Ciencias Exactas y Naturales

Pandilla Petit, (preescolar y 1ro. y 2do. año de primaria)

Destilación Solar

Asesor: Gabriela Vela

Autor: Dante Montoya Juarez

Resumen

Álvarez Piñón Evelyn Itzayana

Montoya Juárez Dante

 

El principio básico de la destilación de agua por el Sol es simple, aunque efectivo, tal como imitar la forma natural de hacer la lluvia. La energía del Sol calienta el agua al punto de evaporación. Al evaporarse el agua, el vapor se eleva condensándose en la superficie del cristal o del plástico. El proceso elimina todas las impurezas, como sales o metales pesados, y elimina microbios. El resultado final es agua tan limpia como la de lluvia. El proceso elimina todas las impurezas, como sales o metales pesados, y elimina microbios para obtener como resultado final es agua limpia y más potable.

Pregunta de Investigación

¿Es posible purificar agua de lluvia eliminando microorganismos dañinos utilizando energía solar?

Planteamiento del Problema

En los últimos años nuestro planeta ha comenzado a sufrir una escasez de agua potable, debido a esto se ha buscado generar destiladores que utilizan energía eléctrica con combustibles fósiles la cual son de muy alto costo y además son altos contaminantes para el medio ambiente, son recursos que sin duda alguna, van a agotarse, en este proyecto se plantea que los destiladores solares si están hechos de los materiales adecuados pueden funcionar durante muchos años y ofrecer una gran cantidad de agua potable a los seres humanos proveniente de la lluvia teniendo un  bajo costo y a la vez cuidando el medio ambiente.

Antecedentes

El agua

Agua que resulta de la condensación del vapor acuoso de la atmósfera.

Especialistas y autoridades estiman que en la Ciudad de México se tiran al drenaje mil millones de m³ de agua de lluvia, más que la capacidad del Sistema Cutzamala, y exigen políticas públicas de captación.

Si se aprovechan de manera mínima el escurrimiento pluvial en techos de viviendas y edificios se tendría una gran cantidad de agua para diferentes usos no potables. Cada año se desaprovechan más del 90% del agua de lluvia que podría ser captada y utilizada.

Almacenar el escurrimiento pluvial permitiría que el agua sea utilizada para el inodoro, riego de jardines y limpieza de áreas comunes. En el caso de la industria podría aprovecharse para limpieza de superficies o procesos que no requieran agua potable. El recurso pluvial, tras un proceso de limpieza también podría ser aprovechado para recargar los acuíferos abatidos.

Durante los aproximadamente 45 días que llueve al año en el Distrito Federal en promedio, caen 733.8 milímetros de agua, que equivalen a mil 100 millones de metros cúbicos, según expertos del Sistema de Aguas de la Ciudad de México. El Sistema Cutzamala, que surte de agua a la zona metropolitana del DF, tiene capacidad para almacenar hasta 782 millones de metros cúbicos de líquido.

Según los especialistas, del total de lluvias en la Ciudad, el 30 % se evapora, 40% se va al acuífero, 20% se pierde en el drenaje y sólo 10% queda en sistemas ahorradores urbanos. Gran parte del líquido escurre por las calles generando inundaciones y saturando los drenajes, a la vez que arrastra contaminación hacia las fuentes naturales de agua.

Ramón Aguirre, director del Sistema de Aguas de la Ciudad de México, comentó que la cosecha de agua pluvial debe formar parte de un plan integral de ahorro, reciclaje y saneamiento del vital líquido, ya que por sí sola no es una alternativa constante de abasto.

El funcionario destacó que uno de los principales sitios en donde se puede aprovechar el recurso pluvial es la serranía del DF. Agregó que: “es muy importante conservar los bosques y recuperar el suelo erosionado para que la lluvia se filtre al acuífero. Además, se debe intensificar el tratamiento de las aguas residuales (por ahora el DF cuenta con 25 plantas las cuales sanean casi el 10% del líquido que desecha la Ciudad), construir pozos de absorción en las colonias con suelo permeable y recargar artificialmente al acuífero, entre otras acciones”.

