Simulation of Solar-powered Adsorption Desalination System Employing CPO-27(Ni). Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Mehrab's thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 14 May 2027. Download (4MB)

Arabic Abstract

في ظلّ التزايد المستمر في الطلب العالمي على المياه العذبة، إلى جانب الاستهلاك العالي للطاقة والطبيعة غير الصديقة للبيئة لتقنيات التحلية التقليدية، تبرز الحاجة إلى تطوير طرق جديدة مستدامة منخفضة الطاقة تعتمد على مصادر متجددة. تعرض هذه الرسالة تصميم ونمذجة ديناميكية وتحليل الأداء الثرموديناميكي لنظام تحلية بالامتزاز يعمل بالطاقة الشمسية، حيث تم استخدام الإطار المعدني العضوي (MOF) من نوع (CPO-27(Ni)) كمادة مازّة متقدمة تتميز بسعة امتصاص عالية للماء، وألفة قوية عند ضغوط نسبية منخفضة، بالإضافة إلى حركيات سريعة لعمليتي الامتزاز وإزالة الامتزاز. تم تطوير نموذج ديناميكي أحادي البعد وموزع مكانياً لنظام تحلية بالامتزاز ثنائي السرير يعمل بصورة دورية، باستخدام برنامج أسبن أدسوربشن (AD)، وذلك لتمثيل سلوك انتقال الحرارة والكتلة بشكل زمني ومكاني خلال التشغيل الدوري. وعلى خلاف النماذج المجمّعة، يأخذ النموذج المطور في الاعتبار التدرجات المحورية في درجة الحرارة، وعدم تجانس توزيع الحمل الامتزازي، والتغيرات الزمنية في الضغط داخل أسرّة الامتزاز. وقد استُخدم نموذج دوبينين–أستاخوف (D–A) لوصف سلوك الاتزان للزوج العامل (الماء/ المادة الممتزة العضوية)، بينما استُخدم نموذج قوة الدفع الخطية (LDF) لوصف حركية الامتزاز ومقاومة انتقال الكتلة داخل جسيمات المادة المازّة. ويتيح هذا النموذج التنبؤ التفصيلي بتطور درجات الحرارة، وسعة الامتزاز، وانتقال البخار تحت ظروف غير متساوية الحرارة. تمت دراسة نمطي تشغيل: النمط الأول (Mode-1) بدون استرجاع حراري داخلي، والنمط الثاني (Mode-2) مع دمج نظام استرجاع حراري داخلي. وقد أُجريت المحاكاة لكلا النمطين عند درجة حرارة إزالة امتزاز مقدارها 95°م ودرجة حرارة امتزاز مقدارها 30°م، بما يتوافق مع ظروف التشغيل الواقعية المعتمدة على الطاقة الشمسية وتحت ضغط دون الجوي. أظهرت النتائج الإحصائية للنظام في النمط الأول أن معدل الإنتاج اليومي النوعي للمياه (SDWP) تراوح بين 3.5 و5.2 م³/طن·يوم، مع نسبة أداء حراري (GOR) تقارب 0.23، توافقت نتائج المحاكاة مع البيانات التجريبية ضمن هامش خطأ لا يتجاوز 5%. وعند تفعيل نظام الاسترجاع الحراري الداخلي (النمط الثاني)، ارتفع معدل الإنتاج اليومي النوعي إلى حوالي 10-7 م³/طن·يوم عند درجة حرارة 95°م (بزيادة تقارب 100% مقارنة بالنمط الأول)، كما تحسنت قيمة GOR لتصل إلى حوالي 0.40، مما يدل على تحسن ملحوظ في الكفاءة الحرارية للنظام. كما أثبتت الصياغات الثرموديناميكية والحركية المستخدمة موثوقيتها، حيث تطابقت نتائج النموذج مع النتائج التجريبية ضمن هامش خطأ يتراوح بين 3–6%. إضافةً إلى ذلك، عمل النظام في حالة دورية مستقرة، وحقق نقاءً للمياه المنتجة بلغ حوالي 99.7%. ويُعزى التحسن في أداء النمط الثاني إلى الاستفادة المُحسّنة من الطاقة الحرارية الداخلية، وزيادة قوة الدفع لعملية إزالة الامتزاز، وارتفاع السعة التشغيلية للزوج العامل (الماء/ المادة الممتزة العضوية) وتسريع دورات الامتزاز وإزالة الامتزاز. بالإضافة إلى ذلك، فإن استرجاع الحرارة الناتجة عن عمليتي الامتزاز والتكثيف يسهم في تحسين كفاءة استخدام الطاقة الكلية، كما يساعد على تسريع وصول النظام إلى الحالة الدورية المستقرة. وتؤكد هذه النتائج أن أنظمة التحلية بالامتزاز المدعومة بالطاقة الشمسية، باستخدام مواد (MOFs) متقدمة، قادرة على استغلال الحرارة منخفضة الدرجة بكفاءة، كما أن إدماج تقنيات استرجاع الحرارة يسهم بصورة ملحوظة في رفع الكفاءة الحرارية والإنتاجية للنظام. تقدم هذه الدراسة إطارًا نمذجيًا ديناميكيًا مُختبرًا وقابلًا للتوسّع لتحسين أداء أنظمة التحلية بالامتزاز المعتمدة على المواد العضوية-الفلزية والطاقة الشمسية، وتدعم إمكانية تطبيقها في المناطق التي تعاني من شحّ المياه ومحدودية موارد الطاقة.

