Diseño y construcción de un purificador de agua sustentado con energía solar

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U.E. Morero
2014
Caterin Muñoz Cancian
5to año sección B

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Diseño y construcción de un purificador de agua sustentado con energía solar

  1. 1. i República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación U. E. Maestro Orlando Enrique Rodríguez San Francisco, Estado Zulia. 2° año en Ciencias “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PURIFICADOR DE AGUA SUSTENTADO CON ENERGÍA SOLAR” Tutor de Contenido: Ing. Mecánico Jendrix Quiróz Ing. Química Julexy Urdaneta San Francisco, Junio de 2014 Integrantes: Atencio Windi Ávila Endimar Muñoz Cáterin Piña Wilkary Quiróz Jessika Rangel Juleimmy Ruiz Inés Serrano Miguel Vera Kenel Vera Kenel Tutor Metodológico: Licdo. Alfonso Vivas
  2. 2. ii DEDICATORIA Al creador de todas las cosas, que nos ha dado fortaleza para continuar cuando a punto de caer hemos estado; por ello, dedicamos primeramente nuestro trabajo a Jehová Dios. De igual forma, a nuestras madres por apoyarnos en todas las decisiones tomadas y por sus consejos, sus valores, por la motivación constante, y por su amor. A nuestros padres por los ejemplos de perseverancia y constancia que nos han infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante y su amor. A nuestros profesores, por guiarnos durante el proceso de aprendizaje, gracias por su tiempo, por su apoyo así como por la sabiduría que nos transmitieron en el desarrollo de nuestra formación integral. A nuestros familiares y amigos en general, por animarnos cuando más lo necesitamos, y permitirnos formar parte de sus vidas.
  3. 3. iii RECONOCIMIENTO Máximamente a Jehová Dios por guiarnos y darnos la sabiduría necesaria para tomar buenas decisiones. A nuestros padres, madres y hermanos por ser tan amorosos y comprensivos, por siempre habernos dado su apoyo incondicional y porque nos han ayudado a llegar hasta donde estamos ahora. Destacamos, por encima de todo, su disponibilidad y paciencia que hizo que nuestras metas y objetivos se cumplieran. A nuestros profesores, nuestros tutores, a quienes les debemos gran parte de nuestros conocimientos, gracias a su guía, paciencia y enseñanza. De manera especial y sincera al profesor Alfonso Vivas, a la profesora Mayerling Contreras, y a nuestra asesora Nelly Cancian; ya que su apoyo y confianza en nuestro trabajo y su capacidad para guiar nuestras ideas ha sido un aporte invaluable, no solamente en el desarrollo de esta tesis, sino también en nuestra formación como bachiller. A todos los que de alguna u otra forma colaboraron con la realización de esta investigación, las instituciones pertinentes, por las colaboraciones recibidas para la obtención de información. También gracias al Centro de Ciencias Condesti por todos los comentarios que enriquecieron este trabajo, ya que durante la realización del mismo se nos animó y apoyó sustancialmente. Gracias a todas las personas que ayudaron directa e indirectamente en la realización de este proyecto.
  4. 4. iv ÍNDICE GENERAL Dedicatoria.......................................................................................................... ii Reconocimiento.................................................................................................. iii Índice general..................................................................................................... iv Lista de cuadros tablas....................................................................................... vi Resumen............................................................................................................ vii Introducción........................................................................................................ 1 CAPÍTULO I. El Problema................................................................................. 3 1.1. Planteamiento del problema........................................................................ 3 1.2. Formulación del problema........................................................................... 3 1.3. Objetivos de la investigación...................................................................... 4 1.4. Justificación................................................................................................ 4 1.5. Delimitación del problema.......................................................................... 5 CAPÍTULO II. Marco Teórico............................................................................ 5 2.1. Antecedentes de la investigación.............................................................. 5 2.2. Bases teóricas............................................................................................ 6 2.3. Sistema de variables................................................................................. 12 2.4. Bases legales............................................................................................ 13 2.5. Definición de términos básicos.................................................................. 13 2.6. Hipótesis.................................................................................................... 14 2.7. Cuadro de operacionalizacion de variables............................................... 14 CAPÍTULO III. Marco Metodológico.................................................................. 15 3.1. Tipo de investigación.................................................................................. 15 3.2. Diseño de la investigación.......................................................................... 15 3.3. Población.................................................................................................... 15 3.4. Muestra....................................................................................................... 15 3.5. Instrumentos de recolección de datos........................................................ 15 3.6. Materiales................................................................................................... 16 3.7. Metodología experimental.......................................................................... 16 3.8. Pruebas experimentales................................................................... ......... 18 3.9. Tabulación de datos............................................................................ ....... 18
  5. 5. v CAPÍTULO IV. Resultados de la investigación.................................................. 19 4.1. Interpretación o discusión de los resultados............................................... 19 4.2. Conclusiones............................................................................................... 21 4.3. Recomendaciones....................................................................................... 22 Referencias Bibliográficas.................................................................................. 23 Anexos............................................................................................................... 26
  6. 6. vi Índice de cuadros y tablas Tabla 1: Tipos de agua................................................................................. Pág. 8 Tabla 2: Parámetros de calidad del agua..................................................... Pág. 9 Tabla 3: Tabla de Operacionalización.......................................................... Pág. 14 Tabla 4: Resultados de la Primera Fase de la Prueba Experimental........... Pág. 19 Tabla 5: Resultados del Análisis Microbiológico........................................... Pág. 20 Tabla 6. Resultados de la Calidad del Agua................................................. Pág. 20
  7. 7. vii Atencio Windi, Avila Endimar, Muñoz Cáterin, Piña Wilkary, Quiroz Jessika, Rangel Juleimmy, Ruiz Inés, Serrano Miguel, Vera Kenel. Diseño y construcción de un purificador de agua sustentado con energía solar. U. E. Maestro Orlando Enrique Rodríguez. Maracaibo. 2014. RESUMEN Debido a la explotación demográfica, la sobreexplotación de los mantos acuíferos, además de la contaminación de los cuerpos de agua, el acceso y distribución del agua potable es cada vez más inaccesible, sobre todo en zonas con estrés hídrico, como lo es el Municipio San Francisco; ante esta problemática pocas soluciones han sido propuestas, y las que han sido desarrolladas son insuficientes. Aunado a esto la mayoría de las soluciones no son sustentables ni amigables con el ambiente, con esto en mente y consientes de la energía que consumimos y agotamos, nace la necesidad de una propuesta eficiente y conscientemente ecológica. La radiación solar es una alternativa de purificación al uso de productos químicos en muchas aplicaciones de tratamiento de aguas potables y residuales. Provee desinfección efectiva, siendo a su vez un medio de purificación ecológico. A través de esta investigación se presenta información práctica acerca del diseño del purificador de agua, su operación y mantenimiento. Este se instalará en una superficie que constantemente reciba radiación solar, por lo que va a concentrar el calor y a aumentar la temperatura en el interior de la caja, generando la evaporación. A diferencia de la ebullición, este proceso se produce a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada es aquélla. Al elevarse y entrar en contacto con la tapa se condensará y descenderá por la pendiente la gota “purificada”, la cual llegará al filtro para luego pasará por la canaleta y de ahí a través de la manguera llegará al recipiente. Palabras claves: Agua, Purificación, Radiación, Solar.
