I Master Universitario en Ciencia y Tecnología de la Sostenibilidad 2015- 2017 “Tratamiento ultravioleta del agua a escala doméstica: sistema de desinfección solar usando la óptica anidólica” TFM para obtener el grado de Maestro en Ciencia y Tecnología de la Sostenibilidad Presenta: Dante González Pérez Director: Dr. Marti Rosas Casals (Universidad Politécnica de Cataluña) Co-Director: Dr. Mauricio González Avilés (Universidad Intercultural Indígena de Michoacán) Barcelona, España, Julio de 2017
123
Embed
“Tratamiento ultravioleta del agua a escala doméstica
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
I
Master Universitario en Ciencia y Tecnología de la Sostenibilidad 2015-
2017
“Tratamiento ultravioleta del agua a escala doméstica:
sistema de desinfección solar usando la óptica anidólica”
TFM para obtener el grado de Maestro en Ciencia y Tecnología de la Sostenibilidad
Presenta:
Dante González Pérez
Director:
Dr. Marti Rosas Casals
(Universidad Politécnica de Cataluña)
Co-Director:
Dr. Mauricio González Avilés
(Universidad Intercultural Indígena de Michoacán)
Barcelona, España, Julio de 2017
II
DEDICATORIA
A mi hijo Ángel, por ser el pilar que me sostiene día a día y que en su poco tiempo de andar me ha
enseñado lo importante que es la vida.
A mi esposa Luz por siempre apoyarme y mostrarme que la noche es más oscura antes del amanecer.
A mi madre, por ser también padre a la vez, por siempre darlo todo por sus hijos.
A mi “abue”, sin duda mi segunda mamá, por quererme tanto, cuidarme desde niño y nunca dudar de
mí.
A mis hermanos Isabel, Dulce, Martín, Christian y Rodrigo, por saber que siempre contare con Uds.
aunque estemos a la distancia.
III
AGRADECIMIENTOS
Al Instituto de Sostenibilidad y a la Universidad Politécnica de Cataluña, por brindarme la
oportunidad de cursar este Master que sin duda me ha dejado conocimientos muy provechosos.
Al Dr. Marti Rosas Casals, por aceptar ser mi Director de tesis y quien siempre ha mostrado una
sencillez y accesibilidad
Al Dr. Mauricio González Avilés, profesor-investigador de la Universidad Intercultural Indígena de
Michoacán, por ser mi Co-director de tesis, quien ha sido un académico que siempre me ha brindado
su apoyo y amistad.
Al Programa de Becas de Posgrado para Indígenas (PROBEPI) por apoyarme en la postulación y
transcurso de este Master.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT-México) por su apoyo por medio de la
beca otorgada.
A todos mis amigos del Master, en especial a Ángel, Carmen, Tami y Marce, por darme ánimos en
los momentos de querer desistir: siempre los consideraré mis amigos.
A todos los profesores del Mater en Sostenibilidad.
IV
CONTENIDO Pág.
ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................................... VII
ÍNDICE DE FIGURAS Y GRÁFICAS.......................................................................................... VII
Ultra alta frecuencia – Radio < 1 m > 300MHz > 19.8 10-26 J
Muy alta Frecuencia – Radio < 10 m > 30 MHz > 19.8 10-28 J
Onda Corta - Radio < 180 m > 1.7 MHz > 11.22 10-28 J
Onda Media – Radio < 650 m > 650 kHz > 42.9 10-29 J
Onda Larga – Radio < 10 km > 30 kHz > 19.8 10-30 J
Muy baja Frecuencia - Radio < 10 km < 30 kHz < 19.8 10-30 J
Fuente: astofisicayfisica.com
1.3.2. Rayos UV y su efecto en el agua
El tema de la Radiación Ultravioleta o Rayos UV es un tema particular que interesa por la naturaleza
del presente trabajo. La Radiación Ultravioleta, poseen una longitud de onda entre los 400 nm (4x10-
7 m) y los 15 nm (1.5x10-8). Su nombre se debe a que el rango de longitud en el que se encuentra la
luz ultravioleta es por encima de la luz violeta, siendo este último, el último color que el ojo humano
percibe.
Existen diversos tipos de Rayos UV, pero únicamente mencionares tres, los cuales son de interés para
esta investigación: a) Ultravioleta A (UVA), poseen una longitud de onda de 400-315 nm, suele tener
valores en la superficie terrestre de 50 W/m2 y provoca el bronceado y las cataratas oculares; b)
Ultravioleta B (UVB): poseen una longitud de onda de 315-280 nm, tiene valores de 2 W/m2 y
provocan las quemaduras; y c) Ultravioleta C (UVC): poseen una longitud de onda de 280-100 nm,
no llegan a la superficie a causa de la capa de ozono. (Lorente, s.f.)
Y a pesar de que la radiación Ultravioleta solo representa el 7% del total de la radiación cabe destacar
que es muy importante por los efectos que conlleva en los seres vivos y el medio ambiente. (Agencia
Estatal de Meteorología, s.f.)
