“tratamiento ultravioleta del agua a escala doméstica
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I
Master Universitario en Ciencia y Tecnología de la Sostenibilidad 2015-
2017
“Tratamiento ultravioleta del agua a escala doméstica:
sistema de desinfección solar usando la óptica anidólica”
TFM para obtener el grado de Maestro en Ciencia y Tecnología de la Sostenibilidad
Presenta:
Dante González Pérez
Director:
Dr. Marti Rosas Casals
(Universidad Politécnica de Cataluña)
Co-Director:
Dr. Mauricio González Avilés
(Universidad Intercultural Indígena de Michoacán)
Barcelona, España, Julio de 2017
II
DEDICATORIA
A mi hijo Ángel, por ser el pilar que me sostiene día a día y que en su poco tiempo de andar me ha
enseñado lo importante que es la vida.
A mi esposa Luz por siempre apoyarme y mostrarme que la noche es más oscura antes del amanecer.
A mi madre, por ser también padre a la vez, por siempre darlo todo por sus hijos.
A mi “abue”, sin duda mi segunda mamá, por quererme tanto, cuidarme desde niño y nunca dudar de
mí.
A mis hermanos Isabel, Dulce, Martín, Christian y Rodrigo, por saber que siempre contare con Uds.
aunque estemos a la distancia.
III
AGRADECIMIENTOS
Al Instituto de Sostenibilidad y a la Universidad Politécnica de Cataluña, por brindarme la
oportunidad de cursar este Master que sin duda me ha dejado conocimientos muy provechosos.
Al Dr. Marti Rosas Casals, por aceptar ser mi Director de tesis y quien siempre ha mostrado una
sencillez y accesibilidad
Al Dr. Mauricio González Avilés, profesor-investigador de la Universidad Intercultural Indígena de
Michoacán, por ser mi Co-director de tesis, quien ha sido un académico que siempre me ha brindado
su apoyo y amistad.
Al Programa de Becas de Posgrado para Indígenas (PROBEPI) por apoyarme en la postulación y
transcurso de este Master.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT-México) por su apoyo por medio de la
beca otorgada.
A todos mis amigos del Master, en especial a Ángel, Carmen, Tami y Marce, por darme ánimos en
los momentos de querer desistir: siempre los consideraré mis amigos.
A todos los profesores del Mater en Sostenibilidad.
IV
CONTENIDO Pág.
ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................................... VII
ÍNDICE DE FIGURAS Y GRÁFICAS.......................................................................................... VII
RESUMEN .......................................................................................................................................IX
ABSTRAC ........................................................................................................................................ X
RESUM ............................................................................................................................................XI
IANJPERAKUA ..............................................................................................................................XII
1. ANTECEDENTES ..................................................................................................................13
1.1. El agua y la humanidad ..................................................................................................13
1.1.1. Importancia del agua en la vida ..............................................................................13
1.1.2. Estado actual y perspectivas a futuro en el acceso al agua ....................................14
1.2. Agua potable ....................................................................................................................15
1.2.1. Estándares para un agua potable ............................................................................16
1.2.2. Enfermedades relacionadas con la contaminación microbiológica de agua .........19
1.3. Radiación Solar ...............................................................................................................24
1.3.1. Espectro Electromagnético ......................................................................................25
1.3.2. Rayos UV y su efecto en el agua..............................................................................26
2. HIPÓTESIS .............................................................................................................................28
3. OBJETIVOS ............................................................................................................................28
3.1. Objetivo General ..............................................................................................................28
3.2. Objetivos particulares ......................................................................................................28
4. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................29
4.1. Costo ambiental, social y económico del agua embotellada en México ........................32
5. METODOLOGÍA ....................................................................................................................34
5.1. Justificación ......................................................................................................................34
5.1.1. Diferentes tratamientos de desinfección del agua para consumo humano. ..........35
5.1.2. Proyecto SODIS.........................................................................................................37
5.1.3. Concentrador Parabólico Compuesto ......................................................................39
V
5.1.3.1. CPC en 2D .........................................................................................................42
5.1.3.2. CPC en 3D .........................................................................................................42
5.1.4. Índice de radiación solar en la Meseta P´urhépecha, Michoacán, México. ............43
5.2. Diagrama de la metodología............................................................................................45
5.3. Ubicación geográfica de la zona de estudio: Huecato, Municipio de Chilchota,
Michoacán, México. ....................................................................................................................47
5.4. Recolección y Análisis de la encuesta: acceso al agua limpia en Huecato ....................47
5.5. Recolección y análisis de la muestra: metodología CONAGUA.....................................50
5.6. Dispositivo de desinfección solar.....................................................................................50
5.6.1. Análisis de los materiales reflejantes y absorbentes-transmitentes ........................51
5.6.2. Diseño en AutoCAD ................................................................................................58
5.6.3. Construcción física ..................................................................................................58
5.6.3.1. Herramientas de elaboración ..........................................................................58
5.6.3.2. Materiales empleados y sus características .....................................................60
5.6.3.3. Construcción de prototipo ................................................................................65
5.7. Prueba experimental........................................................................................................69
5.7.1. Material y equipo experimental ...............................................................................69
5.7.2. Pruebas de rendimiento térmico ..............................................................................70
5.7.3. Pruebas de desinfección ..........................................................................................71
5.8. Implementación ...............................................................................................................72
5.9. Monitoreo de la adopción ................................................................................................74
5.9.1. Equipo y material empleado ....................................................................................74
6. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS .....................................................................76
6.1. Características del agua en Huecato ...............................................................................76
6.2. Resultados experimentales ..............................................................................................77
6.2.1. Rendimiento térmico ................................................................................................78
6.2.2. Características del agua desinfectada .....................................................................81
6.3. Implementación del dispositivo: adopción de la tecnología ............................................83
6.4. Coste Energético y Emisiones de CO2 de los materiales del dispositivo ........................84
VI
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................................................86
8. BIBLIOGRAFIA .....................................................................................................................89
ANEXOS .........................................................................................................................................95
Anexo 1: Distribución geográfica de la irradiación solar en México por estación y de manera
anual ............................................................................................................................................95
Anexo 2: Encuesta del “Proyecto de implementación de Cocinas Solares” ..............................97
Anexo 3: Diseño a computadora del dispositivo .......................................................................105
Anexo 4: Esquema y códigos del sistema de monitoreo............................................................109
Anexo 5: Hoja de resultados de las pruebas de análisis del agua de Huecato del manantial y de
una vivienda hecha por CONAGUA .........................................................................................115
Anexo 6: Tabla de resultados de las pruebas experimentales para el rendimiento térmico ....116
Anexo 7: Hoja de resultados de las pruebas de análisis del agua desinfectada hecha por
CONAGUA ................................................................................................................................121
Anexo 8: Monitoreo del uso de dispositivos ..............................................................................122
VII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Límites permisibles de características físicas y organolépticas ...........................................16
Tabla 2. Límites permisibles de características químicas .................................................................17
Tabla 3. Límites permisibles de características radiactivas ..............................................................18
Tabla 4. Límites permisibles de características microbiológicas ......................................................18
Tabla 5. Principales enfermedades transmitidas por el agua ............................................................19
Tabla 6. Principales enfermedades con base en el agua....................................................................20
Tabla 7. Principales enfermedades vectoriales relacionadas con el agua ..........................................22
Tabla 8.Causas de defunción en Michoacán .....................................................................................23
Tabla 9. Bandas, longitud de onda, frecuencia y energía del espectro electromagnético ..................25
Tabla 10. Disponibilidad mundial de agua .......................................................................................31
Tabla 11. Promedio de la precipitación pluvial en Michoacán en 30 años .......................................35
Tabla 12. Radiación Solar en la Meseta P´urhépecha ......................................................................44
Tabla 13. Porcentaje de viviendas con agua potable en las distintas comunidades del municipio del
Chilchota ..........................................................................................................................................48
Tabla 14. Equipo de experimentación utilizado en la prueba de reflecctanci-absortancia de los
materiales ........................................................................................................................................52
Tabla 15. Herramientas de elaboración ............................................................................................58
Tabla 16. Material utilizado en la construcción del dispositivo. .......................................................60
Tabla 17. Equipo experimental de rendimiento térmico ..................................................................69
Tabla 18. Equipo y material de monitoreo .......................................................................................74
Tabla 19.Resultados del análisis de calidad del agua de Huecato ....................................................76
Tabla 20.Resultados del análisis de calidad del agua de Huecato después de la desinfección .........81
Tabla 21. Uso de los dispositivos. .....................................................................................................83
Tabla 22. Coste Energético y Emisiones de CO2 de los componentes del dispositivo ......................84
ÍNDICE DE FIGURAS Y GRÁFICAS
Figura 1. Espectro Electromagnético ...............................................................................................25
Figura 2. Distribución global del agua en el mundo. (Clarke, R. y J. King, 2004) ...............................29
Figura 3. Reactores: (a) parabólico compuesto, (b) parabólico y (c) ranura en V .............................38
Figura 4. Reactor de 25 litros de capacidad, Plataforma Solar de Almería, España ..........................39
Figura 5. Involuta con coordenadas polares .....................................................................................40
Figura 6. Segmento de la curva parabólica .......................................................................................41
Figura 7. Concentrador Parabólico Compuesto (CPC) ......................................................................42
Figura 8. a) CPC en 2D o Canal, y b) Horno Solar Tolokatsin con lentes de Fresnel ..........................42
Figura 9. a) CPC en 3D o de Revolución, y b) Cocina Solar “Jorejpatarantsïkua” (López et al, 2012) 43
Figura 10. Comparación de la eficiencia óptica del CPC 2D y 3D (Senthilkumar et al, 2009) ............43
Figura 11. Diagrama de la Metodología de la Investigación .............................................................46
VIII
Figura 12. Ubicación geográfica de la zona de estudio.....................................................................47
Figura 13. Manantial y fuente del agua potable de Huecato ...........................................................48
Figura 14. Croquis de la tubería en la comunidad de Huecato .........................................................48
Figura 15. Recolección de muestra para experimento de desinfección ...........................................50
Figura 16, Arreglo experimental para prueba de reflectancia de los materiales ..............................53
Figura 17. Foto que muestra el registro de la reflectancia de cada material ...................................53
Figura 18. Curva del CPC ..................................................................................................................66
Figura 19. a) Molde la curva, y b) Perforación de las solares para el remachado .............................66
Figura 20. Parte superior del concentrador......................................................................................67
Figura 21. Soldadura de las curvas con el arco que forma la parte superior del concentrador, y
colocación del soporte del recipiente. .............................................................................................67
Figura 22. Soldadura de la base, corte a 23⁰ de los tubos y colocación de los mismos ...................67
Figura 23. Recipiente con conexiones ..............................................................................................68
Figura 24. Prueba experimental de rendimiento térmico del dispositivo ........................................71
Figura 25. Exposición sobre la importancia del agua ........................................................................72
Figura 26. Demostración sobre el funcionamiento del dispositivo ..................................................73
Figura 27. Entrega de dispositivos de desinfección solar .................................................................73
Gráfica 1. Distribución porcentual de los usos del agua a nivel mundial .........................................30
Gráfica 2. Consumo porcentual de América Latina de agua embotellada por país (Wilton, 2011)...32
Gráfica 3. Medios empleados para el acceso al agua para beber en la comunidad de Huecato. ........49
Gráfica 4. Comportamiento óptico en el rango de los rayos UV de distintos materiales ..................54
Gráfica 5. Comparación de la absortancia-transmitancia del PET y el vidrio con ningún medio .....55
Gráfica 6. % de absortancia-transmitancia del PET y el vidrio en comparación con la absotancia
óptima ..............................................................................................................................................56
Gráfica 7. Comparación de la reflectancia del PET y el vidrio .........................................................56
Gráfica 8. Índice de transmitancia del PET y el vidrio expuestos al Sol ..........................................57
Gráfica 9. Resultados de la prueba experimental 1 ...........................................................................78
Gráfica 10. Resultados de la prueba experimental 2 .........................................................................79
Gráfica 11. Resultados de la prueba experimental 3 .........................................................................79
Gráfica 12. Rendimiento térmico en función de la diferencia de temperaturas entre el agua y el
ambiente. El rendimiento térmico promedio es del 31%. .................................................................80
Gráfica 13. Ajuste parabólico del rendimiento térmico ...................................................................81
Gráfica 14. Comparación de la temperatura del agua alcanzada en cada una de las tres pruebas .....86
Gráfica 15. Comparación de la radiación solar registrada en cada una de las pruebas .....................87
IX
RESUMEN
En el presente escrito se muestra un trabajo enfocado a la purificación del agua presente en el hogar
para el consumo humano proveniente del agua entubada de mala calidad, brindando a los habitantes
de una comunidad marginada la posibilidad de un mejor acceso al agua de calidad.
Se llevó a cabo la recolección de datos sobre las características del agua en los hogares de una
comunidad del estado de Michoacán México, por medio de encuestas y muestras, posteriormente se
construyó un dispositivo de desinfección solar con las características adecuadas para la purificación
del agua examinada utilizando materiales locales y de bajo impacto ambiental y económico, pero con
características de buen rendimiento: el dispositivo que se elaboró fue un concentrador solar tipo CPC
en canal y en revolución. Se hicieron pruebas experimentales para obtener el rendimiento térmico del
dispositivo y, siguiendo las recomendaciones del sistema SODIS, la purificación se hizo por medio
de los rayos UV e infrarrojos presentes en la radiación solar de manera natural utilizando películas
selectivas, con lo que se magnificaron la potencialidad de la eliminación de posibles organismos
presentes en el agua a tratar. Por último, se implementaron cinco dispositivos en la zona de estudio.
Se obtuvieron resultados favorables con respecto a la eficiencia del prototipo mediante el análisis del
rendimiento térmico; por su parte la purificación del agua de la zona de estudios que presentaba
contaminantes fecales fue desinfectado en su totalidad convirtiéndola en agua totalmente potable.
Para finalizar, la adopción de la tecnología por parte de habitantes de la comunidad de Huecato,
Municipio de Chilchota, Michoacan, México, representa un avance en materia de transferencia
tecnológica sostenible, misma que en este caso garantiza la asequibilidad del agua de buena calidad
para el consumo humano en zonas marginadas.
Palabras clave: Desinfección Solar, Concentrador Parabólico Compuesto (CPC), Rayos UV, Rayos
Infrarrojos, Rendimiento Térmico, Adopción
X
ABSTRAC
The present paper shows a work focused on the purification of water present in the home for human
consumption from poor quality tubewater water, providing the inhabitants of a marginalized
community with the possibility of better access to quality water.
Data were collected on the characteristics of water in the homes of a community in the state of
Michoacan Mexico, through surveys and samples, later a solar disinfection device was built with the
characteristics suitable for the purification of the water examined using local materials, economic
and of low environmental impact, but with characteristics of good performance: the device that was
elaborated was a solar concentrator type CPC in channel and in revolution. Experimental tests were
performed to obtain the thermal performance of the device and, following the recommendations
of the SODIS system, the purification was done by means of the UV and infrared rays present in the
solar radiation of natural way using selective films, with which magnified the potential of the
elimination of possible organisms present in the water to be treated. Finally, five devices were
implemented in the study area.
Favorable results were obtained with respect to prototype efficiency by thermal performance
analysis; For its part, the purification of the water from the study area that presented fecal
contaminants was completely disinfected by converting it into fully potable water. Finally, the
adoption of technology by inhabitants of the community of Huecato, Chilchota Municipality,
Michoacan, Mexico, represents an advance in sustainable technology transfer, which in this case
guarantees the availability of good quality water for Human consumption in marginalized áreas
Keywords: Solar Disinfection, Parabolic Compound Concentrator (CPC), UV lightnings, infrared
lightnings, Thermal Performance, Adoption
XI
RESUM
En el present escrit es mostra un treball enfocat a la purificació de l'aigua present a la llar per al
consum humà provinent de l'aigua entubada de mala qualitat, brindant als habitants d'una
comunitat marginada la possibilitat d'un millor accés a l'aigua de qualitat.
Es va dur a terme la recollida de dades sobre les característiques de l'aigua a les llars d'una comunitat
de l'estat de Michoacán Mèxic, per mitjà d'enquestes i mostres, posteriorment es va construir un
dispositiu de desinfecció solar amb les característiques adequades per a la purificació de l'aigua
examinada utilitzant materials locals i de baix impacte ambiental i econòmic, però amb
característiques de bon rendiment: el dispositiu que es va elaborar ser un concentrador solar tipus
CPC en canal i en revolució. Es van fer proves experimentals per obtenir el rendiment tèrmic del
dispositiu i, seguint les recomanacions del sistema SODIS, la purificació es va fer per mitjà dels raigs
UV i infrarojos presents a la radiació solar de manera natural utilitzant pel·lícules selectives, de
manera que es va magnificar la potencialitat de l'eliminació de possibles organismes presents en
l'aigua a tractar. Finalment, es van implementar a cinc dispositius a la zona d'estudi.
Es van obtenir resultats favorables pel que fa a l'eficiència del prototip mitjançant l'anàlisi del
rendiment tèrmic; per la seva part la purificació de l'aigua de la zona d'estudis que presentava
contaminants fecals va ser desinfectat íntegrament convertint-la en aigua totalment potable. Per
finalitzar, l'adopció de la tecnologia per part d'habitants de la comunitat de Huecato, Municipi de
Chilchota, Michoacan, Mèxic, representa un avenç en matèria de transferència tecnològica
sostenible, mateixa que en aquest cas garanteix l'assequibilitat de l'aigua de bona qualitat per a el
consum humà en zones marginades.