  8. 8. 1 INTRODUCCIÓN Aunque se habla mucho de la importancia del agua, no hay una verdadera conciencia social sobre el cuidado que debemos tener para no desperdiciarla, la falta de concientización sobre las implicaciones que conlleva el desperdicio de agua pareciera no importarle a mayoría de la población que goza del servicio de agua, sin tener en cuenta que una gran cantidad de la población no dispone de una red de distribución de agua potable. Otro elemento importante para considerar es la contaminación del agua y la falta de difusión de técnicas de purificación de la misma. Esto provoca que sean contados los lugares donde se aprovecha de forma eficiente los beneficios que nuestras condiciones climáticas nos aporta, el aprovechamiento de la energía solar para estos fines. Actualmente en nuestro país como en todo el mundo, existe el problema de escasez y contaminación del agua, por la importancia que esta tiene en nuestras vidas es fundamental el desarrollo de tecnología amigable con el ambiente. Por lo tanto debemos buscar a la brevedad una solución viable para este problema, es decir, solucionarlo de una forma más natural o limpia, aprovechando principalmente los recursos renovables más abundantes, como sería el caso de la radiación que nos entrega el Sol, ya que esta puede ser utilizada todos los días del año y en algunas regiones se presenta en niveles elevados. La depuración del agua contaminada para consumo humano consiste en retirar de una manera u otra los contaminantes que esta contiene. Eliminarlos implica la utilización de algún tipo de tratamiento, generalmente en la mayoría de los casos con procesos químicos, entre otros, así mismo un costo económico relacionado con el grado de contaminación del agua y el objeto de la purificación. Por lo menos el 20% de la población mundial no posee agua fresca para beber y ello deriva en muertes por la ingesta de agua contaminada. Ante esto hemos desarrollado un dispositivo capaz purificar agua haciendo uso de la radiación solar como fuente de energía. El ingenioso dispositivo puede ser llenado hasta con 3 litros de
  9. 9. 2 agua y al ser expuesto al sol entre dos y seis horas, permite a personas de escasos recursos obtener agua segura para beber. Este dispositivo permite reducir las emisiones de contaminantes en esas comunidades pobres. Lo significa un gran aporte a la conservación ambiental, aunado a esto promueve la conciencia ecológica y es una forma de aprovechar la energía solar, la cual es lo suficientemente sustentable y amigable con el ambiente, sin mencionar los beneficios socioeconómicos que traería a la comunidad. Nuestro proyecto plantea una estructura que permitirá ahorrar los procesos relacionados con la eliminación de sustancias, empleando el método de purificación natural por excelencia, es decir, la evaporación, además se emplea las propiedades del carbón activado y la zeolita, a través de un filtro cuya función es remover los contaminantes del agua por medio de la absorción. Se emplea habitualmente para remover cloro, sabores y olores y demás químicos orgánicos. La recolección de información ha sido cuantiosa y se ha repartido en cuatro capítulos, el primer capítulo habla sobre la necesidad imperativa de un tratamiento para purificación de agua potable; continuando con el segundo capítulo que explica teóricamente los procesos utilizados para comprobar la hipótesis; en el tercer capítulo se efectúa la ejecución de los objetivos, en este caso realizando las pruebas experimentales; y concluyendo con el cuarto capítulo en el cual se expresan finalmente los resultados obtenidos.
