Un proyecto en curso diseñado e implementado en la Universidad Tecnológica de Coahuila en Parras de la Fuente, Coahuila México para proporcionar agua potable purificada mediante el proceso de destilación solar .
Existen numerosos métodos diferentes para purificar el agua, todos con el mismo resultado previsto: obtener agua que sea segura para el consumo humano, denominada potable. Algunos de los métodos más comunes de purificación del agua son la ebullición, la adición de productos químicos (yodo o cloro), la ósmosis inversa y la filtración . Todos estos métodos son eficaces, pero pueden requerir recursos que no están disponibles en algunos lugares. Por ejemplo, si bien puede resultar muy difícil obtener productos químicos o mantener un fuego en zonas remotas, la luz solar suele ser un recurso fácilmente disponible que se puede utilizar para la destilación del agua.
Este documento es una propuesta para implementar un prototipo de sistema de destilación solar pasiva como ejemplo práctico de utilización de energía del sol para proporcionar agua potable para consumo humano.
Contenido
Teoría
La destilación solar pasiva de agua se considera una tecnología apropiada porque opera con los mismos principios que producen la lluvia, purificando el agua mediante un proceso de evaporación, condensación y recolección. La destilación solar podría considerarse una forma de biomimetismo por su relación con el ciclo de las lluvias y el efecto invernadero . El proceso de destilación solar se puede realizar sobre agua salobre, salada o de fuentes como lluvia, municipal, de pozo o de manantial. Al utilizar la abundante energía del sol para evaporar el agua, los metales y minerales disueltos, como el arsénico, el bario, el cadmio, el cromo y el plomo, se separan del agua contaminada [1] . La destilación también elimina sales y contaminantes biológicos como E. Coli [2] .
Un destilador solar convencional es una caja con un techo de vidrio, conocido como vidriado, colocado en un ángulo con respecto a la horizontal para garantizar una exposición óptima al sol. Este ángulo es aproximadamente igual a la latitud del lugar. El destilador mira al sur si está en el hemisferio norte, al norte en el hemisferio sur [3] . El agua sin tratar se conduce a un depósito de retención dentro del destilador. La radiación solar penetra el vidrio y calienta el interior del destilador, provocando que el agua del recipiente se evapore. La absorción de radiación de mayor frecuencia calienta el agua y el interior del destilador solar. El esmalte atrapa la re-radiación infrarroja provocando un efecto invernadero que resulta en temperaturas más altas [4] . El proceso de evaporación separa los contaminantes del agua y produce una fina condensación en la parte inferior de la cubierta de vidrio. El agua destilada condensada luego escurre del vidrio hacia un recipiente y se transfiere a un recipiente de almacenamiento de agua para uso doméstico. Los contaminantes y las partículas permanecen en el lavabo y deben lavarse periódicamente.
Lado del diagrama fijoPlanes de construcción
Scott Harris y Jeffrey M. Hinton, participantes del programa Parras 2005, construyeron un destilador de agua solar y proporcionaron un análisis final de su proyecto el 5 de agosto de 2005. La unidad que construyeron está ubicada en el laboratorio de la Universidad Tecnológica de Coahuila, Campus Parras. . Este proyecto proporciona una base sólida para futuras investigaciones y desarrollo de la destilación de agua a pequeña escala en Parras. Sin embargo, después de revisar su análisis final, la infraestructura de construcción y los materiales utilizados, proponemos algunos cambios de diseño y planeamos investigar diferentes materiales de construcción. Las modificaciones incluyen la sustitución del material aislante, revestimiento del piso, estructura del lavabo y diseño del canal colector. La intención es mejorar el diseño existente, utilizar materiales más asequibles y duraderos e investigar métodos adicionales para aumentar la eficiencia. La portabilidad no es una consideración en el diseño de este prototipo. Los materiales y el diseño elegidos no se prestan a un fácil transporte. El vidriado es frágil, el marco interno de chapa de madera es frágil y el lavabo de metal no está asegurado. Esta unidad solo funcionará en el campus de UTC; las iteraciones posteriores de este diseño deben considerar cuestiones de portabilidad.
