적으로 수확할 수 있게 하는 최적조건에 대해 실험연구를 진행하였다.

    2.Material and Method

    2.1.미세조류 배양

    본 연구에서 사용한 미세조류(Scenedesmus dimorphus)는 KIOST(Korea Institute of Ocean Science & Technology)로부 터 분양받았으며, 미세조류 배양을 위해 사용된 배지는 BBM (Bold‘s Basal Medium)이용하였다. S. dimorphus는 OD(optical density at 660nm)가 1.0 OD가 될 때까지 20 L 광생물 반응기를 이용하여 배양한 후 실험에 사용하였 다. S. dimorphus 배양조건은 Table. 1과 같으며, pH는 pH controller를 이용하여 7 ± 0.5로 유지해 주었다.

    2.2.실험장치

    본 실험에 사용된 전기응집장치는 1.5 L 장방형으로 아크 릴 재질로 제작하였으며, 장치는 마그네틱 교반기 위에 놓아 응집장치의 바닥에서 마그네틱 바에 의한 교반이 가능하도 록 설계하였다. 장치내의 전극은 0.2 cm × 5 cm × 13.5 cm 규격으로 제작하였으며, 이때 전극의 반응면적은 100 cm2 이었다. 전원은 30V, 3A 용량의 정전류 방식의 DC power supply(Gw Instek, GPD-2303S, Taiwan)를 사용하였다.

    2.3.실험방법

    실험은 상온(25℃ ± 2)에서 진행하였으며, 20 L 광 생물 반응기에서 배양된 S. dimorphus를 1.5 L의 전기 응집 반응기에 주입하였다. pH는 0.5N NaOH와 0.5N HCl를 이용하여 조절해 주었으며, 구체적인 실험조건 은 Table 2와 같다.

    용출된 전극의 양은 전기반응 전후의 전극무게를 측정하여 구했으며, 수중으로 용출된 전극성분의 양을 측정하기 위해서 시료를 GF/C 여지를 사용하여 여과 한 뒤 여액을 Al 및 Fe kit법에 의해 UV spectrometer (HS 3300, Humas Co., Korea)를 이용하여 측정하였다. Table 3

    2.3.응집효율 측정 방법

    시료채취는 5분 간격으로 반응기 중앙에서 수면으로 부터 5 cm지점에서 채취하였으며, 미세조류의 응집효 율을 알아보기 위해 분광광도계(Optizen POP, Mecasys Co.)를 이용하여 OD660nm를 측정하였다. 미세조류의 응집효율을 구하기 위해 다음과 같은 식을 이용하여 계산하였다.

    Recovery efficiency % = B A / B × 100 여기서,  A : Final  OD 660nm B : Initial  OD 660nm

    3.Results and Discussion

    3.1.교반 유무에 따른 응집효율 변화

    전기응집 반응 시 교반은 반응기 내의 흐름을 원활 하게 만들어 주어 양이온 전극에서 용출된 금속이온 과 음이온에서 발생된 미세기포의 접촉성을 향상시켜 응집효율에 긍정적 영향을 줄 수 있다. 따라서 교반 유무를 통한 응집효율 평가에 대한 실험을 진행하였 다. 실험조건은 pH 7, 전류밀도는 20 A/m2, 전극간격 6 cm로 설정했으며, 교반을 실시한 조건만 100 rpm의 속도로 교반을 해주었다.

    실험결과 Fig. 1.에서 나타낸 바와 같이, 100 rpm의 속도로 교반한 조건의 경우 15분간 전기응집을 해 주 었을 때 95%의 응집효율을 나타냈으며, 교반을 하지 않은 조건에서는 20분간 반응 후 95%의 응집효율을 나타냈다. 이는 교반을 하게 되면 +전극에서 용출되 는 금속염과 미세조류 세포와의 접촉율이 향상 (Mollah et al., 2004)되어 응집이 빠르게 진행되었기 때문으로 판단된다.

    Fig. 2의 사진은 전기응집 반응 후의 모습인데, 교 반을 해 준 조건의 경우 전기반응에 의해 생성된 미 세기포와 미세조류가 반응기 내에서 균일하게 접촉하 므로 이 과정에서 수면으로 부상하려는 미세기포가 미세조류를 효과적으로 포집하여 부상하므로 단시간 내에 매우 효과적으로 수면에서 수확이 가능하다.