Los rayos ultravioletas, debido a la alta energía presente en su longitud de onda corta, hacen que los
microorganismos en el agua presenten un cambio genético (ADN). Lo que hace es un cambio en la
estructura bioquímica de las moléculas (nucleoproteínas), primordiales para que el microorganismo
superviva; en otras palabras, el ADN del microorganismo absorbe la energía de los rayos ultravioletas
mutando como resultado de esta absorción, lo que altera los enlaces químicos que mantiene unidos
los átomos del ADN, haciendo imposible la generación de proteína que lo mantiene vivo y que
permite su reproducción. Hay estudios (Solsona y Méndez, 2002) que mencionan que solo los
UVC son los encargados de generar dichas alteraciones en los patógenos, los cuales por no llegar a
27
la superficie terrestre, como ya se mencionó, son generados artificialmente, como se explicara en un
apartado más adelante; aunque también hay investigadores que aseguran que debido a que los
microorganismos o patógenos causantes de enfermedades y presentes en el agua no se adaptan a las
condiciones ambientales ya que sus condiciones están dadas para las condiciones del tracto
gastrointestinal humano, son muy sensibles a los UVA (EAWAG/SANDEC, 2002).
28
2. HIPÓTESIS
Con la concentración de los rayos UV presentes en la radiación solar, se aumentará la eficiencia del
sistema SODIS acelerando la desinfección del agua para consumo humano, lo cual disminuirá el gasto
familiar y garantizará una calidad de vida mejor.
3. OBJETIVOS
3.1. Objetivo General
Desinfectar las aguas para consumo humano mediante rayos UV presentes en el espectro de radiación
solar utilizando un dispositivo can base a la óptica anidólica.
3.2. Objetivos particulares
Documentar las características del agua en la comunidad de Huecato, Municipio de
Chilchota, Michoacán, México
Analizar materiales óptimos para el aprovechamiento de los rayos Uv.
Construir un dispositivo de concentración solar para eliminar agentes patógenos presentes en
el agua.
Documentar la potencialidad de aprovechamiento de los rayos Uv presentes en la radiación
solar para la desinfección de agua.
Utilizar los rayos UV para el tratamiento de agua potable de mala calidad.
Purificar agua para el consumo humano
Disminuir el gasto familiar por adquisición de agua embotellada.
29
4. INTRODUCCIÓN
Agua, vital líquido que representa el 75% de la superficie terrestre, y del cual el 97% es agua salada.
Del 3% de agua restante es dulce, pero dos tercios de éste se encuentran en los glaciares y capas
polares, y el tercio restante se encuentra en el subsuelo, dejándonos una mínima parte de agua dulce
para el consumo de todos los seres vivos del planeta.
Figura 2. Distribución global del agua en el mundo. (Clarke, R. y J. King, 2004)
El agua dulce representa un recurso natural que está presente en la gran mayoría de las actividades
humanas, lo que ha llevado a un borde de cuestiones desfavorables para este bien de la naturaleza al
ser descuidado y malgastado por el ser humano.
Actualmente la mayor parte del consumo humano de agua dulce en el planeta se utiliza en la
agricultura, llegando a un porcentaje de más del 70%, agricultura intensiva que lleva, además del
excesivo consumo del agua, a una degradación del suelo y de desigualdad social; seguida del consumo
30
doméstico con un 10 %, industria con 20%. A lo largo de estos usos consuntivos1 se desperdicia una
cantidad enorme del agua, por ejemplo, en España se desperdicia un litro de cada cuatro, mientras
que en México se desperdicia un total de 43.2 %, y en otros países en desarrollo se pierden 45 millones
de metros cúbicos al día, esto ya sea por fugas o por malos hábitos.
Gráfica 1. Distribución porcentual de los usos del agua a nivel mundial
Y a pesar de que en algunas partes se presentan estos desperdicios, a nivel mundial 768 millones de
personas no tienen acceso al agua potable, ocasionando que 1400 niños mueran diariamente por
cuestiones relacionadas a la mala calidad del agua, sobre todo en zonas pobres2 y marginadas (Unicef,
2013). Esto a pesar de que en el 2010 se alcanzara la meta de los Objetivos de Desarrollo del Milenio.
Además de la mortandad de los niños, la falta de acceso al agua en la zonas marginadas, como es el
caso de África, conlleva invertir un tiempo en caminar de 40000 millones de horas cada año para
abastecerse de agua, sobre todo por mujeres y niñas en las que recae el 71% de la recogida de agua,
lo que les resta tiempo para dedicarlo al estudio o al cuidado de sus familias (Unicef, 2015),
1 los usos consuntivos son los que extraen el recurso de su ubicación natural, lo utilizan para sus fines; industrias,
agrícolas o domésticos, y luego lo vierten en un sitio diferente, reducido en cantidad y con una calidad distinta
2 Un niño/a de África Subsahariana tiene 520 veces más probabilidad de morir que un niño/a de Europa o en los Estados
Unidos.
Agricultura70%
Industria20%
Consumo Domésticos
10%
USOS DEL AGUA A NIVEL MUNDIAL
31
disminuyendo así su calidad de vida. Esta gran diferencia se debe a la disponibilidad del agua en el
planeta (véase Tabla 10).
