Métodos de la extracción de agua a partir del aire presente en la atmósfera terrestre para zonas húmedas en Colombia Forero Cubillos Santiago Estudiante González Fajardo Milton Ferney Estudiante Martínez Riaño Juan Sebastián Estudiante Morales Ortega Javier Estudiante Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ingeniería Departamento de ingeniería Civil y Agrícola Bogotá D.C 2020 Resumen Este artículo introduce dos propuestas con el mismo objetivo de explotar el recurso hídrico que se encuentra en el aire y aprovechar su potencial benéfico para los usos agrícolas en zonas donde el acceso a dicho recurso es limitado. La extensión del territorio Colombiano contempla regiones con ambientes y climas, los cuales dificultan el acceso al agua potable. No obstante, podemos recurrir a la extracción del agua mediante el ambiente, por medio de procesos tanto naturales y artificiales. Las dos propuestas expuestas se basan, primero, en el cuidado del medio ambiente, como antes dicho, de forma natural y la secundaria por medio de energía externa. Ambas tienen como base fundamental la aplicación de la termodinámica. 2 Introducción Colombia, al tener un territorio tan extenso, de aproximadamente 1,142 millones de K m2 , posee diversas zonas y regiones con una gran variedad de diferencias climáticas, llegando a ser uno de los países en América Latina con mayor versatilidad ambiental. Según el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales), el clima es un factor importante del ambiente global ya que interviene en todos sus procesos y a la vez es afectado por la variedad de interacciones entre las diversas esferas del ecosistema planetario. Lo anterior, complementa la idea de una gran diversificación de climas actuales en el país. Incluso, significa que existen ambos extremos, es decir, como bien pueden haber tipos de climas y/o ecosistemas en los que la vida sea habitable y cómoda, existen zonas un poco menos concurridas por el ser humano y por la vida (fauna y flora) debido a las complicaciones ambientales que esta zona o región posee. Como consecuencia de lo mencionado, se ha realizado con el tiempo un proceso de abandono a esas tierras, disminuyendo la población drásticamente y quedando casi deshabitado. No por esto significa que sea imposible establecer una sociedad o comunidad allí, por lo contrario existen personas y especies que se han acostumbrado a ese tipo de ambientes. Es difícil económicamente (por transporte en su mayoría de las veces) abastecer a esta población con servicios vitales que son requisito para la vida del ser humano; una de las más importantes: el agua. El acceso a este servicio en estos parámetros ambientales condiciona a su vez, las poblaciones que lo habitan. Por ejemplo en zonas muy áridas debido a la temperatura ambiente el agua se evapora a una rapidez más alta y es más difícil preservarla o tiene un costo más elevado. Por lo que el principal problema es la conservación y obtención del agua en todas las regiones del país. Sin embargo, el uso del agua no se limita únicamente a lo doméstico, es decir, su aplicación no es netamente para uso del hogar. Por ejemplo en la agricultura, el agua es un elemento esencial para la mayoría de procesos que condicionan por completo el desarrollo de este sector. En Colombia, según el diario El Espectador en una noticia publicada el 21 de Junio del año 2018, “Hoy, Colombia, a partir de fuentes como el Igac, el Ideam y otras autoridades e instituciones oficiales, puede decir que, de 40 millones de hectáreas que tiene para el desarrollo agropecuario, apenas 7,6 millones (cerca del 20 % de la frontera agrícola) están cultivadas. El resto, es decir, casi el 80 %, está, 3 por ejemplo, en pasturas y sabanas, que, según Fonseca, no necesariamente están ocupadas en su totalidad por ganadería”. Esto hace referencia al porcentaje del país que es dependiente totalmente del agua para el desarrollo del sector agrícola y la economía del mismo, y según lo dicho por instituciones como el IGAC (Instituto Geográfico Agustín Codazzi) y el IDEAM, aunque la mayoría de esas zonas aprovechables para la agricultura no estén en funcionamiento para el mismo, no dejan de ser aprovechables, por lo que le faltaría un ingrediente más para que funcionase; el agua. De la misma forma como nos explica la noticia, estas zonas también pueden estar en el sector ganadero, la cual también requiere grandes cantidades de recursos hídrico para su mantenimiento y preservación de los animales. La parte