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TERCER CONCURSO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN
DEL RECURSO AGUA PARA JÓVENES ESTUDIANTES 2003
Código Interno
017
Auspicia:
Formulario de Presentación de Trabajos de Investigación
Tercer Concurso Nacional de Investigación y Desarrollo del Recurso Agua para Jóvenes
Estudiantes
Premio Junior del Agua Estocolmo 2003
Este formulario debe ser presentado en un máximo de 8 carillas, tamaño carta,
espaciado simple, tipografía tamaño 12 y en idioma español. La segunda carilla debe
contener los datos personales de los miembros del equipo de investigación, y la tercera
carilla debe ser un resumen de la investigación completa. Las cinco carillas restantes
deberán seguir el índice de contenidos descrito en los encabezados de cada sección.
A. Título de la Investigación
“INNOVACIONES EN DESTILADOR SOLAR Y PURIFICADOR PORTÁTIL DE AGUA
DE MAR . . . SOLUCIÓN PARA EL CONSUMO Y REGADÍO”
D.G.A. – AIDIS – CONAPHI - SOCHI
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B. Datos Generales de los Autores (El número máximo de participantes es de 3 alumnos
de no más de 20 años de edad a agosto del 2003 y 1 profesor)
Participante N° 1:
Araceli Zlatar Folch
Fecha Nacimiento:
RUT:
Edad:
12 años
Curso:
7º básico
Establecimiento Educacional: Instituto Santa María. Antofagasta
Dirección Particular:
Vilcún 971. Cobiefi
Teléfono:
: 242854
Fax:
e-mail:
Participante N° 2:
Carolina Ticona Cortez
Fecha Nacimiento:
RUT:
Edad:
12 años
Curso:
8º básico
Establecimiento Educacional: Instituto Santa María. Antofagasta
Dirección Particular:
Avda. Grecia 650. Depto 301
Teléfono:
771297
Fax:
e-mail:
17.435.089-2
17.950.342 – 5
Participante N° 3:
Nicolo Díaz Díaz
Fecha Nacimiento:
RUT:
17.434.846 - 1
Edad:
12 años
Curso:
8º básico
Establecimiento Educacional: Instituto Santa María. Antofagasta
Dirección Particular:
Cerro Sombrero 01729. Depto. 101. Cobiefi
Teléfono:
776809
Fax:
e-mail:
Profesor
Nombre:
RUT:
Especialidad:
Establecimiento Educacional:
Dirección Establecimiento:
Dirección Particular:
Ciudad/Región:
Teléfono:
221033
e-mail:
Asesor Científico externo al
Establecimiento Educacional
Nombre:
RUT:
Especialidad:
Institución:
Cargo o Curso:
Dirección Institución:
Dirección Particular:
Ciudad/Región:
Teléfono:
776167
e-mail:
D.G.A. – AIDIS – CONAPHI - SOCHI
Silvana Bacigalupo Acuña
12.616.550 – 1
Profesor de Biología y Cs. Naturales
Instituto Santa María. Antofagasta
Maipú 941.
José Santos Ossa 2989
Antofagasta II Región
Fax:
[email protected]
Wilfredo Jiménez Wong
4.719.409 – 1
Doctor en Física
Universidad Católica del Norte
Académico de la Universidad. Director regional
Programa EXPLORA-CONICYT.
Gabriela Mistral 045.
Antofagasta
Fax:
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C. Resumen Trabajo de Investigación
Las graves sequías y crisis de energía nos llaman la atención acerca de la escasez de
agua. Cada día es más difícil acceder al agua potable ya sea por su uso indiscriminado o
por sus altos niveles de contaminación.
Del total de agua disponible de la tierra solo el 1.7% es adecuado para el consumo
humano. El 97% del agua del planeta corresponde al agua salada.
