Tesis Jesus Vrs 1

7/18/2019 Tesis Jesus Vrs 1

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

INGENIERÍA EN SISTEMAS AMBIENTALES

“Diseño de captadores filtro para abastecimiento de agua en unidades

habitacionales y casas particulares”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO

INGENIERO EN SISTEMAS AMBIENTALES

PRESENTA

Juárez Rojo Jesús Emanuel

Asesor: Dr. Jorge Alberto Mendoza PérezCoasesor: M. en C. Perla Inés Badillo Lagunés



IPN – Escuela Nacional de Ciencias Biológicas

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Este trabajo de investigación y tesis fue financiado en sus diferentesetapas por medio de fondos del proyecto SECITIDF/ ENCB-IPN 0246PICSO 9910 y por el proyecto SIP 2015 0618. Por lo cual los autores deeste trabajo agradecemos el soporte financiero que nos fue otorgado.




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El presente trabajo se realizó en el laboratorio desarrollo de tecnologías limpias,

Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, campus Zacatenco bajo la dirección del

Doctor Jorge Alberto Mendoza Pérez

Proyecto fue financiado por el Instituto de Ciencia y Tecnología del Distrito Federal(ICYTDF) Proyecto ICYTDF/IPN 0246 (PICSO-1099).

Este trabajo fue presentado en la “Muestra de proyectos de mi ciudad” evento

patrocinado por ICYTDF. Además cabe señalar que los resultados de dicho trabajo

fueron publicados en la Revista “Quimica Hoy” Edicion especial de la Universidad

Autónoma de Nuevo Leon.




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INDICE Página

ContenidoABREVIATURAS ............................................................................................................... vii

1.-INTRODUCCION ............................................................................................................. 1

1.1.- Ciclo hidrológico como modelo de diseño. ................................................................ 1

1.2.- Captación de agua pluvial .......................................................................................... 2

1.3.- Disponibilidad del agua de lluvia en México. ............................................................ 2

1.4- Formas de abastecimiento de agua .............................................................................. 4

1.5- Aprovechamiento de agua pluvial en el Distrito Federal ............................................ 6

2.- ANTECEDENTES ............................................................................................................ 7

3.- JUSTIFICACIÓN.............................................................................................................. 8

4.-Hipotesis ............................................................................................................................. 9

5.- Objetivos ......................................................................................................................... 10

5.1. Objetivo general ........................................................................................................ 10

5.2. Objetivos particulares ................................................................................................ 10

6.- Metodología Materiales y Métodos................................................................................. 10

6.1. Diseño del captador filtro .......................................................................................... 11

6.2. Diseño de la superficie de captación ......................................................................... 13

6.3. Modelado y construcción........................................................................................... 15

6.4. Pruebas de captación para telas de araña ................................................................... 16

6.5. Tren de tratamiento y pruebas de filtración. .............................................................. 16

6.6. Análisis de muestra de agua después de la filtración según (NOM-127-SSA) ......... 17

7.- Resultados ....................................................................................................................... 18

7.1.- Diseño captador filtro ............................................................................................... 18

7.2. Diseño de la superficie de captación ......................................................................... 22

7.3.- Construcción............................................................................................................. 25

7.4.- Pruebas de captación y filtración ............................................................................. 27

7.5.- Calidad del agua captada .......................................................................................... 28

7.6.- Costos de construcción ............................................................................................. 30

8.- Discusión ....................................................................................................................... 31

9.- Conclusión ..................................................................................................................... 33

Bibliografía ........................................................................................................................... 34

ANEXO 1 ............................................................................................................................. 36

ANEXO 2 ............................................................................................................................. 37




v

Formato de solicitud de patente 1.0 .................................................................................. 37

Formato de solicitud de patente 2.0 .................................................................................. 38

Congreso ICYT – DF ....................................................................................................... 39

Resumen del Congreso ICYT-DF .................................................................................... 40

Reconocimiento Nuevo León ........................................................................................... 41

Artículo de la revista electrónica Internacional de la Universidad de Nuevo LeónQUÍMICA HOY CHEMISTRY SCIENCES ................................................................... 42




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INDICE DE FIGURAS

Fig. 1.- Ciclo del agua…………………………………………………………………….1 Fig. 2.- Distribución de la precipitación pluvial para México……………………….…3

Fig. 3.- Diagrama que muestra el desarrollo de la metodología. …………………..10 Fig. 4.- Vista superior de captador filtro……………………………………………….11 Fig. 5.- Pirámide truncada………………………………………………………………12 Fig. 6.- Filtro Azud modular …………………………………………………………..…16 Fig. 7.- Diseño del captador filtro……………………………………………....………18 Fig. 8.- Diseño final del captador ………………………………………………….……21 Fig. 9.-Malla de polietileno recubierta con silicona………………………..…………25 Fig. 10.- Base del captador filtro…………………………………………………….…26 Fig. 11.- Prueba de Captación. ……………………………………………………..…27 Fig. 12.- Instalación del captador filtro en unidad casa habitación…………………27

INDICE DE TABLAS

Tabla.1.-Claves de pruebas en ceras………………………….………….….………..15Tabla 2.-Claves de pruebas con silicona.….…………………..………………………15Tabla 3.-Relacion Altura- Apotema……………………………..………………………15 Tabla.4.-Descripción de polímeros aplicados …………………….………..…………23Tabla.5.- Calidad de agua pluvial obtenida del captador filtro………………………23




