목차

표제지=0,1,1

제출문=1,2,2

보고서 초록/김병홍=3,4,2

요약문=5,6,4

SUMMARY=9,10,4

CONTENTS=13,14,6

목차=19,20,6

제1장 연구개발과제의 개요=25,26,1

제1절 연구의 배경 및 필요성=25,26,2

제2절 연구의 추진 전략 및 체계=26,27,1

1. 폐수처리용 생물연료전지=26,27,2

2. 전기화학활성미생물=27,28,2

3. 전기화학활성미생물의 분리와 molecular microbial ecology=28,29,2

4. Confocal scanning laser microscopy와 생화학 실험=29,30,2

제2장 국내외 관련분야의 환경 변화=31,32,4

제3장 연구개발 수행 내용 및 결과=35,36,1

제1절 미생물 연료전지의 성능 최적화=35,36,1

1. 미생물연료전지의 양극반응=35,36,1

가. 서론=35,36,3

나. 실험 재료 및 방법=38,39,1

(1) 폐수=38,39,2

(2) 미생물 연료전지=39,40,2

(3) Chemicals=40,41,2

(4) 전극의 회수와 전자현미경=41,42,1

(5) Platinum coated graphite electrode=41,42,1

(6) Dissolved oxygen (DO) monitoring=41,42,1

(7) 기타 분석=42,43,1

다. 결과=42,43,1

(1) 미생물 연료전지=42,43,4

(2) 미생물연료전지에서 양극부 전극의 임계산소농도 측정=45,46,4

(3) Cathode mediator의 사용=48,49,5

라. 결론=52,53,2

2. 연속식 미생물연료전지를 이용한 전력 생산 특성=54,55,1

가. 서론=54,55,1

나. 실험 재료 및 방법=54,55,1

(1) 미생물연료전지와 운전=54,55,2

(2) 폐수=55,56,1

다. 실험 결과=55,56,1

(1) 전력 생산에 대한 백금 코팅의 영향=55,56,2

(2) 전력 생산에 대한 폐수 농도의 영향=56,57,2

(3) 전력 생산에 대한 폐수 공급 속도의 영향=57,58,3

(4) 전력 생산에 대한 온도의 영향=59,60,1

(5) Sensor-type과 C-type과의 성능 비교=59,60,3

(6) C-type 성능에 대한 온도 및 폐수 loading rate의 영향=61,62,1

(7) C-tyre performamce에 대한 catholyte의 영향=61,62,3

라. 고찰=63,64,1

(1) Cathode system 설계=63,64,1

(2) 연료전지의 flow channel 설계와 물질 전달=63,64,1

(3) 기존 미생물연료전지와의 비교=63,64,2

3. 공기호흡형 미생물 연료전지의 단위 셀 성능 시험=65,66,1

가. 서론=65,66,1

나. 실험 재료 및 방법=65,66,1

(1) 공기호흡형 미생물연료전지=65,66,2

(2) Membrane electrode assembly=66,67,2

(3) 접종=67,68,1

(4) 농화배양=67,68,1

다. 실험 결과=67,68,1

(1) 농화배양=67,68,2

(2) Aeration의 영향=68,69,2

(3) 공기호흡형 미생물 연료전지의 전력 밀도=69,70,2

(4) 나피온 막을 통한 양이온 이동=70,71,1

라. 고찰=70,71,1

(1) 공기호흡형 미생물연료전지의 전류밀도=70,71,1

(2) 공기호흡형 미생물연료전지의 flooding problem=71,72,1

제2절 폐수처리용 미생물 연료전지=72,73,1

1. 막없는 미생물연료전지의 개발 및 성능 최적화=72,73,1

가. 서론=72,73,1

나. 실험 재료 및 방법=72,73,1

(1) ML-MFC 의 구조 및 운전조건=72,73,2

(2) 폐수 및 시약=74,75,1

(3) Cyclic voltammetry (CV)=74,75,1

(4) 전류측정 및 coulomb 계산=74,75,1

(5) Platinum-coated electrode 제작(ML-MFC-2,3)=74,75,1

(6) Separator의 전류 발생에 미치는 영향(ML-MFC-2)=74,75,2

다. 결과 및 고찰=75,76,1

(1) 막 없는 미생물연료전지 운전=75,76,2

(2) Aeration의 영향=76,77,3

(3) 폐수의 공급 속도에 대한 영향=78,79,2

(4) 폐수의 공급 농도에 대한 영향=79,80,4

(5) 음극부와 양극부 사이의 거리에 대한 영향=82,83,2

(6) 폐수 처리용 미생물연료전지의 특성=83,84,2

(7) Cyclic voltamogram=84,85,2

(8) NaCl과 acidification의 영향=85,86,2

(9) 미생물연료전지의 구조개선 (ML-MFC-2)=87,88,2

(가) ML-MFC-2의 운전=88,89,2

(나) 폐수 loading rate에 따른 전류발생 및 쿨롬 수율=89,90,3

(다) Separator의 영향=91,92,2

(라) 백금 loading양의 영향=92,93,5

라. 결론=96,97,1

2. 막없는 미생물 연료전지의 유체 흐름 특성 및 전기 생산과 폐수처리에 대한 영향=97,98,1

가. 서론=97,98,1

나. 실험재료 및 방법=97,98,1

(1) Residence time distribution (RTD) test 용 cell=97,98,2

(2) Step respose test=98,99,1

(3) ML-MFC-3=98,99,2

(4) 농화배양=99,100,1

다. 실험 결과=100,101,1

(1) 동일 전극 높이에서의 RTD curve 특성=100,101,1

(2) 동일 전극 무게에서의 RTD curve 특성=100,101,2

(3) RTD에 대한 flow rate의 영향=101,102,2

(4) Flow model을 이용한 data fitting=102,103,3

(5) 농화배양=104,105,1

(6) 농화배양 후 RTD 특성=104,105,2

(7) ML-MFC-3에 대한 fuel loading rate의 영향=105,106,1