agrícola, es una industria fundamental en la economía colombiana, como uno de los principales productos de exportación y de generación de empleo. ya sea en alguna parte de su proceso como: la siembra y cultivo o los procesos de transformación de la materia prima, pero; en toda la industria de la agricultura si existe algo indispensable para que se lleve a cabo es el agua y su debido uso, es primordial, no obstante; este recurso es limitado en algunas zonas del país. Por consiguiente, los problemas del acceso al agua en zonas extremas en Colombia son recurrentes, a pesar de que el servicio vital y de alta demanda, por ello es necesario según los recursos que se tienen a la mano el poder recolectar agua de las maneras que sean necesarias, como lo puede ser el bombeo de agua de una fuente hídrica subterránea o superficial, que contribuyan para satisfacer la demanda del suministro hídrico. Sin embargo, estos recursos se consideran no renovables, y por ende, es mejor no utilizar tales formas de abastecimiento. Para ello, otra opción que se considera en este estudio es el uso de la humedad relativa en el aire como otro medio de obtención de agua, la cual se define como la relación entre cantidad de vapor de agua contenida en el aire a cierta temperatura, en el aire como otro medio de obtención de agua. Analizando un poco más acerca de la humedad relativa y la obtención de agua, notamos que, el aire contiene vapor de agua en distintas cantidades dependiendo de la ubicación, la temperatura y el clima. Así pues, aprovechando el proceso de condensación, definido como un proceso físico de cambio de estado de la materia desde la fase gaseosa a la fase líquida, se obtiene agua líquida. A pesar de que Colombia se encuentra en la zona intertropical, presenta diversos climas en todo su territorio gracias a las diferentes alturas que presenta, 4 éstas varían desde el nivel del mar hasta aproximadamente 6000 metros sobre el nivel del mar (Prieto, 2019). Cabe aclarar que, para lograr la extracción de agua del aire atmosférico, se debe tener en cuenta la humedad relativa de la ubicación para garantizar una óptimo proceso de extracción. A continuación, se presenta un mapa, hecho por el IDEAM, en el que muestra la humedad relativa anual en el territorio colombiano, realizando un promedio multianual entre los años 1981 y 2010. Figura 1. Humedad media anual (%), promedio multianual (1981 - 2010) Fuente: IDEAM. 5 Como se puede ver en la figura 1, las regiones de la amazonía y del pacífico son las que presentan una mayor humedad relativa, presentando más del 85%, en su territorio debido a la cantidad de precipitaciones que hay. Por otro lado, están las regiones andina y orinoquía en la que predomina una humedad relativa de entre el 70% y el 85%. Pensar en las zonas, mencionadas anteriormente, como opciones para definir la ubicación del proyecto es lo más viable. Asimismo, se debe tener en cuenta el tipo de uso que se le va a dar al agua después de extraerse, es decir, si se va a utilizar para regar hortalizas, tubérculos, verduras, frutas entre otras. Puesto que cada tipo de planta necesita una cantidad diferente de agua. En resumen, la idea surge principalmente de ayudar a campesinos, ubicados en lugares desfavorecidos por los problemas de acceso de agua, con sus labores de sustento como lo es la agricultura, generando agua del aire para así utilizarla para el riego de sus cultivos. Para entender un poco más acerca del proyecto y los procesos manejados en la recolección de agua del aire, es importante definir los procesos más importantes, como lo son: la condensación y el punto de rocío, en adición, es importante mencionar el cálculo de ciertos datos necesarios para calcular la cantidad de agua obtenida, la eficiencia, entre otros. La condensación es el cambio físico que sufre la materia desde la fase gaseosa, hasta la fase líquida. También se puede definir como el cambio en el estado de vapor de agua, a agua líquida, cuando está en contacto con una superficie líquida o sólida (Compendium of chemical terminology, 1997). Es importante conocer acerca de este cambio físico de la materia, debido a que es un fenómeno natural y su presencia en el medio ambiente es recurrente. Por ello, puede ser usado a menudo para generar grandes cantidades de agua para el uso humano. Estas aplicaciones están siendo usadas en la industria y frecuentemente en la agricultura. En consecuencia, el punto de rocío es la temperatura en la cual el aire debe enfriarse para saturarse con vapor de agua. Cuando se enfría más, el vapor de agua en el aire se condensa para formar agua líquida (rocío). Cuando el aire se enfría a su punto de rocío a través del contacto con una superficie que es más fría que el aire, el agua se condensa en la superficie. (John M. Wallace; Peter V. Hobbs, 2006). 