Tesis Jesus Vrs 1
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
INGENIERÍA EN SISTEMAS AMBIENTALES
“Diseño de captadores filtro para abastecimiento de agua en unidades
habitacionales y casas particulares”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO
INGENIERO EN SISTEMAS AMBIENTALES
PRESENTA
Juárez Rojo Jesús Emanuel
Asesor: Dr. Jorge Alberto Mendoza PérezCoasesor: M. en C. Perla Inés Badillo Lagunés
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Este trabajo de investigación y tesis fue financiado en sus diferentesetapas por medio de fondos del proyecto SECITIDF/ ENCB-IPN 0246PICSO 9910 y por el proyecto SIP 2015 0618. Por lo cual los autores deeste trabajo agradecemos el soporte financiero que nos fue otorgado.
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El presente trabajo se realizó en el laboratorio desarrollo de tecnologías limpias,
Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, campus Zacatenco bajo la dirección del
Doctor Jorge Alberto Mendoza Pérez
Proyecto fue financiado por el Instituto de Ciencia y Tecnología del Distrito Federal(ICYTDF) Proyecto ICYTDF/IPN 0246 (PICSO-1099).
Este trabajo fue presentado en la “Muestra de proyectos de mi ciudad” evento
patrocinado por ICYTDF. Además cabe señalar que los resultados de dicho trabajo
fueron publicados en la Revista “Quimica Hoy” Edicion especial de la Universidad
Autónoma de Nuevo Leon.
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INDICE Página
ContenidoABREVIATURAS ............................................................................................................... vii
1.-INTRODUCCION ............................................................................................................. 1
1.1.- Ciclo hidrológico como modelo de diseño. ................................................................ 1
1.2.- Captación de agua pluvial .......................................................................................... 2
1.3.- Disponibilidad del agua de lluvia en México. ............................................................ 2
1.4- Formas de abastecimiento de agua .............................................................................. 4
1.5- Aprovechamiento de agua pluvial en el Distrito Federal ............................................ 6
2.- ANTECEDENTES ............................................................................................................ 7
3.- JUSTIFICACIÓN.............................................................................................................. 8
4.-Hipotesis ............................................................................................................................. 9
5.- Objetivos ......................................................................................................................... 10
5.1. Objetivo general ........................................................................................................ 10
5.2. Objetivos particulares ................................................................................................ 10
6.- Metodología Materiales y Métodos................................................................................. 10
6.1. Diseño del captador filtro .......................................................................................... 11
6.2. Diseño de la superficie de captación ......................................................................... 13
6.3. Modelado y construcción........................................................................................... 15
6.4. Pruebas de captación para telas de araña ................................................................... 16
6.5. Tren de tratamiento y pruebas de filtración. .............................................................. 16
6.6. Análisis de muestra de agua después de la filtración según (NOM-127-SSA) ......... 17
7.- Resultados ....................................................................................................................... 18
7.1.- Diseño captador filtro ............................................................................................... 18
7.2. Diseño de la superficie de captación ......................................................................... 22
7.3.- Construcción............................................................................................................. 25
7.4.- Pruebas de captación y filtración ............................................................................. 27
7.5.- Calidad del agua captada .......................................................................................... 28
7.6.- Costos de construcción ............................................................................................. 30
8.- Discusión ....................................................................................................................... 31
9.- Conclusión ..................................................................................................................... 33
Bibliografía ........................................................................................................................... 34
ANEXO 1 ............................................................................................................................. 36
ANEXO 2 ............................................................................................................................. 37
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Formato de solicitud de patente 1.0 .................................................................................. 37
Formato de solicitud de patente 2.0 .................................................................................. 38
Congreso ICYT – DF ....................................................................................................... 39
Resumen del Congreso ICYT-DF .................................................................................... 40
Reconocimiento Nuevo León ........................................................................................... 41
Artículo de la revista electrónica Internacional de la Universidad de Nuevo LeónQUÍMICA HOY CHEMISTRY SCIENCES ................................................................... 42
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INDICE DE FIGURAS
Fig. 1.- Ciclo del agua…………………………………………………………………….1 Fig. 2.- Distribución de la precipitación pluvial para México……………………….…3