Paraules clau: Desinfecció Solar, Concentrador Parabòlic Compost (CPC), Raigs UV, Raigs infrarojos,
Rendiment tèrmic, Adopció
XII
IANJPERAKUA
Íxo karakatarhu juatakorhesïnti ma anchikoreta enjka uantajka nana sesi jajkuntani imani itsï enjka
no sesi janarakani ka enjka urakorhekani k´umanchikuecharhu, ka isï ambuni insïpekorheni itsï
ampakiti tsïmini ureteechani enjkaksï sani no jatsikorhekani.
k´uramperakua ka tansïkua jimbo ambusti mitekorheni naejka jaxeka itsï ma iretarhu anapu imanka
jini jaka Michoacán, México, ka tatsekua ukorhesti ma ukata enjka sesi jajkuntaaka imani itsï enjka
no sesi jaxepka ka inde ukata jukarhekorhesti urakuechani enjkaksï no ianimentu anapuejka,
enjkaksï no jukaparhapka ka enjkaksï no ikichaku ujkani nana kuerajpirini, pero enjkaksï sesi k´oru
marhuakani: imanka ukorhepka jisdesti ma ukata enjka tsanda atajkani iamentu k´uanikuntasïndi
mapurku ka arinasïnti CPC ka iosïkasti ka uirhipesti. Ts´ejkukorhesti i ukata paraksï miteni
naxanimamka tsarajkani jimanka itsï jatajkani, ka chuxapani imani karakatani arhikata SODIS, í sesi
jajkuntasïpti itsïni jimpoka uraska imanka tsandani jinkuni jonojkani imanka iamendu ampe ikichaku
ujkani, ka isïtu urasti imanka tsandani jinkuni jurakani imanka tsarajkani ampe, ka jimposï uinani
uandikuatini tsïmini ambe tsïminka p´amenchaku juajkani itsïrhu anapuecha. Ka tatsekia intsinasti
iumu ukateechani jini iretarhu jimanka ukorhepka imanka uenani arhijkani.
Sesi ambe uerasti ini anchekorhetarhu jimboka sesi t´irasïnti inde ukata ka jimpoka sesi jajkuntasti
imani itsï imanka jatamepka kuatsiteri ampe, ka iasï ampukorhesïntia itsïmanani. Ka
k´amarhukupania, í jiapanensïkua kuiripuecheri Uekajkuo anapu, ini Chilchota, Michoacán, México,
xarhatasïnti eska xanarani jaka mojtakukua ka jiapanensïkua tsïmi jimpo ukateecha enjkaksï no
ikichaku ujkani nana kuerajpirini, ka eska na xarhataka í anchekorhetarhu enjka jatsiirajka eska
k´uiripu ireteecharhu sanjku jatsinatiicha anapuecha jatsinajka itsï ampakiti.
K´erati uandakuecha: Ampanarhitantani tsanda jimpo, Ma pentsïkua Uirhioitini jasï Ukorhentsïkata
Ts´intsïkua ikichaku uri, Ts´intsïkua, Naxanimajka t´irajka, Jiapanensïkua
13
1. ANTECEDENTES
1.1. El agua y la humanidad
Como se sabe, la humanidad y/o cada civilización ha visto su progreso en mano del recurso hídrico
más cercano a él, utilizándolo en casi todas las actividades que se comprende.
Todas las grandes civilizaciones del mundo se han establecido en lugares estratégicos donde el agua
sea accesible ya fuese en forma de ríos o lagos; de esto ejemplos sobran como la Sumeria (entre los
ríos Tigris y Eufrates), China (río Yangtze Kiang), Egipto (río Nilo), Inca (lago Titicaca) y Azteca
(lago de Texcoco). Y mediante adaptaciones tecnológicas, o “domesticación” del agua, como
acueductos, canales y pozos, buscaron la forma de abastecer a sus ciudades. (ARQHYS. 2012)
El agua ha sido también hacedora de cultura. Al igual que en el caso del maíz en México, donde no
sabemos si la cultura hizo al maíz o el maíz hizo a la cultura: en el caso del agua no sabemos a ciencia
cierta si en algunas culturas las actividades adoptaron el agua como medio o las actividades se
moldearon al acceso al agua.
Otro de los aspectos en tomar en cuenta sobre la relación agua-humanidad, es el hecho de la influencia
en el progreso. En el siglo XVIII, la llamada Revolución Industrial, es sin duda la más notable
intervención del agua para el desarrollo económico, social y tecnológico de la humanidad, gracia a la
máquina de vapor. Y en la actualidad podemos mencionar la generación de los motores de hidrógeno,
que de ser posible su comercialización, ayudaría al planeta en su constante combate con el
Calentamiento Global, la pérdida de la biodiversidad y la crisis energética.
1.1.1. Importancia del agua en la vida
Sabemos que la vida misma se originó en el agua. Además, todos los seres vivos estamos compuestos
en su mayor parte de ella, aunque en diferente proporción: por ejemplo, las medusas poseen un 95%
de agua en su peso, los humanos un 63%.
Pero lejos de la importancia de este vital por la cuestión de la composición de nuestro cuerpo y el de
los seres vivos, no debemos dejar de lado la cuestión de la utilidad en las diferentes actividades
cotidianas.
El agua por sus característica tan particulares como el hecho de ser inodora, incolora e insípida –
evidentemente esto no se encuentra en la naturaleza debido a la presencia de minerales y otros
14
componentes en distintas proporciones- y por el hecho de poder adaptarse, encontrarse o poder
manejarse en los tres estados de la materia como sólido, líquido y gaseoso, es la sustancia que más
maleable y conveniente nos resulta. Parece ser que esta materia nos fuese dado por una entidad divida
para nuestros propósitos. Pero también es sinónimo de muerte y destrucción, ya que los peores
desastres naturales se deben a inundaciones, mismas que generan el mayor número de muertes y de
daños materiales a nivel mundial, muy por encima de las erupciones volcánicas y los terremotos
juntos (Organización Meteorológica Mundial, 1997).
Otra parte importante del agua en nuestra vida, es la relación que posee con la biodiversidad, y
viceversa. Las plantas, los animales y el suelo no solo son hidratados por el agua, sino que también
mantienen el ciclo hidrológico y desempeñan un papel importante en la purificación del agua: muchas
plantas consumen nutrientes como el fosforo y el nitrógeno, mitigando así la eutrofización; algunos
eliminan sustancias tóxicas, como metales pesados.
1.1.2. Estado actual y perspectivas a futuro en el acceso al agua
Como ya se ha mencionado anteriormente, la cantidad de agua presente en nuestro planeta es limitada
por lo salado, por el estado en el que se encuentra y por su calidad. De acuerdo a algunos estudios,
existe una disponibilidad de unos 4200 km3 de agua dulce, dejando a un lado la parte de los glaciares,
aguas subterráneas y lo necesario para sostener los ecosistemas. Así que para cada persona, de los
casi 7000 millones, nos corresponde unos 600 m3 anuales. Pero se debe tomar en cuenta aspectos
como el espacio y tiempo- considerando la cuestión pluvial como factor principal de presencia o
escasez de agua-, ya que el agua varía considerablemente dependiendo de estas dos variables (Toledo,
2002)
De lo anterior, podemos mencionar que la mayor cantidad de agua se encuentra en Brasil, Rusia,
Canadá, Estados Unidos, China e India; y más del 45% de las descargas ocurren entre mayo y agosto
a nivel mundial (Shiklomanov, 2000 citado por Toledo, 2002). A nivel mundial México se cataloga
como un país con disponibilidad baja de agua. Todo esto nos lleva a una distribución desigual, tanto
por cuestiones naturales como por cuestiones económicas: cerca del 75% de la población mundial
vive en zonas que sumados disponen solo del 20% de agua.
La mala administración junto con la contaminación del agua dulce es uno de los temas que más
preocupa en la actualidad. En México, de acuerdo a la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA),
la industria y la agricultura representan los sectores que mayor contaminantes vierten, y que
casualmente trata menos del 25% del agua residual que se vierte a ríos y lagos. Todo esto ocurre por
15
la cuestión de una mala legislación, misma que posee huecos que favorecen en materia de cuidado
del medio ambiente a empresas irresponsables e inconscientes de los desechos vertidos a la
naturaleza: también es importante destacar una amplia red de corrupción que impide el cumplimiento
de las leyes, las que sí son claras, para sancionar a dichos sectores que incurren en lo ilícito.
El panorama no es nada alentador en el futuro, el margen entre recurso disponible y el volumen
utilizado va a disminuir en los siguientes años, la causa principal, el crecimiento demográfico: la
población mundial llegará a los 12000 millones de habitantes a mediados del próximo siglo, por lo
cual se necesita entre el 50 y el 100% más de agua para el riego de cultivo, llevando a su vez una
mayor inversión en cuanto al manejo del agua ya sea por la distancia recorrida, los diques o
contenedores, mismo que repercutirá en los precios de los alimentos, lo que sin duda llevara a muchas
sociedades a conflictos (Fondo para la Comunicación y la Educación Ambiental, A. C. et al, 2006)
Es por ello que se necesita de una amplia y ambiciosa estrategia vinculada con la distribución y
manejo del agua a nivel mundial, estrategias que garanticen su asequibilidad, sin dejar de lado temas
como la energía, seguridad alimentaria e igualdad; y que posea los instrumentos jurídicos y
normativos, enfoques de gestión integrada, cooperación internacional, mediciones, la vigilancia, la
evaluación, instrumentos de carácter económico y financiero, y la educación y comunicación.
1.2. Agua potable
Un agua limpia sin ningún tipo de contaminación es sinónimo de una sociedad sostenible. El acceso
al agua posee una serie de factores complejos como la disponibilidad local, su calidad y algunos
aspectos económicos. A pesar de que en algunos lugares se posea una disponibilidad local, cerca de
1600 millones de personas a nivel mundial no tienen acceso: no existe el suficiente recurso económico
- en realidad si lo hay pero los gobiernos prefieren invertir en otras cuestiones “rentables” – que les
permita, a esta gente, llevar a cabo una perforación de pozos para extraer el agua subterráneo que
corre bajo sus pies, por lo cual se ven obligados a recorrer grandes distancias para obtenerla
(Convenio sobre la Diversidad Biológica, 2010)
En países desarrollados el acceso a una fuente de agua limpia como el servicio de agua potable es un
abastecimiento que se da por hecho. Pero, ¿cuál es la importancia del agua potable?, pareciera que
esta pregunta se responde por si misma: la importancia recae en que cada hogar requiere de un
abastecimiento de agua de calidad durante todo el año, un agua que satisfaga las necesidades y que
garantice la supervivencia, la salud y la productividades de las familias, pero sin que se ponga en
16
riesgo las base de los recursos naturales. Pareciera que la respuesta anterior casi es una copia de lo
que es el Desarrollo Sostenible.
En México, de acuerdo a datos oficiales, casi el 90 % de la población contaba ya con agua potable en
2005 (Fondo para la Comunicación y la Educación Ambiental, A. C. et al, 2006), pero en la mayoría
de los casos este servicio, en México, no cumple con las característica sobre un agua potable constante
y de calidad, y los sectores más vulnerables a ser propensos de esto son las comunidades indígenas y
rurales, y las comunidades urbanas marginadas, ya que a parte no contar con el servicio nunca son
considerados en la política y planificación del agua: un ejemplo de esto es la de los Mazahuas en el
estado de México, los cuales han visto cómo se extrae el agua de sus tierras por medio del sistema
Cutzamala para llevarla a la ciudad de México, mientras que se sufre de escasez de agua en dicho
poblado.
1.2.1. Estándares para un agua potable
Sin duda alguna, el agua para consumo humano debe cumplir ciertas características que no sean un
riesgo para la salud de la población, características que permitan que una persona pueda beber dicha
agua durante toda su vida sin consecuencia alguna.
A nivel mundial existen parámetros con límites permitidos sobre la presencia de sustancias tanto
químicas como físicas que permiten un control, mismas que se toman en consideración si un país
carece de su propia legislación en materia de agua potable. Por su parte, México posee una su propio
Norma oficial para la calidad del agua, de la cual podemos mencionar los siguientes:
1. Características físicas y organolépticas
Tabla 1. Límites permisibles de características físicas y organolépticas
Características Límite permisible
Color 20 Unidades de color verdadero en la escala de platino-cobalto
Olor y sabor Agradable (se aceptarán aquellos que sean tolerables para la mayoría de
los consumidores, siempre que no sean resultado de condiciones objetables
desde el punto de vista biológico o químico)
Turbiedad 5 unidades de turbiedad nefelométricas (UTN) o su equivalente en otro
método
Fuente: Comisión Nacional del Agua, 2007, Manual de agua potable, Alcantarillado y Saneamiento.
17
2. Características Químicas
Tabla 2. Límites permisibles de características químicas
Parámetro Límite permisible en mg/l
Aluminio 0.20
Arsénico 0.05
Bario 0.70
Cadmio 0.005
Cianuros (como CN´) 0.07
Cloro residual libre 0.2 a 1.50
Cloruros (como Cl´) 250.00
cobre 2.00
Cromo total 0.05
Dureza total (como CaCO3 500.00
Fenoles o compuestos fenólicos 0.3
Fierro 0.30
Fluoruros (como F´) 1.50
Plaguicida, mg/l
Aldrin y dieldrin (separados o combinados) 0.03
Clordano (total de isómeros) 0.20
DDT (total de isómeros) 1.00
Gamma-HCH (lindano) 200
Hexaclorobenceno 1.00
Heptacloro y epóxido de heptacloro 0.03
metoxicloro 20.00
2.4-D 30.00
Plomo 0.01
Sodio 200.00
Sólidos disueltos totales 1000.00
Sulfatos (como SO4) 400.00
Sustancias activas al azul de metileno (SAAM) 0.50
18
Trihalometanos totales 0.20
Yodo residual libre 0.2 a 0.5
Zinc 5.0
Hidrocarburos aromáticos, mg/l
Benceno 10.00
Etilbenceno 300.00
tolueno 700.00
Xileno (tres isómeros) 500.00
Manganeso 0.15
Mercurio 0.001
Nitratos (como N) 10.00
Nitritos (como N) 1.00
Nitrógeno amoniacal (como N) 0.50
pH (potecial de hidrógeno) en unidades de pH 6.5-8.5
Fuente: Comisión Nacional del Agua, 2007, Manual de agua potable, Alcantarillado y Saneamiento.
3. Características Radiactivas
Tabla 3. Límites permisibles de características radiactivas
Características Límites permisibles, bq/l
Radiactividad alfa global 0.56
Radiactividad beta global 1.85
Fuente: Comisión Nacional del Agua, 2007, Manual de agua potable, Alcantarillado y Saneamiento.
4. Características Microbiológicas
Tabla 4. Límites permisibles de características microbiológicas
Características Límites permisibles
Organismos coliformes totales Ausencia o no detectables en ningúna muestra
E. coli o coliformes fecales u
organismos termotolerantes
Ausencia o no detectables.
En sistemas de abastecimiento de localidades con una
población mayor de 50000 habitantes; estos organismos
deberían estar ausentes en el 95 % de las muestras tomadas en
19
un mismo sitio de la red de distribución, durante un periodo de
doce meses de un mismo año.
Fuente: Comisión Nacional del Agua, 2007, Manual de agua potable, Alcantarillado y Saneamiento.
El agua en México que es utilizada y distribuida como agua potable debe cumplir mínimamente estas
características que se mencionan anteriormente, lo cual en la mayor parte del territorio no se cumplen.
1.2.2. Enfermedades relacionadas con la contaminación microbiológica de agua
La contaminación química del agua por medio de cualquier elemento ya sea orgánico o inorgánico
conlleva a efectos adversos generalmente luego de una exposición prolongada, y los cuales son
importantes atender y buscar una solución para la limpieza del agua de éstas sustancias; no obstante
cabe destacar que en esta investigación la problemática en que se centra es en la contaminación
microbiológica, por tal motivo no se adentra en la parte química ni en las otras.
Uno de los principales problemas que conlleva un agua sucia es sin duda la cuestión de las
enfermedades que de ella pueden emanar o transmitirse. Dichas enfermedades son causadas por la
contaminación natural o artificial. El origen principal de estos organismos son las heces fecales de
los animales mamíferos de sangre caliente y los humanos, los cuales se incorporan a las aguas dulces
mediante efluentes, escorrentías y lixiviados: aunque se debe mencionar que algunas bacteria poseen
el agua como hábitat natural como el Flavobacterium spp, Pseudomonas spp, Acinetobacter spp,
Moraxella spp. Chromobacterium, Achromobacter spp y Alcaligenes spp, entre otras (Alba et al,
2013).