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ABREVIATURAS

Captación de Agua Pluvial (CAP)Servicio Meteorológico Nacional (SMN)Comisión Nacional del Agua (CONAGUA)

Diario Oficial de la Federación (DOF)Centro Internacional para la Formación y Demostración sobre el Aprovechamientodel Agua Lluvia (CIDECALLI)Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios sobre Medio Ambiente yDesarrollo (CIIEMAD)Comisión Nacional Forestal (CONAFOR)Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA)Organización para la Cooperación y el Desarrollo económico (OCDE)

Agrietamiento (Ag)Permeabilidad (Pe)Viscosidad (Vs)

Poli vinil Cloruro (PVC) Atmosferas (atm)Grados Celsius (°C)Horas (hrs)Presión por pulgada cuadrada (psi)Litros (L)Litros por segundo (L/s)Metros (m)Metros cuadrados ()Metros cúbicos ()Centímetros cuadrados (

)

Newton por Metro (N/m)Instituto Politécnico Nacional (IPN)Kilogramos (Kg)Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI)




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Resumen

Hoy en día es una necesidad urgente con carácter social, de salud humana,

ambiental e incluso política, asegurar abastecimiento de agua a las ciudades y

poblados de nuestro país. En el caso del Distrito Federal, cuenta con una geografíacaracterística que permite cada año un aporte de lluvia de casi 780 millones de m3

pero solo cerca de 10 % de este volumen, se aprovecha. La naturaleza da ejemplos

de cómo pueden ser diseñados los sistemas para capturar agua pluvial. El objetivo

de este trabajo fue aprovechar estos principios para diseñar un sistema de captura

y filtración de agua pluvial para casas particulares y unidades habitacionales. Para

el diseño del captador se optó por materiales ligeros que no absorben el agua sino

que conducen con rapidez hacia depósitos debido a su cohesión. Además se diseñó

un sistema de tratamiento a base de filtros específicos para la calidad de lluvia que

se analizó durante las pruebas de captación. Todos estos datos permitieron la

construcción y puesta en marcha de un primer prototipo que tiene la capacidad para

captar, filtrar y entregar agua pluvial con tal calidad que es incluso apta para

consumo humano. Dicho equipo consiguió una patente.




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1.-INTRODUCCION1.1.- Ciclo hidrológico como modelo de diseño.

El ciclo hidrológico Fig. 1 comienza cuando el agua que se evapora de la superficieforman nubosidades que cae en forma de precipitación infiltrándose en el suelo

hasta llegar a los acuíferos, durante su paso por las diferentes capas del suelo,

arrastra diferentes elementos, lo que provoca cambios en su composición química

y física, así mismo se va filtrando y limpiando de impurezas no aptas para su

consumo. Los acuíferos son las fuentes de abastecimiento más ampliamente

usados, ya que el agua que se extrae tiene la calidad suficiente para ser utilizada

en las diferentes actividades humanas y no se requiere de un pretratamiento

costoso. De lo anterior, el modelo principal ocupado en todos los sistemas de

aprovechamiento de agua pluvial es el ciclo hidrológico, ya que se utilizan los

mismos principios de captación y filtración de agua para su posterior

almacenamiento o uso (Márquez, 1996).

Fig. 1.- Ciclo del agua (Márquez, 1996)




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1.2.- Captación de agua pluvial

La Captación de Agua Pluvial (CAP) es el término utilizado tradicionalmente para la

recolección de agua de lluvia (Gleason, 2005), en países con abundancia hídrica, la

captación de agua de lluvia es una fuente importante para el abastecimiento de agua

en los hogares, la producción agrícola y el mantenimiento de espacios verdes y

ecosistemas estratégicos para la vida urbana (Márquez, 1996).

Los beneficios del uso de la lluvia van más allá del uso para consumo humano y

animal, también es vital para la conservación de bosques y humedales, además de

disminuir la presión sobre acuíferos y proyectos de construcción de nuevas presas

para el abastecimiento urbano (Gleason, 2005).

1.3.- Disponibilidad del agua de lluvia en México.

Actualmente al definir la disponibilidad de agua, solo se realiza tomando en cuenta

la cantidad que se aprovecha. Se suma el escurrimiento de todo el año y la recarga

media de acuíferos, para obtener el valor señalado como disponibilidad natural

anual (Lara, 2006).

En la mayor parte del país el escurrimiento superficial es abundante en los meses

de julio, agosto y septiembre SIATL – INEGI; pero sí no se almacena, el agua

escurre al mar; y no puede ser aprovechada en los meses de marzo, abril y mayo,

es decir en temporada de secas. Por lo que el balance hídrico anual no permite

evitar la sobreexplotación de los cuerpos de agua en época de estiaje. (Lara, 2006).




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Fig. 2.- Distribución de la precipitación pluvial para México (SMN, 2013).

En la Fig. 2 se observa la distribución de la precipitación en México, debido a que el

volumen total de agua que recibe el país por precipitación es de 1,528 km3 en

promedio, sin embargo, cerca del 73% es decir unos 1,100 km3 regresa a la

atmósfera por evapotranspiración (SMN, 2013).

En este sentido, los 772 mm de precipitación anual que recibe el país lo clasificanen la categoría de países con abundante disponibilidad de agua según el Consejo

para el Acceso al Agua y a Recursos Sanitarios de la unión americana. Sin embargo,

como ya se mencionó antes, México tiene una alta tasa de evapotranspiración que

disminuye en forma significativa el volumen de agua disponible (SMN, 2013).