Tabla 10. Disponibilidad mundial de agua
RECURSOS DE AGUA DULCE
Región Metros cúbicos anuales (promedio per cápita)
Oceanía 53711
Sudamérica 36988
África Central 20889
América del Norte 16801
Europa del Este 14818
Europa Occidental 1771
Asia Central y del Sur 1465
África del Sur 1289
África del Norte 495
Fuente: United Nacions Environment Programme 2002
Y lejos de ser solo un recurso hídrico, el agua es también un hacedor de fuentes de empleo, ya que
actualmente cerca de la mitad de los trabajadores del mundo, 1500 millones, lo hacen en una actividad
relacionada con este bien, a pesar de ello el acceso al agua no figura como un derecho laboral, además
de humano (ONU, 2016)
El 25 de Septiembre de 2015, se publicaron los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU (SDG´s
por sus siglas en inglés), con lo que se pretende que los países miembro puedan elegir entre la gama
de objetivos propuestos para transformar nuestro futuro dentro de los siguientes 15 años. La gama
abarca 17 objetivos, dentro de los cuales el sexto objetivo es Agua Limpia y Saneamiento, el cual
posee como objetivo el de garantizar la disponibilidad de agua y su gestión sostenible y el
saneamiento para todos. Lo anterior no es algo descabellado, ya que existe suficiente agua dulce para
alcanzar este objetivo, el problema radica en la mala gestión y distribución inequitativa. Alcanzar este
objetivo hace que los objetivos 2, Hambre Cero y 1, Fin de la pobreza, casi automáticamente se
alcancen, al estar relacionado el agua con el riego de cultivos.
32
4.1. Costo ambiental, social y económico del agua embotellada en México Para empezar, el agua embotellada según el Código de Regulaciones Federales de la FDA se
denomina como:
“aquella (agua) destinada al consumo humano y que está sellada en botellas u otros contenedores
sin ingredientes añadidos, excepto que podría contener opcionalmente agentes antimicrobianos
adecuados y seguros…”
Podemos encontrar en supermercados y tiendas de conveniencia hasta secciones enteras destinadas a
la exhibición de diferentes marcas y tamaños de agua embotellada. Todas las marcas han tenido éxito
por el hecho de promover sus productos como la mejor opción en cuanto a hidratación saludable,
económica, pura y limpia se refiere.
La creencia de que el agua de grifo sólo es segura en países desarrollados, ha llevado a la conclusión
implícita de que en México el agua potable no es segura, debido a que este país se considera como
subdesarrollado.
Por lo anterior, y por otras cuestiones, México ha sido cataloga como el país número 1 (Ver Gráfica
2) en consumo de agua embotella, tanto de América Latina como a nivel mundial.
Gráfica 2. Consumo porcentual de América Latina de agua embotellada por país (Wilton, 2011)
Considerable es mencionar el hecho de que el agua embotellada es 240 y 10 mil veces más cara que
el agua de grifo, y considerando que en algunos caso las empresas líderes del mercado como PepsiCo
33
y Coca Cola utilizan agua de la llave – tratándola un poco o en ocasionas nada- el costo es aún más
alto, ya que utilizan agua que se cobra a los habitantes (Delgado, 2014).
A nivel social, el consumo de agua embotellada ligado a las transnacionales que los fabrican (o
embotellan), resulta contradictorio el hecho de que, por ejemplo, Coca Cola difunda el bien estar de
las personas, el deporte y la salud, siendo que sus `productos han sido catalogados –evidentemente
por investigaciones independientes y que a su vez debido a la corrupción son catalogados como “no
oficiales” o “no validos- como deshidratadores y causantes de una mala nutrición y obesidad
(Delgado, 2014). Además, la población con menores recursos económicos tienden siempre a ser las
primeras víctimas de la privatización del agua.
Las graves consecuencias que genera el agua embotellada parte de la utilización del agua de manera
“consuntiva”, ya que el agua no regresa a la cuenca en el largo o mediano plazo. Por otra parte, la
elaboración de botellas de PET constituye un gasto considerable, tanto de energía como de agua: para
generar una botella de PET de 600ml que pesa alrededor de 19.6 g, se requieren 82.7 Gj/tonelada y
66 kl/tonelada, lo que equivale a 1.6 Mj y 1293.6 ml por cada botella de PET de 600 ml. Y triste es
saber que solo el 20% de toda esa cantidad de plástico es reciclado (Delgado, 2014).
34
5. METODOLOGÍA
5.1. Justificación La ONU (Naciones Unidas) prevé que para mediados del siglo presente, de 2000 millones a 7000
millones de personas tendrán escasez de agua, en 48 o 60 países, esto incluye el calentamiento global
como responsable del 20% del aumento de la escasez.
En México actualmente el panorama de la escasez de agua potable no es diferente, ya que de los 2mil
456 municipios con que cuenta el país, 43 carecen totalmente del acceso al agua potable, donde se
concentran 22 millones de personas, lo que representa cerca del 20 % de la población total del país.
De ese 80% de la población sólo 674 municipios cuentan con un programa de gestión sostenible de
los servicios del agua, dejando en claro que el resto, aunque teniendo el servicio, cuentan con una
mala calidad de agua (INEGI, 2014), lo que inutiliza prácticamente el servicio para fines de consumo
en la comida y de bebida.
En el Estado de Michoacán, parte centro del país, los porcentajes de la población con acceso al agua
a variado a lo largo de los años: para 1990 era de 75.4%, para 2000 de 83.5%, para 2005 era de 88.7%
y para 2010 era de 88.1% (INEGI, 2014). En las zonas más pobres, zonas indígenas, cuatro de cada
10 viviendas carecen del servicio.