Fig. 3.- Diagrama que muestra el desarrollo de la metodología. …………………..10 Fig. 4.- Vista superior de captador filtro……………………………………………….11 Fig. 5.- Pirámide truncada………………………………………………………………12 Fig. 6.- Filtro Azud modular …………………………………………………………..…16 Fig. 7.- Diseño del captador filtro……………………………………………....………18 Fig. 8.- Diseño final del captador ………………………………………………….……21 Fig. 9.-Malla de polietileno recubierta con silicona………………………..…………25 Fig. 10.- Base del captador filtro…………………………………………………….…26 Fig. 11.- Prueba de Captación. ……………………………………………………..…27 Fig. 12.- Instalación del captador filtro en unidad casa habitación…………………27
INDICE DE TABLAS
Tabla.1.-Claves de pruebas en ceras………………………….………….….………..15Tabla 2.-Claves de pruebas con silicona.….…………………..………………………15Tabla 3.-Relacion Altura- Apotema……………………………..………………………15 Tabla.4.-Descripción de polímeros aplicados …………………….………..…………23Tabla.5.- Calidad de agua pluvial obtenida del captador filtro………………………23
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ABREVIATURAS
Captación de Agua Pluvial (CAP)Servicio Meteorológico Nacional (SMN)Comisión Nacional del Agua (CONAGUA)
Diario Oficial de la Federación (DOF)Centro Internacional para la Formación y Demostración sobre el Aprovechamientodel Agua Lluvia (CIDECALLI)Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios sobre Medio Ambiente yDesarrollo (CIIEMAD)Comisión Nacional Forestal (CONAFOR)Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA)Organización para la Cooperación y el Desarrollo económico (OCDE)
Agrietamiento (Ag)Permeabilidad (Pe)Viscosidad (Vs)
Poli vinil Cloruro (PVC) Atmosferas (atm)Grados Celsius (°C)Horas (hrs)Presión por pulgada cuadrada (psi)Litros (L)Litros por segundo (L/s)Metros (m)Metros cuadrados ()Metros cúbicos ()Centímetros cuadrados (
)
Newton por Metro (N/m)Instituto Politécnico Nacional (IPN)Kilogramos (Kg)Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI)
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Resumen
Hoy en día es una necesidad urgente con carácter social, de salud humana,
ambiental e incluso política, asegurar abastecimiento de agua a las ciudades y
poblados de nuestro país. En el caso del Distrito Federal, cuenta con una geografíacaracterística que permite cada año un aporte de lluvia de casi 780 millones de m3
pero solo cerca de 10 % de este volumen, se aprovecha. La naturaleza da ejemplos
de cómo pueden ser diseñados los sistemas para capturar agua pluvial. El objetivo
de este trabajo fue aprovechar estos principios para diseñar un sistema de captura
y filtración de agua pluvial para casas particulares y unidades habitacionales. Para
el diseño del captador se optó por materiales ligeros que no absorben el agua sino
que conducen con rapidez hacia depósitos debido a su cohesión. Además se diseñó
un sistema de tratamiento a base de filtros específicos para la calidad de lluvia que
se analizó durante las pruebas de captación. Todos estos datos permitieron la
construcción y puesta en marcha de un primer prototipo que tiene la capacidad para
captar, filtrar y entregar agua pluvial con tal calidad que es incluso apta para
consumo humano. Dicho equipo consiguió una patente.
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1.-INTRODUCCION1.1.- Ciclo hidrológico como modelo de diseño.
El ciclo hidrológico Fig. 1 comienza cuando el agua que se evapora de la superficieforman nubosidades que cae en forma de precipitación infiltrándose en el suelo
hasta llegar a los acuíferos, durante su paso por las diferentes capas del suelo,
arrastra diferentes elementos, lo que provoca cambios en su composición química
y física, así mismo se va filtrando y limpiando de impurezas no aptas para su
consumo. Los acuíferos son las fuentes de abastecimiento más ampliamente
usados, ya que el agua que se extrae tiene la calidad suficiente para ser utilizada
en las diferentes actividades humanas y no se requiere de un pretratamiento
costoso. De lo anterior, el modelo principal ocupado en todos los sistemas de
aprovechamiento de agua pluvial es el ciclo hidrológico, ya que se utilizan los
mismos principios de captación y filtración de agua para su posterior
almacenamiento o uso (Márquez, 1996).
Fig. 1.- Ciclo del agua (Márquez, 1996)
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1.2.- Captación de agua pluvial
La Captación de Agua Pluvial (CAP) es el término utilizado tradicionalmente para la
recolección de agua de lluvia (Gleason, 2005), en países con abundancia hídrica, la
captación de agua de lluvia es una fuente importante para el abastecimiento de agua
en los hogares, la producción agrícola y el mantenimiento de espacios verdes y
ecosistemas estratégicos para la vida urbana (Márquez, 1996).
Los beneficios del uso de la lluvia van más allá del uso para consumo humano y
animal, también es vital para la conservación de bosques y humedales, además de
disminuir la presión sobre acuíferos y proyectos de construcción de nuevas presas
para el abastecimiento urbano (Gleason, 2005).
1.3.- Disponibilidad del agua de lluvia en México.
Actualmente al definir la disponibilidad de agua, solo se realiza tomando en cuenta
la cantidad que se aprovecha. Se suma el escurrimiento de todo el año y la recarga
media de acuíferos, para obtener el valor señalado como disponibilidad natural
anual (Lara, 2006).
En la mayor parte del país el escurrimiento superficial es abundante en los meses
de julio, agosto y septiembre SIATL – INEGI; pero sí no se almacena, el agua
escurre al mar; y no puede ser aprovechada en los meses de marzo, abril y mayo,
es decir en temporada de secas. Por lo que el balance hídrico anual no permite
evitar la sobreexplotación de los cuerpos de agua en época de estiaje. (Lara, 2006).
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Fig. 2.- Distribución de la precipitación pluvial para México (SMN, 2013).
En la Fig. 2 se observa la distribución de la precipitación en México, debido a que el
volumen total de agua que recibe el país por precipitación es de 1,528 km3 en
promedio, sin embargo, cerca del 73% es decir unos 1,100 km3 regresa a la
atmósfera por evapotranspiración (SMN, 2013).
En este sentido, los 772 mm de precipitación anual que recibe el país lo clasificanen la categoría de países con abundante disponibilidad de agua según el Consejo
para el Acceso al Agua y a Recursos Sanitarios de la unión americana. Sin embargo,
como ya se mencionó antes, México tiene una alta tasa de evapotranspiración que
disminuye en forma significativa el volumen de agua disponible (SMN, 2013).
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1.4- Formas de abastecimiento de agua
Dentro de las formas más comunes que el hombre ha empleado para abastecerse
agua se tienen:
A) Extracción de agua de ríos y lagos.