Las principales enfermedades trasmitidas por el agua son: disentería amebiana, disentería bacilar,
enfermedades diarreicas, cólera, hepatitis A, fiebre tifoidea y paratifoidea, y la poliomielitis. (Véase
Tabla 5)
Tabla 5. Principales enfermedades transmitidas por el agua
Enfermedades Causa y vía de transmisión Extensión
geográfica
Disentería amebiana Los protozoos pasan por la vía fecal-oral por
medio del agua y alimentos contaminado, por
contacto de una persona con otra
Todo el mundo
20
Disentería bacilar Las bacterias pasan por la vía fecal-oral por
medio del agua y alimentos contaminado, por
contacto de una persona con otra
Todo el mundo
Enfermedades diarreicas
(inclusive la disentería
amebiana y bacilar
Diversas bacterias, virus y protozoos pasan por la
vía fecal-oral por medio del agua y alimentos
contaminado, por contacto de una persona con
otra
Todo el mundo
Cólera Las bacterias pasan por la vía fecal-oral por
medio del agua y alimentos contaminado, por
contacto de una persona con otra
Sudamérica,
África y Asia
Hepatitis A El virus pasan por la vía fecal-oral por medio del
agua y alimentos contaminado, por contacto de
una persona con otra
Todo el mundo
Fiebre paratifoidea y
tifoidea
Las bacterias pasan por la vía fecal-oral por
medio del agua y alimentos contaminado, por
contacto de una persona con otra
80% en Asia, 20%
en América Latina
y África
poliomielitis El virus pasan por la vía fecal-oral por medio del
agua y alimentos contaminado, por contacto de
una persona con otra
66% en la India, 34
% en el Cercano
Oriente, Asia y
África
Fuente: Estebanez et al, 2008, Microorganismos patógenos del agua. Estudio de Molinao Erreka.
También se encuentran enfermedades con base en el agua y enfermedades vectoriales relacionadas
con el agua. (Véase Tabla 6 y Tabla 7, respectivamente)
Tabla 6. Principales enfermedades con base en el agua
Enfermedades Causa y vía de transmisión Extensión
geográfica
Ascariasis Los huevos fecundados se expulsan con las heces humanas.
Las larvas se desarrollan en la tierra caliente. El hombre
ingiere la tierra que esta sobre los alimentos. Las larvas
penetran la pared intestinal, donde maduran.
África, Asia,
América Latina
21
Clonorquiasis Los gusanos se reproducen en caracoles gastrópodos, luego
los tragan peces de agua dulce u otros caracoles. Cuando el
hombre come pescado crudo o poco cocinado, los gusanos
migran a los conductos biliares y ponen huevos.
Asia
Sudoriental
Dracunculosis
(guinea worm)
El gusano de Guinea (Dracunculus medinensis) es ingerido
por el cíclope (un crustáceo). Cuando el hombre ingiere el
cíclope, las larvas del gusano se liberan dentro del
estómago. Las larvas penetran la pared intestinal, luego se
desarrollan, transformandose en gusanos, migran a través
de los tejidos. Después de un año, el gusano adulto llega a
la superficie de la piel de las extremidades inferiores. La
hembra entra en contacto con el agua y despide las larvas
dentro del agua.
78% en Sudán,
22 % en otros
países africanos
al sur del
Sahara y
algunos casos
de la India y
Yemen
Paraginimiasis Los gusanos que viven en quistes pulmonares ponen
huevos en los pulmones humanos que se expectoran y
luego se tragan. Los huevos de los gusanos se expulsan con
las heces y se abren en agua dulce. Las larvas encuentran
caracoles huéspedes en los cuales se reduplican, luego se
mudan a cangrejos o cangrejos de río, el hombre come
mariscos y pescados de mar sin cocinar. Los gusanos
migran en parejas del estómago a través de la pared y el
diafragma intestinal a los pulmones, donde se aparean.
Lejano Oriente,
América Latina
esquistosomiasis Los huevos del gusano esquistosoma se expulsan con las
heces humanas. Los huevos hacen eclosión en contacto con
el agua, liberando el parásito miracidium. El parasito
ingresa en un caracol de agua dulce, donde se reduplica. Se
libera otra vez dentro del agua, luego penetra en la piel del
hombre en unos segundos y pasa a los vasos sanguíneos.
En 30 a 45 días, miracidium crece y se convierte en gusano,
que puede poner de 200 a 2.000 huevos al día, durante un
promedio de 5 años.
África,
Cercano
Oriente, faja de
bosque húmedo
en África
Central,
Pacífico
Occidental,
Kampuchea,
Laos.
Fuente: Estebanez et al, 2008, Microorganismos patógenos del agua. Estudio de Molinao Erreka.
22
Tabla 7. Principales enfermedades vectoriales relacionadas con el agua
Enfermedades Causa y vía de transmisión Extensión
geográfica
Dengue Un mosquito recoge el virus de un ser humano o animal
infectad. El virus tiene un periodo de incubación de 8 a 12
días y se reproduce. En la próxima ingesta de sanre del
mosquito, el vorus se inyecta en la corriente sanguínea.
Todo medio
ambiente
tropical en Asi,
Centroamérica
y Sudamérica
Filariasis
(incluida la
elefantiasis)
Las larvas son ingestadas por un mosquito y se desarrollan.
Cuando el mosquito infectado pica a un ser humano las
larvas penetran por punción y llegan a los vasos linfáticos,
donde se reproducen.
África,
Mediterráneo
Oriental, Asia y
Sudamérica
Paludismo Los protozoos se desarrollan en el intestino del mosquito y
se expulsan con la saliva en cada ingesta de sangre. Los
parásitos son transportados por la sangre al hígado del
hombre. Donde invaden las células y se multiplican.
África. Asia
Sudoriental,
India y
Sudamérica
Oncoceroosis
(ceguera de los
ríos)
Los embriones del gusano son ingeridos por jejenes. Los
embriones se desarrollan y se convierten en larvas dentro
de los jejenes, que inyectan las larvas en el hombre al
picarlo.
África
Subsahariana y
América Latina
Fiebre del Valle
del Rift (FVR)
El virus generalmente vive en huéspedes animales. Los
mosquios y otros insectos chupadores de sangre recogen el
virus y lo inyectan en la sangre del hombre. Éste también
se infecta cuando trabaja con humores corporales de
animales muertos.
África
Subsahariana
Fuente: Estebanez et al, 2008, Microorganismos patógenos del agua. Estudio de Molinao Erreka.
Cerca del 50% del total de la mala nutrición se debe a cuestiones de enfermedades diarreicas o
infecciones intestinales debido al contacto con agua higiénicamente deficiente.
23
En el estado de Michoacán, México, se presenta un número considerable de casos sobre enfermedades
de tipo gastrointestinal mismas que en los casos que no se atiende puede llegar al deceso del afectado
(Véase Tabla 8)
Tabla 8.Causas de defunción en Michoacán
Defunciones generales totales por principales causas de mortalidad en Michoacán, 2014
Principales causas Defunciones % que representa
Total 633641 100
Enfermedades del corazón 121427 19.1633748
Enfermedades isquémicas del corazón 82334 12.993793
Diabetes mellitus 94029 14.8394753
Tumores malignos 77091 12.1663529
Accidentes 35815 5.65225419
De tráfico de vehículos de motor 15882 2.5064666
Enfermedades del hígado 34444 5.43588562
Enfermedad alcohólica del hígado 11411 1.800862
Enfermedades cerebrovasculares 33166 5.23419413
Influenza y neumonía 20550 3.24316135
Agresiones 20010 3.15793959
Enfermedades pulmonares obstructivas crónicas 19715 3.11138326
Ciertas afecciones originadas en el periodo perinatal 13089 2.06568072
Dificultad respiratoria del recién nacido y otros trastornos
respiratorios originados en el periodo perinatal
5800 0.91534481
Insuficiencia renal 12788 2.01817749
Malformaciones congénitas, deformidades y anomalías
cromosómicas
9569 1.51016112
Desnutrición y otras deficiencias nutricionales 7300 1.15207191
Lesiones autoinfligidas intencionalmente 6337 1.00009311
Bronquitis crónica y la no especificada, enfisema y asma 5060 0.79855944
Enfermedad por virus de la inmunodeficiencia humana 4811 0.75926274
Septicemia 3805 0.60049776
Anemias 3640 0.57445778
Enfermedades infecciosas intestinales 3449 0.54431453
24
Síndrome de dependencia del alcohol 3361 0.53042653
Síntomas, signos y hallazgos anormales clínicos y de
laboratorio, no clasificados en otra parte
10583 1.67018864
Las demás causas 93602 14.772087
Fuente: INEGI, 2015, Estadística de Mortalidad
A pesar de que no podemos afirmar que las enfermedades infecciosas intestinales del recuadro
anterior se deben totalmente al contacto con agua potable de mala calidad, si podemos mencionar que
el hecho de contar con un acceso a agua de calidad óptima disminuiría la cantidad de defunciones
causadas por la misma en el estado de Michoacán.
1.3. Radiación Solar
La radiación solar se puede definir como “el flujo de energía que recibimos del Sol en forma de ondas
electromagnéticas que permite la transferencia de energía solar a la superficie terrestre”, y las cuales
son de diferentes frecuencias y longitudes de onda, y no necesitan de un medio material para
propagarse. La radiación la podemos encontrar de diferentes tipos, tales como:
a) Radiación difusa: es la radiación que se recibe desviada por dispersión atmosférica.
b) Radiación directa: es la que se recibe sin recibir ninguna dispersión.
c) Radiación terrestre o albedo: proviene de objetos como una pared, un lago, etc.
d) Radiación global: es la suma de la radiación difusa más la directa.
e) Radiación total: es la suma de la global más la terrestre.
La radiación solar o irradiancia solar posee un valor medio de 1353 W/m2, en el espacio, conocido
como constante solar (I0). Y a nivel terrestre el valor varía de acuerdo al lugar, la hora, la época y las
condiciones del cielo (Lorente, s.f.). Por ejemplo, en México el valor de la irradiación cambia para
cada estación del año, así como en los diferentes estados de la república. En inverno los valores
oscilan entre 2-2.5 kWh/m2día en el norte, mientras que en el sur son de 4.5-5 kWh/m2día: en
`primavera en el noroeste es de 7 kWh/m2día, y en el resto de 6 kWh/m2día: en verano encontramos
valores de 7-8 kWh/m2día en el noreste y la península de Baja California, y 5-6 kWh/m2día en el
resto: y por último en otoño los valores son los más mínimos llegando a 2-3 kWh/m2día en toda la
república. La irradiación anual es de 5.5-6 kWh/m2día (Tejeda et al, 2015) (Véase Anexo 1)
25
1.3.1. Espectro Electromagnético
Al conjunto de todas las longitudes de ondas de la radiación se le conoce como espectro
electromagnético (Ver Figura 1), y este varía desde la radiación que es percibida por el ojo humano
(luz visible), la que se siente en forma de calor (luz infrarroja), hasta la radiación que es utilizada en
campos como la comunicación, la medicina y el área militar.
Figura 1. Espectro Electromagnético
En el espectro electromagnético podemos encontrar para cada “caso” un valor tanto en longitud de
onda, frecuencia y energía, esto lo podemos observar en la tabla 9. La longitud de onda se refiere a la
distancia que hay de un pulso a otro y puede medirse en diferentes escalas del metro; la frecuencia se
refiere al número de repeticiones por unidad de tiempo y se mide en Hz; y la energía, que se mide en
Joule y evidentemente se refiere a la carga energética.
El espectro abarca los rayos gamma y x, la luz ultravioleta y visible, los rayos infrarrojos, y las ondas
de radio. Podemos decir que la onda más pequeña es la longitud de Planck, y la más grande es el
universo.
Tabla 9. Bandas, longitud de onda, frecuencia y energía del espectro electromagnético
Banda Longitud de onda (m) Frecuencia (Hz) Energía (J)
Rayos gamma < 10 pm > 30.0 EHz > 20 10-15 J
Rayos x < 10 nm > 30.0 PHz > 20 10-18 J
Ultravioleta extremo < 200 nm > 1.5 PHz > 993 10-21 J
Ultravioleta cercano < 380 nm > 789 THz > 523 10-21 J
Luz visible < 780 nm > 384 THz > 255 10-21 J
Infrarrojo cercano < 2.5 µm > 120 THz > 79 10-21 J
Infrarrojo medio < 50 µm > 6.00 THz > 4 10-21 J
Infrarrojo lejano/submilimétrico < 1 mm > 300 GHz > 200 10-24 J
26
Microondas < 30 cm > 1 GHz > 2 10-24 J
Ultra alta frecuencia – Radio < 1 m > 300MHz > 19.8 10-26 J
Muy alta Frecuencia – Radio < 10 m > 30 MHz > 19.8 10-28 J
Onda Corta - Radio < 180 m > 1.7 MHz > 11.22 10-28 J
Onda Media – Radio < 650 m > 650 kHz > 42.9 10-29 J
Onda Larga – Radio < 10 km > 30 kHz > 19.8 10-30 J
Muy baja Frecuencia - Radio < 10 km < 30 kHz < 19.8 10-30 J
Fuente: astofisicayfisica.com
1.3.2. Rayos UV y su efecto en el agua
El tema de la Radiación Ultravioleta o Rayos UV es un tema particular que interesa por la naturaleza
del presente trabajo. La Radiación Ultravioleta, poseen una longitud de onda entre los 400 nm (4x10-
7 m) y los 15 nm (1.5x10-8). Su nombre se debe a que el rango de longitud en el que se encuentra la
luz ultravioleta es por encima de la luz violeta, siendo este último, el último color que el ojo humano
percibe.
Existen diversos tipos de Rayos UV, pero únicamente mencionares tres, los cuales son de interés para
esta investigación: a) Ultravioleta A (UVA), poseen una longitud de onda de 400-315 nm, suele tener
valores en la superficie terrestre de 50 W/m2 y provoca el bronceado y las cataratas oculares; b)
Ultravioleta B (UVB): poseen una longitud de onda de 315-280 nm, tiene valores de 2 W/m2 y
provocan las quemaduras; y c) Ultravioleta C (UVC): poseen una longitud de onda de 280-100 nm,
no llegan a la superficie a causa de la capa de ozono. (Lorente, s.f.)
Y a pesar de que la radiación Ultravioleta solo representa el 7% del total de la radiación cabe destacar
que es muy importante por los efectos que conlleva en los seres vivos y el medio ambiente. (Agencia
Estatal de Meteorología, s.f.)
Los rayos ultravioletas, debido a la alta energía presente en su longitud de onda corta, hacen que los
microorganismos en el agua presenten un cambio genético (ADN). Lo que hace es un cambio en la
estructura bioquímica de las moléculas (nucleoproteínas), primordiales para que el microorganismo
superviva; en otras palabras, el ADN del microorganismo absorbe la energía de los rayos ultravioletas
mutando como resultado de esta absorción, lo que altera los enlaces químicos que mantiene unidos
los átomos del ADN, haciendo imposible la generación de proteína que lo mantiene vivo y que
permite su reproducción. Hay estudios (Solsona y Méndez, 2002) que mencionan que solo los
UVC son los encargados de generar dichas alteraciones en los patógenos, los cuales por no llegar a
27
la superficie terrestre, como ya se mencionó, son generados artificialmente, como se explicara en un
apartado más adelante; aunque también hay investigadores que aseguran que debido a que los
microorganismos o patógenos causantes de enfermedades y presentes en el agua no se adaptan a las
condiciones ambientales ya que sus condiciones están dadas para las condiciones del tracto
gastrointestinal humano, son muy sensibles a los UVA (EAWAG/SANDEC, 2002).
28
2. HIPÓTESIS
Con la concentración de los rayos UV presentes en la radiación solar, se aumentará la eficiencia del
sistema SODIS acelerando la desinfección del agua para consumo humano, lo cual disminuirá el gasto
familiar y garantizará una calidad de vida mejor.
3. OBJETIVOS
3.1. Objetivo General
Desinfectar las aguas para consumo humano mediante rayos UV presentes en el espectro de radiación
solar utilizando un dispositivo can base a la óptica anidólica.
3.2. Objetivos particulares
Documentar las características del agua en la comunidad de Huecato, Municipio de
Chilchota, Michoacán, México
Analizar materiales óptimos para el aprovechamiento de los rayos Uv.
Construir un dispositivo de concentración solar para eliminar agentes patógenos presentes en
el agua.
Documentar la potencialidad de aprovechamiento de los rayos Uv presentes en la radiación
solar para la desinfección de agua.
Utilizar los rayos UV para el tratamiento de agua potable de mala calidad.
Purificar agua para el consumo humano
Disminuir el gasto familiar por adquisición de agua embotellada.
29
4. INTRODUCCIÓN
Agua, vital líquido que representa el 75% de la superficie terrestre, y del cual el 97% es agua salada.
Del 3% de agua restante es dulce, pero dos tercios de éste se encuentran en los glaciares y capas
polares, y el tercio restante se encuentra en el subsuelo, dejándonos una mínima parte de agua dulce
para el consumo de todos los seres vivos del planeta.
Figura 2. Distribución global del agua en el mundo. (Clarke, R. y J. King, 2004)
El agua dulce representa un recurso natural que está presente en la gran mayoría de las actividades
humanas, lo que ha llevado a un borde de cuestiones desfavorables para este bien de la naturaleza al
ser descuidado y malgastado por el ser humano.
Actualmente la mayor parte del consumo humano de agua dulce en el planeta se utiliza en la
agricultura, llegando a un porcentaje de más del 70%, agricultura intensiva que lleva, además del
excesivo consumo del agua, a una degradación del suelo y de desigualdad social; seguida del consumo
30
doméstico con un 10 %, industria con 20%. A lo largo de estos usos consuntivos1 se desperdicia una
cantidad enorme del agua, por ejemplo, en España se desperdicia un litro de cada cuatro, mientras
que en México se desperdicia un total de 43.2 %, y en otros países en desarrollo se pierden 45 millones
de metros cúbicos al día, esto ya sea por fugas o por malos hábitos.