(8) Polarization curve 특성=105,106,2

(9) 동특성=106,107,2

라. 고찰=107,108,1

(1) Perforated와 Normal graphite felt의 성능 비교=107,108,1

(2) ML-MFC-2와의 성능 비교=107,108,2

(3) MFC간 성능 비교=108,109,2

(4) Actlvated sludge process와의 비교=109,110,1

3. 미생물연료전지에서의 슬러지 발생=110,111,1

가. 서론=110,111,2

나. 실험방법 및 재료=111,112,1

(1) 미생물연료전지=111,112,2

(2) 인공폐수=112,113,2

(3) 단백질 분석=113,114,1

(4) Suspended solid (SS)=113,114,1

(5) COD=113,114,1

다. 실험 결과=113,114,1

(1) ML-MFC-2의 SS와 단백질 생성량=113,114,3

(2) Graphite cloth 사용=115,116,2

라. 결론=116,117,2

제3절 미생물연료전지를 이용한 난분해성 물질의 분해=118,119,1

1. 서론=118,119,1

2. 실험 재료 및 방법=118,119,1

가. 폐수 및 슬러지=118,119,2

나. 미생물 연료 전지=119,120,1

다. 석유화학폐수 분석=119,120,1

라.／다 페놀 및 nitrilotriacetate (NTA) 분석=119,120,1

3. 결과 및 고찰=119,120,1

가. 미생물연료전지에 의한 페놀 분해=119,120,3

나. 저영양성 미생물연료전지를 이용한 NTA 분해=121,122,2

다. 고영양성 미생물연료전지를 이용한 NTA 분해=122,123,2

라. 강물로 농화 배양한 미생물연료전지를 이용한 NTA 분해=123,124,1

마. 미생물연료전지를 이용한 석유화학폐수의 처리=123,124,5

제4절 미생물 연료전지의 microbial diversity=128,129,1

1. 연구 내용=128,129,2

2. 실험 재료 및 방법=130,131,1

가. 사용 연료 및 미생물 연료전지=130,131,1

나. Biodiversity and taxonomy of microbial populations in the MFC=130,131,1

(1) Genomic DNA extraction from microbial community=130,131,1

(2) Polymerase chain reaction(PCR) of 16S rDNA=130,131,2

(3) Cloning of 16S ribosomal DNA gene=131,132,1

(4) Transformation into competent cell,E.coli=131,132,1

(5) Purification of plasmid DNA=132,133,1

(6) Restriction fragment length polymorphism(RFLP) analysis=132,133,1

(7) Sequencing of plasmid DNA=132,133,1

(8) Construction of phylogenetic tree=132,133,2

다. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE)=133,134,2

3. 실험 결과 및 고찰=135,136,1

가. 미생물의 형태학적 관찰=135,136,1

나. 165-rDNA 증폭과 RFLP analysis=135,136,2

다. DGGE(Denaturing gradient gel electrophoresis)=136,137,3

라. 미생물연료전지의 미생물 다양성의 분석=138,139,4

마. Construction of phylogenetic tree of MFCs=141,142,6

제5절 전기화학활성미생물의 분리,동정 및 전기화학활성 측정=147,148,1

1. 연구내용 및 결과=147,148,1

가. 미생물의 분리 및 전기화학활성=147,148,3

나. 미생물의 동정=149,150,8

다. 전기화학 활성 분리균을 이용한 생물연료전지의 운전=157,158,1

라. Electron transfer inhibitor의 영향=157,158,2

2. 고찰=159,160,2

제4장 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도=161,162,4

제5장 연구 개발 결과의 활용계획=165,166,2

제6장 연구개발 과정에서 수집한 해외과학기술정보=167,168,2

제7장 참고 문헌=169,170,6

특정연구개발사업 연구결과 활용계획서/김병홍=175,176,13

영문목차

[title page etc.]=0,1,13

CONTENTS=13,14,12

Chapter 1 Outline of research project=25,26,1

Section 1 Backgrounds & Necessity=25,26,2

Section 2 Research strategy=26,27,1

1. Microbial fuel cell for wastewater treatment=26,27,2

2. Electrochemically active bacteria=27,28,2

3. Isolation of electrochemically active bacteria and molecular microbial ecology=28,29,2

4. Confocal laser scanning microscopy and biochemical tests=29,30,2

Chapter 2 Current status of R&D activities=31,32,4

Chapter 3 Contents and results=35,36,1

Section 1 Optimization of microbial fuel cell performance=35,36,1

1. Microbial fuel cell and cathode reaction=35,36,1

A. Introduction=35,36,3

