Hybrid metal-air fuel cell electrocoagulation system for power generation along with wastewater treatment, microalgae harvesting, and desalination

Abstract

바닷물 담수화 작업은 식수를 만드는데 필요한 작업이다. 이는 전세계적으로 쓰이지만 상당히 까다로운 기술이기도 하다. 이 기술은 주로 역삼투압과 증류과정을 통하여 일어난다. 현재에도 담수화 기술은 꾸준히 개선되고 있으며 예전기술보다 더 신뢰도가 우수하지만, 여전히 상당량의 에너지가 필요한 기술이다. 더욱이, 바이오 연료로 쓰일 수 있는 미세조류의 독특한 번식력을 이용하여 대체연료로 고려 하고있다. 미세조류 채취는 큰규모의 바이오매스에서 분리할 때 필요한 작업이다. 채취 방법은 원심분리, 침전, 자성분리, 부유, 여과 또는 이러한 기술들을 결합하는 방법이 있다. 미세조류 채취 기술의 단점은 외부 에너지가 필요하다는 점이다. 금속-공기 전기응집 연료전지는 환경적 화합, 에너지 효율, 비용적 효율등으로 화학 응집법에 대안으로 이용 할 수 있다. 전지는 금속 전극을 이용하여 담수화 및 미세조류 채취 작업에 이온 공급한다. 이 논문은 금속공기 연료전지 전기응집법을 활용한 담수화, 미세조류 채취, 전기 생산 및 영양물질 저감에 대해 설명한다. 제타 포텐셜, pH 변화 및 무전하점 같은 관련 영향 요소들을 측정하여 비교 했다. 2장에서는 해양 미세조류인 Nannochloropsis salina를 채취하여 Fe-, Al-, Mg-air연료전지 전기응집의 응용성을 설명했다. 금속-공기 연료전지 전기응집 작업 중 금속 하이드록사이드와 함께 미세조류 플록의 중성화 및 스윕 플로킹이 발생한다. 미세조류 플록의 제타 포텐셜은 시간이 지날수로 증가하고; 그 후엔 미세조류 회수가 효과적으로 가능했다. 전기응집 3시간, 침전 4시간 기준으로 Fe 음극의 채취 효과는 85%보다 낮았다. 하지만, Al, Mg 음극은 전기응집 2시간, 침전 1시간에 100% 미세조류 채취에 성공했다. Fe, Al 그리고 Mg음극을 사용한 해양 미세조류 N. salina의 지방질 회복효율 최대치는 각각 15.8, 23.8, 그리고 28.9%이다. 0-100 mM의 NaCl농도에서 Fe, Al, Mg음극을 사용한 미세조류의 최대 전기 에너지 생산량은 각각 1.96 – 32, 0.08 – 37.6, 그리고 38.7 – 683 Wh kg-1이다. 3장에서는 알류미늄-공기 연료 담수화 전지 전기응집법을 사용한 담수화 성능 및 미세조류 채취를 다루었다. 미세조류 및 다양한 농도의 합성폐수(예, NH4Cl and KH2PO4)가 음극액으로, 인산염 및 식염수 완충제를 양극액으로 사용하였고, 중앙에는 20 g L-1 의 NaCl을 넣었다. 합성폐수의 N:P중량비는 10-11로 설정 했다. 총 전기응집 시간은 20시간을 하였으며 음극액은 2시간에 한번씩 10회 교체 하였다. 20시간의 전기응집 동안 염분은 어떠한 시약도 넣지 않았을 때 61.3%, 2.77 mM NH4Cl/0.053 mM KH2PO4/10 mM NaCl (50N:5P)를 넣었을 때 64.2%, 11.1 mM NH4Cl/0.21 mM KH2PO4/10 mM NaCl (200N:20P)을 넣었을 때 67.4%, 그리고 22.2 mM NH4Cl/0.379 mM KH2PO4/10 mM NaCl (400N:36P)을 넣었을 때 69.8% 감소 하였다. 미세조류는 2시간 전기응집, 2시간 침전 후 어떠한 시약도 넣지 않았을 때 100% 회복이 되었다. 이 결과는 알류미늄-공기 연료전지가 전력을 생산함과 동시에 미세조류 채취시 염분을 현저하게 감소시키는데 사용된다. 4장에서는 담수화를 위한 마그네슘-공기 연료전지 전기응집의 효과적인 사용을 다루었다. 마그네슘-공기 연료전지 시스템은 3개의 챔버로 구성되어있다. NH4:PO4는 (50:5, 400:36, 및 2000:200 ppm) 양극액으로 사용되었고 음극액으로 재순환되었으며, 중앙에는 20 g L-1 NaCl 을 넣었다. 재순환 실험과 비교하기 위해 별도의 실험에서 NH4:PO4 (2000:200 ppm) 및 10 mM NaCl 음극액(재순환 실험없이)을 사용하였다. 전도도 감소 효율은 NH4:PO4 가 50:5 ppm에서 68.4%, 400:36 ppm에서 74.2% 그리고 2000:200ppm 에서 77.4%로 나타났다. 동시에 최대 전기 에너지 생산량(EEP)는 각각 16.5, 17.7 및 23.8 Wh m3 로 나타났다. 3시간 전기응집 동안 인은 NH4:PO4, 50:5 ppm일때 0.0093mg cm-2 h -1 , 400:36ppm 일때 0.182mg cm-2 h -1 그리고 2000:200ppm 일때 0.988 mg cm-2 h -1 각각 제거되었다. 전기응집 중에 제타 전위는 수산화마그네슘으로 인한 전하 중화 및 스윕 응집으로 인해 증가한다. 마지막으로, 우리는 전기응집 과정이 일어나는동안 이론적 양극 분해율 및 무전하점에 관하여 논의했다. 전력을 생산하기 위한 새로운 종류의 전기화학법인 알루미늄-공기 연료 전기투석 전지(Al-FEDC)는 5장에서 다루었다. 본 장에서는 담수화 및 영양소(PO4-P and NH3-N) 제거와 함께 전력 생산에 대해 평가하였다. Al-FEDC는 AI-공기 연료 전지와 결합된 11쌍의 역전기투석 전지(RED)를 포함하고 있다. 높은 농도와 낮은 농도의 NaCl은 0.6 mL min-1에서 8시간 전기응집 동안 2.61-3.42 and 1.24-1.92 W m-2를 생산했다. 이때, 음극액의 농도범위는 500-2000ppm의 NH4(0.03- 0.1M의 NH4Cl), 50-200ppm의 PO4(0.0005-0.002M의 KH2PO4)와 10mM의 NaCl를 포함하고 있다. 최대 전기 에너지 생산량(EEP)는 0.03 M NH4Cl/0.0005 mM KH2PO4/10 mM NaCl일 때, 29.6 Wh m-3 , 0.055 M NH4Cl/0.001 M KH2PO4/10 mM NaCl일 때 47.2 Wh m-3 그리고 0.1 M NH4Cl/0.002 M KH2PO4/10 mM NaCl일 때 50.2 Wh m-3 로 나타났다. 8시간 전기응집 후, 총 담수화율(TDR), PO4-P 제거 및 NH3-N 제거 범위는 각각 5.90-15 mg min-1 , 0.0014-0.0047 mM cm-2 h -1 , and 0.013-0.027 mM cm-2 h -1 로 나타났다. 