Gráfica 1. Distribución porcentual de los usos del agua a nivel mundial
Y a pesar de que en algunas partes se presentan estos desperdicios, a nivel mundial 768 millones de
personas no tienen acceso al agua potable, ocasionando que 1400 niños mueran diariamente por
cuestiones relacionadas a la mala calidad del agua, sobre todo en zonas pobres2 y marginadas (Unicef,
2013). Esto a pesar de que en el 2010 se alcanzara la meta de los Objetivos de Desarrollo del Milenio.
Además de la mortandad de los niños, la falta de acceso al agua en la zonas marginadas, como es el
caso de África, conlleva invertir un tiempo en caminar de 40000 millones de horas cada año para
abastecerse de agua, sobre todo por mujeres y niñas en las que recae el 71% de la recogida de agua,
lo que les resta tiempo para dedicarlo al estudio o al cuidado de sus familias (Unicef, 2015),
1 los usos consuntivos son los que extraen el recurso de su ubicación natural, lo utilizan para sus fines; industrias,
agrícolas o domésticos, y luego lo vierten en un sitio diferente, reducido en cantidad y con una calidad distinta
2 Un niño/a de África Subsahariana tiene 520 veces más probabilidad de morir que un niño/a de Europa o en los Estados
Unidos.
Agricultura70%
Industria20%
Consumo Domésticos
10%
USOS DEL AGUA A NIVEL MUNDIAL
31
disminuyendo así su calidad de vida. Esta gran diferencia se debe a la disponibilidad del agua en el
planeta (véase Tabla 10).
Tabla 10. Disponibilidad mundial de agua
RECURSOS DE AGUA DULCE
Región Metros cúbicos anuales (promedio per cápita)
Oceanía 53711
Sudamérica 36988
África Central 20889
América del Norte 16801
Europa del Este 14818
Europa Occidental 1771
Asia Central y del Sur 1465
África del Sur 1289
África del Norte 495
Fuente: United Nacions Environment Programme 2002
Y lejos de ser solo un recurso hídrico, el agua es también un hacedor de fuentes de empleo, ya que
actualmente cerca de la mitad de los trabajadores del mundo, 1500 millones, lo hacen en una actividad
relacionada con este bien, a pesar de ello el acceso al agua no figura como un derecho laboral, además
de humano (ONU, 2016)
El 25 de Septiembre de 2015, se publicaron los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU (SDG´s
por sus siglas en inglés), con lo que se pretende que los países miembro puedan elegir entre la gama
de objetivos propuestos para transformar nuestro futuro dentro de los siguientes 15 años. La gama
abarca 17 objetivos, dentro de los cuales el sexto objetivo es Agua Limpia y Saneamiento, el cual
posee como objetivo el de garantizar la disponibilidad de agua y su gestión sostenible y el
saneamiento para todos. Lo anterior no es algo descabellado, ya que existe suficiente agua dulce para
alcanzar este objetivo, el problema radica en la mala gestión y distribución inequitativa. Alcanzar este
objetivo hace que los objetivos 2, Hambre Cero y 1, Fin de la pobreza, casi automáticamente se
alcancen, al estar relacionado el agua con el riego de cultivos.
32
4.1. Costo ambiental, social y económico del agua embotellada en México Para empezar, el agua embotellada según el Código de Regulaciones Federales de la FDA se
denomina como:
“aquella (agua) destinada al consumo humano y que está sellada en botellas u otros contenedores
sin ingredientes añadidos, excepto que podría contener opcionalmente agentes antimicrobianos
adecuados y seguros…”
Podemos encontrar en supermercados y tiendas de conveniencia hasta secciones enteras destinadas a
la exhibición de diferentes marcas y tamaños de agua embotellada. Todas las marcas han tenido éxito
por el hecho de promover sus productos como la mejor opción en cuanto a hidratación saludable,
económica, pura y limpia se refiere.
La creencia de que el agua de grifo sólo es segura en países desarrollados, ha llevado a la conclusión
implícita de que en México el agua potable no es segura, debido a que este país se considera como
subdesarrollado.
Por lo anterior, y por otras cuestiones, México ha sido cataloga como el país número 1 (Ver Gráfica
2) en consumo de agua embotella, tanto de América Latina como a nivel mundial.
Gráfica 2. Consumo porcentual de América Latina de agua embotellada por país (Wilton, 2011)
Considerable es mencionar el hecho de que el agua embotellada es 240 y 10 mil veces más cara que
el agua de grifo, y considerando que en algunos caso las empresas líderes del mercado como PepsiCo
33
y Coca Cola utilizan agua de la llave – tratándola un poco o en ocasionas nada- el costo es aún más
alto, ya que utilizan agua que se cobra a los habitantes (Delgado, 2014).
A nivel social, el consumo de agua embotellada ligado a las transnacionales que los fabrican (o
embotellan), resulta contradictorio el hecho de que, por ejemplo, Coca Cola difunda el bien estar de
las personas, el deporte y la salud, siendo que sus `productos han sido catalogados –evidentemente
por investigaciones independientes y que a su vez debido a la corrupción son catalogados como “no
oficiales” o “no validos- como deshidratadores y causantes de una mala nutrición y obesidad
(Delgado, 2014). Además, la población con menores recursos económicos tienden siempre a ser las
primeras víctimas de la privatización del agua.
Las graves consecuencias que genera el agua embotellada parte de la utilización del agua de manera
“consuntiva”, ya que el agua no regresa a la cuenca en el largo o mediano plazo. Por otra parte, la
elaboración de botellas de PET constituye un gasto considerable, tanto de energía como de agua: para
generar una botella de PET de 600ml que pesa alrededor de 19.6 g, se requieren 82.7 Gj/tonelada y
66 kl/tonelada, lo que equivale a 1.6 Mj y 1293.6 ml por cada botella de PET de 600 ml. Y triste es
saber que solo el 20% de toda esa cantidad de plástico es reciclado (Delgado, 2014).
34
5. METODOLOGÍA
5.1. Justificación La ONU (Naciones Unidas) prevé que para mediados del siglo presente, de 2000 millones a 7000
millones de personas tendrán escasez de agua, en 48 o 60 países, esto incluye el calentamiento global
como responsable del 20% del aumento de la escasez.
En México actualmente el panorama de la escasez de agua potable no es diferente, ya que de los 2mil
456 municipios con que cuenta el país, 43 carecen totalmente del acceso al agua potable, donde se
concentran 22 millones de personas, lo que representa cerca del 20 % de la población total del país.
De ese 80% de la población sólo 674 municipios cuentan con un programa de gestión sostenible de
los servicios del agua, dejando en claro que el resto, aunque teniendo el servicio, cuentan con una
mala calidad de agua (INEGI, 2014), lo que inutiliza prácticamente el servicio para fines de consumo
en la comida y de bebida.
En el Estado de Michoacán, parte centro del país, los porcentajes de la población con acceso al agua
a variado a lo largo de los años: para 1990 era de 75.4%, para 2000 de 83.5%, para 2005 era de 88.7%
y para 2010 era de 88.1% (INEGI, 2014). En las zonas más pobres, zonas indígenas, cuatro de cada
10 viviendas carecen del servicio.
Por lo anterior, la mayoría de los hogares carecientes de este servicio y con posibilidades de hacerlo,
optan por comprar el agua de manera embotellada, ya sea en garrafas de 19 litros o la compra en
pipas, principalmente para complementar o cubrir la deficiencia del servicio. Esta adquisición
comprende un gasto elevado para las familias de escasos recursos económicos, ya que se requiere
mínimamente la compra semanal (en una familia de 5 integrantes) de 3 garrafas de 19 litros, con un
costo que va desde los diez hasta los 26 pesos por cada uno: comprendiendo que en México el salario
mínimo es de 80 pesos. (CONASAMI, 2016)
De acuerdo al Centro de Investigación y Docencia Económica (CIDE), los factores que han orillado
a que México sea uno de los países que más agua embotellada consume son: 1) poca confianza en el
sistema de agua potable o acceso nulo: el servicio del agua potable viene de un sistema político carente
de confianza, por ende casi el 100 % de los mexicanos desconfían de la calidad del servicio, 2)
incremento y accesibilidad al agua embotellada: dominado por tres empresas extranjeras, Danone,
Coca-Cola y PepsiCo y 3) falta de legislación para regular este mercado: situación carente en cuanto
a normas de regulación para elaboración o embotellamiento de agua (SinEmbargo/Agencia
Informativa Conacyt, 2017)
35
Como una alternativa a la escasez de servicio de agua potable pocas comunidades recolectan el agua
en manantiales, donde se tiene la oportunidad de hacerlo, y otras hacen captación de agua de lluvia.
Esta última es una actividad no tan practicada debido al aspecto turbio del agua, lo cual genera una
desconfianza y por lo cual el agua sólo se le utiliza para fines del quehacer doméstico (lavar la bajilla,
lavar ropa y limpieza de la casa) pero no en la elaboración de los alimentos. Cabe destacar que la
captación de agua de lluvia es una alternativa de abastecimiento de agua con un potencial muy alto
en algunas zonas de México, ya que la media anual es de 760 mm (Arreguín y Marengo, 2010).
Michoacán es uno de los estados privilegiado de la cantidad de agua que cae (véase Tabla 11), sus
municipios oscilan entre los mejores del país.
Tabla 11. Promedio de la precipitación pluvial en Michoacán en 30 años
Precipitación total anual (Milímetros)
Estación Periodo Precipitación
Promedio
Precipitación del
año más seco
Precipitación de
año más lluvioso
Turicato De 1978 a 2010 844.5 440.3 1 084.3
Tzitzio De 1981 a 2010 1 272.3 850.9 1 809.3
La Piedad De 1961 a 2009 769.2 291.6 1 194.4
Huingo De 1981 a 2010 771.5 406.1 1 068.3
Pátzcuaro De 1981 a 2010 902.5 704.0 1 239.8
Morelia (Centro) De 1971 a 2010 764.8 487.2 1 060.0
Fuente: Comisión Nacional del Agua. Registro Mensual de Precipitación Pluvial en mm. Inédito
Pero debido a que la captación se hace de manera rústica no garantiza un agua con propiedades aptas
para el consumo humano.
Por lo anterior, se requiere de una desinfección económica, social y ambientalmente viable: aspectos
que las actuales formas de tratamiento del agua no cumplen por su complejidad y requerimientos.
5.1.1. Diferentes tratamientos de desinfección del agua para consumo humano. La tecnología ha avanzado considerablemente en materia de potabilización del agua, encontrando
desde simples filtros hasta tratamientos avanzados capaces de desalinizar el agua de mar.
36
Los distintos tipos de desinfección del agua hacen un abanico de posibilidades y de elecciones que
satisfacen las necesidades de los habitantes, así como la accesibilidad en cuanto a costos, tanto
económicos como ambientales.
Cloro.
Por sus características en cuanto a costo económico es sin duda el más utilizado a nivel mundial.
Además, su capacidad oxidante como mecanismo de destrucción de la materia orgánica y su efecto
residual aseguran la inocuidad del agua. Podemos encontrar el cloro en productos como: cloro
gaseoso, cal clorada, hipoclorito de sodio e hipoclorito de calcio. (Solsona y Méndez, 2002). El
subproducto que se obtiene son los llamados trihalometanos que son un compuesto químico volátil
debido a la reacción de la materia orgánica no tratada.
Filtración Lenta
Cosidera como el sistema de tratamiento más antiguo, consiste en la reproducción del proceso natural
de purificación en la naturaleza por medio de la filtración, y consta de un tanque con una caja
sobrenadante del agua a desinfectar, arena como lecho, drenajes y material de regulación y control.
La desinfección consta de una película biológica como filtro, donde bacterias depredadoras crecen y
se reproducen.
Como subproducto se obtiene materia orgánica sin repercusiones a la salud.
Ozono
Básicamente consiste en incorporar ozono al agua contaminada. El ozono posee un oxidante
protoplasmático que destruye las baterías, así como virus, esporas y quistes resistentes de bacterias y
hongos.
El subproducto generado es bromatos, bromoformo, ácido bromoacétido, aldehídos, cetonas y ácidos
carboxílicos.
Minifiltración
Consiste principalmente en la utilización de geomembranas que hacen el efecto de ósmosis inversa.
Desinfección Solar
Como su nombre lo indica, es la utilización de la radiación solar para desinfectar el agua: consiste en
calentar el agua hasta alcanzar temperaturas aceptables para la eliminación de los microorganismos.
Este método utiliza distintos tipos de dispositivos hechos a partir de materiales que transfieren el calor
37
y considera varios parámetros para su buen funcionamiento como las horas de exposición, la
nubosidad, el volumen, la turbiedad del agua, entre otras.
Los dispositivos más comunes son: calentadores solares, cocinas solares, concentradores solares,
destiladores solares y desinfección en botellas y recipientes pequeños. No genera subproductos, pero
se deben considerar aspectos como la temperatura del agua para eliminar patógenos.
Radiación Ultravioleta
La desinfección ultravioleta se da a partir de una fuente artificial de esta; se coloca una lámpara
ultravioleta en contacto con el agua a tratar, dicha lámpara simula la radiación ultravioleta en el rango
de 240 y 280 nm. Su exposición solo dura unos segundos (10 a 20), (Solsona y Méndez, 2002). No
se generan subproductos ni se ha documentado consecuencias en la salud de las personas tampoco
cambia alguna propiedad del agua como el olor o sabor, lo que sí es recomendable es la utilización
de gafas cuando se utiliza la tecnología. Este tipo de desinfección es algo costoso en comparación
con los otros solo por debajo del ozono (Huerta, 2004), además, se recomienda utilizar un
desinfectante secundario por el hecho de que a lo largo del trayecto del caudal después del
tratamiento, los microorganismos tienden a regenerarse.
Métodos alternativos
También podemos encontrar métodos alternativos como el bromo, plata, yodo, dicloro isocianurato
de sodio, mezcla de gases oxidantes, radiación y sinérgicas.
5.1.2. Proyecto SODIS El método Solar Disinfection (SODIS, por sus siglas en inglés), comprende el tratamiento de
desinfección por medio de la exposición a la radiación solar del agua en botellas transparentes, misma
que actúa sobre los agentes patógenos eliminándolos mediante los rayos UV e infrarrojos. Lo cual
coloca a este sistema como un tratamiento de bajo o nulo costo económico, ambientalmente sin
riesgos y socialmente adecuado, ya que sólo ocupa la energía solar que incide en la superficie de la
tierra (Bermudes y Solano, 2015). Es un método que combina el tratamiento de desinfección solar y
el ultravioleta presente en la radiación solar.
En el año de 1991 se iniciaron los experimentos en laboratorio para ver el potencial de dicho método,
posteriormente y una vez demostrado su efectividad por la intervención de los rayos UVA y la
elevación de la temperatura (por los infrarrojos), que provocan la inactivación de los
microorganismos demostrado y comprobado en campo, se llevó a cabo la implementación de
38
proyectos para ver la efectividad de la adopción sociocultural y económica de la gente
(EAWAG/SANDEC, 2002).
Diferentes validaciones de este método se han hecho durante varios años en varias partes del mundo,
dando como resultado la inactivación y disminución de diferentes tipos de colonias de patógenos
(Claure, 2006). Además, se ha mostrado que superando los 50 ⁰C en el agua las bacterias y demás
patógenos son eliminados.
A pesar de que el sistemas SODIS es efectivo, el tiempo que requiere para una desinfección adecuada
es un tanto alto, por lo cual es necesario utilizar dispositivos que aceleren o incrementen la eficiencia
del sistema. Dispositivos como los hornos solares han demostrado que después de 60 minutos se
alcanza una temperatura superior a los 60 ⁰C, y que indistintamente de la época del año después de
120 minutos de exposición al sol, se obtiene una desinfección total (Robles et al, 2007).
También existen concentrados con resultados muy favorables en materia experimental,
concentradores de tipo ranura en V, parabólico y parabólico compuesto (Figura 4 y 5), siendo este
último un 27% más eficiente que los otros dos (MaLoughlin et al, 2004)
Figura 3. Reactores: (a) parabólico compuesto, (b) parabólico y (c) ranura en V
Como se mencionó, la figura 3 es una muestra experimental, los tubos empleados fueron de
dimensiones muy pequeñas (2mm). Aunque se ha demostrado su efectividad en modelos con mayor
capacidad (Plataforma Solar de Almeria, s.f.) (Véase figura 4), aunque nuevamente en el plano
experimental.
39
Figura 4. Reactor de 25 litros de capacidad, Plataforma Solar de Almería, España
Lo mismo ha sido demostrado con dispositivos sencillos y con radiación de 700 W/m2, aumentando
la eficiencia en un 2.25 veces (IMTA, 2002). Pero lo importante no es solo enfocarse en dispositivos
que aumentan la temperatura -lo cual ya se ha trabajado bastante y que evidentemente cualquier
concentración de la energía solar lo hace-, sino en un dispositivo que también concentren los rayos
UV para maximizar las propiedades que tiene parte del espectro electromagnético en cuanto a la
eliminación de agentes patógenos.