English Abstract

The growing world need for freshwater, combined with the power-demanding and ecologically harmful character of traditional desalination technologies, encourages the development of new sustainable low-energy methods based on renewable resources. This thesis demonstrates the design, dynamic modelling, and thermodynamic performance analysis of a solar-powered adsorption desalination (AD) system in which the metal-organic framework (MOF) CPO-27 (Ni) has been used as an advanced adsorbent with high water uptake capacity, strong affinity at low relative pressure, and fast adsorption–desorption kinetics. A one-dimensional, dynamically distributed dual-bed cyclic adsorption desalination system has been developed and modeled using Aspen Adsorption to capture the transient and spatially resolved heat and mass transfer behavior during cyclic operation. Unlike lumped models, the developed model accounts for axial temperature gradients, non-uniform adsorption loading, and time-dependent pressure variations within the adsorption beds. The Dubinin-Astakhov (D-A) isotherm was applied to describe the equilibrium behavior of the CPO-27(Ni)/water working pair, while the Linear Driving Force (LDF) model was used to describe adsorption kinetics and mass transfer resistance within the adsorbent particles. The model enables detailed prediction of temperature evolution, adsorption capacity, and vapor transport under non-isothermal conditions. Two modes of operation were studied: Mode-1, without internal heat recovery, and Mode-2, with integrated internal heat recovery. Both modes were simulated at a desorption temperature of 95 ℃ and an adsorption temperature of 30 ℃, corresponding to realistic solar-driven operating conditions under sub-atmospheric pressure. Statistical analysis of the system under Mode-1 showed a specific daily water production (SDWP) range of 3.5-5.2 m³/ton·day, with a corresponding Gain Output Ratio (GOR) of approximately 0.23, and simulation outcomes were within 5% of the experimental results. When a heat recovery system was implemented (Mode-2), the SDWP increased to approximately 7-10 m³/ton·day at 95 ℃ about 100% higher than Mode-1, while the GOR improved significantly to approximately 0.40, indicating enhanced thermal efficiency and better utilization of supplied heat. The model predictions showed strong agreement with experimental findings, with deviations within a 3-6% margin, confirming the validity of the thermodynamic equilibrium and kinetic formulations. Furthermore, the system achieved cyclic steady-state operation after repeated cycles and produced high-purity water of approximately 99.7%. The improved performance of Mode-2 operation is attributed to enhanced internal heat recovery, which effectively reduces the required external heat input, lowers the effective desorption pressure, and increases the desorption driving force. This leads to a higher working capacity of the CPO-27(Ni)/water pair and faster adsorption–desorption cycling. Additionally, the recovery of adsorption and condensation heat improves overall energy utilization and accelerates the system’s approach to cyclic steady state. These results confirm that solar-assisted adsorption desalination systems using advanced MOF materials can effectively utilize low-grade renewable heat sources such as solar thermal energy, while significantly improving system productivity and thermal efficiency through heat recovery integration. This study provides a validated, physically representative, and scalable dynamic modeling framework for optimizing solar-powered MOF-based adsorption desalination systems and demonstrates their strong potential for deployment in water-stressed and energy-constrained regions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Thesis Advisor:	Mohammed Mohammed,
Thesis Committee Members:	Mohammed Al-khater, Umer Zahid,
Depositing User:	MEHRAB HASSAN (g202392810)
Date Deposited:	14 May 2026 08:46
Last Modified:	14 May 2026 08:46
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144294