En estos casos se lleva a cabo la construcción de grandes presas para embalsar el
agua de zonas donde ésta es abundante, para posteriormente transvasarla por
medio de canales, túneles y grandes tuberías, por consiguiente esta forma de
abastecimiento de agua incluye descomunales obras de ingeniería y la modificación
de muchos kilómetros cuadrados de territorio. (Gleason, A. 2005)
B) Desalinización de agua de mar.
La gran abundancia de agua marina hace pensar que pudiera ser una magnífica
fuente de agua si se consiguiera eliminarle la sal por métodos económica y
energéticamente rentables, en la actualidad se usan varias tecnologías para
desalinizar el agua. Una de las más comunes es por destilación. Otro método, es el
denominado ósmosis inversa, en el cual, se pasa el agua por una membrana que
deja pasar las pequeñas moléculas de agua, pero no los iones de algunas sales.
(Capella, 2006)
C) Extracción de agua de pozos.
El método más común de abastecimiento de agua consiste en extraer agua
subterránea a partir de un pozo, el cual es un agujero taladrado en la llamada zona
de saturación. Los pozos funcionan a manera de pequeños depósitos a los cuales
migra el agua subterránea y de los cuales puede bombearse a la superficie (Capella,
2006).
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D) Tratamiento y reúso de aguas residuales.
El tratamiento de aguas residuales constituye otra alternativa de abastecimiento de
agua; sin embargo, es cara y poco viable en naciones poco desarrolladas como
sería el caso de los países africanos, a excepción de Sudáfrica que somete a
tratamiento todas sus aguas residuales (Capella, 2006).
En el caso de México, en la Zona Metropolitana, solamente el 10% de las aguas
residuales son tratadas para su reúso, arrojándose el 90% fuera de la cuenca
equivalentes a 40m3/s. Sin embargo, en la ciudad de Monterrey, Nuevo León, dadas
las condiciones climáticas semiáridas y por ende, escasez de agua, toda agua de
tipo residual es sometida a tratamiento (Capella, 2006; De La Macorra, 2006).
E) Captación de agua de lluvia.
Existen lugares en todo el mundo donde la escasez de agua ha obligado a
considerar la captación de agua pluvial en casas. Esta última forma de
abastecimiento es la que se intenta implementar en el Distrito Federal, ya que solo
el 10 % del agua de pluvial es aprovechada en sistemas de captación urbanos
(CONAGUA, 2013).
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1.5- Aprovechamiento de agua pluvial en el Distrito Federal
El Sistema Cutzamala, que provee de agua a la zona metropolitana del DF,
tiene capacidad para almacenar hasta 782 millones de metros cúbicos de líquido
del total de lluvias en la Ciudad, el 30% se evapora, 40% se va al acuífero, 20% se
pierde en el drenaje y sólo 10% queda en sistemas ahorradores urbanos
(CONAGUA, 2013).
Las reformas a la Ley de Aguas del DF, aprobadas en marzo 2013, establecen que
los nuevos desarrollos deben instalar sistemas captadores de agua pluvial, pero
existe un vacío por la falta de reglamento, lo que deja al libre criterio deldesarrollador instalar los sistemas en el Distrito Federal. (DOF, 2013)
Partiendo del hecho de que únicamente el 10 % del agua pluvial se capta para su
uso en el Distrito Federal, y las nuevas reformas a la ley de aguas, se deben
implementar sistemas para aumentar la cantidad de agua pluvial que se aprovecha.
(DOF, 2013)
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2.- ANTECEDENTES
En México, el Centro Internacional para la Formación y Demostración sobre el
Aprovechamiento del Agua Lluvia (CIDECALLI), del Colegio de Posgraduados,
dirigido por el Dr. Manuel Anaya Garduño provee información valiosa para
demostrar los beneficios comunitarios de sistemas de captación del agua pluvial, en
particular en zonas marginales y en comunidades de bajos recursos (CIDECALLI,
2013).
Algunos otros estudios del Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios
sobre Medio Ambiente y Desarrollo (CIIEMAD) están enfocados en la captación de
agua pluvial, sin embargo, está dirigida a la recarga de mantos acuíferos como viene
referenciado en la tesis “ Aporte de agua pluvial al acuífero de la zona metropolitanadel Valle de México, captada en azoteas de edificios” (CIIEMAD 2014).
La CONAFOR ha diseñado equipos o sistemas de recolección y almacenamiento
de agua de lluvias para el uso en actividades productivas con tratamientos primarios
de filtros de arena, sin embargo no se contempla su uso para el consumo humano
(CONAFOR 2009).
En el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), se han realizado pruebas
de tratamiento para el agua de lluvia, con un sistema de filtración lenta en múltiples
etapas, siendo una de las tecnologías apropiadas para aplicarse en las zonas
rurales, debido al bajo costo de construcción, operación y mantenimiento. La
calidad del agua obtenida cumple con la Norma Oficial Mexicana, NOM-127-SSA1-
1994. Ninguno de los trabajos anteriores resalta la necesidad que tiene el Distrito
Federal, una de ellas es contar con equipos de abastecimiento de agua que no
modifiquen las estructuras de la ciudad o que comprometan un espacio público, que
consideren la urbanización y los diversos tipos de edificaciones que existen. Por lo
que es necesario crear nuevas tecnologías enfocadas a la captación de agua pluvial
en zonas urbanas y de poco espacio disponible como lo es el caso del DF.
