Capítulo II

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

         2.1   Antecedentes de la investigación

Ø Aguilar Arguelles, Norma. (2011): Desarrollo de un destilador solar con lentes Fresnel. Sus objetivos fueron desarrollar un destilador solar para agua cruda, analizando los tipos de destiladores de agua, diseñando un prototipo de destilador solar de agua y analizando la calidad del agua tratada. A través de una investigación de diseño experimental, se dedujo que, el diseño del destilador solar construido fue totalmente funcional para destilar agua, siendo capaz de evaporar agua de una mezcla de agua-sal, generando 745 ml/hr de agua destilada. El agua destilada se captó con cierta calidad de pureza, permitiendo el uso de energía solar en lugar de energía no renovable.

Ø Fontecha, Ruben D., Lizarazo Harbey A. (2007): Diseño y construcción de un equipo de destilación para la extracción de aceites esenciales, usando los métodos de hidrodestilación, arrastre con vapor y destilación agua / vapor. Sus objetivos fueron, diseñar y construir un equipo de destilación, un condensador y un recipiente recolector que trabajaran bajo los métodos de hidrodestilación, arrastre con vapor y destilación agua/vapor de tipo cartucho desmontable con capacidad para 50. Kg de material vegetal; así como la elaboración de sus respectivos planos. Siendo el objeto de la planta piloto conocer y determinar las variables de proceso que se deben controlar y que deben a su vez tomarse en cuenta para diseñar equipos de destilación, de tal forma que sean los más adecuados para dicho proceso. Trabajando con una metodología experimental, se logró demostrar la viabilidad técnica de la construcción de la planta piloto para la destilación de aceites esenciales.

Ø Ríos Ariola, Luis R. (1999): Estudio sobre la utilización y almacenaje de la energía solar, precauciones y mantenimiento en los sistemas fotovoltaicos. Utilizando un método de investigación descriptivo correlacional, sus objetivos son estudiar la utilización y almacenaje de la energía solar, indagar sobre las precauciones y el mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos, proporcionando información que sirva de guía para la utilización de estos sistemas. A través de la realización del trabajo de tesis se determinó que la utilización de un sistema fotovoltaico, resulta bastante rentable a largo plazo, por el reducido mantenimiento que requiere, además por no utilizar ningún tipo de combustible para su funcionamiento. Solo siendo necesario el mantenimiento en dos ocasiones al año.

 2.1   Bases Teóricas

2.2.1. El agua

     El agua es una sustancia transparente, inodora e insípida, que se encuentra en estado liquido a temperatura y presión estándar. Su composición molecular es de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. En realidad el agua es una sustancia de propiedades poco frecuentes, que la diferencian mucho tanto física como químicamente de la mayoría de los líquidos corrientes. Es el compuesto más abundante en los organismos vivos, ya que constituye el 70 a 90 por ciento del peso de la mayor parte de las formas de vida. (Lehninger, 1991).

2.2.1.1. Importancia del agua

     El agua es un recurso indispensable para los seres vivos y para los humanos. Su importancia estriba en los siguientes aspectos:

• Es fuente de vida, sin ella no pueden sobrevivir las plantas, los animales y el ser humano.
• Es indispensable en la vida diaria. En la casa para lavar, cocinar, beber, lavar ropa, etc.
• Uso industrial, fabricar alimentos, limpieza, generar electricidad, etc.
• Uso agrícola para irrigar los campos.
• Uso ganadero para dar de beber a los animales.
• Uso medicinal para curar enfermedades por medio de las aguas termales.

2.2.2. Componentes del agua

• Conductividad. Es la medida de la capacidad del agua para conducir electricidad. Está relacionada con la cantidad total de sales disueltas en el agua y nos permite tener una idea sobre la calidad de la misma.
• PH. Es una medida de la acidez o alcalinidad del agua. El pH indica la concentración de iones hidrogeno presentes en la composición del agua. El PH del agua debe estar entre 6,5 y 8,5. El agua con un nivel de pH menor a eso se considera ácida y si es mayor a7, 0 se considera alcalina o base.
• Dureza. Se denomina dureza del agua a la concentración de compuestos minerales que hay en una determinada cantidad de agua, en particular sales de magnesio y calcio. Son éstas las causantes de la dureza del agua, y el grado de dureza es directamente proporcional a la concentración de sales alcalinas.
• Alcalinidad. Es la medida de la capacidad del agua para neutralizar ácidos.
• Químicamente es la cantidad de sustancias alcalinas como carbonatos e hidróxidos que contienen el agua.
• Cloruros. Generalmente forma sales muy solubles. El sodio es uno de los iones que siempre está presente en el agua, conjuntamente con los bicarbonatos y sulfatos y es uno de los responsables directos de la salinidad del agua.
• Nitratos. La presencia de nitratos en el agua cada día es mayor debido a la contaminación industrial y al uso agrícola de fertilizantes.
• Oxigeno. Generalmente es indispensable, permite la sobrevivencia de los animales y plantas acuáticas.