B. Materials and methods=38,39,1

(1) Wastewater=38,39,2

(2) Microbial fuel cell=39,40,2

(3) Chemicals=40,41,2

(4) Electrode recovery and microscopy=41,42,1

(5) Platinum coated graphite electrode=41,42,1

(6) Dissolved oxygen (DO) monitonng=41,42,1

(7) Other analyses=42,43,1

C. Results=42,43,1

(1) Microbial fuel cell=42,43,4

(2) Measurement of critical oxygen concentration of cathode=45,46,4

(3) Use of cathode mediator=48,49,5

D. Conclusion=52,53,2

2. Continuous electricity generation using microbial fuel cell=54,55,1

A. Introduction=54,55,1

B. Materials and methods=54,55,1

(1) Microbial fuel cell and its operation=54,55,2

(2) Wastewater=55,56,1

C. Results=55,56,1

(1) Effects of platinum coating on power generation=55,56,2

(2) Effects of wastewater strength on power generation=56,57,2

(3) Effects of wastewater loading rate on power generation=57,58,3

(4) Effects of temperature on power generation=59,60,1

(5) Comparison of peformances between Sensor-tyre and C-type=59,60,3

(6) Effects of temperature and wastewater loading rate on C-type performance=61,62,1

(7) Effects of catholyte on C-type performance=61,62,3

D. Discussion=63,64,1

(1) Cathode system design=63,64,1

(2) Flow channel design and mass transfer=63,64,1

(3) Comparison of performance with previous MFCs=63,64,2

3. Unit cell testinB of air-breathing microbial fuel cell=65,66,1

A. Introduction=65,66,1

B. Materials and methods=65,66,1

(1) Air-breathing microbial fuel cell=65,66,2

(2) Membrane electrode assembly=66,67,2

(3) Inoculation=67,68,1

(4) Enrichment=67,68,1

C. Results=67,68,1

(1) Enrichment=67,68,2

(2) Effects of aeration=68,69,2

(3) Power density of air-breathing microbial fuel cell=69,70,2

(4) Cation transfer through Nafion membrane=70,71,1

D. Discussion=70,71,1

(1) Current density of air-breathing microbial fuel cell=70,71,1

(2) Flooding problem of air-breathing microbial fuel cell=71,72,1

Section 2 Microbial fuel cell for wastewater treatment=72,73,1

1. Development and optimization of membrane-less microbial fuel=72,73,1

A. Introduction=72,73,1

B. Materials and methods=72,73,1

(1) Structure of ML-MFC and operating condition=72,73,2

(2) Wastewater and chemicals=74,75,1

(3) Cyclic voltammetry (CV)=74,75,1

(4) Measurement of current and coulomb calculation=74,75,1

(5) Platinum coated electrode=74,75,1

(6) Effect of separator on current Beneration=74,75,2

C. Results and discussion=75,76,1

(1) Operation of membrane-less microbial fuel cell=75,76,2

(2) Effects of aeration=76,77,3

(3) Effects of wastewater feeding rate=78,79,2

(4) Effects of wastewater water concentration=79,80,4

(5) Effects of distance between anode and cathode=82,83,2

(6) Characteristics of microbial fuel cell for wastewater treatment=83,84,2

(7) Cyclic voltamogram=84,85,2

(8) Effects of NaCl and acidification=85,86,2

(9) New design of ML-MFC (ML-MFC-2)=87,88,2

(A) Operation of ML-MFC-2=88,89,2

(B) Effects of wastewater loading rate on current generation and coulomb yield=89,90,3