    반면, 교반을 해 주지 않은 조건의 경우, 일부의 조 류는 장시간에 걸쳐 침전되고, 미세기포에 포집된 나머 지는 부유하고 있는 것을 Fig. 2를 통해 확인할 수 있 어, 전기응집에 의한 미세조류 수확에 있어서는 적당한 교반을 실시하는 조건이 바람직하다고 판단되었다.

    3.2.교반속도에 따른 응집효율 변화

    미세조류 입자간의 응집이 일어나게 하려면 우선적 으로 표면전하의 중화, 응집제의 의한 가교작용 등이 필요하지만, 미세조류 간의 흡착을 위해서는 금속염 과 미세조류와의 상호충돌 기회를 최대한 많게 만들 어 주어야 한다. 따라서 교반속도에 따른 미세조류 응 집효율 평가를 진행하였는데, 기본적인 실험조건은 앞서 진행한 교반 유무에 따른 실험의 조건과 동일하 게 설정해 주었으며, 교반속도를 100∼200 rpm 범위 에서 설정하여 최적의 교반조건을 조사하였다.

    실험결과 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 100 rpm으로 교반한 조건에서는 20분만에 95%의 응집효율을 나타 냈으며, 150 rpm의 경우에서는 25분간 반응해 주었을 때 93 %의 응집효율을 나타내었다. 또한, 가장 빠른 200 rpm의 속도로 교반한 조건에서는 25분간 교반하였 을 경우 64% 수준의 응집효율 밖에 얻을 수가 없었다.

    이상의 결과로부터, 교반을 포함한 전기응집반응에 있어 100 rpm 보다 높은 과다한 교반강도는 오히려 미 세조류의 응집(플럭화) 및 미세기포에 의한 플럭 포집 효율에 현저한 저해를 야기하는 것이 확인되었으며, 이로부터 부상분리에 의해 미세조류를 수확하려는 경 우, 최적의 교반속도로 설정해 주면 매우 효과적으로 단시간 내에 부상분리가 가능할 것으로 판단된다.

    3.3.전극 재질에 따른 응집효율 변화

    전기응집에 사용되는 전극은 양극과 음극을 서로 동일한 재료로 할 수도 있고 서로 다른 전극으로 설 정할 수 있는데, 일반적으로 양극과 음극을 다른 재료 로 구성하는 경우가 많다. 본 연구에서는 양극과 음극 을 동일하게 설정하는 전제로, 알루미늄 전극(순도 99.5%)과 철 전극(순도 95.5%)을 비교하여 미세조류 전기응집에 보다 적합한 전극을 평가하고자 하였다.

    기본적인 실험조건은 초기 pH 7.0, 전류밀도 20 A/m2, 전극면적 100 cm2, 전극간격 6 cm로 설정하였으 며, 교반속도는 앞선 실험에서 도출된 교반속도인 100 rpm으로 설정해 주었다.

    실험결과 Fig. 4.에서와 같이, 알루미늄 전극을 사용 한 조건에선 15분만에 약 95%의 높은 응집효율을 나 타낸 반면, 철 전극을 사용한 조건에서는 25분간 전기 응집 후에도 응집효율이 약 40%로 낮은 응집효율을 나타내, 미세조류를 응집시킬 경우에서는 알루미늄 전극이 보다 효율적인 것으로 확인되었다.

    선행연구(Can˜izares et al., 2006)의 결과와도 유사하 게 나타나 미세조류 전기응집 반응을 이용하여 응집 시 알루미늄 전극이 더 효율적인 것으로 나타났다. 위 와 같은 결과에 대해서 그 이유는 Fig. 5.에서 나타낸 바와 같이, 철 전극(1.02)은 알루미늄 전극(3.65)에 비 해 낮은 전류효율을 나타내는데, 전기응집 시 +전극 에 철 전극을 사용할 경우 철 전극에서 용출되는 금 속수산화물의 양이 알루미늄의 경우에 용출되는 양에 비해 반응시간이 같은 경우에 상대적으로 적을 수밖 에 없기 때문으로 판단된다.

    3.4.초기 pH변화에 따른 응집효율 변화

    전기응집반응에서 pH는 금속수산화물의 용해도 뿐 만 아니라 전류효율에도 영향을 미치기 때문에 전기 응집반응에서 중요한 인자 중에 하나이다. 일반적으 로 알루미늄의 전류효율은 중성 보다는 산성 또는 염 기성 상태에서 더 높게 나타나며, 전기응집의 경우 pH 완충능력이 있어, 응집 후 유출수의 pH는 산성영 역에서 증가하게 되고 염기성 영역에서는 감소하는 경향을 나타낸다.