  10. 10. 3 CAPITULO I. EL PROBLEMA 1.1. Planteamiento del problema En el mundo actual, uno de los principales problemas del hombre es la contaminación del agua y en su consecuencia, la escasez de la misma; otro problema es que aunque la calidad del agua potable ha mejorado significativamente a lo largo de los años a causa de mejores prácticas de evacuación de aguas residuales y avances en el desarrollo de protección y tratamiento de los suministros de agua; no obstante, estas mejoras están siendo amenazadas por las presiones de una población creciente y una infraestructura trabajada envejecida. A pesar de las muchas mejoras, las enfermedades de origen hídrico continúan produciéndose a niveles elevados, pero más importante aún, debido al hecho de que cada 20 años se duplica el consumo mundial de agua, el agua potable es un recurso invaluable que está desapareciendo. En nuestro país, la poca abundancia del agua potable ha causado gran número de incidentes relacionados con la salubridad, accesibilidad y economía, inconformidad social y además el factor contaminante que implica adquirir el agua tratada. Ahora bien en nuestra comunidad, se presentan casos de enfermedades por infecciones e intoxicaciones, ya que gran parte de la población no cuentan con los recursos económicos necesarios para obtener agua apta para el consumo humano. De modo que, como consecuencia del calentamiento global, el medioambiente se ve afectado, siendo prueba de ello la misma contaminación de aguas superficiales y subterráneas, dicha contaminación supera la capacidad de los ecosistemas, siendo de esta manera necesario hallar soluciones más viables y ecológicas para solventar este inconveniente. 1.2. Formulación del problema Con relación al planteamiento realizado ¿Será posible purificar el agua contaminada mediante el desarrollo de un prototipo para tratamiento de agua, utilizando la radiación solar?
  11. 11. 4 1.3. Objetivos de la investigación 1.3.1. Objetivos específicos: Diseñar un prototipo purificador de agua sustentado con energía solar. 1.3.2. Objetivos Específicos:  Diseñar un instrumento purificador de agua cruda.  Construir el prototipo purificador.  Ejecutar el procedimiento de purificación.  Efectuar el análisis microbiológico del agua purificada. 1.4. Justificación de la investigación En la actualidad alrededor de 18% de la población mundial no cuenta con fuentes confiables de agua potable y existe un alto índice de mortalidad por enfermedades gastrointestinales relacionadas al consumo de agua contaminada, sobre todo en la población infantil. La finalidad de esta investigación es proporcionar una alternativa confiable, económica y ecológica para el tratamiento del agua contaminada, evidenciando que se puede usar la energía solar como fuente para la purificación de la misma, de modo que se genere mayor conciencia y difusión de esta y otras técnicas. Esta investigación pretendió solucionar el malestar social, que en distintos aspectos acarrea la escasez del agua potable a través del diseño y construcción de un prototipo purificador de agua que adquiriera la mayor calidad de agua potable, de una fuente económicamente factible. 1.5. Delimitación de la investigación Se demostró la purificación del agua a través de la utilización de la energía solar por un periodo comprendido entre Octubre de 2013 hasta Mayo del 2014; la investigación se llevó a cabo en el Municipio San Francisco, Parroquia Los Cortijos, Urbanización Los Samanes.
  12. 12. 5 CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes de la investigación  Aguilar Arguelles, Norma. (2011): Desarrollo de un destilador solar con lentes Fresnel. Sus objetivos fueron desarrollar un destilador solar para agua cruda, analizando los tipos de destiladores de agua, diseñando un prototipo de destilador solar de agua y analizando la calidad del agua tratada. A través de una investigación de diseño experimental, se dedujo que, el diseño del destilador solar construido fue totalmente funcional para destilar agua, siendo capaz de evaporar agua de una mezcla de agua-sal, generando 745 ml/hr de agua destilada. El agua destilada se captó con cierta calidad de pureza, permitiendo el uso de energía solar en lugar de energía no renovable.  Fontecha, Ruben D., Lizarazo Harbey A. (2007): Diseño y construcción de un equipo de destilación para la extracción de aceites esenciales, usando los métodos de hidrodestilación, arrastre con vapor y destilación agua / vapor. Sus objetivos fueron, diseñar y construir un equipo de destilación, un condensador y un recipiente recolector que trabajaran bajo los métodos de hidrodestilación, arrastre con vapor y destilación agua/vapor de tipo cartucho desmontable con capacidad para 50. Kg de material vegetal; así como la elaboración de sus respectivos planos. Siendo el objeto de la planta piloto conocer y determinar las variables de proceso que se deben controlar y que deben a su vez tomarse en cuenta para diseñar equipos de destilación, de tal forma que sean los más adecuados para dicho proceso. Trabajando con una metodología experimental, se logró demostrar la viabilidad técnica de la construcción de la planta piloto para la destilación de aceites esenciales.  Ríos Ariola, Luis R. (1999): Estudio sobre la utilización y almacenaje de la energía solar, precauciones y mantenimiento en los sistemas fotovoltaicos. Utilizando un método de investigación descriptivo correlacional, sus objetivos son estudiar la utilización y almacenaje de la energía solar, indagar sobre las precauciones y el mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos, proporcionando
  13. 13. 6 información que sirva de guía para la utilización de estos sistemas. A través de la realización del trabajo de tesis se determinó que la utilización de un sistema fotovoltaico, resulta bastante rentable a largo plazo, por el reducido mantenimiento que requiere, además por no utilizar ningún tipo de combustible para su funcionamiento. Solo siendo necesario el mantenimiento en dos ocasiones al año. 2.2. Bases Teóricas 2.2.1. El agua El agua es una sustancia transparente, inodora e insípida, que se encuentra en estado liquido a temperatura y presión estándar. Su composición molecular es de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. En realidad el agua es una sustancia de propiedades poco frecuentes, que la diferencian mucho tanto física como químicamente de la mayoría de los líquidos corrientes. Es el compuesto más abundante en los organismos vivos, ya que constituye el 70 a 90 por ciento del peso de la mayor parte de las formas de vida (Lehninger, 1991). 2.2.2. Importancia del agua El agua es un recurso indispensable para los seres vivos y para los humanos. Su importancia estriba en los siguientes aspectos:  Es fuente de vida, sin ella no pueden sobrevivir las plantas, los animales y el ser humano.  Es indispensable en la vida diaria. En la casa para lavar, cocinar, beber, lavar ropa, etc.  Uso industrial, fabricar alimentos, limpieza, generar electricidad, etc.  Uso agrícola para irrigar los campos.  Uso ganadero para dar de beber a los animales.  Uso medicinal para curar enfermedades por medio de las aguas termales.