Por lo anterior, la mayoría de los hogares carecientes de este servicio y con posibilidades de hacerlo,
optan por comprar el agua de manera embotellada, ya sea en garrafas de 19 litros o la compra en
pipas, principalmente para complementar o cubrir la deficiencia del servicio. Esta adquisición
comprende un gasto elevado para las familias de escasos recursos económicos, ya que se requiere
mínimamente la compra semanal (en una familia de 5 integrantes) de 3 garrafas de 19 litros, con un
costo que va desde los diez hasta los 26 pesos por cada uno: comprendiendo que en México el salario
mínimo es de 80 pesos. (CONASAMI, 2016)
De acuerdo al Centro de Investigación y Docencia Económica (CIDE), los factores que han orillado
a que México sea uno de los países que más agua embotellada consume son: 1) poca confianza en el
sistema de agua potable o acceso nulo: el servicio del agua potable viene de un sistema político carente
de confianza, por ende casi el 100 % de los mexicanos desconfían de la calidad del servicio, 2)
incremento y accesibilidad al agua embotellada: dominado por tres empresas extranjeras, Danone,
Coca-Cola y PepsiCo y 3) falta de legislación para regular este mercado: situación carente en cuanto
a normas de regulación para elaboración o embotellamiento de agua (SinEmbargo/Agencia
Informativa Conacyt, 2017)
35
Como una alternativa a la escasez de servicio de agua potable pocas comunidades recolectan el agua
en manantiales, donde se tiene la oportunidad de hacerlo, y otras hacen captación de agua de lluvia.
Esta última es una actividad no tan practicada debido al aspecto turbio del agua, lo cual genera una
desconfianza y por lo cual el agua sólo se le utiliza para fines del quehacer doméstico (lavar la bajilla,
lavar ropa y limpieza de la casa) pero no en la elaboración de los alimentos. Cabe destacar que la
captación de agua de lluvia es una alternativa de abastecimiento de agua con un potencial muy alto
en algunas zonas de México, ya que la media anual es de 760 mm (Arreguín y Marengo, 2010).
Michoacán es uno de los estados privilegiado de la cantidad de agua que cae (véase Tabla 11), sus
municipios oscilan entre los mejores del país.
Tabla 11. Promedio de la precipitación pluvial en Michoacán en 30 años
Precipitación total anual (Milímetros)
Estación Periodo Precipitación
Promedio
Precipitación del
año más seco
Precipitación de
año más lluvioso
Turicato De 1978 a 2010 844.5 440.3 1 084.3
Tzitzio De 1981 a 2010 1 272.3 850.9 1 809.3
La Piedad De 1961 a 2009 769.2 291.6 1 194.4
Huingo De 1981 a 2010 771.5 406.1 1 068.3
Pátzcuaro De 1981 a 2010 902.5 704.0 1 239.8
Morelia (Centro) De 1971 a 2010 764.8 487.2 1 060.0
Fuente: Comisión Nacional del Agua. Registro Mensual de Precipitación Pluvial en mm. Inédito
Pero debido a que la captación se hace de manera rústica no garantiza un agua con propiedades aptas
para el consumo humano.
Por lo anterior, se requiere de una desinfección económica, social y ambientalmente viable: aspectos
que las actuales formas de tratamiento del agua no cumplen por su complejidad y requerimientos.
5.1.1. Diferentes tratamientos de desinfección del agua para consumo humano. La tecnología ha avanzado considerablemente en materia de potabilización del agua, encontrando
desde simples filtros hasta tratamientos avanzados capaces de desalinizar el agua de mar.
36
Los distintos tipos de desinfección del agua hacen un abanico de posibilidades y de elecciones que
satisfacen las necesidades de los habitantes, así como la accesibilidad en cuanto a costos, tanto
económicos como ambientales.
Cloro.
Por sus características en cuanto a costo económico es sin duda el más utilizado a nivel mundial.
Además, su capacidad oxidante como mecanismo de destrucción de la materia orgánica y su efecto
residual aseguran la inocuidad del agua. Podemos encontrar el cloro en productos como: cloro
gaseoso, cal clorada, hipoclorito de sodio e hipoclorito de calcio. (Solsona y Méndez, 2002). El
subproducto que se obtiene son los llamados trihalometanos que son un compuesto químico volátil
debido a la reacción de la materia orgánica no tratada.
Filtración Lenta
Cosidera como el sistema de tratamiento más antiguo, consiste en la reproducción del proceso natural
de purificación en la naturaleza por medio de la filtración, y consta de un tanque con una caja
sobrenadante del agua a desinfectar, arena como lecho, drenajes y material de regulación y control.
La desinfección consta de una película biológica como filtro, donde bacterias depredadoras crecen y
se reproducen.
Como subproducto se obtiene materia orgánica sin repercusiones a la salud.
Ozono
Básicamente consiste en incorporar ozono al agua contaminada. El ozono posee un oxidante
protoplasmático que destruye las baterías, así como virus, esporas y quistes resistentes de bacterias y
hongos.
El subproducto generado es bromatos, bromoformo, ácido bromoacétido, aldehídos, cetonas y ácidos
carboxílicos.
Minifiltración
Consiste principalmente en la utilización de geomembranas que hacen el efecto de ósmosis inversa.
Desinfección Solar
Como su nombre lo indica, es la utilización de la radiación solar para desinfectar el agua: consiste en
calentar el agua hasta alcanzar temperaturas aceptables para la eliminación de los microorganismos.
Este método utiliza distintos tipos de dispositivos hechos a partir de materiales que transfieren el calor
37
y considera varios parámetros para su buen funcionamiento como las horas de exposición, la
nubosidad, el volumen, la turbiedad del agua, entre otras.
Los dispositivos más comunes son: calentadores solares, cocinas solares, concentradores solares,
destiladores solares y desinfección en botellas y recipientes pequeños. No genera subproductos, pero
se deben considerar aspectos como la temperatura del agua para eliminar patógenos.
