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

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.

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.

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

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

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

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.

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

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.

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?

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.

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

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.

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.

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.

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

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.

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.

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

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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

27

ANEXOS

Anexo 1.

Búsqueda de información.

28

Discusión del plan de acción.

Examinando posibles diseños.

Anexo 2.

Diseño del purificador de agua solar.

29

Anexo 3.

Materiales utilizados en la construcción del prototipo.

30

Anexo 4.

Proceso de construcción del prototipo.

31

Anexo 5.

Análisis Microbiológico de la muestra del agua purificada.