| Función | Material actual | Posibles alternativas | Justificación | Posibles problemas |
|---|---|---|---|---|
| Aislamiento | espuma de poliestireno | Fibra de lechugilla, Lana, Mezcla arcilla/paja [5] , denim reciclado, Perlita [Detalles] , Fibra de vidrio como último recurso. | Sería preferible un aislante natural, y la espuma de poliestireno tiende a derretirse con el calor. | Inflamabilidad, absorción de agua, valor R, costo, disponibilidad, vida útil |
| Canal de recolección | Tubo de pvc | metal, cerámica, madera | El PVC se derrite por el calor. | Resistencia al calor, Conductividad que elimina el calor del sistema. |
| Recubrimiento negro para retención de calor. | Pintura en aerosol | Baldosas de cerámica, lona tejida negra, vidrios polarizados | La pintura en aerosol puede ser la única solución, pero sería preferible una capa negra más natural. | Sanguijuela química, resistencia al calor, fragilidad. |
| Cuenca de agua no tratada | Metal galvanizado pintado con spray. | Acero inoxidable, Cerámica | La pintura en aerosol y el calafateo de silicona pueden contaminar el proceso de destilación del agua | Dificultad para obtener sellador negro de alta temperatura. Encontrar un lavabo del tamaño adecuado |
| Marco interno | Chapa de madera fina | Madera más gruesa con una construcción más resistente o metal. | La chapa es demasiado delgada, carece de soporte estructural. | Asequibilidad, disponibilidad, peso, facilidad de adhesión del color. |
Ubicación propuesta
Este experimento de destilador de agua solar pasivo está destinado al campus de la Universidad Tecnológica de Coahuila ubicado en la calle Madero, Parras, Coahuila. UTC tiene una población de estudiantes, profesores y empleados de 205 personas, lo que comprende una demanda continua de agua potable. La demanda de agua es importante porque afecta directamente el diseño del destilador con respecto a la cantidad deseada de producción de agua.
El suministro público es la fuente más probable de agua. Aunque el agua municipal ha recibido algún tratamiento, no siempre es potable. El agua municipal es actualmente el método más sencillo de adquisición de agua. En el futuro se podría implementar un sistema de captación de agua de lluvia. En este momento, la ubicación del destilador en el campus de UTC es indeterminada en espera de que se investigue cuál es la mejor ubicación posible. Es necesaria una zona plana y nivelada con acceso directo al agua y al sol. Se deben tomar consideraciones para garantizar que no esté en un lugar donde el esmalte pueda dañarse fácilmente por vandalismo o rotura accidental. El sistema debe estar ubicado en una zona que facilite el fácil acceso y mantenimiento.
Justificación
Actualmente, la UTC compra su agua potable a SierrAzul en garrafas de 5 galones (19 litros) a un costo aproximado de $1.40 USD ($14.50 pesos) cada una. Los beneficios potenciales de implementar este sistema son la reducción del costo del agua y la autosuficiencia . Suponga que el costo del sistema es $106,92 + $79,32 USD = $186,24 USD. Este es el costo de los materiales del año anterior sumado al costo total de la segunda iteración. Si UTC consume una jarra de agua de 5 galones por día, el sistema se amortizaría en aproximadamente 133 días basándose en los ahorros al no comprar agua. La presencia de este proyecto en UTC puede influir en los estudiantes para que sigan educación adicional en tecnología solar, posiblemente llevando el conocimiento consigo en su vida diaria y en el futuro.
Si implementamos con éxito el destilador de agua solar en UTC, puede haber un mayor potencial de expansión e instalación en otras ubicaciones en Parras. La destilación solar de agua puede aplicarse a sistemas pequeños para uso de propietarios de viviendas, así como a instalaciones más grandes en empresas o ubicaciones agrícolas.
Actualización del proyecto: semana 5
Progreso físico
Semana 4: Desmontaje iniciado. Componentes derretidos parcialmente retirados e inspeccionados. Estos componentes incluyen espuma de poliestireno, tuberías de PVC y revestimiento de plástico.
Fig 1: Destilador sin glaseado, sin modificaciones.
Fig 2: Gran parte de la espuma de poliestireno se encoge y se endurece debido al calor excesivo.