Por su parte, Antonio Gutiérrez Marcos, director de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento, Organismo de Cuenca Aguas del Valle de México, de la Conagua, declaró que: “Las alternativas que debemos seguir impulsando son trabajar con pozos de absorción para la recarga del acuífero, el rescate de ríos, barrancas y la construcción de parques lineales hundidos donde se pueda instalar un sistema de captación de agua de lluvia y filtrar al subsuelo”.

Por su parte, Luis Marín investigador del Instituto de Geofísica de la UNAM, recomendó al Gobierno del DF que, antes que extraer agua de pozos de 2 mil metros de profundidad o buscar el líquido en otras cuencas, debe impulsar políticas que intensifiquen la recolección de lluvia en escuelas, hospitales, viviendas y edificios públicos.

Las recientes reformas a la Ley de Aguas del DF, aprobadas en marzo, establecen que los nuevos desarrollos deben instalar sistemas captadores de agua pluvial, pero existe un vacío por la falta de reglamento, lo que deja al libre criterio del desarrollador instalar los sistemas.

Agua destilada

El agua destilada, es aquella que como todo tipo de agua su composición se basa en la unidad de moléculas H2O, pero con la diferencia de que ha sido sometida a un proceso de purificación como la destilación, donde se ha eliminado sales minerales, impurezas, microorganismos, iones y otros agentes extraños a la composición del agua.

Formas de obtención

El agua destilada se la puede obtener indistintamente, por ejemplo; de forma natural, mediante el ciclo del agua, cuando ésta es condensada en la atmósfera (nubes), es por eso que el agua lluvia es mucho más blanda que otras en su estado natural.

Mediante obtención en el laboratorio a partir del alambique de destilación o destiladores mucho más avanzados tecnológicamente.

Otro método de obtención es el de la aplicación de energías renovables con el desarrollo de técnicas que usan la energía solar para la destilación del agua, estos equipos se conocen como destiladores solares y utilizan el sol como energía para la evaporación del agua. La eficacia en el diseño del destilador hace que sean más o menos eficientes, porque como tecnología generalmente son muy sencillos.

Es uno de los recursos naturales más importante, abundante, principal constituyente del globo terráqueo (casi la tercera cuarta parte) y del organismo humano (60 y 70%) siendo la base de todo ser vivo. Contiene sustancias orgánicas y minerales disueltos o en suspensión, su símbolo (H2O) que significa que está formada de un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno.

Se presenta en tres estados físicos; líquido, sólido y gaseoso, es considerado como un recurso renovable, siempre y cuando se cumpla con un control en su uso, pero si es mal utilizado y se lo contamina, pasa a ser un recurso no renovable.

La distribución del agua en nuestro planeta queda conformada de la siguiente manera:

El ciclo hidrológico del agua es un proceso en donde el agua de fuentes como océanos, mares, lagos, ríos, etc., se evapora por medio del calentamiento del sol, sube a la atmósfera, se condensa en las nubes para luego bajar a la superficie terrestre. En este camino una parte del agua se evapora, otra parte se desplaza por los terrenos llegando así nuevamente a los lagos, ríos, lagunas, océanos, etc., el resto se filtra a través del suelo llegando a utilizar las plantas, para devolverla en forma de rocío agua y nuevamente evaporarse por medio del sol, este ciclo garantiza que el agua sea reutilizada por medios naturales.

Características y propiedades

  •   Presión atmosférica:
  •   Fórmula química: H2O
  •   Estado físico: Liquida, sólida y gaseosa.
  •   Carece de sabor, olor, color y forma
  •   Densidad: 1 g. /c.c. a 4°C.
  •   Punto de congelación: 0°C.
  •   Punto de ebullición: 100°C.