Es por esto que intentando dar alternativas de solución mundial y particularmente a
nuestra zona norte, hemos desarrollado e implementado un sistema tecnológico portátil
“Purificador-Destilador Solar”, de bajo costo y altamente efectivo. Mediante este sistema
se logra disminuir el nivel de Cloruro de Sodio del agua de mar a concentraciones
aceptadas por el Instituto Nacional de Normalización Chilena, además de su purificación,
a través de la eliminación de sustancias en suspensión, coloides y en disolución que
estén en exceso y sean dañinas para el hombre durante su consumo.
Se plantea el uso de materia orgánica hidratada que absorva la sal disuelta en el agua de
mar y el uso de energía solar (energía abundante en la zona), que permite alcanzar en el
concentrador solar temperaturas necesarias para evaporar el agua marina; gracias a su
confección innovadora y práctica de cubiertas negras y superficies de plumavit tipo
calorímetro utilizado en física, que recubre el sistema luego que se alcanzan las mayores
temperaturas ambientales, evitando la pérdida de calor durante varias horas. Se obtiene
así por condensación y otros procedimientos de purificación (tamizado, filtración,
floculación, ventilación, cloración, radiación UV, entre otros), agua potable. Se puede
optimizar el tiempo y la cantidad de agua recolectada utilizando cocinas o mecheros, sin
embargo, elevan el costo del sistema.
El agua obtenida resulta ser apta, según los resultados dados, en mediciones físicas (olor,
color, sabor, etc) y químicas (pH, cloración, concentración de NaCl, etc), cualitativas y
cuantitativas. El destino de dicha agua sirve para el consumo humano directo, así como
también, para regadío tanto en cultivo tradicional en tierra como en cultivo hidropónico, al
cual entrega muchas ventajas, principalmente por su condición óptima para la producción,
sin alterar la sanidad ni el sabor de los vegetales. En hidroponía además se innova
utilizando el agua desalinizada para el riego reciclado de mangas hidropónicas, las que
contribuyen a economizar este recurso.
Con estas estrategias implementadas, creemos que es un 100 % factible mantener y
cuidar el medio ambiente, explotando los recursos naturales que aquí hemos descrito.
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D. Introducción
Presentación del Problema
Se busca disminuír la concentración de Cloruro de Sodio (NaCl) del agua de mar y
purificar dicha agua, utilizando recursos propios, simples y económicos como materia
orgánica y energía solar, dejándola en condiciones aptas para el consumo humano y
constituyendo un aporte para el ragadío como solución al problema de la agricultura de
suelos infértiles.
Antecedentes Bibliográficos o Investigaciones Previas
En el Acta del Primer Congreso Regional Científico Escolar – CRECES 1 – EXPLORA
CONICYT (Universidad Católica del Norte), se propone la implementación de un
calefactor solar; en este trabajo, el calor sirve para cocinar alimentos y lo hace captando
temperaturas de hasta 80°C entre las 11 y 15 hrs. Es un buen modelo y con positivos
resultados. En la misma acta se propone un desalinizador con materiales simples e
innovadores.
Sin embargo, nuestro proyecto difiere de ambos, aventajándolos puesto que en el primer
caso trabajan con un rango de horas por día, excluyendo tiempo aprovechable de
captación solar (aunque sea menor) y en el segundo caso trabajan con una temperatura
promedio de 18° C, siendo que en muchos meses del año se alcanzan temperaturas
mayores. Con nuestro “Purificador – Destilador Solar Portátil”, se aprovechan rangos más
amplios de temperaturas; además su confección fue pensada en absorver mayor cantidad
de radiación y conservarla en el sistema por más tiempo (prolongando la evaporación).
También nuestro sistema incorpora la purificación, pero no como un proceso extenso,
individual y aislado (como existe en muchos estudios encontrados en la bibliografía), sino
dentro de un mismo y único sistema.
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E. Hipótesis y Objetivos
HIPOTESIS
. El agua de mar puede desalinizarse eficazmente mediante uso de materia orgánica y
destilación solar.