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1.4- Formas de abastecimiento de agua

Dentro de las formas más comunes que el hombre ha empleado para abastecerse

agua se tienen:

A) Extracción de agua de ríos y lagos.

En estos casos se lleva a cabo la construcción de grandes presas para embalsar el

agua de zonas donde ésta es abundante, para posteriormente transvasarla por

medio de canales, túneles y grandes tuberías, por consiguiente esta forma de

abastecimiento de agua incluye descomunales obras de ingeniería y la modificación

de muchos kilómetros cuadrados de territorio. (Gleason, A. 2005)

B) Desalinización de agua de mar.

La gran abundancia de agua marina hace pensar que pudiera ser una magnífica

fuente de agua si se consiguiera eliminarle la sal por métodos económica y

energéticamente rentables, en la actualidad se usan varias tecnologías para

desalinizar el agua. Una de las más comunes es por destilación. Otro método, es el

denominado ósmosis inversa, en el cual, se pasa el agua por una membrana que

deja pasar las pequeñas moléculas de agua, pero no los iones de algunas sales.

(Capella, 2006)

C) Extracción de agua de pozos.

El método más común de abastecimiento de agua consiste en extraer agua

subterránea a partir de un pozo, el cual es un agujero taladrado en la llamada zona

de saturación. Los pozos funcionan a manera de pequeños depósitos a los cuales

migra el agua subterránea y de los cuales puede bombearse a la superficie (Capella,

2006).




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D) Tratamiento y reúso de aguas residuales.

El tratamiento de aguas residuales constituye otra alternativa de abastecimiento de

agua; sin embargo, es cara y poco viable en naciones poco desarrolladas como

sería el caso de los países africanos, a excepción de Sudáfrica que somete a

tratamiento todas sus aguas residuales (Capella, 2006).

En el caso de México, en la Zona Metropolitana, solamente el 10% de las aguas

residuales son tratadas para su reúso, arrojándose el 90% fuera de la cuenca

equivalentes a 40m3/s. Sin embargo, en la ciudad de Monterrey, Nuevo León, dadas

las condiciones climáticas semiáridas y por ende, escasez de agua, toda agua de

tipo residual es sometida a tratamiento (Capella, 2006; De La Macorra, 2006).

E) Captación de agua de lluvia.

Existen lugares en todo el mundo donde la escasez de agua ha obligado a

considerar la captación de agua pluvial en casas. Esta última forma de

abastecimiento es la que se intenta implementar en el Distrito Federal, ya que solo

el 10 % del agua de pluvial es aprovechada en sistemas de captación urbanos

(CONAGUA, 2013).




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1.5- Aprovechamiento de agua pluvial en el Distrito Federal

El Sistema Cutzamala, que provee de agua a la zona metropolitana del DF,

tiene capacidad para almacenar hasta 782 millones de metros cúbicos de líquido

del total de lluvias en la Ciudad, el 30% se evapora, 40% se va al acuífero, 20% se

pierde en el drenaje y sólo 10% queda en sistemas ahorradores urbanos

(CONAGUA, 2013).

Las reformas a la Ley de Aguas del DF, aprobadas en marzo 2013, establecen que

los nuevos desarrollos deben instalar sistemas captadores de agua pluvial, pero

existe un vacío por la falta de reglamento, lo que deja al libre criterio deldesarrollador instalar los sistemas en el Distrito Federal. (DOF, 2013)

Partiendo del hecho de que únicamente el 10 % del agua pluvial se capta para su

uso en el Distrito Federal, y las nuevas reformas a la ley de aguas, se deben

implementar sistemas para aumentar la cantidad de agua pluvial que se aprovecha.

(DOF, 2013)




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2.- ANTECEDENTES

En México, el Centro Internacional para la Formación y Demostración sobre el

Aprovechamiento del Agua Lluvia (CIDECALLI), del Colegio de Posgraduados,

dirigido por el Dr. Manuel Anaya Garduño provee información valiosa para

demostrar los beneficios comunitarios de sistemas de captación del agua pluvial, en

particular en zonas marginales y en comunidades de bajos recursos (CIDECALLI,

2013).

Algunos otros estudios del Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios

sobre Medio Ambiente y Desarrollo (CIIEMAD) están enfocados en la captación de

agua pluvial, sin embargo, está dirigida a la recarga de mantos acuíferos como viene

referenciado en la tesis “ Aporte de agua pluvial al acuífero de la zona metropolitanadel Valle de México, captada en azoteas de edificios” (CIIEMAD 2014).

La CONAFOR ha diseñado equipos o sistemas de recolección y almacenamiento

de agua de lluvias para el uso en actividades productivas con tratamientos primarios

de filtros de arena, sin embargo no se contempla su uso para el consumo humano

(CONAFOR 2009).

En el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), se han realizado pruebas

de tratamiento para el agua de lluvia, con un sistema de filtración lenta en múltiples

etapas, siendo una de las tecnologías apropiadas para aplicarse en las zonas

rurales, debido al bajo costo de construcción, operación y mantenimiento. La

calidad del agua obtenida cumple con la Norma Oficial Mexicana, NOM-127-SSA1-

1994. Ninguno de los trabajos anteriores resalta la necesidad que tiene el Distrito

Federal, una de ellas es contar con equipos de abastecimiento de agua que no

modifiquen las estructuras de la ciudad o que comprometan un espacio público, que

consideren la urbanización y los diversos tipos de edificaciones que existen. Por lo

que es necesario crear nuevas tecnologías enfocadas a la captación de agua pluvial

en zonas urbanas y de poco espacio disponible como lo es el caso del DF.