Estados y ciclo del agua

Estado líquido

El agua en estado líquido es la que bebemos, la que encontramos en los ríos, en los mares y océanos, en los lagos, en las fuentes, en los acuíferos (aguas subterráneas), la que sale del grifo, etc… Estado sólido El agua en estado líquido, cuando se enfría y llega a los 0º C de temperatura, pasa a estado sólido. El agua en estado sólido la encontramos en forma de hielo y nieve en las altas montañas, en el Polo Norte y en el Polo Sur, en el frigorífico en forma de cubitos de hielo, en las tormentas de granizo en forma de bolas de hielo, etc… El hielo y la nieve, cuando se calientan, cambian de estado sólido a líquido.

Estado gaseoso

El agua en estado líquido, al calentarse, se evapora y pasa a estado gaseoso, o sea, se transforma en vapor de agua. El vapor de agua es un gas. El vapor de agua es incoloro e inodoro, por lo que no lo podemos ver. Las nubes o el vaho blanco que sale de una olla al hervir, vulgarmente llamado vapor, no son vapor de agua, sino minúsculas gotas de agua líquida que se producen cuando el vapor de agua se condensa*al enfriarse.

Las nubes, la niebla y el rocío son fenómenos meteorológicos que nos hacen visible el vapor de agua que hay en la atmósfera cuando éste se enfría y pasa a estado líquido.

Ciclo hidrológico

El ciclo hidrológico o ciclo del agua es el proceso de circulación del agua entre las distintas partes de la hidrósfera. Se trata de un ciclo biogeoquímico en el que hay una intervención de reacciones químicas, y el agua circula de unos lugares a otros o cambia de estado físico.

La mayor parte de la masa del agua se encuentra en forma líquida, sobre todo en los océanos y mares y en menor medida en forma de agua subterránea o de agua superficial como en los lagos, ríos y arroyos. La segunda fracción, por su importancia, es la del agua acumulada como hielo sobre todo en los casquetes polares ártico y antártico, con una participación pequeña de los glaciares de montaña, sobre todo de las latitudes altas y medias, y de la banquisa. Por último, una fracción menor está presente en la atmósfera como vapor o, en estado gaseoso, como nubes.

Esta fracción atmosférica es sin embargo muy importante para el intercambio entre compartimentos y para la circulación horizontal del agua, de manera que se asegura un suministro permanente a las regiones de la superficie continental alejadas de los depósitos principales. El agua de la hidrósfera procede de la desgasificación del manto, donde tiene una presencia significativa, por los procesos del vulcanismo. Una parte del agua puede reincorporarse al manto con los sedimentos oceánicos de los que forma parte cuando éstos acompañan a la litosfera en subducción.

Contaminación del agua

La contaminación de los recursos hídricos a nivel mundial es uno de los problemas más graves con los cuales se está enfrentando el ser humano y la misma naturaleza, producto del constante consumismo en el planeta, la producción desmedida a nivel industrial, el aumento de la población, etc., todo esto aporta al incremento de lluvias ácidas, vertido de aguas residuales tanto a ríos como a mares y océanos, productos químicos agrícolas, metales pesados, derrame de combustibles, aportan de sobremanera a poner en grave riesgo uno de los elementos más importante para la vida humana como es el agua.

Los ecosistemas más sensibles a la contaminación son los de agua dulce, ya que por medio de sus cauces soportan flujos constantes de materiales, por otro lado lagos y Estanques tienen ciclos naturales muy lentos por tal motivo tardan mucho en expeler los agentes contaminantes.

Fuentes de contaminación

Existen diferentes fuentes de contaminación del agua, entre las principales tenemos, los desechos domésticos y los desechos industriales.

Contaminación del agua: es una modificación de esta, generalmente provocada por el ser humano, que la vuelve impropia o peligrosa para el consumo humano, la industria, la agricultura, la pesca y las actividades recreativas, así como para los animales.