(CONAFOR 2009).
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3.- JUSTIFICACIÓN
De acuerdo con el último reporte de la Organización para la Cooperación y el
Desarrollo económico (OCDE), de no cambiarse las políticas de manejo y cobro del
agua, México enfrentará niveles de escasez de medios a severos en las próximas
cuatro décadas (Stillman, 2012). Esta es una de las razones por la cuales las
personas en el Distrito Federal buscan maneras alternas de suministro de agua. Los
principales problemas son la sobreexplotación del acuífero, la mínima captación de
agua de lluvia y el desperdicio del líquido que hay en la red de distribución
(CONAFOR 2009).
Debido a las reformas a la Ley de aguas del DF 2013 que obligan a las nuevasedificaciones a contar con sistemas de captación, así como el hecho de que solo se
aprovecha el 10% del agua pluvial recibida en el DF, se deben desarrollar nuevos
métodos de CAP. Estos sistemas deben ser duraderos, versátiles, económicos y de
fácil mantenimiento y operación, ya que los usuarios finales serán las casas
habitación.
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4.-Hipotesis
Si al diseñar nuevos prototipos modulares para CAP, de fácil montaje,
mantenimiento y bajo costo pero con alta eficiencia, se logra para la ciudadanía del
Distrito Federal la posibilidad de suplir agua potable por agua pluvial de manera
eficiente y entregándola con calidad para consumo humano, entonces se podrá
generalizar su uso en las casas particulares y unidades habitacionales de esta
metrópoli.
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5.- Objetivos
5.1. Objetivo general
Diseñar, y construir un captador filtro para abastecimiento de agua en unidadeshabitacionales y casas particulares
5.2. Objetivos particulares
Diseñar un módulo que tenga la capacidad para captar, filtrar e incluso
potabilizar el agua pluvial.
Seleccionar los materiales adecuados para la captación de Agua pluvial.
Construir este módulo utilizando elementos y herramientas de fácil acceso.
Realizar pruebas de captación y filtración.
Analizar la calidad del agua captada y filtrada por el modulo diseñado.
6.- Metodología Materiales y Métodos
Fig. 3.- Diagrama que muestra el desarrollo de la metodología.
Diseño
Seleccion de materiales
Diseño de la superficie de
captacion (telas de araña)Construccion del captador
filtro
Pruebas de captacion de
agua pluvial
Pruebas de filtracion
Analisis del la calidad del
Agua de lluvia captada
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6.1. Diseño del captador filtro
El diseño estuvo enfocado en dar soporte a un área de captación, esta tiene como
objetivo concentrar el agua pluvial captada en un punto, lo que permite utilizar
eficientemente la fuerza de gravedad y se pueda filtrar sin utilizar trabajo externo.Para este propósito se eligieron dos poliedros, uno como base y el otro como área
de captación, debido a que esta figura tiene múltiples ejes simétricos.
Fig. 4.- Vista superior de captador filtro
En la Fig. 4 se puede apreciar el centro del captador filtro, este es el punto donde
se lleva a cabo la concentración del agua pluvial que se capta, por lo que este punto
debe tener mayor soporte. Debido a esto se diseña el captador como 2 pirámides
truncadas, la superior con base octagonal y la inferior que es la que soportara todo
el peso del equipo, con base rectangular.
Mediante las formas descritas se podrá distribuir esta carga principal en el centrodel aparato y las cargas secundarias, de manera que el equipo conserve el ángulo
adecuado, otorgándole estabilidad.
Distancia T
Centro de captador
Varillas de soporte Superficie de captación
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El área de la superficie de captación se definió con un área de 2 y un volumen
máximos del captador filtro se calculó mediante la figura geométrica “pirámide
truncada”, esta define con exactitud el modelo del captador filtro, y por lo tanto la
base de su diseño.
El área de una pirámide truncada es;
= + ∙ … (1)
Donde es el perímetro de la base mayor, es el perímetro de la base menor, es la apotema del tronco, es el área de la base mayor y el área de la basemenor.
Fig. 5.- “pirámide truncada”
Estas variables se pueden observar en la Fig. 5, la pirámide truncada, tiene 2 bases
geométricas, sus variables se miden con las ecuaciones siguientes:
= ℎ − … (2)
= ∙ … (3)
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Donde es la apotema de la pirámide, ℎ es la altura de la pirámide, es la
apotema de la base superior y es la apotema de la base superior, B es el área
de la base y P el perímetro.
Y por último el volumen del poliedro.
= ℎ ∙ )… (4)
De la misma manera se calculara el área de la pirámide truncada inferior que
dependerá directamente del área de la pirámide truncada superior y de la superficie
de captación.
6.2. Diseño de la superficie de captación
Se necesita una superficie de captación, flexible, resistente y que tenga
independencia del resto de las partes del captador filtro, por lo que se tomaron
diferentes telas y según sus características se recubrieron de diferentes polímeros
hasta encontrar la mejor combinación.
Con este objetivo se midieron los siguientes parámetros en las telas de araña
Agrietamiento (Ag).-Si presento grietas tiene valor igual a 0 de lo contrario
presenta un valor a 1.
Permeabilidad (Pe).- Si se permea el agua tiene valor igual a 0 de lo contrario
presenta un valor a 1.
Viscosidad (Vs).- Si queda viscosa la mezcla tiene valor igual a 0 de lo
contrario presenta un valor a 1.