(CONAFOR 2009).




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3.- JUSTIFICACIÓN

De acuerdo con el último reporte de la Organización para la Cooperación y el

Desarrollo económico (OCDE), de no cambiarse las políticas de manejo y cobro del

agua, México enfrentará niveles de escasez de medios a severos en las próximas

cuatro décadas (Stillman, 2012). Esta es una de las razones por la cuales las

personas en el Distrito Federal buscan maneras alternas de suministro de agua. Los

principales problemas son la sobreexplotación del acuífero, la mínima captación de

agua de lluvia y el desperdicio del líquido que hay en la red de distribución

(CONAFOR 2009).

Debido a las reformas a la Ley de aguas del DF 2013 que obligan a las nuevasedificaciones a contar con sistemas de captación, así como el hecho de que solo se

aprovecha el 10% del agua pluvial recibida en el DF, se deben desarrollar nuevos

métodos de CAP. Estos sistemas deben ser duraderos, versátiles, económicos y de

fácil mantenimiento y operación, ya que los usuarios finales serán las casas

habitación.




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4.-Hipotesis

Si al diseñar nuevos prototipos modulares para CAP, de fácil montaje,

mantenimiento y bajo costo pero con alta eficiencia, se logra para la ciudadanía del

Distrito Federal la posibilidad de suplir agua potable por agua pluvial de manera

eficiente y entregándola con calidad para consumo humano, entonces se podrá

generalizar su uso en las casas particulares y unidades habitacionales de esta

metrópoli.




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5.- Objetivos

5.1. Objetivo general

Diseñar, y construir un captador filtro para abastecimiento de agua en unidadeshabitacionales y casas particulares

5.2. Objetivos particulares

Diseñar un módulo que tenga la capacidad para captar, filtrar e incluso

potabilizar el agua pluvial.

Seleccionar los materiales adecuados para la captación de Agua pluvial.

Construir este módulo utilizando elementos y herramientas de fácil acceso.

Realizar pruebas de captación y filtración.

Analizar la calidad del agua captada y filtrada por el modulo diseñado.

6.- Metodología Materiales y Métodos

Fig. 3.- Diagrama que muestra el desarrollo de la metodología.

Diseño

Seleccion de materiales

Diseño de la superficie de

captacion (telas de araña)Construccion del captador

filtro

Pruebas de captacion de

agua pluvial

Pruebas de filtracion

Analisis del la calidad del

Agua de lluvia captada




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6.1. Diseño del captador filtro

El diseño estuvo enfocado en dar soporte a un área de captación, esta tiene como

objetivo concentrar el agua pluvial captada en un punto, lo que permite utilizar

eficientemente la fuerza de gravedad y se pueda filtrar sin utilizar trabajo externo.Para este propósito se eligieron dos poliedros, uno como base y el otro como área

de captación, debido a que esta figura tiene múltiples ejes simétricos.

Fig. 4.- Vista superior de captador filtro

En la Fig. 4 se puede apreciar el centro del captador filtro, este es el punto donde

se lleva a cabo la concentración del agua pluvial que se capta, por lo que este punto

debe tener mayor soporte. Debido a esto se diseña el captador como 2 pirámides

truncadas, la superior con base octagonal y la inferior que es la que soportara todo

el peso del equipo, con base rectangular.

Mediante las formas descritas se podrá distribuir esta carga principal en el centrodel aparato y las cargas secundarias, de manera que el equipo conserve el ángulo

adecuado, otorgándole estabilidad.

Distancia T

Centro de captador

Varillas de soporte Superficie de captación




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El área de la superficie de captación se definió con un área de 2 y un volumen

máximos del captador filtro se calculó mediante la figura geométrica “pirámide

truncada”, esta define con exactitud el modelo del captador filtro, y por lo tanto la

base de su diseño.

El área de una pirámide truncada es;

= + ∙ … (1)

Donde es el perímetro de la base mayor, es el perímetro de la base menor, es la apotema del tronco, es el área de la base mayor y el área de la basemenor.

Fig. 5.- “pirámide truncada”

Estas variables se pueden observar en la Fig. 5, la pirámide truncada, tiene 2 bases

geométricas, sus variables se miden con las ecuaciones siguientes:

= ℎ − … (2)

= ∙ … (3)




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Donde es la apotema de la pirámide, ℎ es la altura de la pirámide, es la

apotema de la base superior y es la apotema de la base superior, B es el área

de la base y P el perímetro.

Y por último el volumen del poliedro.

= ℎ ∙ )… (4)

De la misma manera se calculara el área de la pirámide truncada inferior que

dependerá directamente del área de la pirámide truncada superior y de la superficie

de captación.

6.2. Diseño de la superficie de captación

Se necesita una superficie de captación, flexible, resistente y que tenga

independencia del resto de las partes del captador filtro, por lo que se tomaron

diferentes telas y según sus características se recubrieron de diferentes polímeros

hasta encontrar la mejor combinación.

Con este objetivo se midieron los siguientes parámetros en las telas de araña

Agrietamiento (Ag).-Si presento grietas tiene valor igual a 0 de lo contrario

presenta un valor a 1.

Permeabilidad (Pe).- Si se permea el agua tiene valor igual a 0 de lo contrario

presenta un valor a 1.

Viscosidad (Vs).- Si queda viscosa la mezcla tiene valor igual a 0 de lo

contrario presenta un valor a 1.