Fig. 3: El aserrín puede ser un buen aislante, pero ensucia mucho cuando no se controla. También se encontraron maníes de poliestireno y varias baldosas de cerámica sueltas. *Materiales
Fig 4: El pegamento de silicona se utilizó ampliamente. *Materiales
Fig 5: El PVC no sobrevivió al calor. *Materiales
Fig 6: Cubeta de recogida derretida, con cola.
Fig 7: Primer plano del aislamiento que rodea el depósito de agua sin tratar.
Fig 8: El aislamiento debajo del lavabo también se derritió.
Fig 9: Marco interno de madera que sostiene el depósito de agua. Construido con chapa fina.
Fig 10: Después de romper y desechar los trozos grandes de poliestireno, se deben desechar los trozos más pequeños.
Materiales propuestos
Aislamiento
El aislamiento es, con diferencia, el material más difícil de elegir. Hay muchas opciones disponibles y aún no hemos tomado una decisión sobre qué material será el más apropiado al comparar costo, disponibilidad y efectividad. Algunas posibles soluciones:
Notas:
- Cualquier aislante inflamable puede requerir medidas adicionales para evitar incendios.
- Protección contra incendios significa algún tipo de sellado y/o tratamiento químico del aislamiento de relleno suelto.
- El aislamiento debe tener un contacto mínimo o nulo con el agua líquida y vaporizada.
- Un retardante de fuego y disuasivo de insectos bastante económico es
- 2,5 onzas de bórax mezclado con 2 tazas de agua hirviendo [6]
| Material | Justificación | Preocupaciones | Valor R estimado [7] |
|---|---|---|---|
| Fibra de algodón de fábrica de mezclilla. | Disponible localmente | Posibles productos químicos tóxicos (tintes, etc), peligro de incendio. | 3 a 3,8 (Celulosa) |
| Perlita - Relleno suelto [8] [9] | Material común, vidrio natural, con suerte disponible en [Parras Farm Stores]. Tolerancia a altas temperaturas. | precio, disponibilidad, posible contaminación del agua | 2.7 |
| Vermiculita [10] | Muy similar a la Perlita, resistente al fuego. | Puede contener amianto [11] | 2.13 a 2.4 |
Puede resultar útil combinar un aislante sólido con algún tipo de relleno suelto [12] o rociado in situ [13]
Depósito de agua
El depósito de agua es bastante pequeño, está pintado con spray de negro y sellado con pegamento de silicona. Algunas ideas de mejora:
- Fabricar o comprar un lavabo más grande.
- Búsqueda de posibles alternativas al lavabo metálico
- Reutilizar un lavabo de color oscuro
- Fabricar un lavabo de cerámica.
- Revestir el lavabo actual con vidrio tintado o azulejo cerámico oscuro.
- : El peso adicional es aceptable para este prototipo de destilador debido al diseño estacionario. Además, el depósito de agua se puede retirar si es necesario el transporte.
- Búsqueda de posibles alternativas al lavabo metálico
- Compra un segundo lavabo idéntico y colócalos uno al lado del otro.
- Quitar pintura en aerosol
- Busque una pintura negra alternativa, no tóxica y con tolerancia a altas temperaturas.
- Si la única opción es una cubeta de metal, busque otras soluciones de oscurecimiento, como patinado o teñido.
- Considere la posibilidad de utilizar un sistema de mecha para extraer agua sin tratar al alambique.
Canal de recogida
Esto podría reemplazarse con metal fabricado, cerámica u otro material con durabilidad a altas temperaturas. Se deben tener consideraciones con respecto a la conductividad del material elegido.
Sujetadores y sellador
Es necesario quitar gran parte del pegamento existente y reemplazarlo con sujetadores más resistentes, como soportes y tornillos. El material elegido disponible en esta región es el sellador de juntas de silicona RTV de alta temperatura.
Actualización del proyecto: semana 8
Semana 6
- Se implementó plomería para el sistema de admisión de agua, incluido un balde de almacenamiento externo y un sistema de válvula de flotador de lavabo.
- Se decidió que el aislamiento fuera de perlita. Visité varios viveros locales en la ciudad y encontré un vivero que puede pedir perlita a granel.
- Visité ferreterías locales en busca de silicona negra para altas temperaturas. No disponible localmente.
- En lugar de eso, compré dos pequeños tubos de sellador rojo de alta temperatura en Home Depot en Torreón.