6 La importancia del punto de rocío en el proyecto, es asegurar la utilidad, y total aprovechamiento del fenómeno natural: condensación, para generar el agua necesaria para la completa factibilidad y uso en los grupos de estudio. El cálculo aproximado del punto de rocío está dado por la siguiente fórmula: T d = T + 35 log( Ee ) (1) donde: Td es el punto de rocío expresado en ºC. Te s la temperatura del aire también en ºC. e es la presión parcial del vapor de agua. E es la presión saturante del vapor de agua. La humedad relativa (HR) se calcula a partir de un psicrómetro (doble termómetro) y haciendo uso también de unas tablas psicrométricas (como datos de entrada tendríamos en este caso la T y la diferencia T-T', siendo T' la temperatura del termómetro húmedo y T la del seco). Debido a que en campo se maneja el dato de HR (Humedad relativa), tenemos que por definición, la humedad relativa, expresada en %, viene dada por el cociente entre las tensiones de vapor normal (e) y saturante (E), multiplicado por 100. Es decir: H R = 100( Ee ) HR 100 (2) = ( Ee ) Sustituyendo esto en la ecuación (1) obtenemos la fórmula de cálculo aproximada, que sería la siguiente: HR T d = T + log( 100 ) (3) Comprobamos como bajo condiciones de saturación (HR=100%) coinciden ambas temperaturas: T = Td 7 La presión para el cálculo del punto de rocío va dada según la figura 2, donde la razón de cambio del punto de rocío en función de la presión es: 0.19 celsius/kPa. Figura 2. Representación gráfica de la relación entre la temperatura de punto de rocío y la presión. Fuente: (Enrique Martínez L., Leonel Lira C, 2008) 8 Propuesta del proyecto Como se ha mencionado anteriormente, el agua es un recurso indispensable e importante para la sociedad. Sin embargo, para las sociedades rurales es difícil tener acceso a este servicio, por ello se plantea la construcción de de un extractor de agua del aire atmosférico de bajo costo, además de ser amigable con el medio ambiente. Basándonos en el modelo de Warka Water desarrollado por Arturo Vittori y Andreas Vogler, en el cual usa principalmente la condensación del agua, utilizando una tela tipo seda que cubre la torre en su totalidad y con una estructura hecha completamente con bambú. La Warka Water no es completamente extranjero en Colombia, algunos proyectos se han tratado de hacer en la Guajira para ayudar a los habitantes de esta zona árida, pero no hay muchos estudios de cómo esta estructura se desempeña en otras climas alrededor de Colombia. Se tiene claro que, esta estructura funciona bajo ciertas condiciones que necesitan ser alcanzadas, especialmente meteorológicas, como la cantidad de niebla y lluvia al dia, y uno que es bastante importante que es la diferencia de la temperatura entre el día y la noche, para una mayor extracción de agua. Estas estructuras están pensadas para recolectar agua para el consumo pero esto no significa que solo sea para eso, también se puede utilizar para la agricultura, pero antes de eso toca pensar en el tipo de plantaciones, para saber si pueden ser sustentadas con el volumen de agua que estas torres recolectan, y así determinar la viabilidad de este proyecto en las zonas seleccionadas. Sin embargo, el proyecto propuesto podrá recolectar el agua lluvia, decantar la neblina y principalmente convertir la humedad del aire en agua, es decir, condensar el agua del aire, funciones semejantes que el Warka Water. Teniendo en cuenta lo anterior y en unas condiciones, medias, se podrá generar cerca de 100 litros de agua diarios, obviamente dependiendo de la zona en que se encuentre. Se proponen dos alternativas para la generación de agua. Por un lado, está la primera, que es acerca es de una manera artificial de extracción de agua, utilizando un evaporador, una válvula de expansión térmica, un condensador, y un compresor. como se puede ver, en la figura 3 el proceso que se lleva a cabo es el siguiente: por un lado entra el aire, hacia un espacio cerrado y rodeado por un tubo en el que fluye el refrigerante, el cual recibe el calor del aire y baja la temperatura de este hasta la del punto de rocío. 