Theoretical and experimental investigation of membrane performance of photovoltaic-driven reverse osmosis desalination systems operating under intermittent and variable conditions

Abstract

The integration of renewable energy sources (RES) with seawater reverse osmosis (SWRO) desalination offers a promising solution for sustainable freshwater production but introduces challenges associated with the inherent variability and intermittency of renewable power. While RO membranes are traditionally designed and characterized under steady-state conditions, photovoltaic (PV)-driven desalination systems, especially those operating without energy storage, are subject to fluctuating pressure and flowrate. The implications of such non-steady operation for membrane performance and durability remain inadequately understood. This doctoral dissertation presents a combined theoretical and experimental investigation of SWRO membrane performance under variable and intermittent operating conditions representative of battery-less PV-powered desalination systems. A one-dimensional mathematical model was developed to describe membrane behavior under variable pressure and flowrate, incorporating pressure-dependent hydraulic resistance to account for physical compaction effects. The model provided mechanistic insight into the influence of pressure variability on water flux, salt rejection, and concentration polarization. Experimental investigations were conducted on two scales. A small-scale spiral-wound SWRO unit was operated under controlled variations of pressure, flowrate, and feedwater temperature (10 °C, 25 °C, and 35 °C), while a laboratory-scale flat-sheet RO apparatus was tested under continuous and variable PV operation over multi-day cycles, with and without daily rinsing. Membrane performance was evaluated using standard performance indicators and FTIR/ATR spectroscopic analysis. The results show that abrupt pressure fluctuations accelerate membrane compaction and performance degradation, particularly under highly variable PV conditions, while rinsing can partially mitigate short-term losses. The findings provide guidance for the design of resilient and energy-efficient PV-driven desalination systems operating without energy storage.

Η ενσωμάτωση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) σε συστήματα αφαλάτωσης θαλασσινού νερού με Αντίστροφη Ώσμωση (ΑΩ) αποτελεί μια ιδιαίτερα ελπιδοφόρα λύση για τη βιώσιμη παραγωγή φρέσκου νερού, εισάγοντας όμως προκλήσεις που σχετίζονται με τη μεταβλητότητα και τη διακοπτόμενη φύση της διαθέσιμης ανανεώσιμης ενέργειας. Ενώ οι μεμβράνες ΑΩ σχεδιάζονται και χαρακτηρίζονται συνήθως υπό συνθήκες λειτουργίας σε μόνιμη κατάσταση, τα συστήματα αφαλάτωσης τροφοδοτούμενα από φωτοβολταϊκά (ΦΒ), ιδίως εκείνα που λειτουργούν χωρίς αποθήκευση ενέργειας, υπόκεινται σε συνθήκες λειτουργίας υπό μεταβαλλόμενη πίεση και παροχή θαλασσινού νερού. Οι επιπτώσεις αυτής της μη σταθερής λειτουργίας δεν έχουν ακόμη διερευνηθεί επαρκώς στη συμπεριφορά και τη μακροχρόνια απόδοση των μεμβρανών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει μια συνδυασμένη θεωρητική και πειραματική διερεύνηση της επίδοσης μεμβρανών ΑΩ υπό μεταβαλλόμενες και διαλείπουσες συνθήκες λειτουργίας, αντιπροσωπευτικές συστημάτων αφαλάτωσης που τροφοδοτούνται απευθείας από ΦΒ χωρίς χρήση συστημάτων αποθήκευσης. Αρχικά, αναπτύχθηκε ένα μονοδιάστατο μαθηματικό μοντέλο για την περιγραφή της συμπεριφοράς της μεμβράνης υπό μεταβαλλόμενη πίεση και παροχή, το οποίο ενσωματώνει την υδραυλική αντίσταση ώστε να λαμβάνονται υπόψη φαινόμενα φυσικής συμπίεσης. Το μοντέλο παρείχε παραμέτρους της επίδρασης της μεταβλητότητας της πίεσης στη ροή του παραγόμενου νερού, την απόρριψη αλάτων και την πόλωση συγκέντρωσης. Από την άλλη μεριά, η πειραματική διερεύνηση πραγματοποιήθηκε σε δύο στάδια. Ένα σύστημα ΑΩ μικρής κλίμακας με μεμβράνη σπειροειδούς περιέλιξης εξετάστηκε υπό ελεγχόμενες μεταβολές πίεσης, παροχής και θερμοκρασίας του νερού τροφοδοσίας (10 °C, 25 °C και 35 °C), ενώ σε δεύτερο στάδιο, μια επίπεδη μεμβράνη ΑΩ δοκιμάστηκε σε συσκευή εργαστηριακής κλίμακας υπό συνεχή και μεταβαλλόμενη λειτουργία, εξομοιώνοντας την ενέργεια που παράγεται από ΦΒ, σε πολυήμερους κύκλους λειτουργίας, με και χωρίς καθημερινό καθαρισμό της μεμβράνης. Επιπλέον, η απόδοση των μεμβρανών αξιολογήθηκε μέσω τυπικών δεικτών απόδοσης και υποστηρίχθηκε από φασματοσκοπική ανάλυση FTIR/ATR. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι απότομες διακυμάνσεις πίεσης λόγω της μεταβλητότητας της παραγόμενης ισχύος από ΑΠΕ, επιταχύνουν τη συμπίεση της μεμβράνης και την υποβάθμιση της επίδοσής της, ιδιαίτερα υπό συνθήκες έντονα μεταβαλλόμενης λειτουργίας (πχ. συννεφιασμένη μέρα), ενώ ο καθαρισμός μπορεί να μετριάσει μερικώς τις βραχυπρόθεσμες απώλειες. Τα ευρήματα της διατριβής παρέχουν χρήσιμες κατευθύνσεις για τον σχεδιασμό πιο ανθεκτικών και ενεργειακά αποδοτικών συστημάτων αφαλάτωσης ΑΩ, που τροφοδοτούνται από ΦΒ χωρίς αποθήκευση ενέργειας.