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Elasticidad.- Se midió por medio de la ley de Hooke. Se procederá a sujetar
un trozo de tela recubierta de 20 x 20 cm, a esta se le agrego una masa
determinada en un extremo y se midió los mm que se estira la tela, una vez
teniendo esta información, obtenemos la elasticidad despejando la ley de
Hooke.
• F = k * Δx …(5)
Donde k es la constante de elasticidad, F es la fuerza necesaria para
deformar y Δx es la distancia de deformación.
Las telas se construyeron para cumplir los siguientes objetivos:
Plegable.- Esta debe poder doblarse para poder ocupar un espacio conveniente.
Para este propósito se doblaron trozos de tela recubierta y se dejaron reposar 24
horas, después se observó la presencia de grietas.
Flexible.- La superficie de captación debe ser flexible, para acoplarse a la base del
captador filtro.
Se probaron telas constituidas por algodón, nylon, y polietileno, estas fueron
recubiertas con distintas ceras las cuales se sometieron a altas temperaturas para
pasarlas a estado líquido y así poder aplicarlas sobre cada una de las telas. Las
cuales se dispusieron de la siguiente forma;
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Tabla 1
Claves de pruebas con ceras TELA CERA
CLAVE AMARILLA CAMPECHE ABEJA Mezcla
ALGODÓN AA AC AAB AABA
NYLON NA ----- ---- PAB
POLIETILENO PA ---- PAB PABA
De la misma manera se probaron diferentes tipos de silicona, tal como silicona
líquida, sólida y en gel, sin embargo, dadas las propiedades de la silicona solo se
probó en la tela de polietileno.
Tabla 2
Claves de pruebas con Silicona TELA SILICONA
CLAVE LIQUIDA SOLIDA GEL
POLIETILENO PSL PSS PSG
6.3. Modelado y construcción
Para el modelado y construcción se utilizaron materiales reciclables o que puedan
reciclarse.
Para la construcción de la base del captador-filtro, en los brazos se utilizaron varillas
de aluminio y en el área de soporte se utilizó hollroll de acrílico. Estas se unieron a
un núcleo constituido por una brida de PVC mediante bisagras recubiertas de
polímero para evitar su oxidación por el contacto con el agua.
Los materiales que fueron seleccionados para la construcción del prototipo se
escogieron en base a sus propiedades de resistencia y durabilidad ante la
exposición a la intemperie, además de ser inocuos al contacto con el agua.
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6.4. Pruebas de captación para telas de araña
Las pruebas en el laboratorio se llevaron a cabo a 25°C de temperatura y presión
de 0.76 atm, se utilizó un recipiente y un embudo para simular el captador y se
colocaron las diferentes telas obtenidas; nylon, algodón, poliéster y plástico
recubiertas con diferentes polímeros como ceras y silicona. Las pruebas tuvieron
como objetivo, encontrar una relación óptima entre resistencia y peso. Para lo
anterior se adiciono la misma cantidad de agua sobre cada una de las telas
colocadas en los embudos que a su vez se posicionaron encima de vasos de
precipitado durante 24 hrs. Lo que permitió medir el agrietamiento, la flexibilidad y
permeabilidad de las telas.
Las pruebas de captación en campo se llevaron a cabo en época de lluvia y fueron
realizadas después de la construcción del módulo, con el fin de probar la capacidad
de este, en cuanto a flujo, saturación y gasto.
6.5. Tren de tratamiento y pruebas de filtración.
Se utilizó un tren de tratamiento que consta de 2 filtros comerciales, uno de
remoción de sólidos y otro de carbón activado impregnado con nano partículas de
plata.
En el caso de la remoción de partículas se seleccionó un filtro de discos para
remoción de sólidos con presión mínima de 10 psi (0.7atm) para un caudal máximo
de 10 L/s con vida útil de10 000 litros.
Fig. 6.- Filtro Azud modular.
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Tal como se puede observar en la Fig. 6, los sólidos quedan atrapados en el filtro.
En cuanto a los coliformes, su eliminación fue por medio de un filtro de carbono
impregnado con partículas de plata, el cual funciona a presión mínima de 10 psi
(0.7 atm) a un flujo de 0 a 100 L/s, y con vida útil de 4000 a 8000 litros
El sistema de filtración es la combinación de los filtros anteriormente mencionados,
instalados por separado, para facilitar su remplazo, cuando concluya su vida útil, de
esta manera se puede garantizar la calidad del agua filtrada.
Las pruebas de filtración se llevaron a cabo con filtros de tipo convencional
modificados, buscando que el efluente tenga la calidad de agua esperada, en
general se usó filtración por cartuchos intercambiables para darle al captador-filtrola propiedad de auto depurarse
6.6. Análisis de muestra de agua después de la filtración según (NOM-127-SSA)
Se tomaron muestras recolectadas en la delegación Gustavo A. Madero, en
periodos de 2 días del mes de septiembre que corresponden al periodo de lluvias
en 2013 y se mezclaron en una muestra compuesta con un volumen aproximado de
100 litros. El análisis se llevó a cabo según la norma que indica los parámetros
fisicoquímicos y microbiológicos para el uso del agua en consumo humano, NOM-
127-SSA-1994 para corroborar su calidad.
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7.- Resultados
7.1.- Diseño captador filtro
Las medidas de las variables de las pirámides truncadas que forman el captadorfiltro, se calcularon mediante la ecuación propuesta anteriormente, siendo cada
variable definida para obtener una base superior de 2, y una base inferior con un
diámetro de 15 cm, en la pirámide truncada superior, y las áreas de las bases de la
pirámide truncada inferior dependerán de los datos obtenidos para dicha pirámide.