Radiación Ultravioleta
La desinfección ultravioleta se da a partir de una fuente artificial de esta; se coloca una lámpara
ultravioleta en contacto con el agua a tratar, dicha lámpara simula la radiación ultravioleta en el rango
de 240 y 280 nm. Su exposición solo dura unos segundos (10 a 20), (Solsona y Méndez, 2002). No
se generan subproductos ni se ha documentado consecuencias en la salud de las personas tampoco
cambia alguna propiedad del agua como el olor o sabor, lo que sí es recomendable es la utilización
de gafas cuando se utiliza la tecnología. Este tipo de desinfección es algo costoso en comparación
con los otros solo por debajo del ozono (Huerta, 2004), además, se recomienda utilizar un
desinfectante secundario por el hecho de que a lo largo del trayecto del caudal después del
tratamiento, los microorganismos tienden a regenerarse.
Métodos alternativos
También podemos encontrar métodos alternativos como el bromo, plata, yodo, dicloro isocianurato
de sodio, mezcla de gases oxidantes, radiación y sinérgicas.
5.1.2. Proyecto SODIS El método Solar Disinfection (SODIS, por sus siglas en inglés), comprende el tratamiento de
desinfección por medio de la exposición a la radiación solar del agua en botellas transparentes, misma
que actúa sobre los agentes patógenos eliminándolos mediante los rayos UV e infrarrojos. Lo cual
coloca a este sistema como un tratamiento de bajo o nulo costo económico, ambientalmente sin
riesgos y socialmente adecuado, ya que sólo ocupa la energía solar que incide en la superficie de la
tierra (Bermudes y Solano, 2015). Es un método que combina el tratamiento de desinfección solar y
el ultravioleta presente en la radiación solar.
En el año de 1991 se iniciaron los experimentos en laboratorio para ver el potencial de dicho método,
posteriormente y una vez demostrado su efectividad por la intervención de los rayos UVA y la
elevación de la temperatura (por los infrarrojos), que provocan la inactivación de los
microorganismos demostrado y comprobado en campo, se llevó a cabo la implementación de
38
proyectos para ver la efectividad de la adopción sociocultural y económica de la gente
(EAWAG/SANDEC, 2002).
Diferentes validaciones de este método se han hecho durante varios años en varias partes del mundo,
dando como resultado la inactivación y disminución de diferentes tipos de colonias de patógenos
(Claure, 2006). Además, se ha mostrado que superando los 50 ⁰C en el agua las bacterias y demás
patógenos son eliminados.
A pesar de que el sistemas SODIS es efectivo, el tiempo que requiere para una desinfección adecuada
es un tanto alto, por lo cual es necesario utilizar dispositivos que aceleren o incrementen la eficiencia
del sistema. Dispositivos como los hornos solares han demostrado que después de 60 minutos se
alcanza una temperatura superior a los 60 ⁰C, y que indistintamente de la época del año después de
120 minutos de exposición al sol, se obtiene una desinfección total (Robles et al, 2007).
También existen concentrados con resultados muy favorables en materia experimental,
concentradores de tipo ranura en V, parabólico y parabólico compuesto (Figura 4 y 5), siendo este
último un 27% más eficiente que los otros dos (MaLoughlin et al, 2004)
Figura 3. Reactores: (a) parabólico compuesto, (b) parabólico y (c) ranura en V
Como se mencionó, la figura 3 es una muestra experimental, los tubos empleados fueron de
dimensiones muy pequeñas (2mm). Aunque se ha demostrado su efectividad en modelos con mayor
capacidad (Plataforma Solar de Almeria, s.f.) (Véase figura 4), aunque nuevamente en el plano
experimental.
39
Figura 4. Reactor de 25 litros de capacidad, Plataforma Solar de Almería, España
Lo mismo ha sido demostrado con dispositivos sencillos y con radiación de 700 W/m2, aumentando
la eficiencia en un 2.25 veces (IMTA, 2002). Pero lo importante no es solo enfocarse en dispositivos
que aumentan la temperatura -lo cual ya se ha trabajado bastante y que evidentemente cualquier
concentración de la energía solar lo hace-, sino en un dispositivo que también concentren los rayos
UV para maximizar las propiedades que tiene parte del espectro electromagnético en cuanto a la
eliminación de agentes patógenos.
Para ello se debe tomar atención al tipo de material reflejante que se utilice. Pero no solo eso, también
se debe poner mayor atención al material que absorba, o en este caso, que permita el paso de los rayos
UV para que interactúen con los microorganismos. Cabe destacar que el tema de los materiales es un
tanto complicado, ya que los materiales conocimos y transparentes como el vidrio y el plástico, no
permiten el paso de la mayor parte de los rayos UV: únicamente el cuarzo es el material transparente
a los UV, seguido del teflón (tetrafluoretileno) (McGuigan et al, 2012).
5.1.3. Concentrador Parabólico Compuesto Debido a la cuestión de que la energía que nos llega del Sol en muchos lugares de la tierra es muy
baja, surge la necesidad de desarrollar métodos que incremente dicha incidencia. Dichos método son
los concentradores, que son dispositivos que aumentan la energía enfocando los rayos del Sol en una
región focal, a diferencia de una parábola que lo concentran en un solo foco, y los cuales se pueden
40
clasificar en tres tipos: a) los de imagen o de enfoque, b) los de no imagen o de óptica anidólicas, y
c) los híbridos.