  14. 14. 7 2.2.3. Componentes del agua  Conductividad. Es la medida de la capacidad del agua para conducir electricidad. Está relacionada con la cantidad total de sales disueltas en el agua y nos permite tener una idea sobre la calidad de la misma.  PH. Es una medida de la acidez o alcalinidad del agua. El pH indica la concentración de iones hidrogeno presentes en la composición del agua. El PH del agua debe estar entre 6,5 y 8,5. El agua con un nivel de pH menor a eso se considera ácida y si es mayor a7, 0 se considera alcalina o base.  Dureza. Se denomina dureza del agua a la concentración de compuestos minerales que hay en una determinada cantidad de agua, en particular sales de magnesio y calcio. Son éstas las causantes de la dureza del agua, y el grado de dureza es directamente proporcional a la concentración de sales alcalinas.  Alcalinidad. Es la medida de la capacidad del agua para neutralizar ácidos.  Cloruros. Generalmente forma sales muy solubles. El sodio es uno de los iones que siempre está presente en el agua, conjuntamente con los bicarbonatos y sulfatos y es uno de los responsables directos de la salinidad del agua.  Nitratos. La presencia de nitratos en el agua cada día es mayor debido a la contaminación industrial y al uso agrícola de fertilizantes.  Oxigeno. Generalmente es indispensable, permite la sobrevivencia de los animales y plantas acuáticas.
  15. 15. 8 2.2.4. Tipos de agua. Tomando en cuenta el manual de operación de mantenimiento de planta de tratamiento de agua, OPS/CEPIS (2002), la calidad del agua se relaciona directamente con las características que esta posee, pero estas dependen de la cantidad y tipo de impurezas que en ella se encuentran. La caracterización permite la selección del agua que represente la menor dificultad en el tratamiento de la purificación. En la tabla 1 se muestran ciertos tipos de agua con mayor posibilidad de tratamiento de purificación.
  16. 16. 9 2.2.5. Parámetros de la calidad del agua apta para consumo humano. PARÁMETRO AGUA TRATADA VALORES LÍMITES NOM-127-Ssa1-1994 pH 6.81 6.5-8.5 Turbiedad (UNT) 1.1 5.0 Dureza (mg CaCO3/L) 65.65 500.00 SDT (mg/L) 101.4 1000.0 Coliformes Totales (NMP/100ml) 5 2 Coliformes Fecales (NMP/100ml) <2 No detectable Nitratos (mg/L N-NO3) 0.260 10.000 Nitritos (mg/L N-NO2) 0.013 0.050 N-amoniacal (mg/L N-NH3) 0.14 0.5 Aluminio (mg/L) No detectado 0.2 Cadmio (mg/L) <0.02 0.005 Cobre (mg/L) <0.03 2.00 Cromo (mg/L) <0.06 0.05 Cloro residual libre (mg/L) 0.20-1.5 Tabla 2. Valores para el agua tratada y valores límites para el agua tratada. Fuente: OMS (Organización Mundial de la Salud). 2.2.6. Sistemas de purificación del agua  Sedimentación. La sedimentación consiste en dejar el agua de un contenedor en reposo, para que los sólidos que posee se separen y se dirijan al fondo.  Desinfección. Se refiere a la destrucción de los microorganismos patógenos del agua ya que su desarrollo es perjudicial para la salud. Se puede realizar por medio de ebullición que consiste en hervir el agua durante 20 minutos y
  17. 17. 10 para mejorarle el sabor se pasa de un envase a otro varias veces, proceso conocido como aireación, después se deja reposar por varias horas y se le agrega una pizca de sal por cada litro de agua. Cuando no se puede hervir el agua se puede hacer por medio de un tratamiento químico comúnmente con cloro.  Destilación. Es la operación de separar, mediante la evaporización y condensación, los diferentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechan los diferentes puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias ya que es una propiedad intensiva de cada sustancia.  Filtración. La filtración es el proceso de separar un sólido del líquido en el que está suspendido al hacerlos pasar a través de un medio poroso (filtro) que retiene al sólido y por el cual el líquido puede pasar fácilmente. Se emplea para obtener una mayor clarificación, generalmente se aplica después de la sedimentación para eliminar las sustancias que no salieron del agua durante su decantación. 2.2.6.1. Destilación simple. La destilación es el método más utilizado para separar y purificar mezclas y líquidos. Tiene innumerables aplicaciones en la industria y en laboratorio, el más común es la destilación simple, en esta los vapores producidos son inmediatamente canalizados hacia un condensador el cual los refresca y los condensa. 2.2.6.2. Procesos físicos de la destilación Para que ocurra la destilación es necesario que se lleven a cabo dos fenomenos físicos, la evaporación y la condensación. 2.2.6.3. Gránulos para filtración de agua. Los filtros se encuentran divididos por diferentes secciones de gránulos, estos tienen diferentes tamaños, espesores y funciones. Entre ellos, el de mayor estimación es el Carbón Activado Granular, que es un material que se utiliza para filtrar químicos y microorganismos nocivos del suelo y el agua contaminados. Su estructura y propiedades le permiten adsorber específicamente aquellos químicos peligrosos que se encuentran en el agua a tratar.