9 El refrigerante continúa su ciclo de enfriamiento por medio del compresor y el condensador, junto a este hay sistema de ventilación para evitar el sobrecalentamiento, para así nuevamente volver a rodear el espacio que contiene al aire húmedo. Volviendo a hablar del agua, al condensar el aire húmedo se almacena el agua extraída en un compartimiento que se conecta a una bomba para poder sacar el agua del sistema. Figura 3. propuesta del modelo del proyecto. Una posible desventaja de esta propuesta a nivel ambiental es lo poco amigable que es con el medio ambiente, pues lo ideal es la utilización de refrigerantes clorofluorocarbonos (CFC), los cuales destruyen la capa de ozono. Sin embargo, una opción más “verde” es utilizando el conocido refrigerante R143A, pues este tiene un compuesto inocuo con la capa de ozono. En adición, este sistema debe de estar diseñado para puntos de rocío de menos de 4.5 ° C, que requieren mucha energía para el ciclo de enfriamiento. Para lo cual sería un problema si no se cuenta con la energía suficiente. Pero, se puede obtener la energía eléctrica por medio de una manera alternativa, por ejemplo, por medio de la energía eólica o la energía. Si se emplea esta opción de proyecto el costo inicial, la compra del dispositivo, sería muy alta, pues se tendría que tener en cuenta que sea amigable 10 con el medio ambiente, por ende, como se mencionó anteriormente se utilizará el refrigerante R-134a, y una turbina eólica o un paneles solares para proporcionar la energía suficiente para su funcionamiento, por lo tanto, su costo no sería tan accesible para aquellas personas campesinas que viven del día a día. Por otro lado, está la segunda alternativa que es la construcción del sistema que recolecta agua del aire mediante la condensación natural que se genera en las horas más frías de las zonas a trabajar. El siguiente diseño es la base de esta alternativa, donde se conservaran las partes y conceptos más importantes, se cambiarán y/o agregarán partes fundamentales que beneficien el proyecto en las zonas de estudio y trabajo. Entonces, se dará, a base de los siguiente elementos: Espejos giratorios (Figura 4): reflejan la luz del sol para mantener a las aves alejadas de la estructura y prevenir los posibles daños y contaminación del agua generada, Estructura (Figura 4): Los espacios triangulares en que se divide la estructura, proporciona; resistencia estructural, así como canales aerodinámicos para el paso del aire, manteniendo liviano el sistema. Figura 4. Fuente: (Lara Mora,2015) Dosel (Figura 5): proporciona sombra para las comunidades beneficiarias del sistema, generando lugares de reunión, así como también manteniendo el agua fresca. Figura 5. Fuente: (Lara Mora,2015) 11 Cuerdas (Figura 6): Se utilizan para generar estabilidad a la alta estructura independiente, con cuerdas de poliéster. Figura 6. Fuente: (Lara Mora,2015) Malla (Figura 7): una malla permeable que permite el paso del aire a través del material, capturando gotas de agua que se alojaron en la malla debido a la condensación. Las gotas de agua ruedan hacia abajo por la gravedad. Figura 7. Fuente: (Lara Mora,2015) Colector (Figura 8): las gotas de agua que caen de la malla por la fuerza de la gravedad son recogidas por el colector y canalizadas al tanque de agua. Embudo (Figura 8): el agua pasa del colector al sistema de filtración o embudo y entra al tanque de agua. Tanque de agua (Figura 8): se utiliza para contener y guardar el agua obtenida durante el día. Base (Figura 8): bloques de piedra o material de contención, son usados como plataforma del sistema. Sostenedor del tanque de agua (Figura 8): el tanque de agua está elevado de la tierra por un podio de roca o madera, para hacer un sistema de suministro de agua de flujo por gravedad. Figura 8. Fuente: (Lara Mora,2015) 12 Bibliografía Prieto. G, 2019. Geografía infinita, El clima de Colombia a través de los mapas. Recuperado el 18 de abril del 2020. https://www.geografiainfinita.com/2019/01/el-clima-de-colombia-a-traves-de-los-map as/ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "condensation in atmospheric chemistry John M. Wallace; Peter V. Hobbs (24 March 2006). Atmospheric Science: An Introductory Survey. Academic Press. pp. 83–. ISBN 978-0-08-049953-6. Enrique Martínez L., Leonel Lira C, 2008. Cálculo de la Temperatura de Punto de Rocío a Diferentes Valores de Presión. https://www.cenam.mx/simposio2008/sm_2008/memorias/M1/SM2008-M1171098.pdf Lara Mora, 2015. Warka Water, cada gota cuenta. https://ecosocialhouse.wordpress.com/2015/03/20/warka-water-cada-gota-cuenta/ 13