Dado que el área de la circunferencia de la entrada hacia el filtro debe ser
aproximadamente igual al área que une la superficie de captación y la base del
captador filtro. Por lo tanto
= 3.1416 ∗ 7.5 = 176.715 ≈ 0.0177 … (6)
Al obtener las dos áreas, podemos calcular la longitud de los apotemas de las
pirámides, lo que permitió definir el diseño final para el captador filtro y calcular cada
una de sus variables.
Fig. 7.- “diseño del captador filtro”
Pirámide truncada superior
(superficie de captación)
UniónPirámide truncada
inferior (soporte)
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Los componentes del captador filtro como se muestra también en la Fig. 7 son; la
pirámide truncada con base octagonal de la parte superior que dan soporte a la
superficie de captación, la pirámide truncada con base rectangular de parte inferior
que sostiene el equipo, unidas por un núcleo circular que tiene espacio para colocar
los filtros necesarios para el tratamiento del agua pluvial.
Definido el diseño, se procede a calcular las medidas de cada varilla que
corresponde a cada apotema de las dos pirámides truncadas que forman el
captador filtro.
Se definió la altura necesaria para calcular el volumen máximo del captador filtro
como medida estándar de 1.m, ya que al modificarla cambia la magnitud de todaslas variables de la estructura, también con esta podemos calcular el apotema de la
pirámide.
= 1 0.80−0.075 =1.23… (7)
Con la ecuación “3” se obtuvieron los perímetros de las bases de la pirámide
superior
= ∙ ≡ = ∙
= ∙. = 5 … (8)
= ∙ ≡ = ∙
= .∙. = 0.45 … (9)
Teniendo estos datos, se calcula el área de la pirámide superior, mediante la
ecuación “1”.
= 2 ∙ = ⌊5 0.45
2 ∙ 1.23⌋ 2 0.0177
=5.37 …10
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Esta es el área correspondiente a la pirámide truncada que forma la parte superiordel captador.
Por último calculamos el volumen.
= ℎ( ∙ ) = (2 0.0177 2∙0.0177) = 0.735 ≈ 73.5 … (11)
Este es el volumen de agua máximo que puede contener el captador antes de serfiltrado
Cantidad de agua captada
La cantidad de agua captada está relacionada directamente con el promedio de
precipitación en el Distrito federal que es de 700mm anuales, por lo que la cantidadde agua en promedio que se obtendrá con el equipo diseñado es:
= ∗ = [2 ∗0.7] ∗ =1400
ñ … (12)
La cantidad de agua promedio aprovechada con el equipo es de 1400 litros por año.
Esta cantidad depende directamente del área de la superficie de captación, que
para el prototipo es de 2 esta es la medida inicial del prototipo, por tanto todaslas medidas del equipo se pueden obtener con el modelo matemático presentado,
y solo dependerán de la altura del poliedro y de cuanto espacio se disponga para
captar agua pluvial.
En este punto, cuando el área de captación puede cambiar al modificarse la altura
de la pirámide truncada superior, es donde el diseño tiene una variación única, dado
que el área inferior es fija, y el cambio en la altura de la pirámide truncada inferior
no modifica la cantidad de agua que se puede captar.
Se calculó cuanto varia el área a partir del apotema de la base superior de la
pirámide superior se puede calcular la nueva área de captación basándonos en la
ecuación “d”, obtenemos
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= √ − ℎ …(13)
Por lo tanto mediante la ecuación “e” fue posible calcular las diferentes apotemasde la base superior de la superficie de captación variando la altura;
Tabla 3Relación Altura-Apotema
Altura ℎ Apotema 0.4 1.240.5 1.200.6 1.150.7 1.090.8 1.010.9 0.911 0.79
1.1 0.63
1.2 0.35
Con todos estos datos del diseño inicial de dos pirámides truncadas, obtenemos el
diseño final, tal como se muestra en la Fig. 8, cambiando las pirámides solidas por
una estructura de varillas “huecas”, obtenido en la parte superior varillas en forma
de brazos para el soporte de la superficie de captación y en la parte inferior varillas
en forma de “patas” para el soporte de la estructura y del agua pluvial captada,
unidas por un núcleo en forma de cilindro.
Fig. 8.- “Diseño final del captador”
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7.2. Diseño de la superficie de captación
La superficie de captación se diseñó cumpliendo los objetivos planteados, se
resumen a continuación los resultados de las combinaciones propuestas en la
metodología.
Tabla 4
Descripción de polímeros aplicados
Clave Vs Ag Pe Total Descripción Imagen
AA 0 1 1 2
No presenta grietas,
es impermeable yaltamente viscosa.
AC 1 0 1 2
No es viscosa, es poco
flexible, presenta
grietas y no es
permeable
AAB 1 0 1 2
No presenta
viscosidad, es
impermeable, y poco
flexible
AABA 1 0 1 2
No es flexible, ni
viscosa, es
impermeable y
presenta grietas
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NA 0 1 1 2
No presenta grietas,
es impermeable y
altamente viscosa.
NABA 1 0 1 2
No es viscosa, ni
permeable, aunque
presenta grietas.
PA 1 1 1 3No es viscosa nipermeable, no
presenta grietas.
PAB 0 1 1 2
No presenta gritas ni
es permeable, pero es
viscosa
PABA 0 1 1 2
No presenta gritas ni
es permeable, pero es
viscosa
PSL 1 0 1 2
No es viscosa ni es
permeable pero
presenta grietas.