  18. 18. 11 2.3. Radiación Solar La energía que emite el sol o radiación solar, recibida en la superficie terrestre, es la fuente de casi todos los fenómenos meteorológicos y de sus variaciones en el curso del día y del año. Se trata de un proceso físico, por medio del cual se transmite energía en forma de ondas electromagnéticas, en línea recta, sin intervención de una materia intermedia, a 300.000 km por segundo. Cuando esta radiación alcanza el límite superior de la atmósfera está formada por rayos de distinta longitud de onda:  Los rayos ultravioletas: no son visibles y tienen muy pequeña longitud de onda.  Los rayos luminosos: son los únicos visibles; su longitud de onda corresponde al violeta y al rojo.  Los rayos térmicos o caloríferos: tampoco son visibles y su longitud de onda es mayor de 0,76 micrones. Son los rayos infrarrojos. El valor de la radiación solar para un cm cuadrado, expuesto perpendicularmente a los rayos solares en el límite superior de la atmósfera, es de dos calorías por minuto, aproximadamente. Este valor se llama Constante Solar. 2.4. Lentes solares Fresnel Elemento óptico, plano por una cara y con una serie de anillos concéntricos de sección triangular convexa por la otra. Refracta la luz tanto como lo haría una superficie convexa muy marcada. Proporciona iluminación uniforme, sin pérdidas por los bordes, aunque en las imágenes que forman son visibles los anillos y por eso se emplea sobre todo en focos y pantallas de enfoque. A continuación una descripción más detallada sobre el funcionamiento de estos lentes:  Utilizan las leyes de la refracción para concentrar la luz mediante prismas o lentes.  Consiste de un conjunto de lentes, casi todas prismas, que convierten la luz proveniente de una fuente puntual en una colección de rayos paralelos.  Los rayos de luz que llegan paralelos al eje óptico tienden a concentrarse en un punto o foco.
  19. 19. 12  Concentran la radiación solar sobre receptores térmicos estacionarios.  La luz recibida por una Lente de Fresnel, puede dirigir el 80% de la luz de la fuente hacia el observador, diferencia significativa si, se compara con otros tipos de lentes.  Como otro concentrador cualquiera, concentran la radiación solar sobre el receptor para incrementar la temperatura de trabajo  Se diseñan para una temperatura de trabajo entre 80ºC y 300ºC, con una eficiencia total promedio anual entre el 40 y 50%  La eficiencia depende mucho del ángulo de incidencia. 2.5. Sistema de Variables Variable independiente: Radiación solar. Variable dependiente: Purificador de agua. 2.5.1. Definición conceptual y operacional de las variables:  Definición conceptual de la variable independiente: La radiación es el flujo de energía recibida desde el Sol en forma de ondas electromagnéticas de distintas frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). Casi la mitad de la radiación solar que recibe nuestro planeta, pueden ser detectadas por el ojo humano, constituyendo lo que conocemos como luz visible. La otra mitad, mayormente está situada en la parte infrarroja del espectro y una pequeña parte en la ultravioleta (Agencia Estatal de Meteorología AEMET, 2013)  Definición conceptual de la variable dependiente: La purificación del agua con energía solar es un tratamiento que utiliza un proceso físico de destilación, de modo que al exponer el agua lo suficiente a los rayos solares es posible eliminar bacterias y parásitos, separando cualquier sedimento, naturalmente los gases y/o minerales que contenga el agua (Ken Jorgustin, SODIS, 2012).  Definición operacional de las variables: En Venezuela los tratamientos para purificar el agua contaminada no son muy efectivos; por ello el método de destilación mediante el uso de lentes que funcionan como captadores de rayos solares, es una de las mejores opciones en tratamiento si lo que se quiere lograr es cierto grado de calidad suficiente para el consumo humano. En el purificador los
  20. 20. 13 lentes funcionan concentrando los rayos solares, de modo que se intensifique la temperatura del agua logrando la evaporación de la misma. 2.6. Bases Legales Los aspectos regulatorios del servicio de agua potable y saneamiento en Venezuela son aún muy incipientes, y de hecho no existen “modelos” específicos para la regulación del servicio en ningún área. Hace falta por ejemplo crear la instancia que se encargue de la regulación de los aspectos económico-financieros y de velar por que se garanticen los deberes y derechos de la calidad de agua, por los entes operadores del servicio y de los clientes, respectivamente. 2.7. Definición de términos básicos  Evaporación: Es un proceso físico en el que un líquido o un sólido se convierte gradualmente en gas. Considerando que en este proceso el agua se calienta al absorber energía calórica del sol, suponiendo que la fuente de energía es el sol y que esto permite culminar la fase. La energía necesaria para que un gramo de agua se convierta en vapor es de 540 calorías a 100 °C valor conocido cómo calor de evaporación (King, 1988).  Condensación: Es un cambio de estado de la fase vapor a la fase líquida. El vapor que condensa puede ser vapor puro, una mezcla de vapores no miscibles o un vapor mezclado con un gas (el gas no condensará). Dicho de otra manera es el fenómeno inverso de la vaporización (Pedro R., 2000).  Energía: En física se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía se refiera a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para extraerla, transformarla, y luego darle un uso industrial o económico. Es un bien intermedio que permite satisfacer otras necesidades en la producción de bienes y servicios (Valeriano, 2006).  Radiación: Es la emisión, propagación y transferencia de energía en cualquier medio en forma de ondas electromagnéticas o partículas. Una onda electromagnética es una forma de transportar energía; por ejemplo, el calor que transmite la luz del sol (Foro de la Industria Nuclear Española, 2013).