Si bien la contaminación de las aguas puede provenir de fuentes naturales (como, por ejemplo, la ceniza de un volcán) la mayor parte de la contaminación actual proviene de actividades humanas. El desarrollo y la industrialización suponen un mayor uso de agua, una gran generación de residuos, muchos de los cuales van a parar al agua y el uso de medios de transporte fluvial y marítimo que en muchas ocasiones, son causa de contaminación de las aguas. Las aguas superficiales son en general más vulnerables a la contaminación de origen antropogénico que las aguas subterráneas, por su exposición directa a la actividad humana. Por otra parte una fuente superficial puede restaurarse más rápidamente que una fuente subterránea a través de ciclos de escorrentía estacionales. Los efectos sobre la calidad serán distintos para lagos y embalses que para ríos, y diferentes para acuíferos de roca o arena y grava.

Contaminación de las aguas subterráneas

Es importante citar este tema ya que la investigación se enfoca en la destilación de agua de una fuente subterránea como es un “ojo de agua”, y el motivo de la purificación mediante este método es justamente porque se está dando casos de contaminación en estas áreas.

Las aguas subterráneas tienden normalmente a ser puras, ya que cuando el agua circula subterráneamente se limpia de agentes contaminantes como partículas y microorganismos, la fuente de este tipo de agua son principalmente los aportes de sistemas fluviales superficiales y la infiltración en el suelo de aguas lluvia.

Lamentablemente el severo crecimiento de pozos sépticos y de la agricultura cerca de estos afluentes ha ocasionado la contaminación de estas aguas a nivel alarmante para la población de zonas rurales, pero también existen factores naturales que hacen que el agua no sea apta para el consumo humano, como por ejemplo que se encuentre en zonas donde los acuíferos sean demasiado ricos en sales disueltas o por erosión naturales de ciertas formaciones rocosas.

Es importante destacar que cuando el agua subterránea se contamina es muy difícil poder aplicar tratamientos de depuración como se lo hace en zonas superficiales por su difícil acceso, por eso hay que tener en cuenta que las personas que consumen este fluido  a veces no se dan cuenta que el agua tiene algún tipo de contaminación, justamente porque asumen que cuando son subterráneas, no son vulnerables a ser contaminadas.

Efectos de la contaminación en la salud del ser humano

La contaminación del agua subterránea se está convirtiendo en un grave problema para las personas, principalmente las que viven a nivel rural, por ser este el medio donde se abastecen del líquido vital para el consumo. Diferentes son los mecanismos de transmisión de enfermedades, que se están convirtiendo en un problema de salud pública entre ellos están: Por ingestión de agua contaminada, contacto cutáneo o mucoso, a través de alimentos contaminados, por la reproducción de insectos que están contaminados.

Análisis químico del agua

Se puede diferenciar el agua mediante un análisis químico para clasificarla según los tipos de compuestos y porcentajes de pH que contiene y así saber si es apta para la purificación y por efecto para el consumo humano.

Agua destilada, exenta de gases disueltos, impurezas minerales y orgánicas mediante ebullición y por consiguiente condensación.

  • Agua subterránea, agua que se infiltra en el suelo y se acumula en depósitos subterráneos que fluyen y se renuevan con lentitud, se los conoce como mantos freáticos o acuíferos.

Clasificación de los tipos de agua según ASTM 1193: 2001

  •       Tipo I
  •       Tipo II
  •       Tipo III
  •       Tipo IV

Tipo I         Usada para procedimiento que requieren de máxima exactitud y precisión.

Tipo II        Recomendada para la mayoría de las pruebas analíticas y generales de laboratorio

Tipo III      Satisfactoria para algunas pruebas generales de laboratorio, para la mayoría de los análisis cualitativos.