Para ello se debe tomar atención al tipo de material reflejante que se utilice. Pero no solo eso, también
se debe poner mayor atención al material que absorba, o en este caso, que permita el paso de los rayos
UV para que interactúen con los microorganismos. Cabe destacar que el tema de los materiales es un
tanto complicado, ya que los materiales conocimos y transparentes como el vidrio y el plástico, no
permiten el paso de la mayor parte de los rayos UV: únicamente el cuarzo es el material transparente
a los UV, seguido del teflón (tetrafluoretileno) (McGuigan et al, 2012).
5.1.3. Concentrador Parabólico Compuesto Debido a la cuestión de que la energía que nos llega del Sol en muchos lugares de la tierra es muy
baja, surge la necesidad de desarrollar métodos que incremente dicha incidencia. Dichos método son
los concentradores, que son dispositivos que aumentan la energía enfocando los rayos del Sol en una
región focal, a diferencia de una parábola que lo concentran en un solo foco, y los cuales se pueden
40
clasificar en tres tipos: a) los de imagen o de enfoque, b) los de no imagen o de óptica anidólicas, y
c) los híbridos.
Para formar un CPC se requieren dos elementos:
a) Involuta.
Parte de una geometría de curvas envolventes, la cual una vez aumentando la altura en el eje “y” y la
distancia en el eje “x”, se va cerrando (Véase Figura 5), sus coordenadas polares son (González-
Avilés et al, 2017):
( cos )x r sen (1)
( s cos )y r en (2)
Figura 5. Involuta con coordenadas polares
Para saber hasta qué punto se debe graficar la involuta, o hasta donde se debe truncar, es necesario
conocer el factor de concentración que se desea, el cual se obtiene de la siguiente relación:
21col abs máxc A A sen (3)
Donde:
c= Factor de concentración
Acol= Área del colector
Aabs= Área del recipiente absorvedor
41
Para el factor de concentración se toma en cuenta el ángulo de aceptación ϕ mediante la siguiente
relación (Rabl, 1976: citado por González-Avilés, 2017):
0 2 máx (4)
b) Segmento de una curva parabólica
Una vez truncado la involuta, se continúa dicha sección con una curva parabólica con dos propósitos,
una para evitar el cierre de la envolvente y otra para aumentar el área de captación (Véase Figura 6).
Las ecuaciones paramétricas correspondientes a estas curvas son (Tapia et al, 2009: citado por
González-Avilés, 2017):
cosx r sen A (5)
cosy r Asen (6)
Siendo
2 cos
1
máx máx
máx
Asen
Figura 6. Segmento de la curva parabólica
Combinando estas dos partes, involuta y segmento de parábola, se obtiene el CPC:
42
Figura 7. Concentrador Parabólico Compuesto (CPC)
5.1.3.1. CPC en 2D
El CPC en 2D o CPC en canal como también se le conoce (Véase Figura 8 a)), de una manera simple,
es el CPC que envuelve a un cilindro a lo largo de su dimensión. Posee diversas aplicaciones en
materia de energía solar como en las partes inferiores de los tubos evacuados de los calentadores
solares, horno solar como el tolokatzin con lentes de Frenel (González et al, 2014) (Figura 8 b))
a) b)
Figura 8. a) CPC en 2D o Canal, y b) Horno Solar Tolokatsin con lentes de Fresnel
5.1.3.2. CPC en 3D
Por su parte, el CPC en 3D o Revolución, posee como su nombre lo indica una revolución de 360⁰,
las principales aplicación de este dispositivo es en el campo de las cocinas solares (Figura 9),
43
a) b)
Figura 9. a) CPC en 3D o de Revolución, y b) Cocina Solar “Jorejpatarantsïkua” (López et al, 2012)
Al CPC en 3D o de Revolución también se le conoce en algunos casos como geometría Parabólica
Compuesta de Revolución Asimétrica (PCRA) (Flores et al, 2013).
También se ha demostrado que el CPC en 3D es ópticamente superior al CPC en 2D (Véase Figura
10)
Figura 10. Comparación de la eficiencia óptica del CPC 2D y 3D (Senthilkumar et al, 2009)
5.1.4. Índice de radiación solar en la Meseta P´urhépecha, Michoacán, México. La radiación que se recibe en México es por lo general unos de los mejores a nivel mundial, esto
evidentemente por la ubicación del territorio en la latitud del planeta. Michoacán, es uno de los
estados con mejores radiaciones (Ver Anexo 1), lo que permite un potencial de aprovechamiento muy
alto a través de dispositivos solares, ya sea en forma fotovoltaica o, y principalmente, fototérmica.
44
La Meseta P´urhépecha, región ubicada en la parte centro norte del estado de Michoacán, se integ
ra por 13 municipios y se caracteriza por la población indígena, misma que mantiene sus tradiciones
como la lengua, costumbres y vestimenta. Presenta una radiación solar muy buena lo cual se puede
apreciar en la Tabla 12, donde se muestra, entre otros datos, la radiación en kWh/m2dia.
Tabla 12. Radiación Solar en la Meseta P´urhépecha
Month Air
temperature
Relative
humidity
Daily
solar
radiation
–
horizontal
Atmospheric
pressure
Wind
speed
Earth
temperature
Heating
degree-
days
Cooling
degree-
days
°C % kWh/m2/d kPa m/s °C °C-d °C-d
January 16.9 52.10% 4.89 85.3 3 18.3 31 222
February 18.4 46.60% 5.86 85.2 3.2 20.8 12 238
March 20.3 39.70% 6.9 85.2 3.5 24.1 2 314
April 22.4 39.40% 7.06 85.1 3.4 27 0 363
May 22.7 50.00% 6.64 85.1 3.1 26.9 0 392
June 20.8 73.60% 5.61 85.2 2.9 23.1 0 331
July 20.1 76.20% 5.3 85.3 2.8 21.7 0 324
August 20.2 75.10% 5.25 85.3 2.6 21.6 0 330
September 19.7 77.60% 4.87 85.2 2.5 20.8 0 303
October 18.8 73.40% 4.91 85.2 2.6 19.8 3 288
November 17.8 65.40% 5.03 85.3 2.8 18.6 12 248
December 17 57.40% 4.68 85.3 2.9 17.9 26 231
Annual 19.6 60.50% 5.58 85.2 3 21.7 86 3584
Fuente: https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/. Base de datos patrocinada por el "Earth Sciense
Enterprise Program" de la NASA
Los datos corresponden en específico al pueblo de Cherán, cabecera municipal del municipio con el
mismo nombre, con las coordenadas geográficas: latitud 19.42 y longitud -101.58.
Se han implementado algunos proyectos de tecnologías solares térmicas en la región, como es el caso
de las comunidades de Cheranástico y Nurio, teniendo como resultados aspectos favorables en la
apropiación de la tecnología y la disminución del consumo de energéticos convencionales utilizados
en el ámbito de cocina y calentamiento de agua.
45
5.2. Diagrama de la metodología
La metodología que se siguió consta de un enfoque cualitativo y cuantitativo, partiendo de una
revisión bibliográfica de los aspectos generales y específicos de la importancia del agua como recurso
y bien natural; la situación actual con respecto al agua para consumo humano, tanto características
idóneas como disponibilidad; la identificación de la zona a estudiar en el estado de Michoacán,
México, su fauna, su flora y sus cuestiones culturales. También se hizo una revisión sobre los
tratamientos alternativos del agua para consumo, enfocándose principalmente en la desinfección
solar.
Una vez obtenidos los datos necesarios se procedió a la realización de análisis in situ del recurso
hídrico en dicha comunidad del estado de Michoacán, México, con lo que se pudo tomar datos sobre
las características de este recurso. Posteriormente se realizó el diseño del prototipo atendiendo
aspectos como la eficiencia térmica, la accesibilidad de materiales y el rendimiento; se realizaron las
pruebas en campo en cuestiones de rendimiento térmico y eficiencia al momento de desinfectar,
obteniéndose resultados de las posibilidades de tratamiento y mejora con la aplicación de rayos UV
e infrarrojos. Al final se llevó a cabo una implementación de cinco dispositivos en la zona identificada
y estudiada, posteriormente se hizo el monitoreo sobre la adopción de la tecnología.
La Figura 11 muestra lo descrito anteriormente en un diagrama general de la metodología a se siguió
en la realización de la presente investigación.
46
Revisión bibliográfica
Ubicación geográfica de la zona de estudio
EncuestaRecolección y análisis de
la muestra
Análisis de los materiales reflejantes del dispositivo
solar
Diseño a computadora Construcción física
Pruebas de rendimiento térmico del dispositivo
Obtención y análisis de los resultados
Implementación del dispositivo
Prueba experimental con la muestra
Monitorio de la adopción: resultados
obtenidos
Figura 11. Diagrama de la Metodología de la Investigación
47
5.3. Ubicación geográfica de la zona de estudio: Huecato, Municipio de
Chilchota, Michoacán, México.
Figura 12. Ubicación geográfica de la zona de estudio
Fuente: elaboración propia con imágenes de internet
Huecato se ubica en el municipio de Chilchota, en el estado de Michoacán, México. Posee una
superficie territorial de 20 mil hectáreas: hay 201 viviendas con 758 habitantes; el 68.36% tiene agua
entubada, el 93% usa letrina. La comunidad cuenta con un manantial que abastece de agua a la
localidad.
5.4. Recolección y Análisis de la encuesta: acceso al agua limpia en
Huecato
Se realizaron visitas a la comunidad identificando que el sistema que alimenta la tubería del agua
potable en la comunidad de Huecato viene de un pequeño manantial ubicado a la entrada del pueblo
(Figura 13).
48
Figura 13. Manantial y fuente del agua potable de Huecato
De acuerdo a la Figura 14, las tuberías más viejas del agua potable datan de hace 30 años.
Figura 14. Croquis de la tubería en la comunidad de Huecato
Fuente: Ayuntamiento de Chilchota, modificado por Zayra Montoya y Alfonzo González.
A pesar de que en la figura anterior se muestra una cobertura extensa de las tuberías de agua potable,
cerca del 40% de la población no posee acceso como se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 13. Porcentaje de viviendas con agua potable en las distintas comunidades del municipio del Chilchota
LOCALIDAD TOTAL DE VIVIENDAS VIVIENDAS CON AGUA POTABLE %
Huecato 201 124 61.69
49
Ranco Seco 21 1 4.76
Morelos 131 95 72.52
San Juan Carapan 7 0 0.00
Carapan 1805 1498 82.99
Tacuro 485 429 88.45
Ichán 968 726 75.00
Huancito 967 855 88.42
Zopoco 680 508 74.71
Santo Tomas 371 329 88.68
Acachuen 690 558 80.87
Tanaquillo 408 313 76.72
Urén 407 328 80.59
Chiclchota 2548 1879 73.74
Los Nogales 470 285 60.64
LA Cofradia 170 76 44.71
El Pedregal 52 3 5.77 Fuente: Periódico Oficial del Gobierno Constitucional del Estado de Michoacán de Ocampo, 2016. Datos
obtenidos del Censo de Población y Vivienda 2010. INEGI
El 60% de la población cuenta con agua potable, no obstante, éste no es de manera continua, ya que
solo tienen el servicio dos días a la semana.
Alumnos de la Escuela Nacional de Estudios Superiores de la UNAM (ENES-Morelia) y la
Universidad Pedagógica Nacional sub-sede Ichan (UPN) realizaron una encuesta dentro del proyecto
denominado “Proyecto de implementación de Cocina Solares” (Ver Anexo 2 apartado “Consumo de
Recursos Hídricos”) dentro del cual se pudo observar que la población recurre a diferentes métodos
o fuentes de acceso al agua para beber (Véase Gráfica 3)
Gráfica 3. Medios empleados para el acceso al agua para beber en la comunidad de Huecato.
0
5
10
15
20
25
30
35
Grifo y hervida Regalada Hervida yregalada
Grifo Garrafon
% D
E LA
PO
BLA
CIÓ
N
MEDIO DE ACCESO
Fuentes de acceso al agua para beber
50
De la gráfica se observó que, cerca del 28 % de la muestra consume agua de Grifo y hervida, el 33 %
agua regalada (por vecinos), el 9.5 % Hervida y Regalada, el 19 % de Grifo y el 10% consumen agua
de garrafón.
5.5. Recolección y análisis de la muestra: metodología CONAGUA
En este punto del proceso metodológico la muestra que se extrajo fue para la experimentación de
desinfección, ya que anteriormente se llevó a cabo una recolección, con las normas que CONAGUA
señala (Véase “Protocolo para el muestreo de calidad del agua en ríos endorréicos y exorréicos, y
en humedales para la aplicación de la Norma de Caudal Ecológico (NMXAA-159-SCFI-2012)), para
el análisis del agua sin ningún proceso de desinfección.
El proceso de recolección fue el siguiente:
1. Se identificó una vivienda conectada a la tubería más antigua (vivienda de donde se extrajo
la muestra para el análisis sin tratamiento)
2. Se enjuagó el recipiente tres veces con el agua del grifo de la vivienda seleccionada.
3. Se llenaron 20 litros de la muestra.
4. Se colocaron en un lugar sin exposición a la luz solar para evitar su contaminación.
5. Se transportó al lugar de las pruebas experimentales.
Figura 15. Recolección de muestra para experimento de desinfección
5.6. Dispositivo de desinfección solar
Una vez teniendo los resultados de las características del agua de Huecato se inició con la toma de
decisión sobre qué dispositivo se acoplaría mejor para la desinfección del agua en dicha comunidad.
Por lo cual se decidió la construcción de un dispositivo de desinfección solar por medio de rayos UV
51
e infrarrojos, y el cual posee la óptica anidólica por cuestiones de practicidad al no requerir
reorientación entre otras cosas; también se le conoce como óptica de no enfoque o de no imagen como
se mencionó en capítulos anteriores. Se decidió combinar las formas de canal y de revolución en el
dispositivo; la de canal por la cuestión a largada del recipiente, y la forma de revolución por presentar
mayor eficiencia óptica.
Se decidió considerar un tamaño de recipiente adecuado para una familia de cinco integrantes, por lo
que el recipiente elegido fue uno de 10 litros con un diámetro de 21 cm y una altura de 30 cm; esto
para poder obtener el tamaño de la involuta y el segmento de la curva parabólica mediante las
ecuaciones 1, 2, 5 y 6.
Para el factor de concentración, se consideró como área de concentración toda el área del cilindro
pero en una forma cubica. Considerando así que se tenía cuatro pieza de 0.21m x 0.30m, y 2 piezas
de 21m x 21m, por lo que el área del absorvedor sería de 0.34 m2; por su parte, el área de captación
se consideró la suma del área del concentrador tipo canal (0.24 m2), más el área de la revolución (0.25
m2), más la parte plana que corresponde a la entrada del dispositivo (0.14 m2), obteniéndose un área
de 0.63 m2.
Por lo que el factor de concentración del dispositivo que se obtuvo fue de
c= 1.85 soles
Pero para prevenir el buen funcionamiento del dispositivo se tuvo que “elegir” los materiales más
óptimos.
5.6.1. Análisis de los materiales reflejantes y absorbentes-transmitentes
El aprovechamiento de la energía solar por medio de concentradores posee diferentes elementos. Uno
de los más importantes es sin duda la parte de los materiales reflejantes y absorbentes-transmitentes,
aludiendo a los tres componentes básicos del aprovechamiento de la energía solar, la reflectancia, la
absortancia y la transmitancia: los cuales deben medirse (Hongn y Flores, 2014) (Echazú et al, 2000)
para saber el grado de eficiencia.
Por lo anterior se analizaron en laboratorio distintos materiales con propiedades diferentes simulando
los realizados en otras investigaciones (Servin et al, 2017). El análisis de los materiales se llevó acabo
en el laboratorio de óptica de la Facultad de Fisico-Matemático (Edificio D) de la Universidad
Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Michoacán, México.
52
Equipo utilizado
Tabla 14. Equipo de experimentación utilizado en la prueba de reflecctanci-absortancia de los materiales
NOMBRE ILUSTRACIÓN
Iluminador para fibra óptica Dolan-Jenner modelo
190
Espectrómetro Ocean Optics
Cable de fibra óptica
Material de soporte
Plataforma deslizante – xyz plataforma lineal de
desplazamiento manual de 3 ejes
Fuente: Elaboración propia, imágenes de internet.
53
Arreglo
Uno de las entradas del cable de fibra óptica se colocó en el iluminador y otro en el espectrómetro,
posteriormente la salida del cable que emite el has de luz se colocó en la plataforma lineal de
desplazamiento manual: a una cierta altura se colocó otra plataforma donde se ubicaron los materiales
a analizar. El arreglo experimental que se elaboró se muestra en la siguiente Figura 16:
Figura 16, Arreglo experimental para prueba de reflectancia de los materiales
Figura 17. Foto que muestra el registro de la reflectancia de cada material
54
Resultados:
Para la reflectancia
Los materiales que se analizaron para la parte de los reflectores poniendo mucho énfasis en que los
materiales reflejaran los rayos UV, fueron: lámina optimizada acabado espejo, lámina anodizada (se
considera la calcomanía protectora de autos), lámina de acero, poliestireno, poliestireno con pintura
de cromo, papel espectra (papel de regalo), madera con pintura de cromo, y plástico utilizado en las
ventanas como protectora de rayos UV. De los cuales se obtuvieron los resultados que se muestran
en la Gráfica 4.