이 연구의 결과는 금속-공기 연료전지 전기응고법의 실제 적용 가능성을 평가하기 위한 새로운 접근법을 제공한다.|In many parts of the world, a desalination is an option for producing drinking water from seawater, but most desalination technologies are energy-intensive. The main desalination technologies currently in use are reverse osmosis and distillation. Continuous improvements in the desalination process have made these systems more reliable, but high energy requirements are still a problem in many parts of the world. Furthermore, the biofuels derived from microalgae are considered to be promising in the field of alternative energy due to their distinctive growth yield. The harvesting of microalgae is important for separating the biomass from the bulk suspension. There are several harvesting techniques, including centrifugation, sedimentation, magnetic separation, flotation, filtration, and a combination of these techniques. The disadvantage of these microalgae harvesting techniques is still required external energy. Metal-air fuel cell electrocoagulation is used as an alternative to conventional chemical coagulation due to being environmentally compatible, energy-efficient, and cost-effective. It uses metal electrodes to supply ions for desalination and microalgae harvesting. This dissertation introduces a different application of metal-air fuel cell electrocoagulation technologies for desalination, microalgae harvesting, electricity production, and nutrient removal. The relevant influencing factors, such as the zeta potential, pH variation, point of zero charges were measured and compared with each other. The applicability of Fe-, Al-, and Mg-air fuel cell electrocoagulation for the harvesting of Nannochloropsis salina marine microalgae is introduced in Chapter 2. During the electrocoagulation operation of the metal-air fuel cell, the charge neutralization and sweep flocculation of the microalgae floc with metal hydroxides occurred. The zeta potential of the microalgae floc increased with time; subsequently, the microalgae recovery was effectively possible. A system using a Fe anode had a harvesting efficiency of <85% with an EC operation time of 3 h and a settling time of 4 h. However, in systems using Al and Mg anodes, 100% microalgae recovery was achieved within EC operation times of 2 and 1 h, respectively. The maximum lipid recovery efficiencies of N. salina marine microalgae using Fe, Al, and Mg anodes were approximately 15.8, 23.8, and 28.9%, respectively. The maximum electric energy production (EEP) from the microalgae using Fe, Al, and Mg anodes ranged from 1.96 to 32, 0.08-37.6, and 38.7-683 Wh kg-1, respectively, within the NaCl concentration range of 0-100 mM. In Chapter-3, the desalination performance and microalgae harvesting by using aluminium-air fuel desalination cell electrocoagulation has been presented. The microalgae and synthetic wastewater i.e., NH4Cl and KH2PO4 with different concentrations are used as an anolyte, phosphate buffer saline buffer as a catholyte, and the middle cell is 20 g L-1 NaCl solution. The weight ratio of N:P in synthetic wastewater was 