    초기 pH가 미세조류 응집효율에 미치는 영향에 대 해 알아보기 위해 전극간격 6 cm, 전류밀도 20 A/m2, 전극반응 면적 100 cm2, 그리고 알루미늄 전극을 사용 한 조건에서, 초기 pH 조건을 5, 7, 9로 설정하여 25분 간 실험을 진행하였다.

    각각의 초기 pH에 따른 응집효율은 Fig. 6 과 같이 나타났으며, 초기 pH를 5로 설정한 조건에서 20분간 반응시켰을 때 95%의 높은 응집효율을 나타냈다. 초기 pH를 9로 설정해 준 조건에서는 25분간 전기응집반응 을 시켰음에도 불구하고 75%의 낮은 응집효율을 나타 냈으며, pH 7의 경우는 두 pH에서의 사이 값을 보였다.

    Fig. 7.의 결과는 전기응집 시 pH 변화 결과이며, pH 5, 7조건의 경우 반응시간이 지남에 따라 pH가 증 가되었다. 이는 음극에서 발생된 수산화이온과 H2에 의한(Tumsri et al., 2011)것으로 판단된다.

    알루미늄 전극을 이용하여 전기분해 시 pH변화에 대해서는 아직까지 정확하게 알려진 바가 없다 (Mouedhen et al., 2008).

    초기 pH에 따라 응집효율이 다르게 나타난 이유는 Fig. 8.에 제시된 바와 같이 pH에 따른 알루미늄의 몰 분율을 통해 설명이 가능한데, 수중의 pH에 따라 알 루미늄의 형태가 각각 다르게 나타나기 때문이다. pH 5에서는 Al(OH)4-를 제외한 모든 성분이 유사한 몰 분 율로 공존하며 전기응집에 기여하게 되어, 다른 pH에 비해 빠르게 응집이 이루어진 것으로 판단되었고, pH 9인 조건에서는 알루미늄 형태가 대부분 Al(OH)4-의 형태로 존재함과 동시에, 이러한 알루미늄의 음전하 가 표면에 음전하를 띄는 미세조류와 반발하여 응집 효율이 낮게 나타난 것이라 판단된다.

    3.5.전류밀도에 따른 응집효율 변화

    전류밀도는 전기응집에 의해 용출되는 금속의 양과 밀접한 관련이 있으며, 전류밀도가 커질수록 용출 가 능한 금속이온의 양은 비례적으로 증가하게 되며 결 과적으로 미세조류를 응집시킬 수 있는 금속 수산화물의 양도 많아지기 때문에 응집효율 역시 증가하게 된다. 그러나 전류밀도가 높을수록 사용되는 전력 소모량도 많아지므로 경제성을 고려하여 적절한 수준의 전류밀 도를 유지할 필요가 있다. Fig .9, 10

    각 조건별로 95%의 미세조류가 응집되는 시간 동안 사용된 전력량을 평가한 결과, 전류밀도가 가장 낮았 던 10 A/m2에서 다른 조건들에 비해 3~5배 낮은 전력 사용만으로도 95%의 미세조류 응집이 가능하여, 현실 적인 경제성 등을 고려하면 전류밀도 10 A/m2 조건이 본 연구의 설정조건에 대한 최적조건이라 판단하였다.

    4.Conclusion

    본 연구에서는 하폐수처리에 대한 미세조류 적용에 있어 중요한 수확방법으로서 기존 수처리 공정에서 실용 화되어 사용하고 있는 전기응집반응을 적용하여, 타당성 을 검토하고, 더 나아가 효과적이고 경제적인 미세조류 최적응집조건을 제안하기 위한 기초연구를 진행하였다.

    그 결과, 100rpm의 속도로 교반을 실시해 줄 때 가 장 높은 응집효율을 나타냈고, 이 때 대부분의 조류는 발생하는 전기분해 미세기포에 포집되어 효과적으로 부상함을 확인하였다. 또한, 전기응집반응을 위한 전 극의 재질은 알루미늄이 철에 비해 상대적으로 양호 한 결과가 얻어졌고, 반응 pH에 대한 검토에서는 pH 5일 때 가장 높은 응집효율이 얻어졌다. 최적의 전류 밀도는 경제성 등을 종합적으로 고려한 결과, 본 연구 에서는 10 A/m2이라는 결과가 얻어졌다.