Para formar un CPC se requieren dos elementos:
a) Involuta.
Parte de una geometría de curvas envolventes, la cual una vez aumentando la altura en el eje “y” y la
distancia en el eje “x”, se va cerrando (Véase Figura 5), sus coordenadas polares son (González-
Avilés et al, 2017):
( cos )x r sen (1)
( s cos )y r en (2)
Figura 5. Involuta con coordenadas polares
Para saber hasta qué punto se debe graficar la involuta, o hasta donde se debe truncar, es necesario
conocer el factor de concentración que se desea, el cual se obtiene de la siguiente relación:
21col abs máxc A A sen (3)
Donde:
c= Factor de concentración
Acol= Área del colector
Aabs= Área del recipiente absorvedor
41
Para el factor de concentración se toma en cuenta el ángulo de aceptación ϕ mediante la siguiente
relación (Rabl, 1976: citado por González-Avilés, 2017):
0 2 máx (4)
b) Segmento de una curva parabólica
Una vez truncado la involuta, se continúa dicha sección con una curva parabólica con dos propósitos,
una para evitar el cierre de la envolvente y otra para aumentar el área de captación (Véase Figura 6).
Las ecuaciones paramétricas correspondientes a estas curvas son (Tapia et al, 2009: citado por
González-Avilés, 2017):
cosx r sen A (5)
cosy r Asen (6)
Siendo
2 cos
1
máx máx
máx
Asen
Figura 6. Segmento de la curva parabólica
Combinando estas dos partes, involuta y segmento de parábola, se obtiene el CPC:
42
Figura 7. Concentrador Parabólico Compuesto (CPC)
5.1.3.1. CPC en 2D
El CPC en 2D o CPC en canal como también se le conoce (Véase Figura 8 a)), de una manera simple,
es el CPC que envuelve a un cilindro a lo largo de su dimensión. Posee diversas aplicaciones en
materia de energía solar como en las partes inferiores de los tubos evacuados de los calentadores
solares, horno solar como el tolokatzin con lentes de Frenel (González et al, 2014) (Figura 8 b))
a) b)
Figura 8. a) CPC en 2D o Canal, y b) Horno Solar Tolokatsin con lentes de Fresnel
5.1.3.2. CPC en 3D
Por su parte, el CPC en 3D o Revolución, posee como su nombre lo indica una revolución de 360⁰,
las principales aplicación de este dispositivo es en el campo de las cocinas solares (Figura 9),
43
a) b)
Figura 9. a) CPC en 3D o de Revolución, y b) Cocina Solar “Jorejpatarantsïkua” (López et al, 2012)
Al CPC en 3D o de Revolución también se le conoce en algunos casos como geometría Parabólica
Compuesta de Revolución Asimétrica (PCRA) (Flores et al, 2013).
También se ha demostrado que el CPC en 3D es ópticamente superior al CPC en 2D (Véase Figura
10)
Figura 10. Comparación de la eficiencia óptica del CPC 2D y 3D (Senthilkumar et al, 2009)
5.1.4. Índice de radiación solar en la Meseta P´urhépecha, Michoacán, México. La radiación que se recibe en México es por lo general unos de los mejores a nivel mundial, esto
evidentemente por la ubicación del territorio en la latitud del planeta. Michoacán, es uno de los
estados con mejores radiaciones (Ver Anexo 1), lo que permite un potencial de aprovechamiento muy
alto a través de dispositivos solares, ya sea en forma fotovoltaica o, y principalmente, fototérmica.
44
La Meseta P´urhépecha, región ubicada en la parte centro norte del estado de Michoacán, se integ
ra por 13 municipios y se caracteriza por la población indígena, misma que mantiene sus tradiciones
como la lengua, costumbres y vestimenta. Presenta una radiación solar muy buena lo cual se puede
apreciar en la Tabla 12, donde se muestra, entre otros datos, la radiación en kWh/m2dia.
Tabla 12. Radiación Solar en la Meseta P´urhépecha
Month Air
temperature
Relative
humidity
Daily
solar
radiation
–
horizontal
Atmospheric
pressure
Wind
speed
Earth
temperature
Heating
degree-
days
Cooling
degree-
days
°C % kWh/m2/d kPa m/s °C °C-d °C-d
January 16.9 52.10% 4.89 85.3 3 18.3 31 222
February 18.4 46.60% 5.86 85.2 3.2 20.8 12 238
March 20.3 39.70% 6.9 85.2 3.5 24.1 2 314
April 22.4 39.40% 7.06 85.1 3.4 27 0 363
May 22.7 50.00% 6.64 85.1 3.1 26.9 0 392
June 20.8 73.60% 5.61 85.2 2.9 23.1 0 331
July 20.1 76.20% 5.3 85.3 2.8 21.7 0 324
August 20.2 75.10% 5.25 85.3 2.6 21.6 0 330
September 19.7 77.60% 4.87 85.2 2.5 20.8 0 303
October 18.8 73.40% 4.91 85.2 2.6 19.8 3 288
November 17.8 65.40% 5.03 85.3 2.8 18.6 12 248
December 17 57.40% 4.68 85.3 2.9 17.9 26 231
Annual 19.6 60.50% 5.58 85.2 3 21.7 86 3584
Fuente: https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/. Base de datos patrocinada por el "Earth Sciense
Enterprise Program" de la NASA
Los datos corresponden en específico al pueblo de Cherán, cabecera municipal del municipio con el
mismo nombre, con las coordenadas geográficas: latitud 19.42 y longitud -101.58.