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Elasticidad.- Se midió por medio de la ley de Hooke. Se procederá a sujetar

un trozo de tela recubierta de 20 x 20 cm, a esta se le agrego una masa

determinada en un extremo y se midió los mm que se estira la tela, una vez

teniendo esta información, obtenemos la elasticidad despejando la ley de

Hooke.

• F = k * Δx …(5)

Donde k es la constante de elasticidad, F es la fuerza necesaria para

deformar y Δx es la distancia de deformación.

Las telas se construyeron para cumplir los siguientes objetivos:

Plegable.- Esta debe poder doblarse para poder ocupar un espacio conveniente.

Para este propósito se doblaron trozos de tela recubierta y se dejaron reposar 24

horas, después se observó la presencia de grietas.

Flexible.- La superficie de captación debe ser flexible, para acoplarse a la base del

captador filtro.

Se probaron telas constituidas por algodón, nylon, y polietileno, estas fueron

recubiertas con distintas ceras las cuales se sometieron a altas temperaturas para

pasarlas a estado líquido y así poder aplicarlas sobre cada una de las telas. Las

cuales se dispusieron de la siguiente forma;




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Tabla 1

Claves de pruebas con ceras TELA CERA

CLAVE AMARILLA CAMPECHE ABEJA Mezcla

ALGODÓN AA AC AAB AABA

NYLON NA ----- ---- PAB

POLIETILENO PA ---- PAB PABA

De la misma manera se probaron diferentes tipos de silicona, tal como silicona

líquida, sólida y en gel, sin embargo, dadas las propiedades de la silicona solo se

probó en la tela de polietileno.

Tabla 2

Claves de pruebas con Silicona TELA SILICONA

CLAVE LIQUIDA SOLIDA GEL

POLIETILENO PSL PSS PSG

6.3. Modelado y construcción

Para el modelado y construcción se utilizaron materiales reciclables o que puedan

reciclarse.

Para la construcción de la base del captador-filtro, en los brazos se utilizaron varillas

de aluminio y en el área de soporte se utilizó hollroll de acrílico. Estas se unieron a

un núcleo constituido por una brida de PVC mediante bisagras recubiertas de

polímero para evitar su oxidación por el contacto con el agua.

Los materiales que fueron seleccionados para la construcción del prototipo se

escogieron en base a sus propiedades de resistencia y durabilidad ante la

exposición a la intemperie, además de ser inocuos al contacto con el agua.




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6.4. Pruebas de captación para telas de araña

Las pruebas en el laboratorio se llevaron a cabo a 25°C de temperatura y presión

de 0.76 atm, se utilizó un recipiente y un embudo para simular el captador y se

colocaron las diferentes telas obtenidas; nylon, algodón, poliéster y plástico

recubiertas con diferentes polímeros como ceras y silicona. Las pruebas tuvieron

como objetivo, encontrar una relación óptima entre resistencia y peso. Para lo

anterior se adiciono la misma cantidad de agua sobre cada una de las telas

colocadas en los embudos que a su vez se posicionaron encima de vasos de

precipitado durante 24 hrs. Lo que permitió medir el agrietamiento, la flexibilidad y

permeabilidad de las telas.

Las pruebas de captación en campo se llevaron a cabo en época de lluvia y fueron

realizadas después de la construcción del módulo, con el fin de probar la capacidad

de este, en cuanto a flujo, saturación y gasto.

6.5. Tren de tratamiento y pruebas de filtración.

Se utilizó un tren de tratamiento que consta de 2 filtros comerciales, uno de

remoción de sólidos y otro de carbón activado impregnado con nano partículas de

plata.

En el caso de la remoción de partículas se seleccionó un filtro de discos para

remoción de sólidos con presión mínima de 10 psi (0.7atm) para un caudal máximo

de 10 L/s con vida útil de10 000 litros.

Fig. 6.- Filtro Azud modular.




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Tal como se puede observar en la Fig. 6, los sólidos quedan atrapados en el filtro.

En cuanto a los coliformes, su eliminación fue por medio de un filtro de carbono

impregnado con partículas de plata, el cual funciona a presión mínima de 10 psi

(0.7 atm) a un flujo de 0 a 100 L/s, y con vida útil de 4000 a 8000 litros

El sistema de filtración es la combinación de los filtros anteriormente mencionados,

instalados por separado, para facilitar su remplazo, cuando concluya su vida útil, de

esta manera se puede garantizar la calidad del agua filtrada.

Las pruebas de filtración se llevaron a cabo con filtros de tipo convencional

modificados, buscando que el efluente tenga la calidad de agua esperada, en

general se usó filtración por cartuchos intercambiables para darle al captador-filtrola propiedad de auto depurarse

6.6. Análisis de muestra de agua después de la filtración según (NOM-127-SSA)

Se tomaron muestras recolectadas en la delegación Gustavo A. Madero, en

periodos de 2 días del mes de septiembre que corresponden al periodo de lluvias

en 2013 y se mezclaron en una muestra compuesta con un volumen aproximado de

100 litros. El análisis se llevó a cabo según la norma que indica los parámetros

fisicoquímicos y microbiológicos para el uso del agua en consumo humano, NOM-

127-SSA-1994 para corroborar su calidad.




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7.- Resultados

7.1.- Diseño captador filtro

Las medidas de las variables de las pirámides truncadas que forman el captadorfiltro, se calcularon mediante la ecuación propuesta anteriormente, siendo cada

variable definida para obtener una base superior de 2, y una base inferior con un

diámetro de 15 cm, en la pirámide truncada superior, y las áreas de las bases de la

pirámide truncada inferior dependerán de los datos obtenidos para dicha pirámide.