Gráfica 4. Comportamiento óptico en el rango de los rayos UV de distintos materiales
El material que mejor se acercó a las condiciones del material óptimo fue la lámina anodizada que
casualmente en lo económico es muy viable, en este caso dicho material fue tomada como calcomanía
protectora.
Para la absortancia-transmitancia
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
30
0.1
5
30
3.1
1
30
6.0
7
30
9.0
2
31
1.9
8
31
4.9
3
31
7.8
9
32
0.8
3
32
3.7
8
32
6.7
3
32
9.6
7
33
2.6
1
33
5.5
5
33
8.4
9
34
1.4
2
34
4.3
6
34
7.2
9
35
0.2
1
35
3.1
4
35
6.0
7
35
8.9
9
36
1.9
1
36
4.8
3
36
7.7
4
37
0.6
5
37
3.5
7
37
6.4
7
37
9.3
8
38
2.2
9
38
5.1
9
38
8.0
9
39
0.9
9
39
3.8
8
39
6.7
7
39
9.6
7
Reflectancia de distintos materiales
Optima Lámina anodizada (Calcomania Protectora)
Lámina de Acero Poliestireno
poliestireno con pintura de cromo Papel de Regalo
Madera con pintura de cromo Plastico protecto de rayos UV
55
Para aclarar: dado el caso de que no se contó con ningún recubrimiento en el recipiente que actuara
como una película selectiva, se tomó al material del recipiente como absorbedor y como medio de
transmisión, por eso se decidió el término absortancia-transmitancia.
En términos simples refiriéndonos como el contenedor a la parte de absortancia-transmitancia, y al
igual que al material reflejante, se hicieron pruebas a dos materiales: el PET y el vidrio, y ambos se
compararon a la absotancia-transmitancia de sin ningún medio, lo que sería sin ningún “obstáculo”.
Los resultados se aprecian en la Gráfica 5.
Gráfica 5. Comparación de la absortancia-transmitancia del PET y el vidrio con ningún medio
Así mismo, se analizaron el porcentaje de absortancia-transmitancia de cada material con respecto al
100%, esto se aprecia en la Gráfica 6.
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
30
0.1
5
30
3.1
1
30
6.0
7
30
9.0
2
31
1.9
8
31
4.9
3
31
7.8
9
32
0.8
3
32
3.7
8
32
6.7
3
32
9.6
7
33
2.6
1
33
5.5
5
33
8.4
9
34
1.4
2
34
4.3
6
34
7.2
9
35
0.2
1
35
3.1
4
35
6.0
7
35
8.9
9
36
1.9
1
36
4.8
3
36
7.7
4
37
0.6
5
37
3.5
7
37
6.4
7
37
9.3
8
38
2.2
9
38
5.1
9
38
8.0
9
39
0.9
9
39
3.8
8
39
6.7
7
39
9.6
7
Absortancia-transmitancia del PET y el vidrio en comparación sin ningun medio
Sin ningun medio Vidrio PET
56
Gráfica 6. % de absortancia-transmitancia del PET y el vidrio en comparación con la absotancia óptima
Dada la premisa de que “a mayor índice de absortancia-transmitancia, menor índice de reflectancia”,
esta se comprobó mediante el análisis del índice o porcentaje de reflectancia del PET y el vidrio
(Véase Grafica 7).
Gráfica 7. Comparación de la reflectancia del PET y el vidrio
0
20
40
60
80
100
1203
00.
15
30
3.1
1
30
6.0
7
30
9.0
2
31
1.9
8
31
4.9
3
31
7.8
9
32
0.8
3
32
3.7
8
32
6.7
3
32
9.6
7
33
2.6
1
33
5.5
5
33
8.4
9
34
1.4
2
34
4.3
6
34
7.2
9
35
0.2
1
35
3.1
4
35
6.0
7
35
8.9
9
36
1.9
1
36
4.8
3
36
7.7
4
37
0.6
5
37
3.5
7
37
6.4
7
37
9.3
8
38
2.2
9
38
5.1
9
38
8.0
9
39
0.9
9
39
3.8
8
39
6.7
7
39
9.6
7
Porcentaje de absortancia-transmitancia del PET y el vidrio
Vidrio PET Sin ningun medio
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
30
0.1
5
30
3.1
1
30
6.0
7
30
9.0
2
31
1.9
8
31
4.9
3
31
7.8
9
32
0.8
3
32
3.7
8
32
6.7
3
32
9.6
7
33
2.6
1
33
5.5
5
33
8.4
9
34
1.4
2
34
4.3
6
34
7.2
9
35
0.2
1
35
3.1
4
35
6.0
7
35
8.9
9
36
1.9
1
36
4.8
3
36
7.7
4
37
0.6
5
37
3.5
7
37
6.4
7
37
9.3
8
38
2.2
9
38
5.1
9
38
8.0
9
39
0.9
9
39
3.8
8
39
6.7
7
39
9.6
7
Reflectancia de los material PET y Vidrio
Pet Vidrio
57
Se obtuvo que, y como se aprecia en las gráficas de absortancia-transmitancia y reflectancia, que el
material más óptimo es el PET, por presentar un índice de absortancia-transmitancia mayor que el
vidrio, y un índice de reflectancia menor que éste.
Se realizó otra prueba ya en campo que reveló otro aspecto interesante del PET. Se colocó el
espectrómetro con dirección al Sol y de manera directa, y se tomó el registro de la cantidad de
radiación recibida en longitud de ondas; posteriormente se colocó una pieza de vidrio simulando un
recipiente de este material y se registraron los datos; por último se colocó una pieza de PET, de igual
manera simulando un recipiente de este material y se tomaron los datos. Los resultados se muestran
en la siguiente gráfica.
Gráfica 8. Índice de transmitancia del PET y el vidrio expuestos al Sol
Como se observa en la gráfica anterior, el PET y el vidrio actual como un lente de Fresnel, lo que
hace que se aumente la concentración de la radiación dentro de algún recipiente con estos materiales.
Nuevamente el PET muestra un mejor comportamiento que el vidrio.
Al final, y de acuerdo a los resultados obtenidos, los materiales que se seleccionaron para el reflector
y el absorbedor-transmisor fueron la calcomanía protectora y el PET, respectivamente.
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
17
7.9
7
20
0.7
22
3.3
3
24
5.8
6
26
8.2
9
29
0.6
1
31
2.8
2
33
4.9
2
35
6.9
37
8.7
6
40
0.4
9
42
2.1
44
3.5
7
46
4.9
48
6.1
50
7.1
6
52
8.0
7
54
8.8
2
56
9.4
3
58
9.8
8
61
0.1
7
63
0.2
9
65
0.2
5
67
0.0
3
68
9.6
4
70
9.0
7
72
8.3
2
74
7.3
9
76
6.2
6
78
4.9
4
80
3.4
3
82
1.7
2
83
9.8
85
7.6
8
87
5.3
4
Pruebas de trasmitancia de rdiación solar del PET y vidrio
Vidrio Pet Natural
58
5.6.2. Diseño en AutoCAD
La herramienta utilizada para la creación del diseño a computadora fue el programa AutoCAD. El
proceso se muestran en el Anexo 3.
5.6.3. Construcción física
Una vez obtenido el diseño en computadora se inició con la construcción física del prototipo, misma
que se describe a continuación.
5.6.3.1. Herramientas de elaboración
Las herramientas que se utilizaron en la elaboración del dispositivo se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 15. Herramientas de elaboración
HERRAMIENTA DESCRIPCIÓN BREVE DE SU
FUNCIONALIDAD
Cortadora
Cortadora de metal con disco de
carbono, se utiliza al momento de
cortar tubos y soleras de metal.
Planta soldadora
Sirve para soldar o unir metales a
través de un electrodo.
59
Flexómetro
Se utiliza para medir y hacer cortes más
exactos.
Taladro
Sirve para perforar metales, madera o
concreto.
Remachadora
A través de remaches funciona como
una succionadora que gala la cola de
los remaches para poder sellar o unir
materiales planos como láminas.
Broca
Accesorios del taladro que permite las
perforaciones.
Tijeras para lámina Sirve para cortar la lámina u otro
material grueso.
60
Esmeril
Puede cortar soldaduras incorrectas y
pulir malas uniones o rebaba.
Fuente: Elaboración propia, imágenes de internet.
5.6.3.2. Materiales empleados y sus características
A continuación se muestran los materiales que se utilizaron en la construcción del dispositivo, así
como sus características.
Tabla 16. Material utilizado en la construcción del dispositivo.
MATERIAL DESCRIPCIÓN
Tubular ½” x ½”
Tubular cuadrado, rígido, de acero
En el dispositivo forma la parte superior
de la curvas. Hasta cierto punto es
maleable.
Tubo negro 1” C-30 Se utiliza en la parte de la base como
pilares de apoyo por sus características
de rigidez y dureza.
61
Tubo negro ¾” C-30
Se coloca en la parte inferior del
concentrador para que embone en el
tubo de 1”.
Tubular 1” x 1”
Tubular cuadrado utilizado en la parte
inferior de la base. Por su forma posee
buena estabilidad en diferentes tipos de
suelo.
Solera ½” x 1/8”
De acero, flexible, pero una vez soldado
queda con rigidez. Se utiliza en la
formación de las curvas del CPC.
Calcomanía protectora Es material de vinil brillante y
autoadherible, representa la parte
reflectora del dispositivo.
62
Poliestireno
Material tipo plástico en presentación
en hojas de 1.6m x 1.2m. Forma la base
que se coloca en las curvas donde
posteriormente se adhiere el vinil.
Mica pvc
Se coloca como tapa del dispositivo.
Ayuda a simular el efecto invernadero
por sus características de transparencia.
Ángulo de aluminio
Se elabora una especie de aro que sujeta
la tapa del dispositivo.
Lámina absorbedora Se coloca en la parte inferior del
recipiente para una elevación de la
temperatura más pronta.
63
Recipiente de plástico
Recipiente de plástico transparente de
10 litros. Se utiliza como el contenedor
del agua.
Brida 1/2" p/tinaco
Permite a entrada y salida del líquido en
el recipiente.
Conector c/ext. 1/2" cpvc
Se acopla a las bridas de manera que se
pueda añadir más tubería.
Tubo ½” cpvc
Permite la extensión del sistema de
alimentación y descarga del
dispositivo.
64
Conector c/int 1/2" cpvc
Permite la conexión de la tubería de
cpvc con la llave.
Llave nariz de plástico 1/2"
Final del sistema de tubería y acceso al
agua purificada.
Codos 1/2" x 90° cpvc
Utilizado en la parte de la alimentación
de agua. Permite que el sistema se
alimente desde arriba.
Reducción bushing 1 1/4" x
1/2"
Su función es similar a la de un
embudo, donde se vierte el agua a
purificar.
Tapón 1 1/4" cpvc Evita que pequeños animales y polvo
entren al sistema.
65
Pegamento p/cpvc 236 ml
Une todas partes de cpvc (que lo
requieran), para evitar fugas.
Remaches 1/8" x 3/8"
Permite sujetar la lámina de
poliestireno a la solera.
Fuente: elaboración propia, imágenes de internet.
5.6.3.3. Construcción de prototipo
Siguiendo el diseño a computadora, las etapas de construcción física fueron las siguientes.
Etapa 1: Impresión de curvas
En esta etapa a través de un plot se imprimió la curva para el CPC en 2D y en 3D.
66
Figura 18. Curva del CPC
La Figura anterior muestra la curva del CPC, la cual se imprimió a escala 1:1. Las medidas que se
muestran son en milímetros.
Etapa 2: Concentrador
Una vez impresas las curvas se procedió a la elaboración de un molde de acero (Figura 19 inciso a);
los cortes de la solera fueran dos centímetros más largos que la medida de la curva. Posteriormente,
y una vez tomado la forma de la curva, se perforaron las soleras (Véase Figura 19 inciso b) en tres
puntos separados de manera específica para la sujeción de la lámina de poliestireno.
a) b)
Figura 19. a) Molde la curva, y b) Perforación de las solares para el remachado
Con el tubular cuadrado de ½” se laboró la parte superior del colector (Figura 20) para posteriormente
soldarle las 11 piezas de la solera curveada, como se muestra en la Figura 22.
67
Figura 20. Parte superior del concentrador
Figura 21. Soldadura de las curvas con el arco que forma la parte superior del concentrador, y colocación del soporte del recipiente.
Etapa 3: Base
Una vez terminado el concentrador se elaboró la base, misma que corresponde del tubular cuadrado
de 1” y el tubo de 1”, de éste último embonan los tubos de ¾” previamente colocados en la parte
inferior del concentrador. Cabe mencionar que las dos piezas hechas del tubo de 1” se cortaron en un
extremo a 23⁰ -simulando la inclinación que se requiere en esta latitud para el mejor aprovechamiento
de la energía solar-, y con una diferencia de altura de 15 cm, siendo la más corta de 75 cm. Lo anterior
se muestra en las siguientes ilustraciones.
Figura 22. Soldadura de la base, corte a 23⁰ de los tubos y colocación de los mismos
68
Al final se pintó de color plata la base y el concentrador.
Etapa 4: Colocación del reflejante
En este punto lo que se llevó a cabo fue, en primer lugar, la colocación del poliestireno en la parte
interna del concentrador. El poliestireno se sujetó por medio de remaches y posterior se adhirió la
calcomanía reflejante.
Etapa 5: Recipiente
Se perforó la parte inferior del recipiente así como su tapa donde se colocaron bridas para la entrada
y salida del agua. En la parte superior o de la tapa del recipiente por donde se alimenta el sistema, en
la brida se colocó un conector con rosca de cpvc se unió tubo de cpvc de 10 cm de largo,
posteriormente un codo, y después más tubo; al final se le unió el reductor por donde se alimenta el
sistema, y se colocó el tapón. Para la parte inferior o por donde se descarga el agua, se colocó de igual
manera a la brida un conector con rosca de cpvc, luego se unió un tubo del mismo material de 30 cm
de largo, seguido de un conector con rosca interna para finalmente colocar la llave.
Figura 23. Recipiente con conexiones
Etapa 6: Tapa
Se cortó la mica pvc a la medida de la abertura del concentrador y se elaboró un sujetador tipo “aro”
que se sobrepuso a la mica. El sujetador fue hecho de ángulo de aluminio de ¾”.
69
El costo total de los materiales empleados en la construcción del dispositivo fue de entre $600 a $700
pesos (cerca de 30 a 35 euros).
5.7. Prueba experimental
Las pruebas experimentales se llevaron a cabo en la comunidad indígena de Santa Fe de la Laguna,
al reunir condiciones de radiación solar similares a la comunidad de Huecato. También se consideró
hacer las pruebas en dicha comunidad por la accesibilidad del lugar.
5.7.1. Material y equipo experimental
Equipo (utilizado únicamente en la prueba de rendimiento térmico)
Tabla 17. Equipo experimental de rendimiento térmico
EQUIPO ILUSTRACIÓN
Piranómetro Kipp and Zonen
Termómetro tipo K UNI-T
Cronómetro
70
Dispositivo de desinfección solar de agua
Fuente: elaboración propia, imágenes de internet y fotos propias
Material
Para el caso del rendimiento térmico el agua potable que se utilizó fue de la comunidad de Santa Fe
de la Laguna; mientras que para la prueba de desinfección el agua que se utilizó fue de la muestra
recolectada de Huecato.
5.7.2. Pruebas de rendimiento térmico
Al no contar con una metodología de experimentación sobre desinfección de agua con energía solar,
se siguió la metodología de la norma ASAE S580 (American Society of Agricultural Engineers
[ASAE]) aplicado a cocinas solares. La prueba consto de los siguientes pasos:
1. Se inició a las 10 horas tiempo solar
2. Se colocó 10 litros de agua en el recipiente.
3. El sensor del termómetro se colocó a una altura media del recipiente.
4. Un segundo sensor de temperatura se dejó a la sombra para medir la temperatura ambiente.
5. El piranómetro se colocó a una distancia adecuada donde no tuviese ningún obstáculo o
sombra.
6. El dispositivo se orientó hacia el sur. No se hizo ninguna reorientación.
7. Se tomaron cada 5 minutos los valores de la radiación, la temperatura ambiente y la
temperatura del agua.
71
Figura 24. Prueba experimental de rendimiento térmico del dispositivo
Se llevaron a cabo tres pruebas experimentales.
El rendimiento térmico se obtuvo por medio de la siguiente ecuación (Kundapur y Sudhir, 2009:
citado por González-Avilés, 2017):
IdτA
TTcm=η
w1w2p (7)
Donde:
η= Rendimiento térmico Tw1=Temperatura inicial
m= masa del agua A= Área de captación
Cp= Calor específico del agua ʃIdτ= Integral de la radicación por el intervalo de
Tw2= Temperatura final tiempo
5.7.3. Pruebas de desinfección
La prueba constó de colocar el agua -muestra traída de Huecato con las condiciones necesarias que
avala CONAGUA- en el recipiente del dispositivo. Se dejó desde las 10 horas hasta las 12:00 horas
tiempo solar –equivale de las 11:00 a las 13:00 horas, hora civil-.
La muestra que se recolectó después de la prueba fue por medio de una metodología establecida por
CONAGUA, la cual fue la siguiente:
72
1. Se colocó alcohol etílico en la llave del recipiente con ayuda de algodón, y se flameó. El
algodón con el alcohol restante se prendió y se colocó a un lado de la llave para eliminar
cualquier posible contaminación en el aire al momento de verter el agua al recipiente donde
se transportó para su análisis.