    이상의 결과로부터 침전속도가 기존의 활성슬러지 에 비해 상대적으로 매우 느려 자연침강에 의한 고액 분리가 어려운 미세조류의 수확에 있어, 전기응집에 이은 부상분리 공정은 기본적으로 매우 효과적인 대 안이 될 수 있다는 기술적 근거가 제시되었다.

    Figure

    JKSWW-29-643_F1.gif

    Effects of stirring on S. dimorphus recovery efficiency.

    JKSWW-29-643_F2.gif

    Microalgae after electrocoagulation treatment. (상: 100 rpm, 하: control)

    JKSWW-29-643_F3.gif

    Effects of stirring speed on S. dimorphus recovery efficiency.

    JKSWW-29-643_F4.gif

    Effects of Al and Fe electrode on S. dimorphus recovery efficiency.

    JKSWW-29-643_F5.gif

    Electrical conductivity and resistivity of metals at 295K (Kittel, 1976).

    JKSWW-29-643_F6.gif

    Effects of initial pH on S. dimorphus recovery efficiency.

    JKSWW-29-643_F7.gif

    Changes of pH according to different initial pH.

    JKSWW-29-643_F8.gif

    Speciation diagram of trivalent aluminium. (Zongo, 2009)

    JKSWW-29-643_F9.gif

    Effects of current density on S. dimorphus recovery efficiency.

    JKSWW-29-643_F10.gif

    Dry weight changes according to elapsed time and current density.

    Table

    Culture conditions for Scenedesmus dimorphus

    Summary of experimental conditions for this study

    Electrical energy consumption according to current density

    References

    1. Brennan L , Owende P (2010) Biofuels from microalgae A review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products , Renewable and sustainable energy reviews, Vol.14 ; pp.557-577
    2. Can~izares P , Martinez F , Jime´nez C , Lobato J , Rodrigo MA (2006) Coagulation and electrocoagulation of wastes polluted with dyes , Environ Sci Technol, Vol.40 (20) ; pp.6418-6424
    3. Chisti Y (2007) Biodiesel from microalgae , Biotechnology Advances, Vol.25 ; pp.294-306
    4. Rubio FC , Camacho FG , Sevilla JM , Chisti Y , Grima EM (2003) A mechanistic model of photosynthesis in microalgae , Biotechnology and bioengineering, Vol.81 (4) ; pp.459-473
    5. Han YH , Lee JS , Kwak JK , Lee EH , Cho MG (1999) High-density cultivation of microalgae using microencapsulation , Journal of Korea Fisheries and Aquatic Sciences, Vol.32 (2) ; pp.186-191
    6. Tumsri K , Chavalparit O (2011) Optimizing electrocoagulation-electroflotation process for algae removal , 2nd international conference on environmental science and technology, Vol.6 (2) ; pp.452-456
    7. Kittel C (1976) Introduction to Solid State Physics, John Wiley & Sons, Inc, ; pp.167
    8. U.S. DOE (2010) National algal biofuels technology roadmap, U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Biomass Program, Report no. DOE/EE-0332
    9. Udman N , Qi Y , Danquah MK , Forde GM , Hoadley A (2010) Dewatering of microalgal cultures: a magor bottleneck to algae-based fuels , Renew Sustatin Energy, Vol.2 ; pp.012701
    10. Greenwell HC , Laurens LML , Shields RJ , Lovitt RW , Flynn KJ (2010) Placing microalgae on the biofuels priority list: a review of the technological challenges , J R Soc Interface, Vol.7 ; pp.703-26
    11. Gudin C , Therpenier C (1986) Bioconversion of solar energy into organic chemicals by microalgae , Advandces in biotechnological processes, Vol.6 ; pp.73-110
    12. Mouedhen G , Feki M , De Petris Wery M , Ayedi HF (2008) Behavior of aluminum electrodes in electrocoagulation process , J Hazard Mater, Vol.150 ; pp.124-135
    13. Mollah MY , Morkovsky P , Gomes JAG , Kesmez M , Parga J , Cocke DL (2004) Fundamentals, present and future perspectives of electrocoagulation , J Hazard Mater, Vol.114 (1–3) ; pp.199-210
    14. Zongo I , Leclerc JP , Maïga HA , Wéthé J , Lapicque F (2009) Removal of hexavalent chromium from industrial wastewater by electrocoagulation : A comprehensive comparison of aluminium and iron electrodes , Separation and Purification Technology, Vol.66 ; pp.159-166