Semana 7
- Lista de materiales finalizada
- Fui a Home Depot en Torreón a comprar materiales
- El presupuesto propuesto hasta la fecha para destilador es de $100,00 (EE.UU.)
- El dinero gastado hasta la fecha es $35.00 (EE.UU.)
- Pedí perlita en la guardería. Actualmente hay pedidos de dos cubos grandes y deberían llegar el jueves 13/10. Debido a un viaje planeado, se deben recoger el sábado 15/10.
Sistema automático de toma de agua.
- Implementado el domingo 9 de julio de 2006
Fig 1: Válvula de flotador dentro del recipiente de retención externo
Fig 2: Salida del cucharón de retención
Fig 3: Perforación del orificio de entrada del depósito de agua
Fig 4: Instalación de la válvula de flotador del depósito de agua
Fig 5: Prueba del funcionamiento de la válvula de flotador
Fig 6: Extrayendo agua del lavabo para abrir la válvula de flotador
Fig 7: Cuenca de agua en acción
Actualización del proyecto: semana 10
Resumen de artículos comprados
| Descripción | Descripción | Cantidad | Costo (Pesos) | Total |
|---|---|---|---|---|
| Cubeta Multiusos | Balde de 5 galones | 1 | $69.00 | $69.00 |
| Silicio Rojo | Junta Roja Silicio | 2 | $28.50 | $57.00 |
| Valvula 3/4" | Válvula de 3/4" | 2 | $38.50 | $77.00 |
| Unión Por Manguera | Unión de manguera | 3 | $25.00 | $75.00 |
| Flotador #3 Por Tanque | Válvula de flotador para inodoro | 2 | $17.91 | $35.82 |
| Pintura maestra en aerosol | Pintura maestra en aerosol | 1 | $19.00 | $19.00 |
| Tapa Por Cubeta | Top tipo cubo | 1 | $25.00 | $25.00 |
| Manguera Jardin 1/2" 3m | Manguera de jardín de 1/2" 3m | 1 | $16.80 | $16.80 |
| 1 Hoja Triplay 9mm | Una hoja de 3 contrachapados de 9 mm. | 1 | $290 | $290 |
| 1 Hoja Triplay 60cm x 1.80 cm | Una hoja de madera contrachapada triple de 9 mm | 1 | $109 | $109 |
| Barrotitos 1x2x1.46 | Varios 1"x2" | 2 | $10 | $20 |
| Pijas 1/2" | Tornillos | 80 | $.28 | $28 |
| Pijas varias | varios tornillos | 50 | $.35 | $17.30 |
| Cinta Medida 3m | Cinta métrica de 3 m. | 1 | $30 | $30 |
| Colector de agua metale - hecho de encargo | Colector de agua de metal - hecho a medida | 1 | $95 | $95 |
| Total | $935.92 | |||
| Dólares estadounidenses estimados (11,8:1 Pesos:Dólar) | $79.32 | |||
Construcción
Cortando madera con la ayuda de Mari Angel
Medición de las dimensiones internas del marco.
Asegurar el marco interno
Más construcción de marco interno
Agregar plástico negro utilizado para retener el calor.
Recortar tornillos con una amoladora
Medición de las dimensiones de la cubierta aislante.
Cortar plástico para la cubierta aislante.
Ángela a punto de cortar leña.
Asegurar el plástico original (que se retira más tarde)
Listo para presentar pero no listo para usar
Reemplazo del plástico
Completo, menos el glaseado.
¡Casi listo para probar!
Pruebas
Día 1
- Nublado por la mañana. Tormenta de lluvia más tarde en el día.
- Se mojó todo el destilador y se saturó la parte inferior.
- No se evaporó agua.
Dia 2
- Configuración terminada por la mañana.
- Movió el destilador para que mire hacia el sur y maximice la exposición al sol. Debido a esto, el sistema ya no está al alcance del grifo más cercano y el recipiente de almacenamiento tuvo que llenarse manualmente.
- El glaseado no se selló adecuadamente hasta las 5:00 pm.
- El agua se escapaba constantemente y no se producía evaporación.
- Una vez sellado el esmalte, comenzó inmediatamente la evaporación.
- Se destilaron y recuperaron con éxito unos 10 ml de agua.