  21. 21. 14 2.8. Hipótesis Mediante el desarrollo de un prototipo de purificación que hace uso de energías alternativas como la radiación solar, es posible depurar el agua adquiriendo cierto grado de pureza, eliminando todo tipo de sustancias disueltas en ella incluyendo los microorganismos y otros contaminantes que serán separados a través de la evaporación. 2.9. Cuadro de Operacionalizacion de las Variables. Obj. General: Diseño y construcción de un purificador de agua alimentado con energía solar. Obj. específicos Variable Dimensiones Indicadores 1.- Diseñar un instrumento purificador de agua cruda. Purificador de agua.  Destilador de agua  Diseño del prototipo en papel  Diseño del prototipo en el programa “Paint”. 2.- Construir el prototipo purificador. Radiación solar.  Prototipo  Laminas de Hierro galvanizado.  Tubos de PVC  Lente solar Fresnel  Bisagras  Embudo plástico  Manguera de plástico 3.- Ejecutar el procedimiento de purificación. Radiación Solar  Experimento  Prueba de funcionalidad se expone al sol y se añaden 3 litros de agua de la llave o grifo además 150 gramos de sal común en el purificador, hasta obtener algún resultado. 4.- Efectuar el análisis microbiológico del agua purificada. Purificador de agua.  Evaluación microbiológica.  Bacterias Coliformes  Totales Bacterias  Coliformes Fecales  Escherichia Coli  Pseudomona Aeruginosa Tabla 3. Tabla de operacionalizacion de las variables.
  22. 22. 15 CAPÍTULO III. METODOLOGÍA 3.1. Tipo de investigación Esta investigación es considerada de tipo aplicada ya que su propósito fue tratar el agua contaminada por medio de un purificador que hace uso de energías alternativas, en un tiempo relativamente corto, comprendido entre 3 y 5 meses. A este respecto, se centró en exponer ¿Cómo se purifica el agua con energía solar? Y ¿qué métodos se utilizarán para lograrlo?, por lo que supone una investigación explicativa. 3.2. Diseño de la investigación Debido a que en esta investigación se pretendió explicar con datos empíricos el procedimiento de purificación de agua mediante procesos físicos como evaporación y condensación con el uso de lentes que funcionan como concentradores de energía solar, se reconoce como una investigación de campo con doble diseño experimental y expost-facto, ya que no se ejerce control sobre la variable independiente. 3.3. Población Estableciendo las unidades de análisis, sujetos u objetos a ser medidos, la población procedida a estudio fue el agua cruda del Municipio San Francisco. 3.4. Muestra Se eligió una porción de la población ya establecida, con el propósito de puntualizar el objeto de investigación, esta fue el agua de grifo. 3.5. Instrumentos de recolección de datos Como instrumento de recolección de datos, se utilizó una Tabla de clasificación de la calidad del agua, según la clasificación de la Organización Mundial de la Salud (OMS), esta contiene como indicadores de la calidad del agua: los Sólidos Suspendidos Totales, que es la cantidad total de sólidos disueltos en el agua. Se mide en partes por millón (ppm); y la Medición de Sustancias Químicas encontradas en el agua, que es el cálculo de sustancias químicas para evaluar la conformidad con los valores de referencia aplicados a los procedimientos de materiales y productos químicos.
  23. 23. 16 3.6. Materiales Se emplearon láminas de hierro galvanizado de calibre 16, recubiertos con resina Epoxica, para el cuerpo del condensador. 3 Tubos de plástico de 2”, 2 bisagras, 1 embudo plástico, 1 manguera plástica, ensamblados como tubo de llegada de agua cruda y salida del agua purificada. 1 Lámina de hierro galvanizado calibre 18 para el sistema de soporte del lente solar Fresnel. 3.7. Metodología Experimental. Construcción del prototipo Aun cuando se analizaron varios tipos de purificadores, el prototipo se diseñó y construyó sin tener como base un modelo físico existente. Por consiguiente, el cuerpo del prototipo-purificador se compone en principio de tres secciones: 1. Sistema de calentamiento solar 2. Condensador 3. Sistema de salida del destilado. 3.7.1. Primera sección. Sistema de calentamiento solar. El sistema de calentamiento solar está integrado por 1 lente Fresnel, y un sistema de soporte para el lente con marco de hierro galvanizado. a) Lentes Fresnel. Tamaño: 37,68cm forma del rayo: lineal, tamaño del rayo: 10cm x 2,5cm, peso: 700gm, distancia focal 0.90m, siendo esto una característica de poder de calentamiento. La lente Fresnel con estas características alcanza los 90 a 100°C, sobre la superficie del evaporador. b) Sistema de soporte. El sistema de soporte se conforma de un marco de hierro galvanizado, recubierto con resina Epoxica (anticorrosivo), este porta la lente de 37,68cm de circunferencia; el marco se encuentra soportado con bisagras a una de las paredes del condensador. Sistema de calentamiento: Lente Fresnel, lámina de hierro y bisagras.
  24. 24. 17 3.7.2. Segunda sección. Condensador. El condensador tiene una forma rectangular, que provee espacio para contener tanto el agua como la disgregación de vapor, fabricado con láminas de hierro galvanizado calibre 16, recubierto con resina Epoxica como anticorrosivo. El condensador a su vez contiene un filtro que forma parte del sistema de salida. 3.7.3. Tercera sección. Sistema de salida del destilado El sistema de salida del destilado es un embudo de plástico conectada a una manguera. Se encuentra soldado a la pared exterior del condensador. Su función, es la de recibir el liquido condensado proveniente de la tapa del condensador, pasando a través del filtro, este consiste en un recipiente o columna rellena de gránulos de Carbón activado granular. A medida que el agua fluye a través del filtro, los químicos se adsorben o se adhieren a la superficie y dentro de los millones de microporos de los gránulos, luego el agua purificada sale a través de una manguera, colocada en el extremo inferior del filtro. Sistema de salida: Filtro, embudo y manguera. Condensador: Láminas de hierro galvanizado y resina epóxica.