(C) Effect of separator=91,92,2

(D) Effect of platinum loading=92,93,5

D. Conclusion=96,97,1

2. Flow property in membrane-less microbial fuel and its effect on electricity generation and wastewater treatment=97,98,1

A. Introduction=97,98,1

B. Naterials and methods=97,98,1

(1) Cell for residence time distribution (RTD) test=97,98,2

(2) Step change response test=98,99,1

(3) ML-MFC-3=98,99,2

(4) Enrichment=99,100,1

C. Results=100,101,1

(1) RTD curve property using same height of electrode=100,101,1

(2) RTD curve property using same weight of electrode=100,101,2

(3) Effect of flow rate on RTD=101,102,2

(4) Data fitting using flow model=102,103,3

(5) Enrichment=104,105,1

(6) RTD property after enrichment=104,105,2

(7) Effect of fuel loading rate on ML-MFC-3=105,106,1

(8) Polarization curve property=105,106,2

(9) Dynamic property=106,107,2

D. Discussion=107,108,1

(1) Performance comparison between perforated and normal graphite felt=107,108,1

(2) Comparison with ML-MFC-2=107,108,2

(3) Companson of MFC peformances=108,109,2

(4) Comparison with activated sludge process=109,110,1

3. Sludge generation in microbial fuel cell=110,111,1

A. Introduction=110,111,2

B. Materials and methods=111,112,1

(1) Microbial fuel cell=111,112,2

(2) Wastewater=112,113,2

(3) Protein assay=113,114,1

(4) Determination of suspended solid (SS)=113,114,1

(5) Determination of COD=113,114,1

C. Results and discussion=113,114,1

(1) SS and protein generation in ML-MFC-2=113,114,3

(2) Graphite cloth=115,116,2

D. Conclusion=116,117,2

Section 3 DeEradation of xenobiotics under microbial fuel cell conditions=118,119,1

1. Introduction=118,119,1

2. Materials and methods=118,119,1

A. Wastewater and sludge=118,119,2

B. Microbial fuel cell=119,120,1

C. Analysis of wastewater generated from petrochemical plant=119,120,1

D. Analysis of phenol and nitrilotriacetate (NTA)=119,120,1

3. Results and discussion=119,120,1

A. Phenol degradation using microbial fuel cell=119,120,3

B. NTA degradation using oligotrophic microbial fuel cell=121,122,2

C. NTA degradation using copiotrophic microbial fuel cell=122,123,2

D. NTA degradation using microbial fuel cell enriched with surface water=123,124,1

E. Treatment of wastewater generated from petrochemical plant using microbial fuel cell=123,124,5

Section 4 Microbial diversity of microbial fuel cell=128,129,1

1. Introduction=128,129,2

2. Materials and methods=130,131,1

A. Fuel and microbial fuel cell=130,131,1

B. Biodiversity and taxonomy of microbial populations in the MFC=130,131,1

(1) Genomic DNA extraction from microbial community=130,131,1

(2) Polymerase chain reaction (PCR) of 165 rDNA=130,131,2

(3) Cloning of 165 rDNA=131,132,1

(4) Transformation into competent cell,E.coli DH5a=131,132,1

(5) Purification of plasmid DNA=132,133,1

(6) Restriction fragment length polymorphism(RFLP) analysis=132,133,1

(7) Sequencing of plasmid DNA=132,133,1

(8) Construction of phylogenetic tree=132,133,2

C. Denaturing gradient gel electrophoresis(DGGE)=133,134,2

3. Results and discussion=135,136,1

A. Morphology observation=135,136,1

B. RFLP analysis=135,136,2

C. DGGE=136,137,3

D. Microbial diversity of microbial fuel cell=138,139,4

E. Construction of phylogenetlc tree of MFCs=141,142,6

Section 5 Isolation and characterization of electrochemically active bacteria=147,148,1

1. Introduction and results=147,148,1

A. Isolation and electrochemical activity=147,148,3

B. Identification of microorganism=149,150,8

C. Microbial fuel cell operation using electrochemically active bacteria=157,158,1

D. Effects of electron transfer inhibitor=157,158,2

2. Discussion=159,160,2

Chapter 4 Achievements goals and contribution to related field=161,162,4

Chapter 5 Application of results=165,166,2

Chapter 6 Technical information gathered from overseas sources during project=167,168,2

Chapter 7 References=169,170,19