- Se perdió una cantidad importante de agua porque el tubo de plástico utilizado para recoger las gotas de agua y depositarlas en el colector no estaba completamente sellado al vidrio. Además, la forma circular del tubo puede permitir que las gotas de agua se deslicen y caigan sobre el marco de madera en la parte inferior del esmalte.
- Debido a otros compromisos como clase y almuerzo, las lecturas de temperatura fueron esporádicas. Todos los datos de temperatura tuvieron que descartarse porque el sistema estaba abierto y no retenía calor.
Día 3
- Selló el fondo del depósito de agua para evitar fugas.
- El lavabo no está sellado correctamente en las esquinas inferiores y sigue goteando.
- Conexión de manguera sellada al lavabo mediante cinta de teflón.
- Se agregó más sello de junta a la manguera de goma que se usa para gotear agua en el canal.
- Corte la manguera por la mitad para disminuir la posibilidad de que caigan gotas más allá del recipiente colector.
- Aumentó con éxito la probabilidad de que caiga agua destilada al comedero.
- Selle completamente el esmalte con junta de silicona de alta temperatura y cinta adhesiva.
- La cinta metálica sería una mejor opción, pero después de 3 horas infructuosas de buscar en Parras, la cinta adhesiva era la única opción.
- Destilé una cantidad muy pequeña de agua en las horas de luz restantes.
Día 4
- Día completo de luz solar con algunas nubes.
- Al final del día, se destilaron aproximadamente 500 ml de agua.
- Aspecto del agua destilada: el agua es clara y huele a plástico.
- Prueba de sabor: Jeff Kinzer y Eddie Durán fueron los sujetos. El consenso es que el agua tiene un sabor terrible, a plástico con regusto a algodón.
- Problemas encontrados:
- El depósito de agua sin tratar continuó goteando, provocando separación y deformación de la madera en la zona frontal inferior del destilador.
- Mientras retiraba el vidriado para guardar la unidad, una esquina del vidrio se rompió.
Instrucciones
Usar
- Conecte la manguera de la fuente de agua al balde. Alternativamente, conecte la manguera directamente al sistema. El balde sirve únicamente para proporcionar almacenamiento temporal si la fuente de agua debe desconectarse y usarse para otro propósito.
- Abra el agua y controle el recipiente y el balde a medida que se llenan.
- Espera pacientemente
- Cambie el recipiente de agua limpia cuando esté lleno
Mantenimiento
- Lavar periódicamente el recipiente con agua no tratada.
- glaseado limpio
- Compruebe si hay fugas en la manguera
- Cubrir con lona si llueve.
- Reemplace las válvulas de flotador según sea necesario
- Comprobar sellos de esmalte
- Compruebe las conexiones de las mangueras en busca de fugas y repárelas si es necesario.
Posibles puntos de falla
- Agua acumulada en el fondo del sistema.
- Degradación del sello del esmalte, lo que resultará en una pérdida de eficiencia y aumentará la posibilidad de contaminación de fuentes externas.
- Fuga en la conexión de la manguera
- Degradación del marco de madera por fugas de agua y exposición a los elementos.
Cambios y actualizaciones futuros
- Solucione la falta de coincidencia de roscas : las válvulas de flotador usan una rosca fina, pero los conectores de manguera usan una rosca gruesa. Este desajuste provoca falta de fiabilidad de las conexiones y fugas constantes. Actualmente se han colocado varias vueltas de cinta de teflón para detener la fuga. La mejor solución es un adaptador de rosca o comprar conectores de manguera de rosca fina.
- Construya el sistema con algo que no sea madera, especialmente tableros de partículas : el metal o el cemento pueden resistir mejor que la madera cuando se exponen a la lluvia, el viento y altas cantidades de sol.
- Utilice un método diferente para depositar las gotas de agua condensada en el recipiente colector. El tubo no es completamente eficaz . Una posible solución es un trozo de plástico curvo que vaya desde el borde inferior del esmalte en diagonal hasta el recipiente colector.
- Instale una manguera fácil de conectar/desconectar en la parte trasera del destilador . El sistema debe ser fácil de conectar o desconectar para cualquiera.
- Selle completamente el aislamiento de perlita de la cámara de agua . Actualmente, el polvo de sílice de la perlita triturada está contaminando toda la cámara de evaporación de agua.