  25. 25. 18 3.8. Pruebas experimentales Finalizado el prototipo de purificador solar, se integraron todas las partes del mismo. Concluido el armado se prosiguió a probar el prototipo. Las pruebas experimentales fueron llevadas a cabo en un día muy soleado. La evaluación preliminar constó de dos fases, la primera fase consistió: en una prueba de funcionalidad y calidad del destilado. La segunda fase comprendió del análisis microbiológico y la clasificación del agua según la tabla de clasificación de la calidad de agua. 3.8.1. Primera fase En esta fase se llevo a cabo la prueba de funcionalidad del equipo, de modo que, para calentar el agua, se obtuvo la energía térmica por medio del lente solar, luego se procedió a colocar 3 litros de agua de la llave o grifo además 150 gramos de sal común en el purificador, y dejar expuesto durante cierto tiempo a los rayos del sol hasta obtener algún resultado. 3.8.2. Segunda fase En esta fase se procedió a llevar una muestra del agua purificada obtenida a un laboratorio para realizarle un análisis microbiológico. La verificación de la calidad microbiológica del agua conlleva el análisis de microorganismos indicadores de contaminación fecal.
  26. 26. 19 La verificación conlleva el análisis del agua de origen (el agua en los sistemas de distribución en los hogares), y del agua inmediatamente después de ser purificada. La verificación de la calidad microbiológica del agua de consumo incluye el análisis de la presencia de Escherichia coli, un indicador de contaminación fecal. De igual manera, se procedió a realizar la comparación de la clasificación del agua destilada obtenida, según la tabla de clasificación de la calidad de agua. 3.9. Tabulación de datos Luego de realizar los procedimientos de purificación, los datos obtenidos fueron recopilados sistemática y ordenadamente para dar paso al análisis de los resultados, estos fueron acopiados en tablas para su mejor observación.
  27. 27. 20 CAPÍTULO IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN 4.1. Interpretación o discusión de los resultados 4.1.1. Prueba experimental de la calidad del condensado. Resultados de la Primera Fase de las Pruebas Experimentales. Tabla 4. Resultados del procedimiento de purificación. Observación: La prueba de calidad del condensado consistió en catar el líquido purificado, de modo qué, se colocó el prototipo purificador a las 12:00 del mediodía tiempo inicial del proceso con una temperatura del agua de la llave de 26°C, transcurrido un tiempo se comenzó a observar evaporación del agua, exactamente a las 12:34 del mediodía con una temperatura de 99°C, y no fue hasta pasados 8 minutos que se comenzó a observar salir líquido del purificador y después de una hora y 11 minutos, se obtuvieron 245 ml/hr de agua purificada, finalmente se prosiguió a catar el agua, y ésta se encontró sin sabor alguno.
  28. 28. 21 Resultados de la Segunda Fase de las Pruebas Experimentales. RESULTADOS DEL ANÁLISIS MICROBIOLÓGICO Indicadores Agua de origen Agua purificada con energía solar Bacterias Coliformes Totales UFC/100ml Menor de 40. No contiene. Bacterias Coliformes Fecales UFC/100ml Menor de 30. No contiene. Escherichia Coli UFC/100ml Menor de 40. No contiene. Pseudomona Aeruginosa UFC/100ml No contiene. No contiene. Tabla 5. Resultados del análisis microbiológico. Observación: Los parámetros encontrados en las muestras analizadas en comparación con los valores límites de la calidad del agua potable, sugieren que el agua purificada con energía solar posee cierta calidad de pureza, siendo apta para el consumo humano. Resultados de la Segunda Fase de las Pruebas Experimentales. RESULTADOS DE LA CLASIFICACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA Indicadores Agua de Origen Agua purificada con Energía Solar Sólidos Suspendidos Totales SST 150 < SST ≤ 400 SST ≤ 25 Cloro mg/l 1,00 0,90 Amonio mg/l 0,8 0,2 Aluminio µ g/l 183 122 Tabla 6. Resultados de la clasificación de la calidad del agua. Observación: De la comparación entre la tabla de clasificación de la calidad del agua y los datos alcanzados se concluyó que la muestra de agua purificada se encontraba libre de partículas suspendidas, minerales indeseados y mal sabor demostrando su funcionalidad para obtener del agua cruda de grifo, agua más limpia.
  29. 29. 22 CONCLUSIONES En efecto, el desarrollo del prototipo de purificador, que utiliza energía solar en lugar de energía no renovable a través de un sistema de calentamiento solar con lentes Fresnel (captador solar de alta temperatura) para obtener agua más limpia a partir de agua cruda, es eficaz en relación a los siguientes resultados:  Refiriéndose al diseño del purificador, se encontró que es totalmente funcional para purificar agua.  El diseño del purificador solar construido fue capaz de evaporar agua de una mezcla de agua - sal, generando 245 ml/hr de agua purificada.  El agua purificada se captó sin sabor alguno a sal, por lo que se infiere cierta calidad de pureza.  Los análisis microbiológicos sugieren que el agua purificada encuadra dentro de los parámetros de calidad de agua apta para consumo humano.  La construcción del purificador solar permite el uso de energía solar en lugar de energía no renovable.  El purificador solar construido, representa un medio de obtención de agua económicamente viable.  El prototipo purificador de agua facilita la obtención de agua apta para el consumo humano, en lugares con población de bajos recursos económicos.