Dado que el área de la circunferencia de la entrada hacia el filtro debe ser

aproximadamente igual al área que une la superficie de captación y la base del

captador filtro. Por lo tanto

= 3.1416 ∗ 7.5 = 176.715 ≈ 0.0177 … (6)

Al obtener las dos áreas, podemos calcular la longitud de los apotemas de las

pirámides, lo que permitió definir el diseño final para el captador filtro y calcular cada

una de sus variables.

Fig. 7.- “diseño del captador filtro”

Pirámide truncada superior

(superficie de captación)

UniónPirámide truncada

inferior (soporte)




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Los componentes del captador filtro como se muestra también en la Fig. 7 son; la

pirámide truncada con base octagonal de la parte superior que dan soporte a la

superficie de captación, la pirámide truncada con base rectangular de parte inferior

que sostiene el equipo, unidas por un núcleo circular que tiene espacio para colocar

los filtros necesarios para el tratamiento del agua pluvial.

Definido el diseño, se procede a calcular las medidas de cada varilla que

corresponde a cada apotema de las dos pirámides truncadas que forman el

captador filtro.

Se definió la altura necesaria para calcular el volumen máximo del captador filtro

como medida estándar de 1.m, ya que al modificarla cambia la magnitud de todaslas variables de la estructura, también con esta podemos calcular el apotema de la

pirámide.

= 1 0.80−0.075 =1.23… (7)

Con la ecuación “3” se obtuvieron los perímetros de las bases de la pirámide

superior

= ∙ ≡ = ∙

= ∙. = 5 … (8)

= ∙ ≡ = ∙

= .∙. = 0.45 … (9)

Teniendo estos datos, se calcula el área de la pirámide superior, mediante la

ecuación “1”.

= 2 ∙ = ⌊5 0.45

2 ∙ 1.23⌋ 2 0.0177

=5.37 …10




20

Esta es el área correspondiente a la pirámide truncada que forma la parte superiordel captador.

Por último calculamos el volumen.

= ℎ( ∙ ) = (2 0.0177 2∙0.0177) = 0.735 ≈ 73.5 … (11)

Este es el volumen de agua máximo que puede contener el captador antes de serfiltrado

Cantidad de agua captada

La cantidad de agua captada está relacionada directamente con el promedio de

precipitación en el Distrito federal que es de 700mm anuales, por lo que la cantidadde agua en promedio que se obtendrá con el equipo diseñado es:

= ∗ = [2 ∗0.7] ∗ =1400

ñ … (12)

La cantidad de agua promedio aprovechada con el equipo es de 1400 litros por año.

Esta cantidad depende directamente del área de la superficie de captación, que

para el prototipo es de 2 esta es la medida inicial del prototipo, por tanto todaslas medidas del equipo se pueden obtener con el modelo matemático presentado,

y solo dependerán de la altura del poliedro y de cuanto espacio se disponga para

captar agua pluvial.

En este punto, cuando el área de captación puede cambiar al modificarse la altura

de la pirámide truncada superior, es donde el diseño tiene una variación única, dado

que el área inferior es fija, y el cambio en la altura de la pirámide truncada inferior

no modifica la cantidad de agua que se puede captar.

Se calculó cuanto varia el área a partir del apotema de la base superior de la

pirámide superior se puede calcular la nueva área de captación basándonos en la

ecuación “d”, obtenemos




21

= √ − ℎ …(13)

Por lo tanto mediante la ecuación “e” fue posible calcular las diferentes apotemasde la base superior de la superficie de captación variando la altura;

Tabla 3Relación Altura-Apotema

Altura ℎ Apotema 0.4 1.240.5 1.200.6 1.150.7 1.090.8 1.010.9 0.911 0.79

1.1 0.63

1.2 0.35

Con todos estos datos del diseño inicial de dos pirámides truncadas, obtenemos el

diseño final, tal como se muestra en la Fig. 8, cambiando las pirámides solidas por

una estructura de varillas “huecas”, obtenido en la parte superior varillas en forma

de brazos para el soporte de la superficie de captación y en la parte inferior varillas

en forma de “patas” para el soporte de la estructura y del agua pluvial captada,

unidas por un núcleo en forma de cilindro.

Fig. 8.- “Diseño final del captador”




22

7.2. Diseño de la superficie de captación

La superficie de captación se diseñó cumpliendo los objetivos planteados, se

resumen a continuación los resultados de las combinaciones propuestas en la

metodología.

Tabla 4

Descripción de polímeros aplicados

Clave Vs Ag Pe Total Descripción Imagen

AA 0 1 1 2

No presenta grietas,

es impermeable yaltamente viscosa.

AC 1 0 1 2

No es viscosa, es poco

flexible, presenta

grietas y no es

permeable

AAB 1 0 1 2

No presenta

viscosidad, es

impermeable, y poco

flexible

AABA 1 0 1 2

No es flexible, ni

viscosa, es

impermeable y

presenta grietas




23

NA 0 1 1 2

No presenta grietas,

es impermeable y

altamente viscosa.

NABA 1 0 1 2

No es viscosa, ni

permeable, aunque

presenta grietas.

PA 1 1 1 3No es viscosa nipermeable, no

presenta grietas.

PAB 0 1 1 2

No presenta gritas ni

es permeable, pero es

viscosa

PABA 0 1 1 2

No presenta gritas ni

es permeable, pero es

viscosa

PSL 1 0 1 2

No es viscosa ni es

permeable pero

presenta grietas.