Conclusión
lo que tuvo éxito
- Reemplazo del marco interno.
- la adición de plástico negro reutilizado de tanques de almacenamiento de agua defectuosos, como reemplazo de la pintura en aerosol
- Sistema de admisión de agua con válvula de flotador
- Aislamiento de perlita como sustituto del poliestireno
- Tener acceso a herramientas, ayuda y transporte gracias a la anfitriona de Ángela, la familia Madero. Sin ellos este proyecto no habría sido posible implementar.
que falló
- sistemas de entrada de agua
- el cubo con válvula de flotador no es necesario
- Sin embargo, el cubo externo ha sido esencial para las pruebas porque no tenemos una manguera lo suficientemente larga para llegar desde el grifo más cercano hasta el sitio de pruebas.
- Los materiales adicionales también proporcionan una válvula de flotador de repuesto y piezas de manguera adicionales para mantenimiento futuro.
- La rosca no coincide con las uniones de manguera: rosca fina en la válvula de flotador, rosca gruesa en el conector de la manguera.
- fugas en el acoplamiento de la manguera (actualmente se usa cinta de teflón y dispositivo antigoteo)
- El depósito de agua tiene una fuga, los intentos de sellarlo fueron infructuosos.
- El aislamiento no está completamente sellado. La perlita ingresa a la cámara de destilación y las partículas de sílice se depositan en el depósito de agua sin tratar.
- El esmalte es muy difícil de sellar porque el marco de la caja está deformado y continúa deformándose.
- Los intentos de sellar el esmalte con una junta de silicona de alta temperatura tuvieron un éxito parcial.
- Se requiere más silicona para sellar la unidad de la que pudimos comprar.
- Para sellar el esmalte bastaría con cinta metálica. Encontrar la cinta en Parras es difícil y no pudimos encontrar ninguna. Se deben realizar más investigaciones sobre la seguridad del uso de cinta de aluminio en posible contacto con el agua destilada.
Notas finales
Como unidad funcional, este proyecto sólo tuvo un éxito parcial. Hay muchas cuestiones que aún deben resolverse con respecto a la eficiencia, facilidad de uso y mantenibilidad del sistema de destilación. El agua recuperada del destilador no ha sido analizada adecuadamente, pero no es probable que sea mucho más segura para el consumo que el agua original sin tratar.
Como continuación del trabajo del año anterior, el proyecto ha avanzado. Varios componentes, como el sistema de toma de agua, el marco interno, el aislamiento y el canal de recolección, han mejorado enormemente. La adición de una válvula de flotador para permitir la entrada automática de agua resolvió uno de los principales problemas encontrados originalmente. El destilador ya no debe llenarse manualmente y hay muchas menos posibilidades de que el sistema se seque y derrita los componentes internos. El marco interno ahora es más resistente y utiliza plástico negro en lugar de pintura en aerosol para mantener la temperatura interna. El aislamiento de perlita es mucho más resistente al calor que el poliestireno. El recipiente colector está fabricado de metal y no se derrite como lo hacía el recipiente de PVC anterior.
Este proyecto tiene buenas perspectivas de mejorar significativamente en los próximos años. El próximo grupo que trabajará con el destilador solar tendrá dos años de experiencia para aprovechar el diseño e implementación del sistema que algún día podría proporcionar agua potable a la Universidad Tecnológica Coahuila en Parras de la Fuente.
Referencias
Destilación solar
- Wikipedia: destilación solar
- http://www.solaqua.com/solstilbas.html#cap
- https://web.archive.org/web/20061010224651/http://www.wot.utwente.nl/documents/publications/1990_ssadc/ssadc/chapter3.htm
- Destilación Solar en Parras 2005 (no disponible online)
Antecedentes de destilación
- https://web.archive.org/web/20120915003611/http://www.nsf.org:80/consumer/drinking_water/selecting_dwtu.asp?program=WaterTre
- https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_Effect http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_Effect
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/grnhse.html#c1
Perlita
- http://www.perlita.info
- https://web.archive.org/web/20121127174713/http://www.perlite.org:80/perlite_info.htm
- Wikipedia: perlita
vermiculita
Amianto
Aislamiento