Se han implementado algunos proyectos de tecnologías solares térmicas en la región, como es el caso
de las comunidades de Cheranástico y Nurio, teniendo como resultados aspectos favorables en la
apropiación de la tecnología y la disminución del consumo de energéticos convencionales utilizados
en el ámbito de cocina y calentamiento de agua.
45
5.2. Diagrama de la metodología
La metodología que se siguió consta de un enfoque cualitativo y cuantitativo, partiendo de una
revisión bibliográfica de los aspectos generales y específicos de la importancia del agua como recurso
y bien natural; la situación actual con respecto al agua para consumo humano, tanto características
idóneas como disponibilidad; la identificación de la zona a estudiar en el estado de Michoacán,
México, su fauna, su flora y sus cuestiones culturales. También se hizo una revisión sobre los
tratamientos alternativos del agua para consumo, enfocándose principalmente en la desinfección
solar.
Una vez obtenidos los datos necesarios se procedió a la realización de análisis in situ del recurso
hídrico en dicha comunidad del estado de Michoacán, México, con lo que se pudo tomar datos sobre
las características de este recurso. Posteriormente se realizó el diseño del prototipo atendiendo
aspectos como la eficiencia térmica, la accesibilidad de materiales y el rendimiento; se realizaron las
pruebas en campo en cuestiones de rendimiento térmico y eficiencia al momento de desinfectar,
obteniéndose resultados de las posibilidades de tratamiento y mejora con la aplicación de rayos UV
e infrarrojos. Al final se llevó a cabo una implementación de cinco dispositivos en la zona identificada
y estudiada, posteriormente se hizo el monitoreo sobre la adopción de la tecnología.
La Figura 11 muestra lo descrito anteriormente en un diagrama general de la metodología a se siguió
en la realización de la presente investigación.
46
Revisión bibliográfica
Ubicación geográfica de la zona de estudio
EncuestaRecolección y análisis de
la muestra
Análisis de los materiales reflejantes del dispositivo
solar
Diseño a computadora Construcción física
Pruebas de rendimiento térmico del dispositivo
Obtención y análisis de los resultados
Implementación del dispositivo
Prueba experimental con la muestra
Monitorio de la adopción: resultados
obtenidos
Figura 11. Diagrama de la Metodología de la Investigación
47
5.3. Ubicación geográfica de la zona de estudio: Huecato, Municipio de
Chilchota, Michoacán, México.
Figura 12. Ubicación geográfica de la zona de estudio
Fuente: elaboración propia con imágenes de internet
Huecato se ubica en el municipio de Chilchota, en el estado de Michoacán, México. Posee una
superficie territorial de 20 mil hectáreas: hay 201 viviendas con 758 habitantes; el 68.36% tiene agua
entubada, el 93% usa letrina. La comunidad cuenta con un manantial que abastece de agua a la
localidad.
5.4. Recolección y Análisis de la encuesta: acceso al agua limpia en
Huecato
Se realizaron visitas a la comunidad identificando que el sistema que alimenta la tubería del agua
potable en la comunidad de Huecato viene de un pequeño manantial ubicado a la entrada del pueblo
(Figura 13).
48
Figura 13. Manantial y fuente del agua potable de Huecato
De acuerdo a la Figura 14, las tuberías más viejas del agua potable datan de hace 30 años.
Figura 14. Croquis de la tubería en la comunidad de Huecato
Fuente: Ayuntamiento de Chilchota, modificado por Zayra Montoya y Alfonzo González.
A pesar de que en la figura anterior se muestra una cobertura extensa de las tuberías de agua potable,
cerca del 40% de la población no posee acceso como se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 13. Porcentaje de viviendas con agua potable en las distintas comunidades del municipio del Chilchota
LOCALIDAD TOTAL DE VIVIENDAS VIVIENDAS CON AGUA POTABLE %
Huecato 201 124 61.69
49
Ranco Seco 21 1 4.76
Morelos 131 95 72.52
San Juan Carapan 7 0 0.00
Carapan 1805 1498 82.99
Tacuro 485 429 88.45
Ichán 968 726 75.00
Huancito 967 855 88.42
Zopoco 680 508 74.71
Santo Tomas 371 329 88.68
Acachuen 690 558 80.87
Tanaquillo 408 313 76.72
Urén 407 328 80.59
Chiclchota 2548 1879 73.74
Los Nogales 470 285 60.64
LA Cofradia 170 76 44.71
El Pedregal 52 3 5.77 Fuente: Periódico Oficial del Gobierno Constitucional del Estado de Michoacán de Ocampo, 2016. Datos
obtenidos del Censo de Población y Vivienda 2010. INEGI
El 60% de la población cuenta con agua potable, no obstante, éste no es de manera continua, ya que
solo tienen el servicio dos días a la semana.
Alumnos de la Escuela Nacional de Estudios Superiores de la UNAM (ENES-Morelia) y la
Universidad Pedagógica Nacional sub-sede Ichan (UPN) realizaron una encuesta dentro del proyecto
denominado “Proyecto de implementación de Cocina Solares” (Ver Anexo 2 apartado “Consumo de
Recursos Hídricos”) dentro del cual se pudo observar que la población recurre a diferentes métodos
o fuentes de acceso al agua para beber (Véase Gráfica 3)
Gráfica 3. Medios empleados para el acceso al agua para beber en la comunidad de Huecato.