24

PSS 1 0 1 2

No es viscosa ni es

permeable pero

presenta grietas.

PSG 1 1 1 3

No es viscosa ni

permeable, no

presenta grietas.

Debido a que las combinaciones entre tela de polietileno recubierta con cera de

amarilla y silicona en gel, obtuvieron valores iguales a 3 se les aplico la prueba de

elasticidad, de la cual se obtuvo;

Elasticidad con cera Amarilla

• F =6.9 (N/m) * (0.01m) = 0.069… (14)

Elasticidad con silicona

• F =6 (N/m) * (0.01m) = 0.060… (15)

Dado el resultado anterior, la fuerza necesaria para deformar la tela recubierta con

silicona es menor a la fuerza necesaria para deformar la tela recubierta con cera

amarilla por lo que esta es más elástica y por lo tanto más flexible, además de que

se adhirió mejor a la tela plástica, esto debido a su composición.




25

Fig. 9.-Malla de polietileno recubierta con silicona

Por lo tanto tal como se puede observar en la Fig. 9, se seleccionó la malla de

polietileno recubierta de silicona en gel, esta presento mayor flexibilidad y mayor

durabilidad en las pruebas tanto de captación como de retención, en esta última

tuvo el mayor peso retenido sin infiltraciones, obteniendo así la combinación óptima

denominada “tela de araña” para el captador, llamada así debido a las

características de su estructura. Esta mide 5.37 que es el area obtenida para la

piramide superior del captador.

7.3.- Construcción.Partiendo del diseño final del captador filtro, para la parte superior, específicamente

los brazos que dan soporte a la tela de araña, se buscó que el material que lo

compone, fuera liviano, por lo que se seleccionó uno de los más utilizados para la

construcción de prototipos, este fue el aluminio, ya que en el distrito federal puede

encontrarse en comercios establecidos. Para el núcleo se utilizó tubería de PVC y

una brida para unir los brazos y finalmente las “patas”, o varillas de soporte del

equipo que se fabricaron de acrílico.




26

Fig. 10.- Base del captador filtro

Se puede observar en la Fig. 10, la construcción de la base del captador antes de

añadir la superficie de captación, donde se definen claramente las dos pirámides

truncadas. La construcción final del prototipo se construyó en el laboratorio dedesarrollo de tecnologías limpias, en la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas,

del IPN.




27

7.4.- Pruebas de captación y filtración

Fig. 11.- Prueba de Captación.

En la Fig. 11 se muestra el quepo utilizado para probar la capacidad del prototipo

en diferentes condiciones de precipitación.

Fig. 12.- Instalación del captador filtro en unidad casa habitación




28

En la Fig. 12, se observa cómo se instaló el captador, que en el tiempo de lluviasmencionado en la metodología, se obtuvo un efluente final de 10 l/s y una muestracompuesta de 100 litros de agua filtrada.

7.5.- Calidad del agua captada

Los resultados del análisis de agua captada cumplen con la NOM-127-SSA-1994,

lo que demuestra el cumplimiento con lo dispuesto en la ley, además de ser apta

para consumo humano.

A continuación se muestran los parámetros identificados

Tabla 5

Calidad de agua pluvial obtenida del captador filtro

CARACTERISTICALIMITE

PERMISIBLETANQUE

PLUVIAL 1TANQUE PLUVIAL

1

Aluminio 0.2 <0.1 <0.1 Arsénico 0.05 0 0

Bario 0.7 0 0Cadmio 0.005 0 0

Cianuros (como CN-)

0.07 0 0

Cloro residual libre 0.2-1.50 0 0Cloruros (como Cl-) 250 10 15

Cobre 2 1.0 1.0Cromo total 0.05 0 0

Dureza total (comoCaCO3)

500 250 300

Fierro 0.3 0.25 0.3

Fluoruros (como F-) 1.5 0.2 0.3

Manganeso 0.15 <0.1 <0.1

Nitratos (como N) 10 12 15

Nitritos (como N) 0.05 4 6

Nitrógenoamoniacal (como N)

0.5 0.95 1.15




29

pH (potencial dehidrógeno) en

unidades de pH6.5-8.5 6.6 6.5

Plomo 0.025 <0.02 <0.02Sodio 200 170 185

Sólidos disueltostotales

1000 600 600

Sulfatos (comoSO4=)

400 15 17

Sustancias activasal azul de metileno

(SAAM)0.5 <0.1 <0.1

Zinc 5 0.1 0.2

Analizando la tabla anterior se puede observar que ninguno de los parámetros

determinados supero, los límites máximos permitidos por la norma NOM-127-SSA-

1994.




30

7.6.- Costos de construcción

Tabla 6

Costos

Cantidad Concepto Precio ($)

2 Varillas de 6m de aluminio de 1 cm de espesor 300

2 Varillas holl roll de acrílico de 1.80cm y 25 cm de espesor 500

12 m Tela de polietileno 150

1 L Silicón frio 500

1 Filtro azud modular 356

1 Filtro Carbón activad 541

1 Brida de PVC 400

- Conexiones y tornillería 100

- Total 2847

Se utiliza el costo del agua ofertada a los usuarios de potabilizadoras locales del

Distrito Federal, usando como fuente agua de la red. Que es de un peso por cada

litro, recordando que la cantidad promedio de agua que obtendremos con el equipo

diseñado en el presente trabajo es de 2800 litros por año tenemos;

∗

ñ ∗ = 1.01 ñ …(15)

Esta ecuación nos indica que el costo de construcción completa del sistema se

recuperara en un año. Por otro lado el mantenimiento tiene un costo de 897 pesos

por cada tres años, de tal forma que el balance total queda de la siguiente manera;

⌈ ñ ∗ 3 ñ⌉ − 2847 − 897 = 4656 …(16)

El ahorro es evidente en los 3 años de uso del captador, aun incluyendo el costo de

mantenimiento el balance es positivo, logrando disminuir el gasto económico en la

compra de agua potable en los meses en donde se presentan precipitaciones.




31

8.- Discusión

La cantidad de agua que precipita en el Distrito Federal es poca en comparación a

la demanda que esta ciudad presenta, considerando que solo el 10 % se aprovecha,

la tecnología utilizada tiene que aportar portabilidad, esto solo se logra con unequipo de bajo costo, fácil operación y alta eficiencia, el equipo presentado

proporciona un área de captación de 2 m2 lo que genera de aprox. 2000 litros de

agua potable al año que depende directamente de la cantidad de precipitación, esto

contribuye mínimamente a la demanda que tiene la población del DF, para poder

generar una cantidad mayor de agua es necesario tener un área mayor, lo que

aumenta el costo del equipo debido a los materiales, además de que el equipo de

filtración requeriría mayor capacidad para filtrar agua con calidad suficiente para

consumo humano. De esta forma, de la cantidad de agua que se desee dependerá

el tamaño, de este dependerá el costo y del costo dependerá la rentabilidad.

Para lograr tener un equipo que sea portable, se utilizaron materiales de fácil acceso

e incluso que fueran reciclados, la ingeniería para el soporte se planteó en base a

la carga de agua que el equipo soportara en condiciones reales, el equipo soportara

más carga a medida que se agregue un mayor número de barras de soporte , por

lo que el peso de 24 kg y el volumen demandaban un superficie que fuera capaz

de soportar el peso del agua al mismo tiempo de ser flexible para que pudiera

retirarse para evitar la contaminación atmosférica, esto se logra con tela plastificada

recubierta de silicona, por supuesto que la tela aumentaría su peso adherida al

polímero, por lo que la base del captador debía soportar en las varillas base y en

cada una de las varillas brazo, esto se logró con varillas de hollroll sólidas para la

base y para los brazos varillas de aluminio, las cuales tienen una mayor resistencia

al esfuerzo que tienen que soportar las articulaciones, en total el sistema otorga elsoporte mecánico necesario para recibir el agua pluvial.




32

Solucionado el problema del soporte, la portabilidad presentaba otro reto, la facilidad

de operación. Para lograr este objetivo se tenía que instalar un tren de tratamiento,

es decir, un sistema de filtros que demandaran poco mantenimiento, se logró

poniendo 2 filtros, uno con retro lavado y otro de cartuchos intercambiables. Los

contaminantes encontrados en el agua pluvial son coliformes y metales como el

plomo, los cuales serán completamente eliminados por este tren de tratamiento, las

especificaciones de presión y flujo son alcanzados por el equipo al tener una presión

de 0.7 atm, y un flujo de 10 L/s, de tal manera que el usuario pudiera dar

mantenimiento a su equipo sin necesidad de tener una amplia gama de

conocimientos sobre esta materia.

La ingeniería del equipo está pensada para disminuir a lo mínimo su complejidad,esto tiene la ventaja de que cualquier persona puede modificar su equipo según sus

posibilidades y habilidades, además de disminuir los costos al tener la posibilidad

de intercambiar materiales por otros de bajo costo, esto tiene su fundamento en el

precio del agua de la red en el DF.

Por último la rentabilidad quedaría incompleta si no se hubiese tomado en cuenta

los costos de fabricación y su recuperación en el ahorro por la compra de agua

potable. El equipo presenta un balance positivo teniendo un tiempo de remuneración

económica de 1 año, compitiendo con los costos de purificación de agua locales.




33

9.- Conclusión

De la cantidad de agua que se desee captar dependerá el tamaño del equipo,

de este dependerá el costo y del costo dependerá la rentabilidad.

Mediante el uso del equipo se logró obtener agua potable a partir de agua

pluvial.

Se logró construir un equipo con la capacidad de captar y tratar el agua de

lluvia con un flujo máximo de salida de 10L/s y una captación promedio de

1400 Litros anuales.

Se logró accesibilidad en cuanto al mantenimiento del equipo diseñado

El ahorro económico es evidente en los 3 años de uso del captador, aun

incluyendo el costo de mantenimiento el balance es positivo, logrando

disminuir el gasto en la compra de agua potable para los meses en los que

se presentan precipitaciones.




34

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36

ANEXO 1

A continuación en las fotografías 1 y 2, se observan los equipos instalados en una

vivienda y uno de los equipos que se utilizaron para hacer cálculos de volúmenes

de precipitaciones pluviales.

Fotografía 1.- Simulador de lluvia ENCB, Zacatenco.

Fotografía 2.- Instalación del captador filtro en unidad casa habitación DistritoFederal México.




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ANEXO 2

Formato de solicitud de patente 1.0




38

Formato de solicitud de patente 2.0




39

Congreso ICYT – DF




40

Resumen del Congreso ICYT-DF




41

Reconocimiento Nuevo León




42

Artículo de la revista electrónica Internacional de la Universidad de NuevoLeón QUÍMICA HOY CHEMISTRY SCIENCES




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50




Documents

Tesis Jesus Vrs 1