  30. 30. 23 RECOMENDACIONES Del presente estudio, se ha concluido que el prototipo de purificación solar, es funcional, en el tratamiento del agua cruda de grifo para obtener agua más limpia. Sin embargo, con respecto a los resultados obtenidos, surgen las siguientes recomendaciones:  Observar la influencia de las variables climatológicas, en el rendimiento del destilado.  Mejorar el diseño del sistema de soporte del lente Fresnel, en relación al peso y facilidad de movimiento.  Utilizar láminas de acero inoxidable como sustituto del hierro galvanizado en la construcción del purificador para optimizar la eficiencia del purificador, y a su vez reduciendo costos adicionales.  Emplear en conjunto con el Carbón Activado, gránulos de Zeolita Natural, como refuerzo del sistema de purificación.  Determinar en qué situaciones y lugares resultaría más beneficiosa su aplicación.
  31. 31. 24 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Libros de texto. Alain, GIODA (Hidrólogo). (1997):12-23. Breve historia del agua. ORSTOM- Francia/Archivo y biblioteca Nacional de Bolivia/SENAMHI_Bolivia/CONAPHI_Bolivia/PHI-UNESCO. Montevideo. Bauman, R. (1971): 65-89 "Water Quality and Treatment: A Handbook of Public Water Supplies" New York. Editorial: McGraw-Hill, 3rd Edition. Beltrán, R. (1988):12-32. Microplanta de tratamiento de Agua- Cartilla de operación. Universidad de los Andes, Facultad de Ingeniería, Dpto. de Ing. Mecánica. Flores, Gloria., Vicente Ruth., Guamán Karina., Pineda José. ACOST, RS, Saneamiento Ambiental. Colegio: ´´Madre Bernarda. Química Biológica. Curso: 5to Curso. García B. Antonio. (2002). Calidad y tratamiento del agua. Madrid-España. Editorial: Mc.Graw-Hill. Interamericana de España. Instituto Nacional de Higiene Epidemiológica y Microbiología. (1992). Agua y Salud. La Habana, Cuba. Editorial: Ciencias Médicas. Pág. 50. Lorch, Walter. (1981):45-56 "Handbook of Water Purification". London. Editorial: Mc.Graw-Hill. Organización Mundial de la Salud. (1995). Guías para la Calidad del Agua Potable. Ginebra, segunda edición, Vol. 1. Recomendaciones. Pág. 49. Wright, H. B. y Cairns, W. L. Desinfección de agua por medio de luz ultravioleta. Trojan Technologies Inc. 3020 Gore Road, London, Ontario, Canada N5V 4T7.
  32. 32. 25 Publicaciones de congresos, Investigaciones, Tesis de grado. Aguilar Arguelles, Norma. (2011). Desarrollo de un destilador solar con lentes Fresnel. Trabajo Recepcional para obtener el grado de Especialista en: Diagnóstico y Gestión Ambiental. Universidad Veracruzana. Facultad de Ingeniería Química. Fontecha, Rubén D., Lizarazo Harbey A. (2007): Diseño y construcción de un equipo de destilación para la extracción de aceites esenciales, usando los métodos de hidrodestilación, arrastre con vapor y destilación agua / vapor. Trabajo de grado para optar al título de: Ingeniero Mecánico. Universidad Industrial de Santander. Facultad de Ingenierías Fisicomecánicas. Escuela de Ingeniería mecánica. Bucaramanga. Jaramillo S, Oscar A. (1998). “Transporte de energía solar concentrada a través de fibras ópticas: Acoplamiento fibra-concentrador y estudio térmico”. Tesis de Graduación para optar el grado de: Maestro en energía solar (fototérmica). Universidad Nacional Autónoma de México. Unidad académica de los ciclos Profesional y de Posgrado. Temixco, Morelos. México. Ríos Ariola, Luis R. (1999). Estudio sobre la utilización y almacenaje de la energía solar, precauciones y mantenimiento en los sistemas fotovoltaicos. Consultas a páginas de información de Internet. "Agua, Online 2005". Enciclopedia Microsoft® Encarta®. [Libro en Línea]. Disponible: http://es.encarta.msn.com. © 1997-2005 Microsoft Corporation. Bessières, Marie. (2013). GRET. Francia. [Página Web en Línea]. Disponible: http://translate.google.com/translate?hl=es&sl=en&u=http://www.gret.org/vs_uk/monde/ haiti.htm&prev=/search%3Fq%3Dgret%2Ben%2Bhaiti%26hl%3Des%26lr%3D Depuración de aguas. [Página Web en Línea]. Disponible: http://es.encarta.msn.com/encyclopedia_761565852/Depuración_de_aguas.html#s2 Faq del agua. Preguntas frecuentes. (2009). Rotterdamseweg 402 M 2629 HH Delft. Holanda. [Página Web en Línea]. Disponible: http://www.lenntech.com/espanol/FAQ- descripcion.htm
  33. 33. 26 Glosario del agua. (2009). Rotterdamseweg 402 M 2629 HH Delft. Holanda. [Página Web en Línea]. Disponible: http://www.lenntech.com/espanol/glosario-agua.htm La contaminación del agua. [Página Web en Línea]. Disponible: http://www1.ceit.es/Asignaturas/Ecologia/Hipertexto/11CAgu/100CoAcu.htm Leyes Venezolanas. [Página Web en Línea].]. Disponible: http://www.leyesvenezolanas.com/lv03.htm Silva Lenio, Andrés. (2008). Purificación del agua. [Página Web en Línea]. Disponible: http://www.monografias.com/trabajos12/agua/agua.shtml
  34. 34. 27 ANEXOS Anexo 1. Búsqueda de información.
  35. 35. 28 Discusión del plan de acción. Examinando posibles diseños. Anexo 2. Diseño del purificador de agua solar.
  36. 36. 29 Anexo 3. Materiales utilizados en la construcción del prototipo.
  37. 37. 30 Anexo 4. Proceso de construcción del prototipo.
  38. 38. 31 Anexo 5. Análisis Microbiológico de la muestra del agua purificada.

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