Tipo IV       Sirve para la preparación de soluciones y para el lavado o enjuague de cristalería

Importancia del agua destilada y aplicación

El agua para el consumo humano y para otras aplicaciones donde la asepsia es de vital importancia, requiere cumplir con ciertas exigencias con el fin de mejorar su calidad, siendo la destilación el proceso más utilizado para estos fines. Como aplicación el agua destilada se la utiliza en las siguientes áreas:

  • Consumo Humano: El agua forma parte importante del cuerpo humano y no se puede prescindir de ella, ingerir agua destilada es una forma de evitar la ingesta de elementos perjudiciales para la salud.
  • Reactivo Químico: El agua destilada se utiliza en los laboratorios químicos, en la industria se usa este tipo de agua para alimentar las calderas evitando así incrustaciones no deseadas, también se usa como disolvente (industria alimentaria) para la producción de refrescos y bebidas.
  • En Medicina: Se la aplica siempre para evitar infecciones y para esterilizaciones.

Ventajas y desventajas

Las ventajas de este tipo de agua son la carencia de cloro y otras sustancias nocivas para el ser humano, también se ha comprobado que el agua destilada alarga la vida celular debido a sus características y composición. Una de las principales desventajas, son sus costos de producción en forma masiva, ya que energéticamente hablando son muy elevados.

Efectos de la contaminación en la salud del ser humano

La contaminación del agua subterránea se está convirtiendo en un grave problema para las personas, principalmente las que viven a nivel rural, por ser este el medio donde se abastecen del líquido vital para el consumo. Diferentes son los mecanismos de transmisión de enfermedades, que se están convirtiendo en un problema de salud pública entre ellos están: Por ingestión de agua contaminada, contacto cutáneo o mucoso, a través de alimentos contaminados, por la reproducción de insectos que están contaminados.

  • Generación enfermedades en la población humana, como hepatitis, cólera y disentería.
  • Efectos nocivos en el desarrollo de las especies en base a la debilitación de su sistema inmunológico, su mal prospecto de supervivencia y las dificultades en reproducción, además de enfermedades mortales como cáncer.
  • Filtraciones de napas subterráneas desde basurales o desechos tóxicos enterrados, contaminación en agua de dulce de consumo humano imposibilitando su utilización, por ende disminución en las actividades de recreo, la producción de materia prima alimenticia, etc.
  • Fuerte repercusión por envenenamiento en especies pertenecientes a otros ecosistemas, debido al consumo del agua o por la falta total de ella

Tratamientos de purificación del agua

El agua, elemento vital para la vida humana procede de fuentes que con el paso de los años se han venido contaminando por diferentes causas, siendo motivo para que el hombre busque alternativas con métodos que ayuden a preservar la salud de su especie, ya que directamente el agua no puede ser consumida se han creado varios sistemas de purificación en los que principalmente se aplica la tecnología basada en la ciencia de la química para que este líquido sea apto para el consumo humano.

 

Objetivo

Diseñar un destilador de agua utilizando energía solar para la potabilización de agua de lluvia

Justificación

Elegimos este tema porque la escasez de agua potable es un tema que perjudica a toda la población y el crear un destilador solar es una alternativa económica, y amigable con el medio ambiente y fácil de implementar en cualquier casa-habitación.

Hipótesis

Si logramos diseñar un destilador solar, entonces potabilizamos agua de lluvia para las necesidades del ser humano y al mismo tiempo estaríamos contribuyendo al uso de energías naturales que no dañan el medio ambiente.

Método (materiales y procedimiento)

Investigación de Campo:

Se asistió a varios museos con el fin de obtener información sobre diferentes formas de purificar agua; desafortunadamente no tuvimos suerte, ya que no encontramos anuncios, maquetas, esquemas etc. sobre este importante tema.

Es por eso que realicé encuestas a algunos adultos de mi comunidad para conocer un poco sobre las necesidades y beneficios que tenemos con respecto al agua potable.

