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

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90

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0

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0

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0

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15

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0

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0

18

0

19

0

20

0

21

0

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0

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0

24

0

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0

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0

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0

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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

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40

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60

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0

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0

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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

8. BIBLIOGRAFIA

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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