2.2.3. Tipos de agua.

      Tomando en cuenta el manual de operación de mantenimiento de planta de tratamiento de agua, OPS/CEPIS (2002), la calidad del agua se relaciona directamente con las características que esta posee, pero estas dependen de la cantidad y tipo de impurezas que en ella se encuentran. La caracterización permite la selección del agua que represente la menor dificultad en el tratamiento de la purificación. En la tabla 1 se muestran ciertos tipos de agua con mayor posibilidad de tratamiento de purificación.

2.2.4. Parámetros de la calidad del agua apta para consumo humano.

     En la tabla 2 se encuentran los parámetros de calidad del agua potable.

PARÁMETRO	AGUA TRATADA	VALORES LÍMITES NOM-127-Ssa1-1994
pH	6.81	6.5-8.5
Turbiedad (UNT)	1.1	5.0
Dureza (mg CaCO3/L)	65.65	500.00
SDT (mg/L)	101.4	1000.0
Coliformes Totales (NMP/100ml)	5	2
Coliformes Fecales (NMP/100ml)	<2	No detectable
Nitratos (mg/L N-NO3)	0.260	10.000
Nitritos (mg/L N-NO2)	0.013	0.050
N-amoniacal (mg/L N-NH3)	0.14	0.5
Aluminio (mg/L)	No detectado	0.2
Cadmio (mg/L)	<0.02	0.005
Cobre (mg/L)	<0.03	2.00
Cromo (mg/L)	<0.06	0.05
Cloro residual libre (mg/L)		0.20-1.5

Tabla 2. Valores para el agua tratada y valores límites para el agua tratada.

Fuente: OMS (Organización Mundial de la Salud).

2.2.5. Sistemas de purificación del agua

Ø   Sedimentación. La sedimentación consiste en dejar el agua de un contenedor en reposo, para que los sólidos que posee se separen y se dirijan al fondo.

Ø   Desinfección. Se refiere a la destrucción de los microorganismos patógenos del agua ya que su desarrollo es perjudicial para la salud. Se puede realizar por medio de ebullición que consiste en hervir el agua durante 20 minutos y para mejorarle el sabor se pasa de un envase a otro varias veces, proceso conocido como aireación, después se deja reposar por varias horas y se le agrega una pizca de sal por cada litro de agua. Cuando no se puede hervir el agua se puede hacer por medio de un tratamiento químico comúnmente con cloro.

Ø   Destilación. Es la operación de separar, mediante la evaporización y condensación, los diferentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechan los diferentes puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias ya que es una propiedad intensiva de cada sustancia.

Ø   Filtración. La filtración es el proceso de separar un sólido del líquido en el que está suspendido al hacerlos pasar a través de un medio poroso (filtro) que retiene al sólido y por el cual el líquido puede pasar fácilmente. Se emplea para obtener una mayor clarificación, generalmente se aplica después de la sedimentación para eliminar las sustancias que no salieron del agua durante su decantación.

2.2.5.1. Destilación simple.

La destilación es el método más utilizado para separar y purificar mezclas y líquidos. Tiene innumerables aplicaciones en la industria y en laboratorio, el más común es la destilación simple, en esta los vapores producidos son inmediatamente canalizados hacia un condensador el cual los refresca y los condensa.

2.2.5.2. Procesos físicos de la destilación

Para que ocurra la destilación es necesario que se lleven a cabo dos fenomenos físicos, la evaporación y la condensación.

2.2.5.3. Gránulos para filtración de agua.

Los filtros se encuentran divididos por diferentes secciones de gránulos, estos tienen diferentes tamaños, espesores y funciones. Entre ellos, los de mayor estimación son:

·  Carbón Activado Granular, que es un material que se utiliza para filtrar químicos y microorganismos nocivos del suelo y el agua contaminados. Su estructura y propiedades le permiten adsorber específicamente aquellos químicos peligrosos que se encuentran en el agua a tratar.

·  Clinoptinolita o Zeolita Natural, es un mineral con  propiedades  únicas. Su estabilidad  y  micro porosidad  la  hacen  el  medio  de  filtración  perfecto para prácticamente cualquier aplicación  en la industria de la purificación de agua y tratamiento de aguas residuales.

              2.3. Radiación Solar

La energía que emite el sol o radiación solar, recibida en la superficie terrestre, es la fuente de casi todos los fenómenos meteorológicos y de sus variaciones en el curso del día y del año. Se trata de un proceso físico, por medio del cual se transmite energía en forma de ondas electromagnéticas, en línea recta, sin intervención de una materia intermedia, a 300.000 km por segundo. Cuando esta radiación alcanza el límite superior de la atmósfera está formada por rayos de distinta longitud de onda:

• Los rayos ultravioletas: no son visibles y tienen muy pequeña longitud de onda. 
• Los rayos luminosos: son los únicos visibles; su longitud de onda corresponde al violeta y al rojo. 
• Los rayos térmicos o caloríferos: tampoco son visibles y su longitud de onda es mayor de 0,76 micrones. Son los rayos infrarrojos.