Los resultados de mis encuestas arrojan que la gente está muy interesada en apoyar el cuidado del medio ambiente, pero, al mismo tiempo desconocen las distintas formas de hacerlo, pues compran en gran medida botellas de agua y con ello causan mayor contaminación. También descubrí que las personas no están muy familiarizadas con el tema de los destiladores solares y se notan un poco incrédulos, por lo que se le dio una breve introducción al respecto.

Procedimiento para la realización del destilador:

  • Se miden los trozos de vidrio que utilizaremos, este debe ser muy delgado para la temperatura que va a generar en su interior (por seguridad de los niños se mandó a hacer el corte de los materiales)
  • Cortamos hule cristal (simulando vidrio) para forrar nuestro destilador y aumentar la temperatura
  • Para aumentar aún más la temperatura se cortan trozos de aluminio para generar calor con la luz del sol colocándolos a un costado del destilador
  • Cortamos por la mitad manguera de 4 cm de diámetro. estas nos sirven de canaletas para recibir el agua de lluvia y caiga en el destilador
  • Cortamos trozos de manguera delgada que nos servirá como salida de vapor colocamos las mangueras de salida de vapor en el depósito para recolectar el agua que salga destilada y lista para su reutilización

Galería Método

Resultados

Se da cumplimiento a la finalización del proyecto descrito según cálculos determinados.

  • La producción de mayor destilado depende directamente de la incidencia solar, es decir que es directamente proporcional a la radiación solar más alta en el día que tiene un horario de 11:00 am hasta 13:00pm.
  • Mientras menor nivel de agua se encuentre en la bandeja colectora (aproximadamente un volumen de 10 litros), la producción de destilado en 7 horas de trabajo del sistema, se logra recolectar un destilado aproximado a 3 litros
  • La eficiencia del destilador alcanzó el 31%, superando las expectativas
  • Es necesaria la limpieza continua de la cubierta de vidrio para evitar que la suciedad interfiera con el ingreso de los rayos solares.
  • Se recomienda la limpieza de la canaleta recolectora de destilado para evitar contaminación del agua purificada.
  • El fondo de la bandeja debe ser de un color obscuro (de preferencia negro) con la finalidad de poseer mayor absorción y menor reflexión de la energía solar
  • El sistema utilizado para la obtención de agua para consumo humano es recomendable en zonas rurales, donde la incidencia de energía solar es alta, existiendo a la vez extensiones de terreno considerables para evitar las sombras y el viento es permanente.
  • Es importante que el equipo tenga una buena hermeticidad, para evitar pérdidas de vapor en el interior del sistema.
  • Si se desea una producción a nivel industrial, se recomienda que el área de incidencia tenga una superficie mayor a los 2m2.
  • La orientación del destilador debe estar en base a las coordenadas del área donde se vaya a realizar el proceso, teniendo en cuenta que la salida del sol está por el oeste y caída del mismo por el este.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

La aceptación del destilador solar depende grandemente de la capacidad del usuario para operarlo. En México, los diferentes proyectos con destiladores solares han probado que son una excelente opción, tanto en colonias carentes de infraestructura, anexas a grandes ciudades, como en aquellas que se encuentran en las mismas condiciones, pero en áreas rurales, donde la infraestructura de agua potable no existe.

Se ha encontrado que el uso de destiladores solares ha sido exitoso y que los usuarios están motivados para utilizarlos debidamente y darles el mantenimiento necesario.

Como en todo trabajo de desarrollo, la clave del éxito es el seguimiento y la retroalimentación de información.

Basados en estos proyectos y en la experiencia adquirida, se ha demostrado claramente que los destiladores solares son una tecnología útil para ser aplicada en aquellas comunidades de México con necesidades de agua potable. Los destiladores son altamente efectivos en la limpieza de agua contaminada, tanto con sales como con agentes biológicos patógenos.

 

Bibliografía

Bibliografía

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Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography