Universidad Veracruzana

Universidad Veracruzana
Facultad de Ciencias Químicas, Carrera Ingeniería Ambiental
Campus Xalapa, Veracruz.
Desalinización de agua del mar mediante el uso de energía solar
PRESENTA:
José Manuel Ruiz Arcos
Para acreditar la experiencia educativa
EXPERIENCIA RECEPCIONAL
ASESOR:
Dr. Ernesto Juárez Loera
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer principalmente a mi familia, mis padres, Francisco Manuel Ruiz
Pedraza y Cohinta Arcos Martínez, mi hermana Paola Ruiz Arcos y a mis tías Irma
y Roberta Ruiz Pedraza, porque gracias a todos ellos he tenido la posibilidad de
estudiar. Me apoyaron en todo momento a lo largo de mis estudios, en todos los
aspectos. Son lo más importante en mi vida y les agradezco todo lo que han
hecho por mí.
Gracias a todos los maestros del programa de ingeniería ambiental por sus
enseñanzas y apoyo, al Dr. Ernesto Juárez Loera, por dirigir y apoyar este trabajo.
A todos mis amigos que me apoyan y han hecho que mi estancia en la universidad
fuera muy alegre, a Hugo Carballo Hernández por ayudarme en parte del
mencionado trabajo.
Dedico este trabajo a todas las personas antes mencionadas y a las que sin ellas
nada de esto sería posible.
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1
CAPITULO I: GENERALIDADES ............................................................................ 3
1.1 Una aproximación al Sol ................................................................................ 3
1.1.1 Radiación y constante solar .................................................................... 3
1.1.2 Interacción de la radiación solar con la atmósfera .................................. 5
1.1.3 Irradiación sobre una superficie .............................................................. 6
1.1.4 Principales parámetros de la posición Sol-Tierra .................................... 7
1.1.5 Tiempo solar y ángulo horario ................................................................. 8
1.1.6 Cálculo del ángulo de incidencia de la radiación directa ......................... 9
1.1.7 Medida de la radiación .......................................................................... 10
1.2 Energías renovables .................................................................................... 10
1.2.1 Energía solar ......................................................................................... 11
1.3 Antecedentes ............................................................................................... 12
1.4 Objetivos ...................................................................................................... 14
1.4.1 Objetivo general .................................................................................... 14
1.4.2 Objetivos específicos ............................................................................ 14
1.5 Justificación ................................................................................................. 14
1.6 Hipótesis ...................................................................................................... 15
1.7 Planteamiento del problema ........................................................................ 15
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO ......................................................................... 17
2.1 Procesos de destilación ............................................................................... 17
2.2 Destilación solar .......................................................................................... 19
2.3 Electrólisis.................................................................................................... 20
2.3.1 Electrodeposición .................................................................................. 20
2.3.2 Electrodepósito de cobre....................................................................... 20
2.3.3 Obtención de oxido cúprico ................................................................... 21
2.4 Tipos de destiladores solares ...................................................................... 23
2.4.1 Destilador solar de una vertiente. .......................................................... 23
2.4.2 Destilador solar de dos vertientes. ........................................................ 24
i
2.4.3 Destilador solar de invernadero. ........................................................... 24
2.4.4 Destilador solar de cascada. ................................................................. 25
2.5 Balance de energía del destilador ............................................................... 26
2.6 Irradiación en México ................................................................................... 28
2.7 Zona de estudio: Xalapa Enríquez, Veracruz. ............................................. 29
2.7.1 Información geográfica .......................................................................... 29
2.7.2 Información ambiental ........................................................................... 30
CAPITULO III: METODOLOGIA ............................................................................ 31
3.1 Selección del destilador solar ...................................................................... 31
3.2 Diseño del destilador solar........................................................................... 31
3.3 Características del depósito de agua salada ............................................... 32
3.3.1 Reactivos y material .............................................................................. 32
3.3.2 Técnica empleada ................................................................................. 33
3.3.3 Procedimiento ....................................................................................... 33
3.4 Muestreo ...................................................................................................... 33
3.5 Medición de parámetros .............................................................................. 34
3.6 Características de la muestra ...................................................................... 34
3.6.1 Dureza total ........................................................................................... 34
3.6.2 Turbiedad .............................................................................................. 34
3.6.3 Conductividad ....................................................................................... 35
3.6.4 Sólidos Disueltos Totales ...................................................................... 35
3.7 Prueba del destilador solar de invernadero ................................................. 36
CAPITULO IV: RESULTADOS Y DISCUSIÓN...................................................... 37
4.1 Selección del mejor cobrizado ..................................................................... 37
4.2 Selección de la mejor oxidación de cobre.................................................... 39
4.3 Eficiencia del destilador solar ...................................................................... 40
4.4 Determinación de parámetros ...................................................................... 41
4.4.1 Determinación de la dureza total del agua ............................................ 42
4.4.2 Determinación de la turbiedad .............................................................. 43
4.4.3 Determinación de la conductividad........................................................ 43
4.4.4 Determinación de Sólidos Disueltos Totales ......................................... 44
ii
CONCLUSIONES.................................................................................................. 45
BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 47
ANEXO A .............................................................................................................. 49
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Gráfica de corrección del tiempo. . ............................................................ 9
Figura 2 Destilador solar de una vertiente. ........................................................... 23
Figura 3 Destilador solar de dos vertientes. ......................................................... 24
Figura 4 Destilador solar de invernadero. ............................................................ 25
Figura 5 Destilador solar de cascada. .................................................................. 25
Figura 6 Mapa de irradiación global diaria promedio en el mes de Abril. ............ 28
Figura 7 Localización de Xalapa en el estado. ..................................................... 29
Figura 8 Medidas del destilador de invernadero. ................................................... 32
Figura 9 Sistema óptico del Turbidimetro. ............................................................. 35
Figura 10 Destilador solar de invernadero. ........................................................... 36
Figura 11 Determinación de la concentración de electrolito a diferentes voltajes. 38
Figura 12 Determinación de la concentración de NaOH a diferentes voltajes. ..... 40
Figura 13 Eficiencia del destilador solar. ............................................................... 41
iv
INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Plantas desalinizadoras que usan energía solar. (Pocaterra, 2002). ....... 18
Tabla 2 Uso del suelo. ........................................................................................... 30
Tabla 3 Acciones en materia ambiental. ............................................................... 30
Tabla 4 Medición de parámetros. .......................................................................... 34
Tabla 5 Selección de cobrizado. ........................................................................... 37
Tabla 6 Selección de la oxidación del cobre. ........................................................ 39
Tabla 7 Condiciones de trabajo. ............................................................................ 40
Tabla 8 Características iniciales del agua de mar. ................................................ 41
Tabla 9 Dureza total del agua. .............................................................................. 42
Tabla 10 Turbiedad del agua................................................................................. 43
Tabla 11 Conductividad del agua. ......................................................................... 43
Tabla 12 Sólidos disueltos totales en el agua. ...................................................... 44
v
INTRODUCCIÓN
El uso de la energía ha acompañado a la actividad de los seres humanos desde la
antigüedad. A medida que la especie humana fue evolucionando, sus necesidades
energéticas fueron aumentando a causa de las nuevas actividades y trabajos que
desarrollaban. Hasta hace aproximadamente 200 años la única fuente de energía
existente era el Sol, por sí mismo o indirectamente en formas derivadas como los
vientos o las caídas de agua. Por lo general se usaba la madera para la
calefacción y los animales para el transporte, es decir, que indirectamente se
aprovechaba la energía solar absorbida por las plantas en la fotosíntesis.
Con la explotación a gran escala del carbón en 1820, se produjo la denominada
“Revolución Industrial”. Esta revolución industrial utilizó la energía liberada por los
procesos de combustión para aprovecharla en los procesos industriales y obtener
fuerza motriz. Esto dio origen a un crecimiento de la población que cada vez tenía
mejores condiciones de vida y que para ello requería mayores cantidades de
energía. (González Velasco, 2009).
El petróleo cobró una gran importancia en el año 1859, el desarrollo de los
motores de combustión interna desencadenaron una inusitada demanda. La
primera máquina de combustión interna la construyó Otto en 1862 y representa la
base para la aparición del automóvil y el aeroplano. El desarrollo de la energía
nuclear y sus impresionantes aplicaciones se debe a Hahn, quien en 1938 logró la
primera fisión artificial del uranio, y en 1942 Fermi construyó el primer reactor
nuclear en Chicago.
Así, desde el fuego hasta la energía nuclear, la humanidad ha ido haciendo suyas
las fuentes de energía que han permitido su extraordinario desarrollo tecnológico.
Sin embargo, debido al empleo desordenado de estas fuentes, han resultado
como consecuencia grandes problemas ambientales, económicos y políticos. Esto
obliga a la humanidad a buscar otras opciones de fuentes de energía, de esta
manera la energía solar toma gran importancia, una fuente de energía limpia e
inagotable. La energía solar convierte la radiación solar en una fuente renovable y
alternativa que nos permitirá continuar progresando como especie, de manera
sostenible.
Las fuentes de energía se pueden clasificar en renovables y no renovables,
dependiendo si su energía se siga produciendo y su consumo sea repuesto, o que
ya no se produzca y su consumo acabe por agotar la reserva. Las energías
renovables, son fuentes que producen constantemente energía, de forma que la
energía consumida se renueva continuamente y en consecuencia, su utilización es
ilimitada.
1
La generación, el transporte y el consumo de energía, tienen como cualquier
actividad que realiza el hombre, un impacto sobre el medio ambiente. El impacto al
medio ambiente no siempre es el mismo, ya que, mientras las fuentes
convencionales están en el origen de algunos de los mayores problemas
ambientales que sufre el planeta, los efectos que tiene la energía renovable sobre
el medio ambiente son infinitamente menores y siempre reversibles.
Uno de los principales beneficios ambientales derivados del incremento de la
producción y el consumo de energías renovables es el menor volumen de gases
de efecto invernadero liberados a la atmósfera, como resultado de la sustitución
de fuentes fósiles. (Mosquera Martínez y Ruesga Merino, 2006).
Una de las principales energías renovables es la energía solar, la cual es la
energía producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión del
hidrógeno. La energía solar que recibe la superficie terrestre puede convertirse en
energía útil mediante diversas tecnologías.
Las características importantes de la energía solar que deben tomarse en cuenta
para plantear su aprovechamiento son su distribución geográfica, la densidad
energética, y su carácter intermitente, con variaciones diarias, estacionales así
como las condiciones atmosféricas.
En México existen actividades respecto al aprovechamiento de la energía solar
desde hace varias décadas, el avance e interés de instituciones e industrias ha
dado como resultado el desarrollo de investigaciones y diversos proyectos,
prototipos, equipos y sistemas para su mejor aprovechamiento. (Jutglar Lluis,
2004).
La investigación y desarrollo en energías renovables arranca en la mitad de la
década de los setenta y continúa hasta la fecha. En este sentido, son importantes
las actividades de universidades e institutos nacionales y regionales, en todo el
país, al igual que el trabajo de difusión y promoción de la Asociación Nacional de
Energía Solar (ANES).
Para analizar y plantear estrategias nacionales sobre energías renovables, la
Secretaria de Energía se ha apoyado en la Comisión Nacional para el Ahorro de
Energía (Conae). Junto con la ANES, han operado el Consejo Consultivo para el
Fomento de las Energías Renovables (Cofer), al cual concurren reconocidos
especialistas de los sectores público y privado, y en el que se han organizado
foros públicos sobre asuntos relacionados con la promoción de las energías
renovables. (CONUEE, 2000).
2
CAPITULO I: GENERALIDADES
1.1 Una aproximación al Sol
El Sol es una estrella compuesta por gases a alta temperatura, hidrógeno y helio
principalmente, con una masa de aproximadamente 2.2x107 toneladas. Se calcula
que tiene una antigüedad de unos 4 500-5 000 millones de años, y que va a seguir
proporcionando energía durante 5 000 - 8 000 millones de años más antes de que
se convierta en un cuerpo frío. Nos proporciona calor, luz y otras radiaciones que
permiten el proceso de la vida en el planeta.
La temperatura en la región central del sol es de unos quince millones de grados
centígrados, el interior del Sol está tan caliente que no pueden existir allí los
átomos individuales, debido a las colisiones de alta velocidad que constantemente
separan los electrones del núcleo de los átomos. Estos núcleos y electrones
tienen carga positiva y negativa respectivamente, se mueven a gran velocidad y
de manera casi independiente en forma análoga a como lo hacen las moléculas de
un gas, generando así el cuarto estado de la materia conocido como plasma.
La fotósfera, una de las capas del Sol, está compuesta en un 94% de hidrógeno,
5.9% de helio y 0.1% de elementos más pesados como carbono, oxigeno,
nitrógeno y neón. La temperatura en esta región es de 6 000 grados centígrados.
La propiedad más importante del Sol es que libera energía debido a reacciones de
fusión nuclear, cada segundo en el interior del Sol, se va convirtiendo hidrógeno
en helio, proceso en el que se liberan 4.6 millones de toneladas de masa-energía.
(Rius de Riepen y Castro Acuña, 1997).
1.1.1 Radiación y constante solar
No toda la energía que emite el Sol llega a la Tierra, en realidad de los 3.76x10 14
TeraWatts que emite el Sol, 173 000 son interceptados por el planeta. (Méndez
Muñiz y Cuervo García, 2007). La constante solar es la energía de origen solar
que alcanza por unidad de superficie y tiempo una superficie orientada
perpendicularmente a los rayos solares y situados en el borde exterior de la
atmósfera terrestre, de manera que no existiese ningún tipo de obstáculo entre el
Sol y la superficie, que provocase la atenuación de los rayos solares.
El valor medio admitido de la constante solar es de 1 354 KiloWatts/m2, sin
embargo, hay que contar con variaciones estacionales de un ± 3.5% por la
distancia posición del Sol con respecto a nuestro planeta debido a la excentricidad
de la órbita terrestre, y diferencias de un ± 1.5% debidas a oscilaciones de las
manchas solares, es decir, fenómeno cíclico relacionado con la variación de la
actividad del Sol a lo largo del tiempo. (Romero Tous, 2009).
3
La radiación solar que recibe la Tierra del Sol varía en parte por los movimientos
que realiza el planeta de rotación y traslación. El eje polar de la Tierra mantiene
durante la traslación una dirección aproximadamente constante, y forma un ángulo
de 23° 27´ con el eje de la elíptica, esta inclinación del eje de rotación es
responsable de las estaciones del año, es decir, del distinto calentamiento de los
hemisferios.
La radiación solar se comporta siguiendo las leyes del movimiento ondulatorio, por
ello se admite que la energía calorífica transmitida por radiación es transportada
por ondas. La transferencia de calor por radiación es la única que no requiere de
un medio para su propagación, transmitiéndose en el vacío.
La materia a temperatura diferente del cero absoluto, emite y absorbe energía
radiante, abarcando un amplio intervalo comprendido entre los 380 y 780 nm, cuya
potencia y distribución de frecuencias varia con la temperatura de la materia.
Las diferentes manifestaciones de energía radiante, pueden expresarse mediante
parámetros característicos:
I)
II)
III)
La frecuencia v, que se define como el número de ciclos por segundo,
representando una función del tiempo.
El periodo T, que representa la duración de cada ciclo en segundos.
Lógicamente su valor será el inverso de la frecuencia.
La longitud de onda λ, que se expresa como la distancia en metros que
recorrerá la onda durante un período de la radiación.
La radiación solar que recibe la tierra en forma de constante solar, en las
inmediaciones de la atmósfera terrestre, es de tipo electromagnético y se propaga
a 300 000 Km/s, abarcando un conjunto de longitudes de onda, que van desde la
radiación de onda larga de la zona de los rayos infrarrojos (IR) λ>750 nm, hasta la
radiación de onda corta de la zona de los rayos ultravioleta (UV) λ<350 nm.
El patrón exacto de la distribución por longitudes de onda se llama espectro solar y
está determinado de una manera crítica por la temperatura solar. En conjunto, la
radiación visible transporta el 47% de la energía solar, la radiación infrarroja el
46% y la radiación UV el 7% restante.
Los fotones son los elementos constitutivos de cualquier tipo de radiación
electromagnética, aunque pueden diferenciarse por su energía y origen. Todos los
fotones se desplazan a la velocidad de la luz, aunque su energía sea función de
las respectivas frecuencias.
Toda la radiación electromagnética presenta características similares,
diferenciándose su contenido energético por la longitud de onda, asociándose a
4
cada λ un valor concreto y característico, que disminuye con el aumento de la
longitud, esto se puede expresar como se muestra en la ecuación (1). (Farrington,
1997).
Ecuación (1)
λ= c*T = c/v
Donde:
λ = Longitud de onda.
c = Velocidad de la luz (300 000 km/s).
T = Periodo, (representa la duración de cada ciclo en segundos).
v = Frecuencia,( el número de ciclos por segundo, representando una función del
tiempo).
1.1.2 Interacción de la radiación solar con la atmósfera
Respecto a la Tierra, el Sol es el foco de una elipse, existiendo entre los dos
astros una separación máxima el 4 de Julio (afelio) y una distancia mínima el 31
de diciembre (perihelio), mientras que la distancia media es de 149 600 000 Km.
(Romero Tous, 2009).
A su paso por la atmósfera, la radiación solar sufre diversos procesos de
atenuación y esparcimiento como resultado de su interacción con los distintos
componentes atmosféricos. Los efectos más importantes de dicha interacción son:


La disminución de la energía radiante total disponible a nivel del suelo,
respecto de la disponible en el límite superior de la atmósfera.
La modificación de las características espectrales y distribución espacial de
la radiación.
La absorción de radiación solar en la atmósfera la ocasionan esencialmente el
ozono (O3) y el vapor de agua (H2O). En el primer caso, la banda de absorción
más importante está localizada en el espectro ultravioleta, toda la radiación solar
de longitud de onda inferior a 350 nm es absorbida por el ozono localizado en las
capas altas de la atmósfera. El vapor de agua absorbe fundamentalmente, en la
zona infrarroja, teniendo sus bandas de absorción entre los 1 000 y 1 800 nm.
Si se tienen en cuenta los fenómenos de reflexión y absorción que tienen lugar
con la radiación solar incidente sobre la atmósfera terrestre, solo una parte de la
energía puede ser aprovechada a nivel de tierra. El espectro solar al atravesar la
atmósfera se desplaza hacia energías más bajas.
5
La radiación total promedio anual sobre la superficie de la Tierra varía entre 2 000
y 2 500 KW/m2 en zonas de alta insolación y entre 1 000 y 1 500 KW/m 2 en
lugares localizados en latitudes altas. (Romero Tous, 2009).
De la radiación total incidente sobre la superficie de la Tierra (Qt), se tiene que una
parte de la radiación llega de forma directa (Qd) y otra de forma difusa (Qs). La
radiación directa es la recibida a nivel de tierra sin que los rayos del sol hayan
variado la dirección. La radiación difusa es aquella que ha sufrido procesos de
refracción, reflexión y absorción en la atmósfera.
Una parte de la radiación que llega a la superficie de la tierra es reflejada, siendo
esta fracción conocida como reflectividad o albedo (r). Por lo tanto, de la radiación
solar que llega a la tierra, los captadores pueden emplear tres componentes, la
directa, la difusa y la reflejada.
La parte restante de la radiación solar que incide sobre la atmósfera se refleja de
nuevo en el espacio (Qr) o bien es absorbida por las masas de nubes (Qa). Así, la
radiación total incidente sobre la superficie de la Tierra se puede expresar como la
ecuación (2). (Almanza Salgado y Muñoz Gutiérrez, 1994).
Ecuación (2)
Qt = (Qd + Qs) * (1 – r) + (Qd + Qs) * (r) + Qr + Qa
Donde:
Qt = Radiación total incidente.
Qd = Radiación directa.
Qs = Radiación difusa.
r = Reflectividad o albedo.
Qr = Radiación reflejada.
Qa = Radiación absorbida.
1.1.3 Irradiación sobre una superficie
La radiación solar, al incidir primero sobre la atmósfera de la Tierra y
posteriormente sobre su superficie, experimenta un conjunto de procesos propios
de la interacción de la radiación con la materia. Toda energía radiante que
interactúe con un cuerpo, obligatoriamente debe provocar los siguientes
fenómenos:
6



Una fracción de la energía recibida (Ei) se refleja (Er). En este caso, el
coeficiente de reflexión (R) del material vendrá dado por la expresión:
R = E r / Ei
Otra fracción de la energía (Et) puede atravesar el material, por lo que el
coeficiente de transmisión (t) del material será equivalente a: t = Et / Ei
Una determinada fracción de energía (Ea) será absorbida por él mismo. El
coeficiente de absorción (β) toma el valor: β = Ea /Ei
Lógicamente, la suma de los tres coeficientes debe ser igual a la unidad, como se
muestra en la ecuación (3). (Almanza Salgado et al. 1994).
Ecuación (3)
R+t+β=1
Donde:
R = Coeficiente de reflexión.
t = Coeficiente de transmisión.
β = Coeficiente de absorción.
(Almanza, Salgado R. et al. Ingeniería de la energía solar, 1994).
1.1.4 Principales parámetros de la posición Sol-Tierra
Además del proceso de atenuación del espectro solar desde su origen hasta la
llegada a la Tierra, debido a la naturaleza emisiva del Sol, a la dispersión
geométrica de las ondas radiantes para llegar hasta el planeta y la interacción
física con la atmósfera, sujetos a la climatología de cada región y a la estación del
año, la cantidad de energía solar que se puede captar en un momento
determinado de la superficie de la tierra depende de otros parámetros
astronómicos y de la propia orientación del captador.
Las relaciones geométricas entre un plano de cualquier orientación particular
relativa a la Tierra en cualquier momento y la posición relativa del Sol respecto de
este plano se realizan mediante la combinación de ciertos ángulos:

Latitud (ϕ): Es el ángulo que forman la vertical del punto geográfico que se
considere de la superficie terrestre y el plano del ecuador, su variabilidad es
de -90° (latitud sur) hasta 90° (latitud norte).
Declinación solar (δ): Es el ángulo que forma la línea Tierra-Sol, al medio día, y el
plano del ecuador, su variabilidad es de -23.45° hasta 23.45°. La declinación tiene
7
una dependencia con el día del año en que se realice el cálculo, se puede evaluar
a partir de la ecuación (4). (Fernández Salgado, 2004).
Ecuación (4)
Donde, D, es el número de día en el año en que se realiza el cálculo, sus
valores van de 1 a 365.



Altura (H): Es el ángulo que forma la radiación solar directa con el eje sur
del plano tangente a la Tierra en el punto del observador.
Azimutal (γ): Es el ángulo que forman la proyección de los rayos solares
sobre el plano tangente a la superficie terrestre y el sur geográfico,
denominado meridiano del lugar, siendo su variabilidad de -180° a 180°.
Inclinación (S): Es el ángulo que forman el plano de la superficie captadora
y la horizontal del punto que se considere.
1.1.5 Tiempo solar y ángulo horario
Otro efecto a tener en cuenta es la rotación de la Tierra, la cual se expresa
mediante el ángulo horario (w). El ángulo horario es el resultado de dividir 360°
entre el tiempo solar verdadero (TSV) en horas. De esta forma cada hora equivale
a 15°, se toma por convenio de 0° el mediodía solar, ángulos de las horas de la
mañana positivos y ángulos de las horas de la tarde negativos.
El TSV se obtiene a partir de la ecuación (5).
Ecuación (5)
TSV = Hora oficial local – Adelanto respecto a la hora solar (1hora por grado en
coordenadas geográficas) +/- Longitud del lugar (4 minutos por grado en
coordenadas geográficas) +/- Minutos del grafico de corrección del tiempo (Ver
figura 1).
Esta expresión del tiempo es el factor que corrige la hora solar debido a las
perturbaciones de la órbita terrestre y de la velocidad de giro. Al orbitar la Tierra
alrededor del Sol, su velocidad cambia según la distancia respecto a éste.
Cuando se acerca al Sol, la Tierra se mueve más lentamente y cuando se aleja, lo
hace más rápidamente. Esta diferencia en la velocidad de la Tierra es la causante
de la divergencia entre la hora solar real y la hora solar media, ya que un reloj
normal mide el tiempo uniformemente y no tiene en cuenta esta variación en la
velocidad de la Tierra. (Feinstein, 1999).
8
Figura 1 Gráfica de corrección del tiempo. (Feinstein, 1999).
1.1.6 Cálculo del ángulo de incidencia de la radiación directa
El primer parámetro a determinar para usar la energía solar mediante un captador,
es la inclinación requerida para obtener la captación de un máximo de radiación
solar directa.
El ángulo de incidencia (σ) es el que forma la radiación directa sobre la superficie
captadora, la línea Sol-captador y la perpendicular al captador.
Por trigonometría, se obtiene que el ángulo de incidencia se obtiene según la
ecuación (6). (Vicent Martínez et al, 2005).
Ecuación (6)
Donde:
σ = Angulo de incidencia
ϕ = Angulo de latitud
S = Angulo de inclinación del captador
δ = Angulo de declinación solar
w = Angulo horario
γ = Angulo azimutal
9
Al instalar los captadores fijos, orientados hacia el sur, el ángulo azimutal es cero.
El ángulo horario no se toma en consideración, ya que la superficie colectora
capta todas las horas solares y por lo tanto, la fórmula del ángulo de incidencia se
simplifica hasta la expresión dada en la ecuación 6. (González Días, 2004).
Ecuación 6
1.1.7 Medida de la radiación
Existe un gran número de instrumentos para medir la radiación solar total (o sus
componentes), directa o difusa, tanto en sus valores instantáneos como de los
integrados a lo largo de un cierto intervalo de tiempo. Entre los instrumentos de
medición pueden distinguirse genéricamente los pirheliómetros de incidencia
normal (radiación directa), los piranómetros (radiación total) y los difusómetros
(radiación difusa). (Covantes, 1989).
1.2 Energías renovables
Prácticamente toda la energía que llega a la Tierra procede del Sol, una pequeña
parte de ella se utiliza para mantener la vida orgánica en la biósfera y el resto se
disipa al exterior del planeta. La diferencia de radiación solar entre las distintas
zonas de la Tierra a lo largo del año y la variación diaria para una zona
determinada, provocan los fenómenos meteorológicos como la lluvia, vientos,
nevadas, etc. Que a su vez provocan la formación de corrientes y almacenes de
agua como acuíferos, lagos, ríos, etc. Lo que significa que la mayor parte de las
energías utilizables, provienen de una fuente única que es el Sol.
A partir de la primera revolución industrial, la demanda masiva de energía ha
obligado a buscar fuentes de energía capaces de mantener el crecimiento del
desarrollo industrial. Durante los primeros años, este crecimiento se basó en la
minería del carbón para pasar después al consumo de combustibles derivados del
petróleo, gas natural y finalmente de la energía nuclear.
En la actualidad, la estructura energética mundial se basa, en gran parte, en el
consumo de las energías fósiles y la nuclear. Esta situación conduce a la emisión
de gases de efecto invernadero, la generación de residuos sólidos y líquidos, el
riesgo de accidentes graves y el agotamiento paulatino de los yacimientos
existentes.
A fin de no llegar a una situación insostenible, es preciso acudir a fuentes de
energía alternativas, poner a punto la tecnología que aumente su eficiencia y crear
los instrumentos sociales y políticos que favorezcan su viabilidad económica.
(Creus Solé, 2009).
10
1.2.1 Energía solar
La utilización práctica de la energía solar tiene un doble beneficio, contribuir a la
reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y evitar el uso de las
energías no renovables.
En la actualidad la energía solar está siendo aprovechada mediante dos vías, la
térmica y la fotovoltaica.
Los sistemas de aprovechamiento de la energía solar basados en la vía térmica
pueden ser de baja, media y alta temperatura. Los de baja temperatura se
emplean generalmente para calefacción, climática y del agua. Los de media y alta
temperatura son aprovechados para la producción de energía eléctrica.
Las instalaciones solares de media temperatura se utilizan generalmente para
producir vapor de cara a su aplicación en procesos industriales o para generar
energía eléctrica. Las más utilizadas son los colectores solares. Estos constan de
un conjunto de colectores de concentración, generalmente de forma cilíndricoparabólica, permitiendo una eficaz absorción de la radiación solar, recogiendo la
energía procedente del Sol y transmitiéndola a un fluido en forma de calor.
Por su parte, las instalaciones de aprovechamiento solar a alta temperatura para
producir electricidad, más significativas, son las centrales termoeléctricas, estas
constan de grandes espejos sostenidos por soportes que reflejan la radiación solar
y la concentran en un pequeño punto receptor.
Los sistemas solares fotovoltaicos consisten en un conjunto de elementos,
llamados celdas solares o celdas fotovoltaicas, dispuestos en paneles que
transforman directamente la energía solar en energía eléctrica sin necesidad de
ciclo termodinámico.
Las celdas solares o fotovoltaicas, son pequeños elementos fabricados de un
material semiconductor cristalino. Cuando incide en ellos la radiación solar
convierten la energía lumínica de ésta en energía eléctrica.
Las características importantes de la energía solar que deben tenerse en cuenta
para plantear su aprovechamiento son su distribución geográfica, su relativamente
baja densidad energética y su carácter intermitente, con variaciones diarias,
estacionales y las debidas a las condiciones atmosféricas prevalecientes. (Creus
Solé, 2009).
11
1.3 Antecedentes
Los principios básicos de la destilación solar ya eran conocidos desde hacía
muchos años cuando se construyó en Chile en 1872 la primera instalación
importante. Este destilador solar ubicado en Las Salinas, en una zona desértica,
estaba hecho de una cubierta de vidrio que abarcaba una superficie de 4 645 m 2.
Durante la segunda guerra mundial se diseñaron destiladores plegables para uso
en balsas salvavidas, estos consistían en unidades circulares de plástico, con un
fondo cónico y una parte superior hemisférica que una vez infladas, flotaban en el
mar, bajo el casquete de plástico se colocaba una lámina de fieltro que se
saturaba de agua de mar antes de inflar el conjunto de plástico. El vapor que se
formaba dentro del casquete se condensaba, parte en el interior de la cubierta de
plástico y parte en el cono inferior que estaba en contacto con el agua fría del mar.
El destilado se acumulaba en el fondo del cono.
Después de la segunda guerra mundial se diseñaron en Estados Unidos pequeños
destiladores experimentales con cubierta de vidrio. En 1955, durante una
conferencia sobre el empleo de la energía solar, celebrada en Arizona, se habló
sobre experimentos de destilación solar en varios países como Argelia, Australia,
Estados Unidos, Italia y la Unión Soviética. Además, la conferencia de las
Naciones Unidas sobre nuevas fuentes de energía, se desarrollo en Roma en
agosto de 1961. (Naciones Unidas, 1972).
En 1972 se realizaron grandes instalaciones de destiladores solares en Australia,
España, Grecia y Túnez. En diversas islas del pacifico meridional funcionaban
otras unidades, todos estos destiladores del tipo invernadero.
Desde el comienzo de la década de los setenta, el gobierno mexicano ha
estimulado el desarrollo de las unidades de destilación solar. De 1972 a 1976, la
oficina de aguas salinas de la secretaria de recursos hidráulicos construyó un gran
número de pequeños destiladores de caseta (0.8 m 2 cada uno) para varios lugares
remotos, aunque estos solo duraron algunos años debido a la carencia local de
comprensión de esta tecnología.
Por ese periodo, se iniciaron etapas de planeación de un proyecto llamado
Sonntlan que se inauguró en 1980, en las Barrancas, a 300 Km al norte de La Paz
Baja California Sur. El proyecto incluyó un destilador solar de múltiples etapas,
para el cual el calor se suministró con un arreglo de concentradores solares de
canal parabólico. El destilador solar no tuvo éxito debido a que requería operación
y mantenimiento continuo especializado, el costo de operación al igual que el
costo para producir agua era demasiado alto. (Porta et al., 1998).
12
Durante la segunda mitad de la década de los ochenta, se dedicó una gran
cantidad de esfuerzo a la comprensión básica de la destilación solar. En el
Instituto Tecnológico de La Paz, se probó un destilador solar indirecto, calentado
por colectores de placa plana de doble vidrio, el propósito del proyecto era
ensayar un nuevo tipo de destilador, el cual se esperaba que requiriera pequeñas
cantidades de terreno para una determinada producción. El modelo fue capaz de
proveer más de 250 litros al día, con un destilador que requería un área de 4 m 2.
Una vez que los datos del experimento se emplearon para calibrar un modelo
matemático apropiado, se encontró que el destilador mismo era pequeño y que
podía lograrse uno óptimo, con bandejas para condensado de cerca de 12 m 2. Se
considera que tal arreglo habría producido cerca de 660 litros por día, alrededor de
doce litros por metro cuadrado de colectores solares. De todas maneras, el
concepto no se siguió desarrollando por falta de fondos. (Covantes, 1989).
Un destilador de caseta fue probado en Puerto Chale, La Paz Baja California Sur
en la costa del Pacifico. El destilador consiste en seis bandejas de 1.6 m de ancho
y 40 m de largo, construidas de concreto con estructura de metal ligero. Cada
bandeja se comporta como un destilador solar largo, el agua de mar es bombeada
desde un pozo construido en la playa. El agua fluye por la bandeja por la
gravedad, y proporciona su propia limpieza al arrastrar los depósitos de sal. La
producción diaria fue estimada en 1.6 m 3, suficiente para el consumo humano, las
cubiertas de vidrio se instalaron a un ángulo mayor de 45°, se observó que la
producción de estas unidades fue mayor que la de las cubiertas con cerca de 15°
de pendiente.
El destilador con sección transversal mayor de lo usual se analizó
experimentalmente, se mantuvo bajo condiciones de operación controladas y se
observó que podía recogerse una producción mayor con la insolación normal del
lugar. Estos resultados fueron explicados en términos de los patrones de
convección natural que se desarrollan dentro del destilador debido a los gradientes
de temperatura, por la geometría característica.
Una de las ventajas de los destiladores de gran tamaño es que el mantenimiento
es más barato, porque los materiales de construcción, accesos y dimensiones son
más manejables. El destilador solar más grande instalado en México se encuentra
en Porto Lobos, Sonora, formado por 480 m 2 de destiladores solares con una
producción de agua destilada de 1500 litros por día. (Rincón Mejía, 1999).
13
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo general
 Desalinizar agua del mar mediante el uso de energía solar.
1.4.2 Objetivos específicos
 Aprovechar la energía solar.
 Elegir un sistema de destilación solar.
 Optimizar la destilación solar mediante la electrodeposición y oxidación de
cobre.
1.5 Justificación
En muchas partes del mundo hay falta de agua; incluso en algunos lugares en
donde ahora el agua es abundante, existe preocupación por el suministro futuro.
La conversión de agua del mar en agua potable en los lugares donde no existe
ahora agua de ningún tipo, puede facilitar una predecible expansión de la
población mundial hacia tierras hoy deshabitadas.
Algunos de los procesos para la producción de agua potable a partir de agua
salada en grandes plantas, consumen grandes cantidades de combustible que con
el paso del tiempo, serán todavía más caros si sube el precio del combustible.
Para unidades pequeñas de algunos litros de agua hasta unos miles de litros al
día, la destilación solar es la más económica.
Ahora es el momento oportuno de empezar a utilizar la energía solar en algunos
lugares en donde se dan condiciones únicas de costes competitivos. Con la
experiencia que se obtenga en estos sitios será posible reducir los costes de
manera que se puedan extender las aplicaciones solares a otros lugares en el
futuro. (Perales, 2007).
México es uno de los países con alta radiación solar promedio anual,
aproximadamente 463 Langleys inciden en promedio anual por día sobre un plano
horizontal en la ciudad de México. (Farrington, 1997). Sin embargo existen en el
norte y noroeste del país zonas con radiación total de 480 hasta 500 Langleys/día,
esta alta radiación puede ser utilizada para desalinizar agua del mar por medio de
procesos de destilación. (*1 Langleys= 11.61 Wh/m2)
En México hay lugares alejados de las ciudades que carecen de agua potable,
pero por lo regular cuentan con agua salada, la cual no puede ser consumida a no
ser que sean sometidas a un proceso de desalinización.
En el caso de la desalinización mediante la destilación con energía solar resulta
idónea en algunas situaciones debido a su más bajo costo. El transporte de agua
14
potable desde los centros de abastecimiento o la construcción, instalación,
operación de plantas que suministren agua potable resultan muchas veces
inalcanzable para las comunidades alejadas de los grandes centros de población,
por lo que la desalinización mediante la destilación con energía solar es una
solución a este problema, además de que el Sol representa prácticamente el único
requerimiento energético del sistema. (Almanza Salgado, 1994).
1.6 Hipótesis
Es posible obtener agua dulce a partir de la desalinización de agua del mar
aplicando energía solar.
1.7 Planteamiento del problema
En México existen alrededor de 653 cuerpos de agua subterránea, 104 están
sometidos a sobreexplotación. Del total de acuíferos se extrae más del 60% del
agua subterránea destinada para todos los usos. Debido a la sobreexplotación, la
reserva de agua subterránea está disminuyendo a un ritmo cercano a 6 km 3 por
año. (INEGI, 2006).
La falta de agua perjudica el desenvolvimiento de las actividades económicas, el
equilibrio de los ecosistemas, la supervivencia de los seres vivos y el bienestar de
las poblaciones.
En el país existen enormes diferencias regionales en la disponibilidad de agua, en
tanto que un gran aumento de la población y de las actividades industriales han
determinado su disminución. Debido a la geografía y el clima destacan dos
grandes zonas de disponibilidad natural de agua, la primera de ellas que
comprende el sur y sureste, y la segunda el norte, centro y noroeste del país. La
disponibilidad natural en la primera de ellas es siete veces mayor que en el resto
del territorio nacional.
El crecimiento de la población y la actividad económica han creado zonas de gran
escasez de agua en México, no sólo en las regiones de baja precipitación pluvial
sino también en zonas donde eso no se percibía como un problema al comenzar
el crecimiento urbano o el establecimiento de agricultura de riego. (Bordas y
Castells, 2012).
El crecimiento poblacional y económico han ejercido mayor presión sobre las
reservas de agua en México, al grado que el volumen demandado es mayor que el
suministrado en algunas regiones del país, lo que obliga al gobierno a decidir
cómo distribuir este recurso ocasionando problemas. La competencia por este
recurso es ya, causa de conflictos de diferente intensidad y escala, presentándose
entre usuarios de la misma comunidad, municipios, estados e incluso en la
frontera. (Sainz y Becerra, 2002).
15
Existen diversos factores que hacen de la desalinización de agua del mar, una
aplicación atractiva para suministrar agua potable. Muchas zonas con escasez de
agua en el país poseen gran potencial en energía solar, uno de estos factores es
la simultaneidad estacional entre la demanda de agua potable y la disponibilidad
de dicha energía. En numerosas localidades costeras y centros turísticos, la
demanda de agua potable crece especialmente en verano, debido al aumento de
la población por el turismo, y es precisamente en verano cuando la disponibilidad
de la radiación solar es máxima. (Zarza, 1995).
El uso de la energía solar para la desalinización de agua del mar es altamente
viable, el costo para desalinizar agua del mar es de 250 millones de pesos al año,
por el método de ósmosis inversa. Dicho costo se ahorraría al usar radiación solar,
además de los contaminantes que no se producirían al ambiente por el uso de
energía eléctrica. (Sardón, 2003).
La energía solar a tomado gran importancia, es una fuente de energía limpia e
inagotable. La energía solar convierte la radiación solar en una fuente renovable y
alternativa que nos permitirá continuar progresando como especie, de manera
sostenible. (Rius y Castro, 1997).
16
CAPITULO II: MARCO TEÓRICO
2.1 Procesos de destilación
La desalinización, es un proceso de separación que busca la eliminación de sales
que contiene el agua. La clasificación de los procesos de desalinización que
existen actualmente se divide en dos grupos, aquellos procesos que realizan un
cambio de fase para la obtención de agua pura y aquellos procesos que funcionan
sin cambio de fase.
Entre los procesos que implican un cambio de fase se encuentran los siguientes:




Destilación solar
Destilación en múltiple efecto
Congelación
Compresión de vapor
Los procesos que no incluyen un cambio de fase se dividen en:


Osmosis inversa
Electrodiálisis
La destilación es un proceso que se utiliza para separar los componentes de una
mezcla homogénea basándose en la diferencia de los puntos de ebullición de los
componentes. (Medina, 2000).
En la actualidad hay 9 500 plantas desalinizadoras en todo el mundo, con una
capacidad total calculada en 11 800 millones de metros cúbicos al año, un 0.3%
del consumo de agua mundial actual. La mayor parte de las plantas
desalinizadoras, operan mediante osmosis inversa, y están concentradas en el
Golfo Pérsico y Oriente Próximo. (Halweil, 2004).
Los investigadores de comienzos del siglo habían considerado la idea de utilizar
membranas para separar la sal del agua marina. Su hipótesis descansaba en el
principio de las propiedades osmóticas de las paredes celulares: ciertas
membranas semipermeables, como las paredes celulares de animales y plantas,
permiten el paso a su través del agua, creando un equilibrio entre una solución
altamente concentrada a un lado de la membrana y otra diluida al otro.
Según la hipótesis científica, con la presión adecuada y el diseño de membrana
correcto, este fenómeno natural podía invertirse mediante una membrana artificial.
En lugar de fluir desde una solución diluida hasta una altamente concentrada,
hasta igualarse ambas, el concentrado podía ser forzado a atravesar una
membrana, dejando atrás una solución aún más concentrada de sólidos disueltos
17
(en este caso, sal). En la década de 1960, los investigadores de Estados Unidos y
Japón que desarrollaron membranas con fines industriales advirtieron pronto que
esas mismas membranas artificiales semipermeables podían utilizarse para
desalinización. En los años 70, los promotores de plantas desalinizadoras
adoptaron la ósmosis inversa como técnica preferente. (Bordas Alsina y Castells,
2012).
El interés en la destilación fue tomado en la década de 1950 a 1960, en donde el
objetivo era desarrollar plantas capaces de producir un millón de galones diarios.
Sin embargo, durante diez años, los investigadores alrededor del mundo
concluyeron que las plantas de destilación solar de grandes proporciones eran
muy costosas como para competir con plantas convencionales que operan con
combustible. Ciertos investigadores, han hallado que este tipo de plantas resultan
apropiadas y son factibles económicamente, cuando el requerimiento de agua no
excede los 25 m3/d. (Zarza, 1995).
Una de las plantas desalinizadoras, que funciona con destilación solar, más
grande que se ha construido se encuentra en la isla griega Patmos. Esta planta
ocupa un área de 8 600 m2 y tiene una producción promedio anual de 26 m 3/d.
(Pocaterra, 2002). En la Tabla 1 se muestran plantas desalinizadoras que
funcionan mediante destilación solar en diferentes países.
Tabla 1 Plantas desalinizadoras que usan energía solar. (Pocaterra, 2002).
En los últimos años, se han continuado diseñando y construyendo plantas
desalinizadoras de este tipo. En el año 2000, investigadores del Instituto de
Investigación de Energías de Arabia Saudita, proyectaron una planta de
destiladores solares para producir un promedio de 5.8 m3, usando como agua de
18
alimentación salmuera de desecho de una planta desalinizadora de osmosis
inversa que opera con energía fotovoltaica. (Castrillón e Hincapié, 2012).
En Colombia, investigadores del Instituto de Ciencias Nucleares y Energías
Alternativas (INEA) diseñaron y construyeron una planta con destiladores solares
para proveer de agua potable a una comunidad de 200 indígenas Wayuu ubicada
en Cabo de la Vela, Guajira Colombiana, en el año 1998.(Jutglar, 2004).
2.2 Destilación solar
La energía solar representa un vasto recurso energético del que se puede
disponer con la mayor facilidad en muchas regiones donde la densidad de la
población no sea muy alta y los recursos energéticos sean caros. Su
aprovechamiento para la aplicación de procesos de destilación para la producción
de agua dulce es tecnológicamente viable. (Lambertucci, 1998).
El destilador solar aprovecha el efecto denominado de invernadero, consiste en
que una superficie cubierta con un material transparente y expuesta a los rayos
solares, sufre un calentamiento debido a que la radiación solar que atraviesa la
cubierta no es reflejada completamente, sino que es absorbida en parte por el
agua que se encuentra en el interior y la otra parte es emitida con una longitud de
onda mayor que la de la radiación incidente. Debido a su mayor longitud de onda,
esta radiación es en su mayoría incapaz de atravesar hacia el exterior de la
cubierta transparente, quedando atrapada en el interior del destilador, produciendo
el aumento de temperatura y favoreciendo la evaporación. Este vapor condensa al
entrar en contacto con la cara interior de la cubierta, formando pequeñas gotas de
agua destilada que se deslizan siguiendo la pendiente de la cubierta, para finalizar
siendo recogidas y canalizadas por los colectores que terminan en los depósitos
de almacenamiento de agua.
Los destiladores solares son sistemas de desalinización mediante evaporación
que operan con la energía disponible de la radiación solar. Los elementos básicos
que componen a un destilador solar son dos, la cubierta y el estanque.
El estanque en el que se vierte cierto nivel de agua salobre, generalmente tiene su
superficie interna pintada en negro con un esmalte impermeable, para que pueda
absorber la máxima radiación incidente. (Naciones Unidas, 1972).
La charola utilizada como depósito de agua salada puede ser recubierta con
algunos tipos de óxidos, tales como el cúprico (CuO), cromo II (CrO) y niquelico
(Ni2O3). Mediante un recubrimiento electrolítico y su posterior oxidación, para dar
un color negro y tener una mayor absorción de radiación solar. (Oliva et al. 2006).
19
2.3 Electrólisis
La electrólisis es el nombre del proceso que tiene lugar al pasar una corriente
eléctrica entre dos electrodos, a través de un electrolito, ocasionando un cambio
químico en el mismo.
El electrólito es el nombre dado al líquido a través del cual pasa la corriente
eléctrica para producir la electrólisis.
Los electrodos son las dos terminales llamadas cátodo y ánodo, por los que la
corriente eléctrica entra y sale del electrolito. El cátodo es el electrodo en el que se
produce la reducción y el ánodo es el electrodo donde se produce la oxidación.
(O'M y Amulya, 2003).
2.3.1 Electrodeposición
La electrodeposición es un proceso electrolítico para el tratamiento de superficies,
consiste en recubrir con finas capas de metal la superficie de otra pieza metálica,
sumergiéndola en un electrólito y aplicando corriente eléctrica mediante una fuente
externa. Se utiliza para proteger al material de la corrosión y mejorar las
propiedades de la superficie.
Previo a que se deposite la capa metálica, la superficie a cubrir debe estar libre de
impurezas, tales como grasas y óxidos, por ello se aplican procedimientos de
preparación como el pretratamiento de las superficies, como el pulido y
desengrasado mediante solventes.
La pieza a recubrir se convierte en cátodo donde se lleva a cabo la reducción de
los iones a metal. Cuando fluye la corriente, el ánodo se disuelve y el espesor de
la capa del recubrimiento depende del tiempo de permanencia en el baño
electrolítico.
El recubrimiento electrolítico se divide en ácido y alcalino. El recubrimiento ácido
contiene sulfatos o cloruros del metal a depositar, mientras que el recubrimiento
alcalino se compone sobre la base de complejos de hidróxidos o cianuros. El
electrodepósito de cobre puede aplicarse a partir de un medio alcalino, con
cianuro y un medio ácido, con ácido sulfúrico.
2.3.2 Electrodepósito de cobre
El recubrimiento electrolítico consta de un ánodo y un cátodo en un electrolito. En
el electrolito, el metal está presente en forma de iones y el flujo de electrones es
proporcionado por una fuente externa de corriente directa.
En un medio ácido, el sulfato de cobre CuSO4 representa la fuente de iones de
cobre que se deposita en la superficie a recubrir. El ácido sulfúrico sirve para
20
facilitar la oxidación del ánodo, proporcionando los iones de cobre que se
incorporan a la solución y aumentar la conductividad de la solución, ya que la
concentración de iones Cu+2 va disminuyendo conforme aumenta el pH, es por ello
que este tipo de recubrimiento se opera en un medio ácido, en donde la
concentración de iones Cu+2 es casi constante.
Las reacciones involucradas en el recubrimiento de cobre en medio ácido, son
reacciones de oxido-reducción. (Whitten, 2008). En las ecuaciones (7), (8) y (9) se
muestran dichas reacciones, dónde primero, el sulfato de cobre se disocia en el
electrólito:
Ecuación (7)
Después la oxidación de Cu0 a Cu+2 en el ánodo.
Ecuación (8)
Posteriormente los iones Cu+2 se desplazan en la solución para finalmente llegar
al cátodo, donde se reducen en la superficie catódica en Cu0.
Ecuación (9)
2.3.3 Obtención de oxido cúprico
El recubrimiento del estanque de agua con óxido cúprico, consiste en someter
dicha superficie a un tratamiento para que tenga una emisividad térmica baja. Una
superficie absorbente pintada únicamente de negro sin ningún tratamiento, aunque
posee una alta absortividad solar, tiene una emisividad térmica alta. (Oliva et al.
2006). Muchos tratamientos consisten en recubrir las superficies con óxidos de
metales, el óxido proporciona una alta absorbancia solar mientras que al mismo
tiempo proporciona una baja emisividad.
Dentro de las principales aplicaciones del óxido cúprico, se encuentra la utilización
como material semiconductor eficiente, aplicado a celdas solares. La oxidación
del Cu por influencia de un agente oxidante como lo es el NaOH, es un método
utilizado en este proceso. El proceso de oxidación describe un proceso similar al
21
del electrodepósito de cobre, con la diferencia de que se invierten los polos, es
decir, si en la primera etapa se utilizó una lámina de acero inoxidable como
cátodo, en el proceso de oxidación se utilizará dicha lámina como ánodo y como
cátodo se utilizará el depósito de Cu(s). (Mantell, 2003). Las reacciones que se
llevarán a cabo se muestran en las ecuaciones (10), (11) y (12).
Ecuación (10)
Ecuación (11)
Ecuación (12)
Cu0 + H2O
CuO + H2
22
2.4 Tipos de destiladores solares
Existen múltiples modelos y tamaños de destiladores solares. Aunque en todos el
mecanismo de funcionamiento es semejante, la configuración de los distintos
elementos determina que estos tengan una mayor o menor eficacia. Así podemos
encontrar los siguientes modelos de destiladores:
2.4.1 Destilador solar de una vertiente.
Es quizá el modelo de destilador más sencillo de estructura. Es un destilador cuyo
marco externo es una caja, formada por una capa de espesor suficiente,
dependiendo del material con el que se fabrique, con el objetivo de reducir la
conducción de energía a través del fondo y de las paredes laterales del recipiente.
La caja está dividida en dos compartimentos, uno con el fondo de color negro
donde se coloca el agua a evaporar, absorbedor, y que ocupa la mayor parte de la
caja y el otro donde se recoge el agua destilada y que se encuentra en el lado de
menor altura. El destilador posee además una cubierta cuadrangular transparente
de vidrio, cuyas dimensiones son variadas, con un grosor de entre 3 y 5 mm.
Colocada con una determinada inclinación (de 15° a 30°) respecto de las paredes
del destilador. Esta inclinación debe ser tal que permita fluir hasta el colector a la
totalidad del condensado, sin que nada caiga dentro del compartimiento.
(Marchesi, 2006). En la Figura 2 se muestra un destilador solar de una vertiente en
funcionamiento, con una inclinación de 21° en Córdoba, Argentina.
Figura 2 Destilador solar de una vertiente. (Marchesi, 2006).
23
2.4.2 Destilador solar de dos vertientes.
Esté modelo consta de un tejado de material transparente de dos vertientes. Las
gotas de agua que se han condensado en el panel transparente se deslizan por
los lados y precipitan a un depósito situado bajo la bandeja donde se dispone el
agua para destilar. En la Figura 3 se muestra un destilador solar de dos vertientes
con cubiertas de vidrio de 5 mm colocadas a 45° respecto a la horizontal. (Rubio,
2005).
Figura 3 Destilador solar de dos vertientes. (Rubio, 2005).
2.4.3 Destilador solar de invernadero.
Este es un modelo que consta de estructuras de invernaderos, consiste en una
caseta de material semitransparente, generalmente vidrio de 5 mm de espesor
que en su interior albergan un estanque de agua de poca profundidad con el fondo
de color negro y herméticamente cerrada con vidrio transparente. Los ángulos que
forman las láminas de vidrio del invernadero con la horizontal pueden variar,
obteniéndose diferentes rendimientos para los diversos casos. El agua evaporada
se condensa en las paredes del invernadero y se desliza hacia las canaletas
situadas en la base de las paredes. En la Figura 4 se muestra un destilador solar
de tipo invernadero con cubierta de vidrio y un ángulo de 20°. (Pocaterra, 2002).
24
Figura 4 Destilador solar de invernadero. (Pocaterra, 2002).
2.4.4 Destilador solar de cascada.
Modelo de destilador en forma de terrazas. En la parte superior de cada una de las
terrazas se disponen los estanques con fondo de color negro llenos de agua para
destilar. Cuando la radiación solar incide en el destilador comienza la evaporación.
El agua en estado gaseoso se condensa en una superficie transparente dispuesta
de forma inclinada sobre las terrazas y se desliza hacia el receptor situado en la
parte baja del destilador. (Zarza, 1995). En la Figura 5 se muestra un ejemplo del
destilador solar de cascada.
Figura 5 Destilador solar de cascada. (Zarza, 1995).
25
2.5 Balance de energía del destilador
Las pérdidas de calor del destilador solar de tipo invernadero, son de varios tipos.
Entre ellas pueden mencionarse las pérdidas por convección y radiación desde el
agua caliente hacia la cubierta más fría, la reflexión tanto de la cubierta como de la
superficie de agua salina, la transferencia térmica de la base y los bordes a los
alrededores y las pérdidas de condensado que caen en el agua salina en lugar de
escurrirse hacia el depósito de almacenamiento de agua dulce. (Naciones Unidas,
1972).
La transferencia térmica de la cubierta al medio no constituye una pérdida, sino
más bien un efecto termodinámico indispensable para la continuación del proceso.
Debido a que la dirección así como la magnitud de la radiación solar que incide
sobre el destilador cambian continuamente, al igual que la temperatura ambiente y
en ocasiones la velocidad del viento, es necesario considerar la operación de un
destilador solar como un sistema dinámico. En todo momento la operación del
destilador es determinada por la relación entre las tasas de transferencia de calor
y masa, así como de los balances energéticos.
El balance energético del destilador requiere que el total de energía solar
absorbida sea igual a la energía transferida desde la cubierta, más las pérdidas
por el fondo y los bordes del destilador, más la energía almacenada dentro del
sistema. Para una unidad de superficie de destilador solar, a una intensidad de
radiación solar, HS, con una cubierta transparente que tenga un coeficiente de
transmitancia, τ, y un coeficiente de absorbancia, αg, un estanque de agua cuyo
coeficiente de absorbancia sea, αw, y siendo la capacidad calorífica del sistema,
cwg, el balance energético del destilador puede escribirse de a cuerdo a la
ecuación (13). (Naciones Unidas, 1972).
Ecuación (13)
αg HS + αw τ HS = qga + qb + (cwg) dTw/dt
Donde:
αg HS = Energía solar absorbida por el vidrio;
αw τ HS = Energía solar transmitida a través del vidrio y absorbida en el
estanque;
qga = Energía transferida de la cubierta al aire;
qb = Energía perdida por la base del destilador al medio;
26
(cwg) Tw d/dt = Energía almacenada en el sistema a medida que la
temperatura del agua Tw cambia con el tiempo t.
La transferencia térmica entre la cubierta de vidrio y el medio, es la suma de tres
flujos térmicos, qr + qc + qe, más la energía solar absorbida por el vidrio, como se
expresa en la ecuación (14).
Ecuación (14)
qga = qr + qc + qe + αg HS
Donde:
qr = Intercambio de energía por radiación del estanque a la cubierta;
qc = Intercambio de energía por convección del estanque a la cubierta;
qe = Intercambio de energía por evaporación-condensación del estanque a
la cubierta.
27
2.6 Irradiación en México
México está en una zona geográfica que resulta atractiva desde el punto de vista
de disponibilidad del recurso solar. En la Figura 6 se muestra la variación en la
irradiación del mes de Abril en las diferentes zonas de la republica mexicana y la
cantidad de energía incidente en un metro cuadrado por día, desde el amanecer
hasta el atardecer. (Instituto de Geofísica de la U.N.A.M. 2006). Correspondientes
a un plano inclinado con un ángulo igual a la latitud de la localidad, representando
un valor diario promedio para un mes en particular. (En el apéndice A se reportan
los meses restantes de Enero a Diciembre).
Figura 6 Mapa de irradiación global diaria promedio mensual en el mes de Abril. (Instituto de
Geofísica de la U.N.A.M. 2006).
Nota: (*1 MJ/m2 = 277.77 Wh/m2)
Como se puede apreciar, las zonas con mayor radiación en México son en los
estados de Sonora, Chihuahua y Baja California, estas regiones son las más
apropiadas para la instalación de sistemas que requieran una radiación solar
intensa. Se observa otras dos zonas con una radiación constante en todo el año,
una en los estados de Durango, Zacatecas y Aguascalientes, la otra dentro de los
estados de Puebla, Oaxaca y Guerrero. Parte del estado de Veracruz al igual que
la península de Yucatán, permanece prácticamente constante durante todo el año,
aunque a una intensidad menor.
28
2.7 Zona de estudio: Xalapa Enríquez, Veracruz.
2.7.1 Información geográfica
Xalapa Enríquez se ubica en el municipio de Xalapa en el estado de Veracruz de
Ignacio de la Llave con una superficie de 124.4 Km2 en las coordenadas
geográficas latitud 19° 30’ 43” y longitud 96° 54’ 14” a una altura de 1460 metros
sobre el nivel del mar (msnm). Limita al norte con los municipios de Jilotepec,
Banderilla y Naolinco y al sur con los municipios de Tlalnelhuayocan, Coatepec y
Emiliano Zapata (Ver Figura 7).
El clima es templado-humedo regular, con una temperatura media anual de 18°C,
descendiendo notablemente durante el invierno debido a los vientos del norte, se
presentan lluvias abundantes en otoño con una precipitacion media anual de
1 520 milimetros.
Esta situado sobre las estribaciones orientales del Cofre de Perote, por lo que su
suelo es irregular, sin accidentes notables, siendo su altura principal el Cerro de
Macuiltépetl que se eleva a 1 522 msnm. (INEGI, México en cifras).
Figura 7 Localización de Xalapa en el estado. (INEGI, México en cifras).
29
2.7.2 Información ambiental
El uso del suelo y las acciones en materia ambiental se muestran en las Tablas 1
y 2.
Tabla 2 Uso del suelo.
Fuente: INEGI. Uso de suelo y vegetación, 2005.
Tabla 3 Acciones en materia ambiental.
Fuente: INEGI. Anuario Estadístico de Veracruz, 2005.
30
CAPITULO III: METODOLOGIA
3.1 Selección del destilador solar
De los diferentes modelos de destiladores solares, el tipo más común es el
destilador de invernadero. El proceso natural del ciclo del agua se copia, a una
pequeña escala, en el destilador solar. Una superficie de agua de extensión
limitada se cubre con una cubierta que es transparente a la radiación solar, ésta
cubierta tiene dos objetivos primordiales, impedir que escape el aire húmedo que
se encuentra sobre la superficie del agua y proporcionar una superficie fría en la
que pueda condensarse parte de la humedad.
La cubierta sirve también de blindaje contra las radiaciones y reduce la pérdida de
energía por la emisión de radiación desde la superficie del agua. Aunque el vidrio
así como los materiales plásticos que se usan en las cubiertas, son totalmente
transparentes a la radiación solar, absorben y reflejan sólo una pequeña porción
de esta y prácticamente no interfieren con el proceso de evaporación.
Existen varios diseños para destiladores solares que difieren entre sí, en los
materiales y la disposición, pero en todos influyen elementos que desempeñan las
mismas funciones. El depósito o estanque de agua salada debe de ser
impermeable, y se le da un color negro para que absorba eficientemente la
radiación solar. La cubierta transparente debe de ser impermeable al vapor y estar
inclinada a un ángulo suficiente para permitir que el agua que se condense en la
superficie interior fluya por gravedad hacia el depósito de agua dulce.(Rubio,
2005).
3.2 Diseño del destilador solar
Mientras que la mayor parte de los procesos están proyectados para funcionar a
un ritmo de producción esencialmente constante, a todas horas del día y en todas
las estaciones del año, la operación del destilador solar depende de la presencia
de rayos solares. Su producción varía de un valor mínimo durante la noche, hasta
un valor máximo durante el periodo de sol. Debido a ello, la producción diaria
difiere considerablemente con las variaciones estacionales de la intensidad de la
radiación solar. Esta variabilidad a corto y largo plazo de la producción, exige que
el agua producida se almacene, ya que por lo general la demanda de agua no
coincide con la producción del destilador.
Son muchas las variaciones del diseño en los destiladores solares, difieren entre
sí principalmente en los materiales utilizados, en la disposición geométrica, en los
métodos empleados para sujetar y apoyar la cubierta transparente y en los
arreglos para la admisión y descarga de agua.
31
En éste trabajo se utilizó el destilador solar de invernadero, fabricado con vidrio
transparente de 3 mm de espesor, herméticamente cerrado. Las cubiertas del
destilador forman un ángulo de 40°. El agua evaporada se condensa en las
paredes y se desliza hacia el depósito de agua destilada.
En la Figura 8 se muestra el dimensionamiento del destilador:
Figura 8 Medidas del destilador de invernadero.
3.3 Características del depósito de agua salada
La charola utilizada como depósito de agua salada fue recubierta con óxido
cúprico (CuO), mediante un recubrimiento electrolítico de cobre y su posterior
oxidación, dándole un color negro para una mayor absorción de radiación solar.
Para determinar las mejores condiciones del electrodepósito de cobre y su
posterior oxidación, se realizó la técnica de electrodeposición de cobre.
3.3.1 Reactivos y material
Los reactivos utilizados para ésta técnica son los siguientes:






3 soluciones de 200 ml de sulfato de cobre (CuSO4) de concentración 0.25,
0.5 y 1 Molar
10 ml de ácido sulfúrico concentrado (H2SO4).
2 soluciones de 200 ml de hidróxido de sodio (NaOH) de concentración 0.5
y 1 Molar
1 litro de agua destilada
1 metro de alambre de cobre
9 laminas de aluminio o acero de medidas 10 x 3 centímetros
aproximadamente
El material empleado para el electrodepósito de cobre y su posterior oxidación es
el siguiente:

1 vaso de precipitado de 400 ml
32




1 pipeta graduada de 10 ml
1 perilla
Fuente de poder Modelo GPS-1850D Gwinstek Laboratory
2 cables caimán
3.3.2 Técnica empleada
Antes de la realización del electrodepósito de cobre, se deben limpiar los
electrodos a utilizar, en éste caso las laminas de metal y el alambre de cobre,
mediante los siguientes pasos:


Lijar los electrodos
Sumergir y sacar los electrodos en algún solvente, hasta que se perciban
sin ningún tipo de mancha
3.3.3 Procedimiento
1. Se coloca el alambre de cobre en el polo positivo de la fuente de poder
2. Se anota el peso de las laminas y se colocan en el polo negativo de la
fuente de poder
3. Se coloca la solución de sulfato de cobre en el vaso de precipitado, se
añade con precaución 3 ml de acido sulfúrico concentrado y se calienta a
una temperatura de 60 °C (Para cada concentración de electrólito, 0.25 M,
0.5 M y 1M)
4. Introducir los dos electrodos en el electrólito durante 5 segundos (4.5 V, 9 V
y 13.5 V)
5. Posteriormente se secan las laminas en estufa a 100 °C durante 15 minutos
6. Después de haber secado el depósito de cobre, se coloca la solución de
hidróxido de sodio, a temperatura ambiente, en el vaso de precipitado
7. Se introduce a la solución de hidróxido de sodio los electrodos de acero
cobrizado y el alambre de cobre (Nota: Debe polarizarse la disolución
mediante el continuo cambio de voltaje aplicado a la solución, de voltaje (+)
a (-). De este modo se intenta oxidar el cobre electrodepositado.
3.4 Muestreo
Para esta fase se empleó la metodología que marca la NMX-AA-014-1980. Se
tomó una muestra simple para hacer la experimentación, hecho esto se refrigeró a
una temperatura de 4 °C para preservar las características de la misma, hasta el
momento del análisis.
Se realizaron las pruebas en la zona de estudio tres días después de la toma de
muestras. (Las muestras a analizar se tomaron de aguas salobres del Golfo de
México).
33
3.5 Medición de parámetros
Las técnicas usadas para la determinación de los parámetros a considerar en este
trabajo, tienen fundamento en las normas mexicanas en materia de agua para su
análisis y se adaptaron a los instrumentos usados para la medición de los mismos
y que se muestran en la tabla 3.
Tabla 4 Medición de parámetros.
Parámetro
Método
Equipo empleado
Dureza total
NMX-AA-072-SCFI-2001
Establecido en la norma
Turbiedad
Método directo HACH
Conductividad
Método directo HACH
Turbidimetro HACH
2100P
Conductimetro Sension
156 HACH
Sólidos Disueltos
Totales
Método directo HACH
Conductimetro Sension
156 HACH
3.6 Características de la muestra
Los parámetros antes mencionados fueron seleccionados por ser representativos
de la muestra y se describen a continuación.
3.6.1 Dureza total
Este método especifica el procedimiento para determinación de dureza en agua
por titulación. La dureza se entiende como la capacidad de un agua para precipitar
al jabón y esto está basado en la presencia de sales de los iones calcio y
magnesio.
El método se basa en la formación de complejos por la sal disódica del ácido
etilendiaminotetracético con los iones calcio y magnesio. El método consiste en
una valoración empleando un indicador visual de punto final, el negro de
eriocromo T, que es de color rojo en la presencia de calcio y magnesio y vira a
azul cuando estos se encuentran acomplejados o ausentes. El complejo del EDTA
con el calcio y el magnesio es más fuerte que el que estos iones forman con el
negro de eriocromo T, de manera que la competencia por los iones se desplaza
hacia la formación de los complejos con EDTA desapareciendo el color rojo de la
disolución y tornándose azul.
3.6.2 Turbiedad
Opera bajo el principio nefelométrico de medición de la turbidez. El sistema óptico
(figura) consta de una lámpara de filamento de tungsteno, un detector en 90° para
controlar la luz difusa y un detector de luz transmitida. El microprocesador del
34
instrumento calcula el coeficiente entre las señales desde 90 ° y los detectores de
luz transmitida. Esta técnica de coeficientes corrige la distorsión de los resultados
producida por el color y/o los materiales absorbentes de luz (como el carbono
activo) y compensa las fluctuaciones de la intensidad de la lámpara,
proporcionando estabilidad de calibración a largo plazo. Asimismo, el diseño
óptico minimiza la luz difusa, aumentando la precisión de las mediciones (Ver
Figura 9).
Figura 9 Sistema óptico del Turbidimetro.
En la determinación de este parámetro, es necesario calibrar el Turbidimetro
HACH 2100P para lo cual, se selecciona la función “CAL” (calibrar) y se coloca en
la celda el frasco de calibración 0.1 NTU (Unidades Nefelométricas de Turbiedad)
durante 60 segundos, así cada frasco de calibración hasta llegar al de 800 NTU.
En el frasco muestra se coloca el agua residual a medir que se sitúa en la celda de
medición y se presiona la tecla “READ”, el resultado se lee en unidades NTU o
nefelométricas.
3.6.3 Conductividad
Se colocaron en un vaso de precipitado 100 ml de agua, y con el Conductimetro
Sension HACH 156 se mide la conductividad de la muestra, hay que mencionar
que para que no haya interferencias, el electrodo no debe tocar ni el fondo ni las
paredes del vaso, el resultado de conductividad se expresa en μS/cm (micro
Siemens/centímetro).
3.6.4 Sólidos Disueltos Totales
Para determinar los sólidos disueltos totales se colocaron en un vaso de
precipitado 100 ml de agua, y con el Conductimetro Sension HACH 156 mide los
sólidos disueltos totales de la muestra presionando el botón TDS.
35
3.7 Prueba del destilador solar de invernadero
Se colocaron 500 ml de agua de mar en el estanque del destilador y se cerró
herméticamente.
El destilador solar de tipo invernadero se puso en funcionamiento en un área
donde la radiación solar no tenga interferencia alguna.
La radiación solar pasa a través del vidrio y calienta el interior del destilador, ya
que el fondo del estanque de agua tiene una coloración en negro, absorbe mayor
cantidad de energía que las paredes del dispositivo. Con el aumento de
temperatura, se produce vapor de agua, el cual condensa al entrar en contacto
con la cubierta de vidrio que se encuentra a menor temperatura. El condensado se
desliza por el plano inclinado hasta llegar a los colectores. Las pérdidas de calor
hacia el ambiente, principalmente a través del condensador transparente de vidrio
y por los fondos, por convección y radiación se consideran despreciables.
Dependiendo de la cantidad de radiación solar es el volumen de agua destilada
obtenida. En la Figura 10 se muestra el destilador solar de invernadero en
funcionamiento.
Figura 10 Destilador solar de invernadero.
36
CAPITULO IV: RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 Selección del mejor cobrizado
Los resultados del experimento se muestran en la Tabla 5.
Tabla 5 Selección de cobrizado.
N° Lamina
Peso inicial
(gramos)
Concentración
de CuSO4
(Molar)
Voltaje utilizado
(Volts)
Peso 1
(gramos)
Diferencia en
peso (g)
1
13.25
0.25
4.5
13.45
0.2
2
9.3
0.25
9
9.35
0.05
3
16.1
0.25
13.5
16.25
0.15
4
16
0.5
4.5
16.25
0.25
5
16.8
0.5
9
16.9
0.1
6
14.1
0.5
13.5
14.45
0.35
7
15.45
1
4.5
15.65
0.2
8
8.95
1
9
9.05
0.1
9
12.1
1
13.5
12.15
0.05
Se realizaron las pruebas del cobrizado en tres diferentes concentraciones (0.25
M, 0.5 M y 1 M) y a tres diferentes voltajes (4.5 V, 9 V y 13.5 V).
La selección de la concentración del sulfuro de cobre (CuSO 4) y el voltaje a utilizar
se aprecia mejor en las Figura 11.
37
Determinación de la concentración del
electrolito de CuSO4 a diferentes
voltajes
Grado de cobrizado
0.4
0.3
0.2
4.5
0.1
9
13.5
0
0.25M
0.5M
1M
Concentración del electrolito (CuSO4)
Figura 11 Determinación de la concentración de electrolito a diferentes voltajes.
En éste trabajo el electrolito seleccionado fue una solución de sulfato de cobre
(CuSO4) a una concentración 0.5 M y una corriente eléctrica de 13.5 V, se eligió
de acuerdo a la diferencia en peso entre las láminas antes y después de ser
cobrizadas, aquella con mayor diferencia será la que obtenga un mejor cobrizado
y por lo tanto se utilizara para cobrizar el estanque de agua.
Debido a que el depósito de agua era nuevo, solo se pulió la charola de aluminio y
se limpió con alcohol etílico (CH3CH 2OH).
38
4.2 Selección de la mejor oxidación de cobre
Se cobrizaron las láminas y posteriormente se realizo la oxidación de ellas. Los
resultados del experimento se muestran en la Tabla 6.
Tabla 6 Selección de la oxidación del cobre.
N° Lamina
Peso
inicial
(gramos)
Concentración
de NaOH
(Molar)
Voltaje
utilizado
(Volts)
Peso 1
(gramos)
Diferencia
en peso (g)
1
13.45
0.5
4.5
13.48
0.03
2
9.35
0.5
9
9.35
0
3
16.25
0.5
4.5
16.25
0
4
16.25
0.5
9
16.28
0.03
5
16.9
0.5
13.5
16.98
0.05
6
14.45
1
4.5
14.5
0.05
7
15.65
1
9
15.75
0.1
8
9.05
1
13.5
9.13
0.08
9
12.15
1
4.5
12.15
0
La selección de la concentración del hidróxido de sodio (NaOH) y el voltaje a
utilizar se aprecia mejor en las Figura 12.
39
Determinación de la concentración a
utilizar de NaOH a diferentes voltajes
Grado de oxidación
0.12
0.1
0.08
0.06
4.5 V
0.04
9V
0.02
13.5 V
0
0.5 M
1M
Concentración de NaOH
Figura 12 Determinación de la concentración de NaOH a diferentes voltajes.
En éste trabajo la concentración seleccionada de hidróxido de sodio (NaOH) fue 1
M a una corriente eléctrica de 9 V, se eligió de acuerdo a la diferencia en peso
entre las láminas antes y después de ser oxidadas, aquella con mayor diferencia
será la que obtenga una mejor oxidación y por lo tanto se utilizara para oxidar el
estanque de agua.
4.3 Eficiencia del destilador solar
Se colocaron 500 mililitros de agua de mar en el estanque del destilador solar en
días diferentes de 9:30 a 14:30 horas.
En la Tabla 7 se muestran las condiciones en las que se realizó el experimento y
los resultados de la producción del destilador.
Tabla 7 Condiciones de trabajo.
Fecha
Temperatura
Promedio (°C)
Radiación
Global (W/m2)
11/04/2013
23.3
195.81
Producción de
agua destilada
(ml)
292
15/04/2013
31
449.71
314
18/04/2013
32.16
477.12
368
03/06/2013
17
43.27
180
05/06/2013
16
25.4
160
06/06/2013
21
98.67
260
07/06/2013
21
130.38
290
Fuente: INIFAP
40
La mayor producción de agua destilada se registro el 18 de abril con un volumen
de 368 mililitros de los 500 iniciales. En este día se registro la mayor radiación
global de las pruebas. Por lo tanto, la mayor eficiencia que fue del 73.6%.
La menor producción de agua destilada se registro el 5 de junio con un volumen
de 160 mililitros, teniendo una eficiencia del 32%. En este día se registro la menor
radiación global.
Lo anterior se aprecia mejor en la Figura 13.
Porcentaje (%)
Eficiencia del destilador solar de tipo
invernadero
80
70
60
50
40
30
20
10
0
11/04/2013
15/04/2013
18/04/2013
03/06/2013
05/06/2013
06/06/2013
195.81 449.71 477.12 43.27
25.4
98.67 130.38
Radiación global (W/m2)
07/06/2013
Figura 13 Eficiencia del destilador solar.
4.4 Determinación de parámetros
Las concentraciones iniciales del agua de mar antes de la destilación solar se
muestran en la Tabla 8.
Tabla 8 Características iniciales del agua de mar.
Salinidad (°/°°)
40
Conductividad (mS/cm)
60
Turbiedad (NTU)
0.8
SDT (g/L)
38.6
41
4.4.1 Determinación de la dureza total del agua
La determinación de la dureza total del agua se realizó en tres muestras
obtenidas mediante destilación solar. Se colocaron 50 mililitros de cada
en matraces erlenmeyer de 250 mililitros, se agrego 1 mililitro de
amortiguadora de pH 10 y 1 g de indicador negro de eriocromo T. Se
cada una con una solución de EDTA 0.01 M.
de agua
muestra
solución
titularon
Después de realizar los cálculos correspondientes, los resultados de las
mediciones se muestran en la Tabla 9.
Tabla 9 Dureza total del agua.
Muestra 1
DUREZA TOTAL
(CaCO3)
14 mg/L
Muestra 2
19 mg/L
Muestra 3
10 mg/L
Muestra 4
18 mg/L
Muestra 5
19 mg/L
Muestra 6
15 mg/L
Muestra 7
14 mg/L
La NOM-127-SSA1-1994 referente a la calidad del agua para uso y consumo
humano, establece el límite máximo permisible de dureza total de agua que es de
500 mg/L. Los valores del agua destilada mediante destilación solar son inferiores
a 20 mg/L, cumpliendo la normatividad referente a este parámetro.
42
4.4.2 Determinación de la turbiedad
Se realizó la medición de turbiedad en las muestras de agua destilada mediante
radiación solar, conforme a la técnica descrita en el apartado 3.6.2.
Los resultados se muestran en la Tabla 10.
Tabla 10 Turbiedad del agua.
TURBIEDAD
Muestra 1
0.72 NTU
Muestra 2
0.7 NTU
Muestra 3
0.64 NTU
Muestra 4
0.76 NTU
Muestra 5
0.78 NTU
Muestra 6
0.61 NTU
Muestra 7
0.7 NTU
TURBIEDAD DEL
AGUA DE MAR
0.8 NTU
La normatividad referente a la turbiedad establece un límite máximo permisible de
5 NTU, como se observa en la tabla 8, la turbiedad del agua obtenida en el
destilador solar es muy baja.
4.4.3 Determinación de la conductividad
Se realizó la medición de conductividad en las muestras de agua destilada
mediante radiación solar, conforme a la técnica descrita en el apartado 3.6.3.
Los resultados se muestran en la Tabla 11.
Tabla 11 Conductividad del agua.
CONDUCTIVIDAD
Muestra 1
Muestra 2
Muestra 3
Muestra 4
Muestra 5
Muestra 6
Muestra 7
20.3 μS/cm
17.1 μS/cm
15.08 μS/cm
20.75 μS/cm
21.75 μS/cm
19.6 μS/cm
18.6 μS/cm
CONDUCTIVIDAD
DEL AGUA DE
MAR
60 mS/cm
La conductividad de un agua pura se encuentra en un rango de 0 – 20 μS/cm, por
lo que los resultados obtenidos son muy favorables.
43
4.4.4 Determinación de Sólidos Disueltos Totales
Se realizó la medición de los sólidos disueltos totales en las muestras de agua
destilada mediante radiación solar, conforme a la técnica descrita en el apartado
3.6.4.
Los resultados se muestran en la Tabla 12.
Tabla 12 Sólidos disueltos totales en el agua.
SDT
Muestra 1
Muestra 2
9.1 mg/L
7.52 mg/L
Muestra 3
6.7 mg/L
Muestra 4
Muestra 5
9.3 mg/L
9.6 mg/L
Muestra 6
8.62 mg/L
Muestra 7
8.2 mg/L
SDT EN EL AGUA
DE MAR
38.6 g/L
El agua de mar contiene una cantidad de 38.6 g/L de SDT y los resultados de este
trabajo demuestran la eficiencia de la desalinización del agua de mar mediante
destilación solar. La normatividad establece un límite máximo permisible de 1 000
mg/L de sólidos disueltos totales, por lo que los resultados obtenidos son
satisfactorios.
44
CONCLUSIONES
La obtención de agua destilada para uso potable mediante un destilador solar es
viable. Aunque el volumen obtenido es totalmente dependiente de la radiación
solar, a mayor radiación solar mayor es el volumen de agua destilada obtenida.
El efecto del viento en la eficiencia del destilador solar no es tan apreciable, a
menos que la intensidad sea tal que resulte problemático para la estabilidad
estructural del destilador.
El nivel de agua salobre en el estanque del destilador es relevante, ya que a una
baja profundidad, menor a dos centímetros, la eficiencia aumenta, mientras que a
una profundidad mayor la eficiencia disminuye.
El recubrimiento del estanque de agua con el oxido cúprico favoreció la absorción
de radiación solar, aunque la eficiencia no siempre fue mayor al 50%, debido a
que la radiación solar en la localidad de Xalapa no es constante, además no se
encuentra en las zonas con mayor radiación en México.
Se concluye que la destilación solar es un método factible para obtener agua
potable a partir del agua de mar, pues queda comprobado que las muestras de
agua se encuentran muy por debajo de los límites máximos permisibles de los
parámetros medidos.
Desalinizar el agua de mar mediante éste método, tiene la ventaja de que no hay
costo de operación ni mantenimiento ya que los destiladores solares son
resistentes a los factores climáticos que se puedan presentar, según la literatura
tienen un promedio de vida de 20 años. (Rubio, 2005).
En relación a la salud, la dureza en el agua no es un problema para el ser
humano, sin embargo para el uso domestico como el lavado de ropa presenta
inconvenientes debido a que los iones Ca++ y Mg++ forman sales insolubles con los
ácidos carboxílicos que componen a los jabones, precipitándolos y reduciendo de
esta forma la formación de espuma.
La turbiedad es un indicativo de la contaminación, el agua destilada mediante
radiación solar tiene una turbiedad dentro de los límites máximos permisibles de la
NOM-127-SSA1-1994 referente a la calidad del agua para uso y consumo
humano, siendo este de 5 NTU, demostrando que el agua cumple este parámetro
para ser utilizada como potable.
La conductividad es la medición de la capacidad del agua para conducir corriente
eléctrica, depende en gran medida de la cantidad de materia solida disuelta en el
agua como las sales. El agua destilada tiene un rango de 0.5 a 20 μS/cm, y los
45
valores obtenidos en este trabajo se encuentran dentro de este rango lo que
demuestra que la destilación solar es capaz de destilar agua de mar de una
manera eficiente.
Se observó una relación entre los sólidos disueltos totales y la conductividad,
cuanto mayor sea la cantidad de sales disueltas en el agua, mayor será el valor de
la conductividad eléctrica. Los resultados obtenidos en este trabajo son
satisfactorios, se encuentran muy por debajo del límite máximo permisible en la
NOM-127-SSA1-1994 referente a la calidad del agua para uso y consumo humano
que es de 1 000 mg/L. Demostrando que la desalinización del agua de mar
mediante la destilación solar tiene una eficiencia muy alta.
46
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Madrid, FC Editorial, 2007. 245 p.
22. Mosquera, Martínez María J. y Ruesga, Merino L. Empresa y energías
renovables. Madrid, FC Editorial, 2006. 295 p.
23. Naciones Unidas. La destilación solar como medio de satisfacer
necesidades de agua de poca magnitud. New York, Publicación de las
Naciones Unidas, 1972.
24. Oliva A., Jaen A., Costa M., Colomer P., Casals M., Carreras R., Roca X.,
Quera M. y Calventus Y. Tecnología energética y medio ambiente I.
Barcelona, Editorial UPC, 2006. 188 p.
25. O'M, John, K. N., Amulya. Electroquímica moderna. España, Editorial
Reverte, 2003. 558 p.
26. Perales, Benito Tomas. Guía del instalador de energías renovables. Madrid,
Editorial Limusa, 2007. 254 p.
27. Pocaterra L. Diseño de planta experimental de desalinización solar para
abastecer agua potable a zonas rurales. Caracas, 2002.
28. Porta, M.A., Fernández, J.L., Chargoy N. La experiencia mexicana en el
diseño y operación de destiladores solares. Información Tecnológica. Vol.
9(N° 4):261-266, 1998.
29. Rincón, Mejía Eduardo A. Estado del arte de la investigación en energía
solar en México. México, Fundación ICA, 1999. 75 p.
30. Rius, de Riepen M. y Castro, Acuña C. La química hacia la conquista del
Sol. 4a ed. México, SEP, 1997. 111 p.
31. Romero, Tous Marcelo. Energía solar térmica. Barcelona, Editorial CEAC,
2009. 200 p.
32. Rubio Cerda Eduardo. Estudio experimental de un destilador solar. La Paz
B.C.S. 2005.
33. Vicent, Martínez J., Joan, Miralles Antoni, Enric, Marco y Galadí, Enríquez
David. Astronomía fundamental. Valencia, Universidad de Valencia, 2005.
320 p.
34. Whitten Kenneth W., Raymond D., Larry Peck M. y Stanley George.
Química 8° edición. México, Editorial Cengage Learning, 2008. 1 176 p.
35. Zarza Moya E. Desalinización de agua de mar mediante energías
renovables. Almería, 1995.
36. Sainz Santamaría J. y Becerra Pérez M. Los conflictos por agua en México.
INECOL, 2002.
48
ANEXO A
Mapa de irradiación global diaria promedio mensual en el mes de Enero. (Instituto de
Geofísica de la U.N.A.M. 2006).
49
Mapa de Irradiación Global Diaria Promedio Mensual en el mes de Febrero. (Instituto de
Geofísica de la U.N.A.M. 2006).
Mapa de Irradiación Global Diaria Promedio Mensual en el mes de Marzo. (Instituto de
Geofísica de la U.N.A.M. 2006).
50
Mapa de Irradiación Global Diaria Promedio Mensual en el mes de Mayo. (Instituto de
Geofísica de la U.N.A.M. 2006).
Mapa de Irradiación Global Diaria Promedio Mensual en el mes de Junio. (Instituto de
Geofísica de la U.N.A.M. 2006).
51
Mapa de Irradiación Global Diaria Promedio Mensual en el mes de Julio. (Instituto de
Geofísica de la U.N.A.M. 2006).
Mapa de Irradiación Global Diaria Promedio Mensual en el mes de Agosto. (Instituto de
Geofísica de la U.N.A.M. 2006).
52
Mapa de Irradiación Global Diaria Promedio Mensual en el mes de Septiembre. (Instituto de
Geofísica de la U.N.A.M. 2006).
Mapa de Irradiación Global Diaria Promedio Mensual en el mes de Octubre. (Instituto de
Geofísica de la U.N.A.M. 2006).
53
Mapa de Irradiación Global Diaria Promedio Mensual en el mes de Noviembre. (Instituto de
Geofísica de la U.N.A.M. 2006).
Mapa de Irradiación Global Diaria Promedio Mensual en el mes de Diciembre. (Instituto de
Geofísica de la U.N.A.M. 2006).
54