10-11. The electrocoagulation operation time was 20 h and the anolyte is changed after 2 h EC operation time (10 cycles). The salinity reduction after 20 hr EC operation time was 61.3, 64.2, 67.4, and 69.8% without reagents (NR), with 2.77 mM NH4Cl/0.053 mM KH2PO4/10 mM NaCl (50N:5P), with 11.1 mM NH4Cl/0.21 mM KH2PO4/10 mM NaCl (200N:20P), and with 22.2 mM NH4Cl/0.379 mM KH2PO4/10 mM NaCl (400N:36P), respectively. The microalgae recovery after 2 hr EC and 2 hr settling time were 100% without reagents. These results show that aluminium air-fuel cells could be used to significantly reduce salinity with microalgae harvesting, while simultaneously producing electrical power. The effective use of magnesium air-fuel cell electrocoagulation for desalination has been explored in Chapter 4. The Mg air-fuel cell system consists of three chambers. The 50:5, 400:36, and 2000:200 ppm as NH4:PO4 were used as an anolyte and recirculated to catholyte, and the middle chamber is 20 g L-1 NaCl solution. The separate experiment 2000:200 ppm as NH4:PO4 and 10 mM NaCl as a catholyte (without recirculation experiment) were used to compare with the recirculation experiment. The conductivity reduction efficiency was 68.4, 74.2, and 77.4 % with 50:5, 400:36, and 2000:200 ppm as NH4:PO4, respectively. At the same time, the maximum electric energy production (EEP) was 16.5, 17.7, and 23.8 Wh m-3, respectively. The phosphorous removal of 0.0093, 0.182, and 0.988 mg cm-2 h-1 after 3 hr EC time against 50:5, 400:36, and 2000:200 ppm as NH4:PO4, respectively. During EC operation, the zeta potential is increased attributed to the charge neutralization and sweep flocculation with magnesium hydroxides. Finally, we discuss the theoretical anode dissolution rate, point of zero charge during the time-lapse of the electrocoagulation process. A new kind of electrochemical system for producing electrical power is called the aluminium-air fuel electrodialysis cell (Al-FEDC) is explored in Chapter 5. In this Chapter, we evaluate the electricity production along with desalination operation and nutrients (PO4-P and NH3-N) removal. An Al-FEDC containing eleven pairs of reverse electrodialysis cells (RED) combined with an Al-air fuel cell. The high concentration of NaCl (HC (600 mM), typical seawater) and low concentration (LC (12 mM), river water) at 0.6 mL min-1, produced 2.61-3.42 and 1.24-1.92 W m-2 at the start and after 8 h EC operation time within the anolyte concentration range of 500-2000 ppm as NH4 (0.03-0.1 M NH4Cl) and 50-200 ppm as PO4 (0.0005-0.002 M KH2PO4), and 10 mM NaCl. The maximum electric energy production (EEP) was 29.6, 47.2, and 50.2 Wh m-3 with 0.03 M NH4Cl/0.0005 mM KH2PO4/10 mM NaCl, 0.055 M NH4Cl/0.001 M KH2PO4/10 mM NaCl, and 0.1 M NH4Cl/0.002 M KH2PO4/10 mM NaCl, respectively. The total desalination rate (TDR), PO4-P removal, and NH3-N removal ranged from 5.90-15 mg min-1, 0.0014-0.0047 mM cm-2 h-1, and 0.013-0.027 mM cm-2 h-1, respectively, after 8 hr EC operation time. The results from this research offer a new approach to evaluate the applicability of metal-air fuel cell systems for practical applications.