0
5
10
15
20
25
30
35
Grifo y hervida Regalada Hervida yregalada
Grifo Garrafon
% D
E LA
PO
BLA
CIÓ
N
MEDIO DE ACCESO
Fuentes de acceso al agua para beber
50
De la gráfica se observó que, cerca del 28 % de la muestra consume agua de Grifo y hervida, el 33 %
agua regalada (por vecinos), el 9.5 % Hervida y Regalada, el 19 % de Grifo y el 10% consumen agua
de garrafón.
5.5. Recolección y análisis de la muestra: metodología CONAGUA
En este punto del proceso metodológico la muestra que se extrajo fue para la experimentación de
desinfección, ya que anteriormente se llevó a cabo una recolección, con las normas que CONAGUA
señala (Véase “Protocolo para el muestreo de calidad del agua en ríos endorréicos y exorréicos, y
en humedales para la aplicación de la Norma de Caudal Ecológico (NMXAA-159-SCFI-2012)), para
el análisis del agua sin ningún proceso de desinfección.
El proceso de recolección fue el siguiente:
1. Se identificó una vivienda conectada a la tubería más antigua (vivienda de donde se extrajo
la muestra para el análisis sin tratamiento)
2. Se enjuagó el recipiente tres veces con el agua del grifo de la vivienda seleccionada.
3. Se llenaron 20 litros de la muestra.
4. Se colocaron en un lugar sin exposición a la luz solar para evitar su contaminación.
5. Se transportó al lugar de las pruebas experimentales.
Figura 15. Recolección de muestra para experimento de desinfección
5.6. Dispositivo de desinfección solar
Una vez teniendo los resultados de las características del agua de Huecato se inició con la toma de
decisión sobre qué dispositivo se acoplaría mejor para la desinfección del agua en dicha comunidad.
Por lo cual se decidió la construcción de un dispositivo de desinfección solar por medio de rayos UV
51
e infrarrojos, y el cual posee la óptica anidólica por cuestiones de practicidad al no requerir
reorientación entre otras cosas; también se le conoce como óptica de no enfoque o de no imagen como
se mencionó en capítulos anteriores. Se decidió combinar las formas de canal y de revolución en el
dispositivo; la de canal por la cuestión a largada del recipiente, y la forma de revolución por presentar
mayor eficiencia óptica.
Se decidió considerar un tamaño de recipiente adecuado para una familia de cinco integrantes, por lo
que el recipiente elegido fue uno de 10 litros con un diámetro de 21 cm y una altura de 30 cm; esto
para poder obtener el tamaño de la involuta y el segmento de la curva parabólica mediante las
ecuaciones 1, 2, 5 y 6.
Para el factor de concentración, se consideró como área de concentración toda el área del cilindro
pero en una forma cubica. Considerando así que se tenía cuatro pieza de 0.21m x 0.30m, y 2 piezas
de 21m x 21m, por lo que el área del absorvedor sería de 0.34 m2; por su parte, el área de captación
se consideró la suma del área del concentrador tipo canal (0.24 m2), más el área de la revolución (0.25
m2), más la parte plana que corresponde a la entrada del dispositivo (0.14 m2), obteniéndose un área
de 0.63 m2.
Por lo que el factor de concentración del dispositivo que se obtuvo fue de
c= 1.85 soles
Pero para prevenir el buen funcionamiento del dispositivo se tuvo que “elegir” los materiales más
óptimos.
5.6.1. Análisis de los materiales reflejantes y absorbentes-transmitentes
El aprovechamiento de la energía solar por medio de concentradores posee diferentes elementos. Uno
de los más importantes es sin duda la parte de los materiales reflejantes y absorbentes-transmitentes,
aludiendo a los tres componentes básicos del aprovechamiento de la energía solar, la reflectancia, la
absortancia y la transmitancia: los cuales deben medirse (Hongn y Flores, 2014) (Echazú et al, 2000)
para saber el grado de eficiencia.
Por lo anterior se analizaron en laboratorio distintos materiales con propiedades diferentes simulando
los realizados en otras investigaciones (Servin et al, 2017). El análisis de los materiales se llevó acabo
en el laboratorio de óptica de la Facultad de Fisico-Matemático (Edificio D) de la Universidad
Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Michoacán, México.
52
Equipo utilizado
Tabla 14. Equipo de experimentación utilizado en la prueba de reflecctanci-absortancia de los materiales
NOMBRE ILUSTRACIÓN
Iluminador para fibra óptica Dolan-Jenner modelo
190
Espectrómetro Ocean Optics
Cable de fibra óptica
Material de soporte
Plataforma deslizante – xyz plataforma lineal de
desplazamiento manual de 3 ejes
Fuente: Elaboración propia, imágenes de internet.
53
Arreglo
Uno de las entradas del cable de fibra óptica se colocó en el iluminador y otro en el espectrómetro,
posteriormente la salida del cable que emite el has de luz se colocó en la plataforma lineal de
desplazamiento manual: a una cierta altura se colocó otra plataforma donde se ubicaron los materiales
a analizar. El arreglo experimental que se elaboró se muestra en la siguiente Figura 16:
Figura 16, Arreglo experimental para prueba de reflectancia de los materiales
Figura 17. Foto que muestra el registro de la reflectancia de cada material
54
Resultados:
Para la reflectancia
Los materiales que se analizaron para la parte de los reflectores poniendo mucho énfasis en que los