2. Los recipientes transportadores se enjuagaron tres veces con el agua del contenedor.
Posteriormente se llenaron con las condiciones anteriores.
3. La muestra, dentro de los recipientes transportadores, se colocó en un recipiente con hielo.
4. Se llevó la muestra a los laboratorios de análisis de CONAGUA ubicados en Morelia,
Michoacán, México.
5.8. Implementación
Los resultados obtenidos fueron favorables, por lo que se decidió hacer una implementación de cinco
dispositivos.
Las personas beneficiarias de los prototipos fueron seleccionados de acuerdo a resultados obtenidos
de la encuesta y de algunos otros indicadores.
Curso de capacitación a los beneficiarios
El curso de capacitación a los beneficiarios fue de manera teórico-práctico: por un lado se dio una
charla-exposición donde se abordaron tema relevantes en cuanto al consumo del agua, la cuestión
crítica del planeta en cuanto huella hídrica, el impacto del agua embotellada, entre otros temas.
Figura 25. Exposición sobre la importancia del agua
Posteriormente se dio una explicación práctica-demostrativa del funcionamiento del dispositivo
73
Figura 26. Demostración sobre el funcionamiento del dispositivo
Entrega de dispositivos
El día 6 de Mayo del presente año (2017) se llevó a cabo la entrega de cinco dispositivos de
desinfección solar a habitantes de la comunidad de Huecato. La entrega se realizó en la comunidad
de San Juan Carapan.
En la entrega se dio nuevamente una pequeña reseña de la importancia de un agua óptima para el
consumo humano en comunidades indígenas y ruarles; además, se dio un pequeño recordatorio del
funcionamiento del dispositivo, así como de su cuidado y mantenimiento.
Figura 27. Entrega de dispositivos de desinfección solar
74
5.9. Monitoreo de la adopción
El monitorio de la utilización del dispositivo fue por medio de un sistema de medición de flujo de
agua.
5.9.1. Equipo y material empleado
Tabla 18. Equipo y material de monitoreo
EQUIPO Y MATERIAL ILUSTRACIÓN
Cople ½“ galvanizado
Sirve de unión entre el flujómetro y la llave
(grifo)
Sensor de flujo de agua G ½ 1 A 30l/min
Mide el caudal de agua mediante pulsaciones
Arduino UNO
Placa de programación para controlar y
registrar el caudal de agua utilizado
Protoboard 30 Filas
Placa o tablero donde se insertan los
componentes electrónicos para u interacción
75
Display 1x16
Integra y muestra la información o cantidad de
litros consumidos
Pines Macho
También se conoce como Headers. Sirve para
conectar con más facilidad los componentes
del dispositivo de medición (en este caso el
display y el protoboard)
Cable Ethernet
Los pequeños cabes que lo integran sirve de
enlaces
Potenciometro de 10k
Sirve para variar la resistencia eléctrica entre
dos terminales
Fuente: elaboración propia, imágenes de internet.
Del flujometro se fueron registrando las descargas por medio de pulsos, los cuales a su vez se fueron
guardando y sumando en la memoria de un arduino programa, y visualizados en el display LCD
instalado. El esquema y los códigos empleados se pueden apreciar en el Anexo 4.
76
6. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
6.1. Características del agua en Huecato
Los primeros análisis que se hicieron del agua de Huecato, uno que corresponde a la muestra del
manantial y otro de una toma de una vivienda, presentan características que se aprecian en la siguiente
tabla.
Tabla 19.Resultados del análisis de calidad del agua de Huecato
PARAMETROS UNIDADES LIMITES
PERMISIBLES
Uso y Consumo
Humano
MANANTIAL
HUECATO
CHILCOTA
MICHOACÁN
TOMA
DOMICILIARIA
COMUNIDAD
HUECATO
CHILCOTA
MICHOACÁN
GRADO DE
CUMPLIMIENTO
FISICOS
POTENCIAL
HIDRÓGENO
U pH 6.5-8.5 6.69 7.03 CUMPLE
CONDUCTIVIDAD
ELÉCTRICA
µmhos/cm 150 143
OXÍGENO DISUELTO mg/L 3.8 3.8
TURBIEDAD UTN 5 2.4 2.1 CUMPLE
COLOR Pt-Co 20 5 5 CUMPLE
SÓLIDOS TOTALES mg/L 124 118
SÓLIDOS
SUSPENDIDOS
TOTALES
mg/L 6 8
SÓLIDOS DISUELTOS
TOTALES
mg/L 1000 118 110 CUMPLE
QUÍMICOS
DUREZA TOTAL mg/L 500 44.56 42.40 CUMPLE
DUREZA DE CALCIO mg/L 33.6 35.10
DUREZA DE
MAGNESIO
mg/L 10.96 10.90
ALCALINIDAD
TOTAL
mg/L 60 59
ALCALINIDAD A LA
FENOLFTALEINA
mg/L 0 0
CLORUROS mg/L 250 8.49 7.49 CUMPLE
77
SULFATOS mg/L 400 11.43 10.23 CUMPLE
CARBONATOS mg/L 0 0
BICARBONATOS mg/L 60 59
CLACIO mg/L 13.40 12.60
MAGNESIO mg/L 2.68 2.68
SODIO mg/L 200 14.03 13.34 CUMPLE
RAS U 0.91 0.89
MICROBIOLÓGICOS
COLIFORMES
FECALES
UFC/100ml 0 (Cero) 0 2 NO CUMPLE
Fuente: Véase Anexo 5
Atendiendo a la tabla anterior, el agua del manantial de Huecato posee características idóneas para su
consumo al presentar condiciones dentro de los parámetros que CONAGUA exige; sin embargo, no
sabemos si en el subsuelo de donde se extrae o bombea el agua que va hacia los hogares presenta las
mismas condiciones, lo que sí sabemos es que el agua que sale de los grifos de las viviendas presenta
una alta concentración de Coliformes Fecales (UFC), lo que nos hace pensar que el agua se contamina
de éstos al momento de ingresar a las tuberías o al momento de llegar al depósito del agua.
Es por ello que los habitantes buscan alternativas (Véase Gráfica 3) para el acceso a agua de calidad,
mostrado en la encuesta realizada por alumnos de la ENES-Morelia y UPN sub-sede Ichán que se
mencionó en capítulos anteriores.
De una manera u otra, considerando los análisis del agua de los grifos de las viviendas, se llega a la
conclusión de que es un agua no apta para su consumo, a no ser que se le someta a un proceso de
desinfección para eliminar Coliformes Fecales (UFC).
6.2. Resultados experimentales
En la parte experimental, tanto de la cuestión de rendimiento térmico y de desinfección del agua, se
obtuvieron los siguientes resultados.
78
6.2.1. Rendimiento térmico
Como expresamos anteriormente, el rendimiento térmico es la relación de la masa del agua, por el
calor específico de la misma, por la diferencia de la temperatura final y la inicial, todo divido entre el
área de captación por la integral del índice de radiación por el intervalo de tiempo.
Siguiendo la metodología de experimentación de la ASAE, donde se registraron cada cinco minutos
la temperatura ambiente, la temperatura del agua y la radiación solar durante las tres pruebas, los
resultado obtenidos fueron:
Prueba 1
En la primera experimentación se llegó a los 50 °C a los 245 minutos después de iniciada la prueba.
Gráfica 9. Resultados de la prueba experimental 1
Prueba 2
De igual manera en esta segunda experimentación se llegó a los 50 °C en los mismos 245 minutos.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10
0
11
0
12
0
13
0
14
0
15
0
16
0
17
0
18
0
19
0
20
0
21
0
22
0
23
0
24
0
25
0
26
0
27
0
28
0
29
0
30
0
31
0
TEM
PER
ATU
RA
EN
°C
TIEMPO EN MINUTOS
Prueba experimental 1
T° ambiente (°C) T° agua (°C)
79
Gráfica 10. Resultados de la prueba experimental 2
Prueba 3
En esta última experimentación se realizaron algunos cambios en la metodología de experimentación,
ya que en lugar de preparar y empezar dichas pruebas a las 10 hr tiempo solar, lo que se hizo fue dejar
el dispositivo orientado y con la carga desde un día antes, simulando un día de uso “normal”; así se
empezaron a registrar los datos a partir de las 10 hrs tiempo solar, por lo cual se alcanzaron los 50 °C
en tan solo 150 minutos.
Gráfica 11. Resultados de la prueba experimental 3
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10
0
11
0
12
0
13
0
14
0
15
0
16
0
17
0
18
0
19
0
20
0
21
0
22
0
23
0
24
0
25
0
26
0
27
0
28
0
29
0
30
0
TEM
PER
ATU
RA
EN
°C
TIEMPO EN MINUTOS
Prueba experimental 2
T° ambiente (°C) T° agua (°C)
05
1015202530354045505560
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210
TEM
PER
ATU
RA
EN
°C
TIEMPO EN MINUTOS
Prueba experimental 3
T° ambiente (° C) T° agua (° C)
80
Para consultar tablas de las pruebas experimentales Véase Anexo 6)
De las pruebas analizadas el rendimiento térmico del dispositivo que se obtuvo se muestra en la
siguiente gráfica.
Gráfica 12. Rendimiento térmico en función de la diferencia de temperaturas entre el agua y el ambiente. El rendimiento
térmico promedio es del 31%.
El rendimiento térmico es de 31% con una correlación de 0.7. Este resultado es muy bueno ya que a
pesar de no tener un recipiente o absorvedor optimizado o adecuado –como lo es un recipiente con
superficie opaca simulando un cuerpo negro-, supera el rendimiento de algunos sistemas de
aprovechamiento solar como las estufas solares tipo caja de los cuales el rendimiento oscila en el
22%, como el del Instituto Politécnico Nacional (IPN) (Murillo, 2002)
Analizando los resultados con una ecuación cuadrática, el ajuste parabólico se muestra en la siguiente
gráfica.
y = -0.8121x + 43.414R² = 0.7065
0
10
20
30
40
50
60
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
Re
nd
imie
nto
té
rmic
o (
%)
Diferencia de temperatura (°C)
81
Gráfica 13. Ajuste parabólico del rendimiento térmico
De la gráfica anterior, podemos mencionar que el térmico cuadrático es despreciable.
6.2.2. Características del agua desinfectada
Si recordamos, la mayoría de los valores de los parámetros obtenidos al analizar el agua de Huecato
antes de la desinfección se encontraban dentro de las normas, únicamente el parámetro de Coliformes
Fecales se encontraba por encima de los límites, mostrando un valor de 2 (UFC/100ml) (Véase Tabla
19). Con la desinfección solar aplicada mediante el dispositivo, esos valores se eliminaron dejando al
agua totalmente consumible. Las características del agua una vez tratada en el dispositivo se muestran
en la Tabla 20.
Tabla 20.Resultados del análisis de calidad del agua de Huecato después de la desinfección
PARAMETROS UNIDADES LIMITES
PERMISIBLES
Uso y Consumo
Humano
TOMA
DOMICILIARIA
COMUNIDAD
HUECATO
CHILCOTA
MICHOACÁN
TOMA
DOMICILIARIA
HUECATO
DESPUES DEL
FILTRO
GRADO DE
CUMPLIMIENTO
82
CHILCOTA
MICHOACÁN
FISICOS
POTENCIAL
HIDRÓGENO
U pH 6.5-8.5 7.40 7.58 CUMPLE
CONDUCTIVIDAD
ELÉCTRICA
µmhos/cm 157 154
OXÍGENO DISUELTO mg/L
TURBIEDAD UTN 5 2.2 2.2 CUMPLE
COLOR Pt-Co 20 5 5 CUMPLE
SÓLIDOS TOTALES mg/L 124 120
SÓLIDOS
SUSPENDIDOS
TOTALES
mg/L 4 4
SÓLIDOS DISUELTOS
TOTALES
mg/L 1000 120 116 CUMPLE
QUÍMICOS
DUREZA TOTAL mg/L 500 52.50 50.40 CUMPLE
DUREZA DE CALCIO mg/L 35.70 33.60
DUREZA DE
MAGNESIO
mg/L 16.80 16.80
ALCALINIDAD
TOTAL
mg/L 66 65
ALCALINIDAD A LA
FENOLFTALEINA
mg/L 0 0
CLORUROS mg/L 250 7.93 7.44 CUMPLE
SULFATOS mg/L 400 10.96 10.85 CUMPLE
CARBONATOS mg/L 0 0
BICARBONATOS mg/L 66 65
CLACIO mg/L 13.40 14.20
MAGNESIO mg/L 4.13 4.13
SODIO mg/L 200 12.19 11-96 CUMPLE
RAS U 0.75 0.72
MICROBIOLÓGICOS
COLIFORMES
FECALES
UFC/100ml 0 (Cero) 0 0 CUMPLE
Fuente: Véase Anexo 7
83
Haciendo una comparación de los resultados anteriores, la tabla 20 nos muestra un agua totalmente
potable y apta para el consumo humano. Los Coliformes Fecales (UFC) fueron eliminados en su
totalidad, siendo éstos el único parámetro fuera del rango permisible por CONAGUA.
6.3. Implementación del dispositivo: adopción de la tecnología
Después de un mes de llevar a cabo la implementación y de realizar visitas periódicas cada semana,
los resultados que se obtuvieron sobre el uso del dispositivo en promedio por semana fueron los
siguientes:
Tabla 21. Uso de los dispositivos.
Dispositivo Cantidad de litros registrados Observaciones
1 17.13 Fue el que menos registró
debido a que los primeros días
no conectó a la corriente
eléctrica el dispositivo de
registro.
2 48.51 Lo utilizó durante 3 semanas,
en la última el dispositivo de
monitoreo se mojó
3 56.63 La capacidad del recipiente es
de 10 litros pero debido a fugas
solo se pudieron aprovechar 8
litros diarios.
4 45.31 El dispositivo de monitoreo se
mojó la primera semana, por lo
que los datos que se muestran
son de ese registro, también es
de manera cualitativa ya que el
beneficiario comentó que si lo
usaba durante todos los días
aprovechando de manera diaria
de entre 7 y 8 litros
84
5 xxxx No uso el dispositivo
Fuente: Véase Anexo 8.
Como se observa en la tabla, los resultados muestran un aprovechamiento máximo del 80.9% y un
aprovechamiento mínimo, dejando a un lado el dispositivo que no se utilizó, del 24.47%. Aunque éste
último fue debido a la falta de registro, y no al uso, por lo que se puede afirmar que la adopción del
dispositivo es de un 80%.
6.4. Coste Energético y Emisiones de CO2 de los materiales del dispositivo
Cada componente del sistema de desinfección implica, desde la extracción de la materia prima hasta
la obtención del producto final, un impacto al medio ambiente.
Para poder evaluar el impacto ambiental del prototipo, se muestra a continuación las emisiones de
CO2 de cada componente, así como el coste energético que implica toda la etapa de producción. Se
podría mencionar que en este apartado se hace el Análisis de Ciclo de Vida del dispositivo, aunque
de una manera no tan completa, ya que no se toma en cuenta dos etapas, la que implica el impacto
ambiental durante el uso, y otra que comprende la etapa de reciclaje, reutilización o desecho: además
de que no se consideran el impacto de cada sustancia emitida.
En la Tabla 21 se muestran los resultados del análisis de cada material en cuanto a su coste energético
y sus emisiones de CO2.
Tabla 22. Coste Energético y Emisiones de CO2 de los componentes del dispositivo
Material Unidad de
Medida
Coste y emisiones por unidad Cantidad
de unidad
utilizada
Dispositivo de desinfección
Coste
energético
Emisiones
de CO2
Coste
energético
Emisiones
de CO2
(MJ) (kWh) (kg) (MJ) (kWh) (kg)
Tubular ½” x ½” metro 23.23 6.45 1.86 2.95 68.53 19.03 5.487
Tubo negro 1” C-
30 metro 49.04 13.62 3.92 1.65 80.92 22.47 6.468
Tubo negro ¾”
C-30 metro 34.4 9.56 2.75 0.2 6.88 1.912 0.55
Tubular 1” x 1” metro 49.04 13.62 3.92 1.4 68.66 19.07 5.488
Solera ½” x 1/8” kg 41.5 11.53 4 0.38 15.77 4.381 1.52
Calcomanía
protectora m2 104.9 29.14 12.63 0.63 66.1 18.36 7.9569
Poliestireno m2 71.34 19.82 10.53 0.63 44.94 12.49 6.6339
85
Mica pvc m2 121 33.6 17.85 0.49 59.27 16.46 8.7465
Ángulo de
aluminio kg 82.48 22.91 4.53 0.22 18.15 5.04 0.9966
Lámina
absorbedora m2 56.71 15.73 5.1 0.09 5.104 1.416 0.459
Recipiente de
plástico pza 171.7 47.69 25.34 1 171.7 47.69 25.34
Brida 1/2"
p/tinaco pza 5.22 1.45 0.77 2 10.44 2.9 1.54
Conector c/ext.