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PSS 1 0 1 2
No es viscosa ni es
permeable pero
presenta grietas.
PSG 1 1 1 3
No es viscosa ni
permeable, no
presenta grietas.
Debido a que las combinaciones entre tela de polietileno recubierta con cera de
amarilla y silicona en gel, obtuvieron valores iguales a 3 se les aplico la prueba de
elasticidad, de la cual se obtuvo;
Elasticidad con cera Amarilla
• F =6.9 (N/m) * (0.01m) = 0.069… (14)
Elasticidad con silicona
• F =6 (N/m) * (0.01m) = 0.060… (15)
Dado el resultado anterior, la fuerza necesaria para deformar la tela recubierta con
silicona es menor a la fuerza necesaria para deformar la tela recubierta con cera
amarilla por lo que esta es más elástica y por lo tanto más flexible, además de que
se adhirió mejor a la tela plástica, esto debido a su composición.
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Fig. 9.-Malla de polietileno recubierta con silicona
Por lo tanto tal como se puede observar en la Fig. 9, se seleccionó la malla de
polietileno recubierta de silicona en gel, esta presento mayor flexibilidad y mayor
durabilidad en las pruebas tanto de captación como de retención, en esta última
tuvo el mayor peso retenido sin infiltraciones, obteniendo así la combinación óptima
denominada “tela de araña” para el captador, llamada así debido a las
características de su estructura. Esta mide 5.37 que es el area obtenida para la
piramide superior del captador.
7.3.- Construcción.Partiendo del diseño final del captador filtro, para la parte superior, específicamente
los brazos que dan soporte a la tela de araña, se buscó que el material que lo
compone, fuera liviano, por lo que se seleccionó uno de los más utilizados para la
construcción de prototipos, este fue el aluminio, ya que en el distrito federal puede
encontrarse en comercios establecidos. Para el núcleo se utilizó tubería de PVC y
una brida para unir los brazos y finalmente las “patas”, o varillas de soporte del
equipo que se fabricaron de acrílico.
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Fig. 10.- Base del captador filtro
Se puede observar en la Fig. 10, la construcción de la base del captador antes de
añadir la superficie de captación, donde se definen claramente las dos pirámides
truncadas. La construcción final del prototipo se construyó en el laboratorio dedesarrollo de tecnologías limpias, en la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas,
del IPN.
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7.4.- Pruebas de captación y filtración
Fig. 11.- Prueba de Captación.
En la Fig. 11 se muestra el quepo utilizado para probar la capacidad del prototipo
en diferentes condiciones de precipitación.
Fig. 12.- Instalación del captador filtro en unidad casa habitación
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En la Fig. 12, se observa cómo se instaló el captador, que en el tiempo de lluviasmencionado en la metodología, se obtuvo un efluente final de 10 l/s y una muestracompuesta de 100 litros de agua filtrada.
7.5.- Calidad del agua captada
Los resultados del análisis de agua captada cumplen con la NOM-127-SSA-1994,
lo que demuestra el cumplimiento con lo dispuesto en la ley, además de ser apta
para consumo humano.
A continuación se muestran los parámetros identificados
Tabla 5
Calidad de agua pluvial obtenida del captador filtro
CARACTERISTICALIMITE
PERMISIBLETANQUE
PLUVIAL 1TANQUE PLUVIAL
1
Aluminio 0.2 <0.1 <0.1 Arsénico 0.05 0 0
Bario 0.7 0 0Cadmio 0.005 0 0
Cianuros (como CN-)
0.07 0 0
Cloro residual libre 0.2-1.50 0 0Cloruros (como Cl-) 250 10 15
Cobre 2 1.0 1.0Cromo total 0.05 0 0
Dureza total (comoCaCO3)
500 250 300
Fierro 0.3 0.25 0.3
Fluoruros (como F-) 1.5 0.2 0.3
Manganeso 0.15 <0.1 <0.1
Nitratos (como N) 10 12 15
Nitritos (como N) 0.05 4 6
Nitrógenoamoniacal (como N)
0.5 0.95 1.15
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pH (potencial dehidrógeno) en
unidades de pH6.5-8.5 6.6 6.5
Plomo 0.025 <0.02 <0.02Sodio 200 170 185
Sólidos disueltostotales
1000 600 600
Sulfatos (comoSO4=)
400 15 17
Sustancias activasal azul de metileno
(SAAM)0.5 <0.1 <0.1
Zinc 5 0.1 0.2
Analizando la tabla anterior se puede observar que ninguno de los parámetros
determinados supero, los límites máximos permitidos por la norma NOM-127-SSA-
1994.
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7.6.- Costos de construcción
Tabla 6
Costos
Cantidad Concepto Precio ($)
2 Varillas de 6m de aluminio de 1 cm de espesor 300
2 Varillas holl roll de acrílico de 1.80cm y 25 cm de espesor 500
12 m Tela de polietileno 150
1 L Silicón frio 500
1 Filtro azud modular 356
1 Filtro Carbón activad 541
1 Brida de PVC 400
- Conexiones y tornillería 100
- Total 2847
Se utiliza el costo del agua ofertada a los usuarios de potabilizadoras locales del
Distrito Federal, usando como fuente agua de la red. Que es de un peso por cada
litro, recordando que la cantidad promedio de agua que obtendremos con el equipo
diseñado en el presente trabajo es de 2800 litros por año tenemos;
∗
ñ ∗ = 1.01 ñ …(15)
Esta ecuación nos indica que el costo de construcción completa del sistema se
recuperara en un año. Por otro lado el mantenimiento tiene un costo de 897 pesos
por cada tres años, de tal forma que el balance total queda de la siguiente manera;
⌈ ñ ∗ 3 ñ⌉ − 2847 − 897 = 4656 …(16)
El ahorro es evidente en los 3 años de uso del captador, aun incluyendo el costo de
mantenimiento el balance es positivo, logrando disminuir el gasto económico en la
compra de agua potable en los meses en donde se presentan precipitaciones.
