Short-chain fatty acid recovery using superhydrophobic membrane contactors : transport and wettability

국문 초록 (Abstract)

음식물 폐기물 응축수는 단쇄지방산이 풍부하게 함유된 자원으로, 순환 바이오 경제에서의 자원 회수 관점에서 매우 유망한 기질이다. 본 연구에서는 개질하지 않은 막과 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltrimethoxysilane (PFOTMS)을 이용해 초소수성으로 개질된 막을 적용한 접촉 분리막 공정을 이용하여 음식물 폐기물 응축수로부터 단쇄지방산을 회수하는 성능을 평가하였다. PFOTMS 개질 막은 특히 발레르산에서 62.8 ± 0.4 %의 높은 회수율을 나타내는 등 소수성 단쇄지방산에 대해 우수한 회수 성능을 보였으며, 동시에 아세트산의 회수는 2.3 ± 0.2 %로 매우 낮게 유지되어 탄소사슬 길이에 기반한 선택성이 뚜렷하게 확인되었다. 이러한 선택적 거동은 과불소계 막 표면과 단쇄지방산의 알킬 사슬 간의 강한 소수성 상호작용에 기인한 것으로 해석된다.
실시간 광 간섭 단층 촬영 (Optical Coherence Tomography, OCT) 모니터링 결과, 개질되지 않은 막에서는 초기 운전 단계부터 급격한 젖음과 유기물 기반 파울링이 동시에 진행되는 것으로 나타났다. 이는 계면 안정성 저하와 함께 단쇄지방산의 비선택적인 이동을 유발하여 장기 운전에서 공정 성능을 제한하는 것으로 확인되었다. 반면 PFOTMS 개질 막은 운전 전 과정에서 높은 초소수성 특성을 유지하였으며, 기공률 및 막 두께의 변화가 미미하여 구조적ㆍ계면적 안정성이 탁월함을 보여주었다. 이러한 결과는 초소수성 표면 개질이 접촉 분리막 공정에서 발생하는 주요 문제인 젖음 및 파울링을 효과적으로 억제하고, 선택적 물질전달을 안정적으로 유지하는 데 핵심적인 역할을 수행함을 시사한다.
본 연구는 FPOTMS 기반 초소수성 막이 음식물 폐기물 응축수와 같은 복잡한 매트릭스 내에서 단쇄지방산을 효율적이고 선택적으로 회수할 수 있을 뿐 아니라, 장기 운전에서의 습윤 저항성 및 계면 안정성 측면에서도 기존의 개질하지 않은 막보다 월등히 우수함을 규명하였다. 이는 초수성 접촉 분리막 공정이 유기성 폐자원의 고부가가치화 및 지속가능한 자원 회수 기술로서 활용될 잠재력을 지님을 시사하는 결과이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Food waste condensate (FWC) is recognized as a promising feedstock due to its high concentration of short-chain fatty acids (SCFAs), including acetic, propionic, butyric, and valeric acids. Traditionally regarded as waste, FWC offers significant potential for the sustainable production of bio-based chemicals applicable in bioenergy, green chemistry, and advanced materials within a circular bioeconomy framework. The recovery of SCFAs from FWC not only contributes to waste minimization but also promotes carbon-neutral processing, aligning with the principles of a circular bioeconomy.
In this study, the recovery performance and transport mechanisms of SCFAs from FWC were investigated using both virgin polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes and PVDF membranes surface modified with 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltrimethoxysilane (PFOTMS). The PFOTMS-modified membranes exhibited a notably higher recovery of valeric acid (62.8 ± 0.4%) compared to acetic acid (2.28 ± 0.2%), indicating strong selectivity toward longer-chain hydrophobic SCFAs. This selective transport is attributed to hydrophobic–hydrophobic interactions between the perfluorinated membrane surface and the alkyl chains of SCFAs.
Real-time monitoring of membrane wetting was conducted using optical coherence tomography (OCT). While virgin PVDF membranes exhibited considerable wetting and fouling, evidenced by reduced contact angles and elevated surface energy, PFOTMS-modified membranes retained their surface properties with minimal changes in wettability and porosity. These findings highlight the potential of superhydrophobic membranes for long-term, stable operation in membrane contactor systems for efficient SCFAs recovery from complex organic waste streams.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. General background 1
• 1.2. Objectives and thesis organization 5
• Chapter 2. Literature review 7
• 2.1. Overview of short-chain fatty acids 7
• 2.2. Fatty acid-rich wastewater characteristics 10
• 2.3. Recovery of SCFAs from wastewater 14
• 2.3.1. Nanofiltration 15
• 2.3.2. Pervaporation 17
• 2.3.3. Liquid-liquid extraction 19
• 2.3.4. Electrodialysis 21
• 2.3.5. Membrane distillation 23
• 2.3.6. Membrane contactor process 26
• 2.3.6.1. Basic principle of MC process 26
• 2.3.6.2. Limitations of MC process 29
• 2.3.6.2.1. Membrane wetting 29
• 2.3.6.2.2. Membrane fouling 31
• 2.3.6.2.3. Overcoming diagnostic limitations in membrane process through OCT 33
• Chapter 3. Materials and methods 36
• 3.1. Chemicals and reagents 36
• 3.2. Procedure for the modifications of superhydrophobic membranes 38
• 3.2.1. Modifications of superhydrophobic membranes 38
• 3.2.2. Characterization of superhydrophobic membranes 42
• 3.3. Recovery of SCFAs using superhydrophobic MCs (SHMCs) 43
• 3.3.1. Experimental set-up and operational conditions 43
• 3.3.2. Bioproduct analysis 46
• 3.4. Real-time monitoring of wettability in SHMCs 47
• Chapter 4. Results and discussion 48
• 4.1. Characteristics of modified membranes 48
• 4.2. Recovery of SCFAs from FWC using different membrane types 52
• 4.3. Fouling and wettability properties of modified membranes 58
• 4.4. Real-time monitoring performance during SHMCs operation 66
• 4.5. Implications of superior recovery of SCFAs from FWC using SHMCs 69
• Chapter 5. Conclusions 72