1/2" cpvc pza 4.9 1.36 0.72 2 9.8 2.72 1.44
Tubo ½” cpvc metro 7.95 2.21 1.17 0.6 4.77 1.326 0.702
Conector c/int
1/2" cpvc pza 4.9 1.36 0.72 1 4.9 1.36 0.72
Llave nariz
(latón) 1/2" pza 254 70.55 24.89 1 254 70.55 24.89
Codo 1/2" x 90°
cpvc pza 19 5.29 2.81 1 19 5.29 2.81
Reducción
bushing 1 1/4" x
1/2"
pza 57.61 20.8 0.73 1 57.61 20.8 0.73
Tapón 1 1/4"
cpvc pza 57.61 20.8 0.73 1 57.61 20.8 0.73
Pegamento
p/cpvc kg 45 12.5 6.64 0.01 0.45 0.125 0.0664
Remaches 1/8" x
3/8" 100pzas 20.85 5.79 1.57 0.3 6.255 1.737 0.471
TOTAL DE COSTE ENERGÉTICO Y EMISIONES 1031 295.9 103.7453
Fuente. Elaboración propia con datos del Instituto de Tecnología de la Construcción de Cataluña (iTeC)
De la tabla anterior, tanto el coste energético como las emisiones de CO2 de cada componente del
dispositivo comprenden las etapas de la extracción, manufacturación y distribución de cada producto
terminado. Por lo tanto, se tiene que el dispositivo de desinfección solar construido genera un coste
energético de 1031 MJ o 295.9 kWh, y 103.74 kg de CO2 emitidos a la atmósfera.
El tiempo de vida del dispositivo depende de sus componentes ya que presenta materiales a base de
polímeros y metales; en la experiencia que se tiene con este tipo de dispositivos (concentradores
solares), el tiempo de vida oscila entre los 5 y los 10 años (González-Avilés, 2017), dependiendo del
tipo de cuidado. El componente más frágil del dispositivo es el recipiente de plástico transparente, el
cual tiene un tiempo de vida de 5 meses (Fondo para la Comunicación y La Educación Ambiental A.
C., 2007).
86
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
1. El agua que provee a la comunidad de Huecato no es apta para beber de manera directa ya que presenta
una alta concentración de Coliformes Fecales causantes de infecciones gastrointestinales, por lo que
se recomienda indiscutiblemente la desinfección por cualquier método conocido, siempre y cuando
éste sea eficaz, fácil de reproducir por los habitantes y económicamente accesible.
2. El rendimiento térmico del dispositivo no es afectado en gran medida por la cantidad de radiación
que existe en un día determinado, esto gracias a su óptica anidólica. Lo anterior se puede confirmar
con las gráficas 14 y 15, en las cuales se visualiza la comparación de la tendencia de la elevación de
la temperatura del agua de las tres pruebas y el registro del comportamiento de la radiación solar en
cada una de las tres pruebas, respectivamente.
Gráfica 14. Comparación de la temperatura del agua alcanzada en cada una de las tres pruebas
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10
0
11
0
12
0
13
0
14
0
15
0
16
0
17
0
18
0
19
0
20
0
21
0
22
0
23
0
24
0
25
0
26
0
27
0
28
0
29
0
30
0
31
0
TEM
PER
ATU
RA
EN
°C
TIEMPO EN MINUTOS
T° del agua en cada prueba
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3
87
Gráfica 15. Comparación de la radiación solar registrada en cada una de las pruebas
La gráfica 14 revela que, con respecto a la gráfica 15, a pesar de haber una seria variación de la
radiación solar en una prueba (prueba 2), la elevación de la temperatura es casi uniforme en las tres
pruebas. Por tal motivo, se puede afirmar que la desinfección, utilizando este dispositivo, ocurre a
pesar de que se cuente con un día nublado o con sol intermitente.
3. La encuesta realizada dentro del proyecto de “Implementación de cocinas solares” por alumnos de la
ENES- Morelia y la UPN sub-sede Ichán, no muestra cual es el consumo en litros de cada alternativa
empleada por los habitantes para el acceso al agua para beber, por lo cual no se puede estimar el gasto
que representa cada forma de acceso tanto en dinero como en energía; suponiendo que en una familia
de cinco integrantes se consuma 10 litros de agua para beber cada día –dos litros de agua que necesita
cada persona al día-, se tiene dos casos, a) agua de gafarrón de 19 litros con un costo de $26 pesos
(cerca de 1.25 Euros), donde cada litro tiene un costo de $1.36 pesos (0.068 Euros): por lo cual una
familia invierte $408 pesos al mes (20.4 Euros); b) agua embotellada de un litro con un costo de ($10
pesos, tendremos que el gasto mensual de una familia de cinco integrantes es de $3000 pesos (600
Euros). Ahora, considerando que el costo del dispositivo oscila entre $600 a $700 pesos (cerca de 30
a 35 euros), en el primer caso el costo del dispositivo se cubriría entre 6 y 7 semanas: mientras que
en el segundo caso el costo se cubriría en tan solo 6 y/o 7 días.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10
0
11
0
12
0
13
0
14
0
15
0
16
0
17
0
18
0
19
0
20
0
21
0
22
0
23
0
24
0
25
0
26
0
27
0
28
0
29
0
30
0
31
0
RA
DIA
CIÓ
N E
N W
/M2
TIEMPO EN MINUTOS
Radiación Solar en cada prueba
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3
88
4. De la implementación podemos concluir que, debido a que el resultado mostrado es producto del
monitoreo de tan solo un mes, no se puede afirmar que los beneficiarios han adoptado la tecnología.
Pero con este primer acercamiento a la desinfección solar de agua en la región, y con los resultados
obtenidos, sí se puede proyectar que con un seguimiento adecuado la aceptación de este tipo de
dispositivos será una realidad a mediano plazo.
5. Por otro lado, el análisis de ciclo de vida nos muestra un claro ejemplo de lo sostenible del dispositivo,
recordando que para elaborar una botella de PET de 600 ml se necesitan 1.6 MJ (Delgado, 2014), y
tomando en cuenta que sólo se utiliza una sola vez, en 5 años se habrá utilizado (considerando que
también se necesitan 1.6 MJ para una botella de PET de 1 litro) 29200 MJ en la elaboración de botellas
que satisfaga la demanda de una familia de 5 integrantes si éstos consumen cada uno todos los días 2
litros de agua embotellada; lo que se traduce a que en materia energética el dispositivo con coste
energético de 1031 MJ re recupera en 65 días.
En cuanto a las emisiones de CO2, las botellas de PET generan 3.5 kg de CO2/kg (Berners-Lee,
2011), esto es 0.0686 kg por cada botella -19.6 g es el peso de cada botella (Delgado, 2014) - por lo
cual se emitirían a la atmósfera 1251.95 kg de CO2 de lo consumido en 5 años- tomando como
referencia los 5 años de vida del dispositivo-. Entonces se tiene que la construcción del dispositivo
conlleva tan solo un 8% de las emisiones de CO2 producto del consumo de botellas de PET. En otras
palabras, los kg de CO2 emitidos por el material que compone al dispositivo se cubrirían en 5 meses,
generando una mitigación o “ahorro” de emisiones de CO2 equivalentes a 1148.21 kg de CO2 o 55
meses libres de emisiones. Por lo cual se concluiría que el dispositivo posee un 90% de vida libre de
emisiones de CO2.
RECOMENDACIONES
Se recomienda para futuros trabajos:
1. Utilizar como reflectante un material que tenga un índice de reflectancia en el rango de los rayos UV
muy alta.
2. Utilizar como recipiente uno que este hecho de cuarzo por ser el único material totalmente
transparente a los rayos UV.
3. Colocar un filtro que retenga partículas grandes para facilitar la desinfección
4. Llevar a cabo una mayor indagación en cuanto al impacto ambiental del dispositivo mediante el
Análisis de Ciclo de Vida.
89
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ninos-mueren-cada-dia-causa-de
95
ANEXOS
Anexo 1: Distribución geográfica de la irradiación solar en México por estación y
de manera anual
a) Irradiación global de enero (invierno) (kWh/m2día)
b) Irradiación global abril (primavera) (kWh/m2día)
c) Irradiación global julio (verano) (kWh/m2día)
96
d) Irradiación global octubre (otoño) (kWh/m2día)
e) Irradiación global anual (kWh/m2día)
97
Anexo 2: Encuesta del “Proyecto de implementación de Cocinas Solares”
98
99
100
101
102
103
104
105
Anexo 3: Diseño a computadora del dispositivo
Colector
Figura 28. Curva del CPC
Figura 29. CPC en canal y revolución acotado
Figura 30. Vista Frontal del colector
106
Base del colector
Figura 31. Base del colector con acotamiento
Figura 32. Vista superior-lateral de la base
Recipiente
Figura 33. Recipiente con conexiones y absorbedor
107
Ensamble
Figura 34. Desfase de los componentes principales: base, colector, recipiente y tapa
Vistas:
Figura 35. Vista Posterior
Figura 36. Vista Lateral
108
Figura 37. Vista Superior
Figura 38 Vista Frontal
Figura 39 Vista isométrica
109
Anexo 4: Esquema y códigos del sistema de monitoreo Esquema
110
CÓDIGO:
/**********************************************************
**********************************************************/
#include "LiquidCrystal.h"
LiquidCrystal lcd(8, 9, 10, 11, 12, 13);
// which pin to use for reading the sensor? can use any pin!
#define FLOWSENSORPIN 7
// count how many pulses!
volatile uint16_t pulses = 0;
// track the state of the pulse pin
volatile uint8_t lastflowpinstate;
// you can try to keep time of how long it is between pulses
volatile uint32_t lastflowratetimer = 0;
// and use that to calculate a flow rate
volatile float flowrate;
// Interrupt is called once a millisecond, looks for any pulses from the sensor!
SIGNAL(TIMER0_COMPA_vect) {
uint8_t x = digitalRead(FLOWSENSORPIN);
if (x == lastflowpinstate) {
lastflowratetimer++;
111
return; // nothing changed!
}
if (x == HIGH) {
//low to high transition!
pulses++;
}
lastflowpinstate = x;
flowrate = 1000.0;
flowrate /= lastflowratetimer; // in hertz
lastflowratetimer = 0;
}
void useInterrupt(boolean v) {
if (v) {
// Timer0 is already used for millis() - we'll just interrupt somewhere
// in the middle and call the "Compare A" function above
OCR0A = 0xAF;
TIMSK0 |= _BV(OCIE0A);
} else {
// do not call the interrupt function COMPA anymore
112
TIMSK0 &= ~_BV(OCIE0A);
}
}
void setup() {
Serial.begin(9600);
Serial.print("Flow sensor test!");
lcd.begin(8, 2);
pinMode(FLOWSENSORPIN, INPUT);
digitalWrite(FLOWSENSORPIN, HIGH);
lastflowpinstate = digitalRead(FLOWSENSORPIN);
useInterrupt(true);
}
void loop() // run over and over again
{
lcd.setCursor(0, 0);
//lcd.print("Pulsos:");
//lcd.print(pulses, DEC);
//lcd.print(" Hz:");
113
//lcd.print(flowrate);
//lcd.print(flowrate);
lcd.print("Litros: ");
Serial.print("Freq: ");
Serial.println(flowrate);
Serial.print("Pulsos: ");
Serial.println(pulses,DEC);
// if a plastic sensor use the following calculation
// Sensor Frequency (Hz) = 7.5 * Q (Liters/min)
// Liters = Q * time elapsed (seconds) / 60 (seconds/minute)
// Liters = (Frequency (Pulses/second) / 7.5) * time elapsed (seconds) / 60
// Liters = Pulses / (7.5 * 60)
float liters = pulses;
liters /= 7.5;
liters /= 60.0;
/*
// if a brass sensor use the following calculation
float liters = pulses;
liters /= 8.1;
liters -= 6;
liters /= 60.0;
114
*/
Serial.print(liters);
Serial.println(" Litros");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(liters);
//lcd.print(" Litros ");
delay(100);
}
115
Anexo 5: Hoja de resultados de las pruebas de análisis del agua de Huecato del
manantial y de una vivienda hecha por CONAGUA
116
Anexo 6: Tabla de resultados de las pruebas experimentales para el rendimiento
térmico
Prueba 1:
Tiempo (Min) T° ambiente (°C) T° agua (°C) Radiación (w/m2)
0 24.3 22 1047
5 24 22.1 1049
10 24 22.4 1050
15 25 22.8 1048
20 25 23 1050
25 25 23.5 1056
30 25.4 23.8 1054
35 26 24 1041
40 27.1 24.7 1046
45 25.2 25.1 1059
50 25.6 25.6 1069
55 24.7 26.5 1073
60 23.9 27 1080
65 25.3 27.4 1090
70 26 28 1086
75 25.4 29 1095
80 24.9 30 1095
85 27.6 30.3 1097
90 26.2 31.1 1097
95 27 32 1098
100 25.8 32.7 1098
105 26.4 33.2 1097
110 26.7 34 1101
115 27.7 34.9 1098
120 27.3 35.7 1097
125 26.9 36.4 1094
130 27.9 37.6 1088
135 27.2 37.9 1086
140 26.4 38.8 1083
145 27.4 39.5 1076
150 28.6 40 1070
155 29.5 41.2 1066
160 28.7 41.7 1060
165 27.4 42.2 1059
170 29.1 43 1046
175 27.9 43.4 1039
117
180 28 43.9 1031
185 29.3 44.4 1020
190 29.2 45 1016
195 29.2 45.6 1004
200 28.5 46 994
205 28.9 46.6 979
210 29.2 47 970
215 28.3 47.5 962
220 28.6 48 945
225 28.6 48.5 925
230 27.6 48.8 908
235 27.9 49.2 895
240 28 49.5 880
245 29.5 50 836
250 28 50.9 836
255 27.5 51.6 823
260 28.3 52.2 797
265 27.8 52 769
270 28.1 51.8 747
275 27.6 51.1 781
280 27.7 51.9 707
285 28 52.7 695
290 28.7 53 678
295 28.9 54.3 680
300 28 53.6 604
305 27.6 52.6 653
310 27 52.3 627
315 26.4 52 614
Prueba 2:
Tiempo (min) T° ambiente (°C) T° agua (°C) Radiación (W7m2)
0 22 21 498
5 22 22.1 519
10 22.3 22.7 362
15 23.1 23.3 806
20 23.4 23.8 815
25 23.3 24.8 699
30 25.4 25.1 997
35 24.1 25.9 523
40 24.3 26.5 541
45 22.5 27.5 483
118
50 23.7 28.1 506
55 22.7 28.4 704
60 25.5 29 991
65 24.8 30.3 513
70 24.7 30.8 411
75 24.3 31.1 866
80 24.6 32 740
85 25.5 33 566
90 26 33.6 1073
95 26 34.2 1099
100 24.4 35.1 470
105 26.1 35.7 960
110 25.5 36.4 1146
115 26.3 37.4 1088
120 26 38.3 948
125 24.8 39.3 644
130 25 39.5 392
135 24.4 40.3 975
140 24.7 41 1044
145 25.7 41.8 1082
150 25.4 42.6 1037
155 25.1 43.4 1052
160 25.9 44.2 1079
165 24.3 45 1036
170 25.3 45.1 580
175 24.3 46.2 573
180 23.5 46.3 425
185 23.9 46.5 526
190 24.6 46.6 588
195 24.3 46.8 514
200 24.8 47.3 677
205 24.5 47.4 659
210 25.8 48 1009
215 25.6 48.3 717
220 27.6 48.7 899
225 26.9 49 843
230 25.6 49.3 633
235 26.7 49.5 980
240 27.9 49.8 1055
245 25.4 50 744
250 24.5 50.4 524
119
255 25.3 50.4 548
260 25.3 50.4 407
265 25.2 50.6 830
270 24.4 50.7 437
275 23.3 50.7 424
280 24 50.7 443
285 22.9 50.8 362
290 24 50.8 555
295 23.6 51 929
300 23.6 51.4 792
305 22.8 51.3 538
Prueba 3:
Tiempo (Min) T° ambiente (°C) T° agua (°C) Radiación (w/m2)
0 22 17 957
5 22 18.6 966
10 22.3 19.9 948
15 24.6 20.5 986
20 24.9 21.7 998
25 25 22.9 1005
30 24.2 24.6 1011
35 25.7 25.1 1021
40 26.9 26.2 1021
45 25.6 27.7 1022
50 26 28.8 1040
55 25.4 29.8 1030
60 25.3 30.8 1058
65 26.2 32.2 1061
70 26.9 32.2 1068
75 25.1 34.4 1070
80 25.4 36 1074
85 26.8 37.1 1080
90 25.8 38.3 1082
95 26.1 40.2 1082
100 27 40.6 1088
105 25.5 41.5 1088
110 27 42.8 1087
115 27 43.6 1086
120 28 44.4 1086
125 26.5 45.5 1084
130 26.9 46.5 1082
120
135 26.3 47.6 1080
140 27.6 48.6 1076
145 27.8 49.5 1075
150 27 50.2 1067
155 27.3 51.3 1061
160 26.4 51.8 1058
165 27.5 52.1 1058
170 25.3 51.9 1048
175 26.5 53.6 1010
180 25.8 54.1 1035
185 24.8 54.5 1020
190 25.5 55.5 1013
195 25.2 55.1 1005
200 26 55.6 1000
205 26.2 56.3 990
210 24.2 56.2 977
121
Anexo 7: Hoja de resultados de las pruebas de análisis del agua desinfectada hecha
por CONAGUA
122
Anexo 8: Monitoreo del uso de dispositivos
Registro dispositivo 1
Registro dispositivo 2
Registro dispositivo 3
123
Registro dispositivo 4
Beneficiarias utilizando el dispositivo