     El valor de la radiación solar para un cm cuadrado, expuesto perpendicularmente a los rayos solares en el límite superior de la atmósfera, es de dos calorías por minuto, aproximadamente. Este valor se llama Constante Solar.

2.4. Lentes solares Fresnel

     Elemento óptico, plano por una cara y con una serie de anillos concéntricos de sección triangular convexa por la otra. Refracta la luz tanto como lo haría una superficie convexa muy marcada. Proporciona iluminación uniforme, sin pérdidas por los bordes, aunque en las imágenes que forman son visibles los anillos y por eso se emplea sobre todo en focos y pantallas de enfoque. A continuación una descripción más detallada sobre el funcionamiento de estos lentes:

• Utilizan las leyes de la refracción para concentrar la luz mediante prismas o lentes.
• Consiste de un conjunto de lentes, casi todas prismas, que convierten la luz proveniente de una fuente puntual en una colección de rayos paralelos.
• Los rayos de luz que llegan paralelos al eje óptico tienden a concentrarse en un punto o foco.
• Concentran la radiación solar sobre receptores térmicos estacionarios.
• La luz recibida por una Lente de Fresnel, puede dirigir el 80% de la luz de la fuente hacia el observador, diferencia significativa si, se compara con otros tipos de lentes.
• Como otro concentrador cualquiera, concentran la radiación solar sobre el receptor para incrementar la temperatura de trabajo
• Se diseñan para una temperatura de trabajo entre 80ºC y 300ºC, con una eficiencia total promedio anual entre el 40 y 50%
• La eficiencia depende mucho del ángulo de incidencia.

2.5. Sistema de Variables

Variable independiente: Radiación solar.

Variable dependiente: Purificador de agua.

2.5.1. Definición conceptual y operacional de las variables:

•  Definición conceptual de la variable independiente: La radiación es el flujo de energía recibida desde el Sol en forma de ondas electromagnéticas de distintas frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). Casi la mitad de la radiación solar que recibe nuestro planeta, pueden ser detectadas por el ojo humano, constituyendo lo que conocemos como luz visible. La otra mitad, mayormente está situada en la parte infrarroja del espectro y una pequeña parte en la ultravioleta (Agencia Estatal de Meteorología AEMET, 2013).
• Definición conceptual de la variable dependiente: La purificación del agua con energía solar es un tratamiento que utiliza un proceso físico de destilación, de modo que al exponer el agua lo suficiente a los rayos solares es posible eliminar bacterias y parásitos, separando cualquier sedimento, naturalmente los gases y/o minerales que contenga el agua (Ken Jorgustin, SODIS, 2012).
• Definición operacional de las variables: En Venezuela los tratamientos para purificar el agua contaminada no son muy efectivos; por ello el método de destilación mediante el uso de lentes que funcionan como captadores de rayos solares, es una de las mejores opciones en tratamiento si lo que se quiere lograr es cierto grado de calidad suficiente para el consumo humano. En el purificador los lentes funcionan concentrando los rayos solares, de modo que se intensifique la temperatura del agua logrando la evaporación de la misma.

2.6.           Bases Legales

Los aspectos regulatorios del servicio de agua potable y saneamiento en Venezuela son aún muy incipientes, y de hecho no existen “modelos” específicos para la regulación del servicio en ningún área. Hace falta por ejemplo crear la instancia que se encargue de la regulación de los aspectos económico-financieros y de velar por que se garanticen los deberes y derechos de la calidad de agua, por los entes operadores del servicio y de los clientes, respectivamente.

2.7.        Definición de términos básicos

2.7.1. Evaporación: Es un proceso físico en el que un líquido o un sólido se convierte gradualmente en gas. Considerando que en este proceso el agua se calienta al absorber energía calórica del sol, suponiendo que la fuente de energía es el sol y que esto permite culminar la fase. La energía necesaria para que un gramo de agua se convierta en vapor es de 540 calorías a 100 °C valor conocido cómo calor de evaporación (King, 1988).

2.7.2. Condensación: Es un cambio de estado de la fase vapor a la fase líquida. El vapor que condensa puede ser vapor puro, una mezcla de vapores no miscibles o un vapor mezclado con un gas (el gas no condensará). Dicho de otra manera es el fenómeno inverso de la vaporización (Pedro R., 2000).

2.7.3. Energía: En física se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía se refiera a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para extraerla, transformarla, y luego darle un uso industrial o económico. Es un bien intermedio que permite satisfacer otras necesidades en la producción de bienes y servicios (Valeriano, 2006).

2.8.  Hipótesis

Mediante el desarrollo de un prototipo de purificación que hace uso de energías alternativas como la radiación solar, es posible depurar el agua adquiriendo cierto grado de pureza, eliminando todo tipo de sustancias disueltas en ella incluyendo los microorganismos y otros contaminantes que serán separados a través de la evaporación.