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8.- Discusión
La cantidad de agua que precipita en el Distrito Federal es poca en comparación a
la demanda que esta ciudad presenta, considerando que solo el 10 % se aprovecha,
la tecnología utilizada tiene que aportar portabilidad, esto solo se logra con unequipo de bajo costo, fácil operación y alta eficiencia, el equipo presentado
proporciona un área de captación de 2 m2 lo que genera de aprox. 2000 litros de
agua potable al año que depende directamente de la cantidad de precipitación, esto
contribuye mínimamente a la demanda que tiene la población del DF, para poder
generar una cantidad mayor de agua es necesario tener un área mayor, lo que
aumenta el costo del equipo debido a los materiales, además de que el equipo de
filtración requeriría mayor capacidad para filtrar agua con calidad suficiente para
consumo humano. De esta forma, de la cantidad de agua que se desee dependerá
el tamaño, de este dependerá el costo y del costo dependerá la rentabilidad.
Para lograr tener un equipo que sea portable, se utilizaron materiales de fácil acceso
e incluso que fueran reciclados, la ingeniería para el soporte se planteó en base a
la carga de agua que el equipo soportara en condiciones reales, el equipo soportara
más carga a medida que se agregue un mayor número de barras de soporte , por
lo que el peso de 24 kg y el volumen demandaban un superficie que fuera capaz
de soportar el peso del agua al mismo tiempo de ser flexible para que pudiera
retirarse para evitar la contaminación atmosférica, esto se logra con tela plastificada
recubierta de silicona, por supuesto que la tela aumentaría su peso adherida al
polímero, por lo que la base del captador debía soportar en las varillas base y en
cada una de las varillas brazo, esto se logró con varillas de hollroll sólidas para la
base y para los brazos varillas de aluminio, las cuales tienen una mayor resistencia
al esfuerzo que tienen que soportar las articulaciones, en total el sistema otorga elsoporte mecánico necesario para recibir el agua pluvial.
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Solucionado el problema del soporte, la portabilidad presentaba otro reto, la facilidad
de operación. Para lograr este objetivo se tenía que instalar un tren de tratamiento,
es decir, un sistema de filtros que demandaran poco mantenimiento, se logró
poniendo 2 filtros, uno con retro lavado y otro de cartuchos intercambiables. Los
contaminantes encontrados en el agua pluvial son coliformes y metales como el
plomo, los cuales serán completamente eliminados por este tren de tratamiento, las
especificaciones de presión y flujo son alcanzados por el equipo al tener una presión
de 0.7 atm, y un flujo de 10 L/s, de tal manera que el usuario pudiera dar
mantenimiento a su equipo sin necesidad de tener una amplia gama de
conocimientos sobre esta materia.
La ingeniería del equipo está pensada para disminuir a lo mínimo su complejidad,esto tiene la ventaja de que cualquier persona puede modificar su equipo según sus
posibilidades y habilidades, además de disminuir los costos al tener la posibilidad
de intercambiar materiales por otros de bajo costo, esto tiene su fundamento en el
precio del agua de la red en el DF.
Por último la rentabilidad quedaría incompleta si no se hubiese tomado en cuenta
los costos de fabricación y su recuperación en el ahorro por la compra de agua
potable. El equipo presenta un balance positivo teniendo un tiempo de remuneración
económica de 1 año, compitiendo con los costos de purificación de agua locales.
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9.- Conclusión
De la cantidad de agua que se desee captar dependerá el tamaño del equipo,
de este dependerá el costo y del costo dependerá la rentabilidad.
Mediante el uso del equipo se logró obtener agua potable a partir de agua
pluvial.
Se logró construir un equipo con la capacidad de captar y tratar el agua de
lluvia con un flujo máximo de salida de 10L/s y una captación promedio de
1400 Litros anuales.
Se logró accesibilidad en cuanto al mantenimiento del equipo diseñado
El ahorro económico es evidente en los 3 años de uso del captador, aun
incluyendo el costo de mantenimiento el balance es positivo, logrando
disminuir el gasto en la compra de agua potable para los meses en los que
se presentan precipitaciones.
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ANEXO 1
A continuación en las fotografías 1 y 2, se observan los equipos instalados en una
vivienda y uno de los equipos que se utilizaron para hacer cálculos de volúmenes
de precipitaciones pluviales.
Fotografía 1.- Simulador de lluvia ENCB, Zacatenco.
Fotografía 2.- Instalación del captador filtro en unidad casa habitación DistritoFederal México.
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ANEXO 2
Formato de solicitud de patente 1.0
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Formato de solicitud de patente 2.0
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Congreso ICYT – DF
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Resumen del Congreso ICYT-DF
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Reconocimiento Nuevo León
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Artículo de la revista electrónica Internacional de la Universidad de NuevoLeón QUÍMICA HOY CHEMISTRY SCIENCES
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