. El agua de mar puede purificarse utilizando filtro (papel, arena, carbón), flóculos, cloro,
luz UV, entre otros tratamientos.
El agua desalinizada y purificada puede emplearse para el consumo humano y para
regadío en agricultura, sin que dañe la salud o las propiedades de los vegetales.
OBJETIVOS
. Desalinizar y purificar agua de mar hasta condiciones óptimas para el consumo humano
y regadío.
. Desalinizar el agua mediante la utilización de materia orgánica y el empleo de un
sistema tecnológico sencillo y de bajo costo (Destilador Solar).
. Purificar el agua a través de tratamientos simples y eficaces (Sistema Purificador –
Destilador Solar Portátil) que permitan obtener el agua libre de partículas y gérmenes
dañinos para la salud humana o para el desarrollo y vida vegetal.
F. Plan de Trabajo
Método de Investigación y/o Experimentación
Se crea y construye un sistema a través del cual se logra desarrollar cada una de las
etapas y finalidades del proyecto. Dicho sistema, al que le hemos denominado
“Purificador – Destilador Solar Portátil” cuenta con varias cámaras en las que se va
llevando a cabo cada proceso y el cual, como indica su nombre, puede trasladarse de un
lugar a otro, según las necesidades (playa, campo, casa, usos domésticos en general),
facilitando su uso; puesto que se almacena dentro de una caja – carro de arrastre (con
manillas, protecciones laterales metálicas o de PVC, superiores e inferiores y ruedas).
Está constituido por un gran recipiente colector o Cámara Desalinizadora 1 (en donde el
agua de mar entra en contacto con materia orgánica de desecho por 24 hrs., a través de
“pisos o camas”, recipiente o Cámara Purificadora 1 (en donde ocurre el tratamiento de
purificación, también por pisos o estratos) y finalmente una Cámara Desalinizadora y
Purificadora 2 o Destilador Solar (en donde se evapora el agua y se condensa,
recogiéndose el agua procesada).
El funcionamiento de dicho Purificador – Destilador Solar Portátil se describe a través de 3
fases: Fase 1 de Desalinización, Fase 2 de Purificación y Fase 3 de Mediciones
Cualitativas y Cuantitativas.
-Fase 1 de Desalinización:
- Esta cámara del sistema, recibe el agua de mar y se almacena junto a materia
orgánica previamente hidratada en agua potable (sobrantes de comida vegetal); se
almacena y transporta por 3 estratos o pasos, se reposa durante 24 - 48 hrs.,
tiempo en el cual absorve el NaCl del agua.
- Posterior a este proceso el agua pasa a la Fase de Purificación y finalmente
continúa el proceso de Desalinización y también el de Purificación (que se
describe en el siguiente punto), en el llamado Destilador Solar, que es de fácil
manejo, portátil, posee accesos a cada cámara, comunicación y/o división entre
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cámaras, consta de una llave al final del proceso para colectar el agua parcial y
controladamente.
-Fase 2 de Purificación:
- El sistema cuenta con un colector o cámara subdividida en 4 partes, en donde se
realiza la purificación.
- La primera división lleva un tamiz de rejilla plástica cuya función es retener las
partículas visibles y de mayor tamaño suspendidas en el agua; el agua obtenida
pasa a la segunda división.
- En la segunda división el agua es sometida a observación y análisis mediante el
paso de rayos de luz (Efecto Tyndall) para reconocer la presencia de partículas
intermedias que lograron atravesar el tamiz. Como tratamiento se realiza
floculación con Sulfato de Aluminio, el que forma un aglutinado o coágulo con las
partículas coloidales.
- Al pasar a la tercera división, el agua debe atravesar un filtro de arena y/o carbón
(si es posible carbón activo), para retener bacterias y eliminar olores y sabores
desagradables producidos por la descomposición de la materia orgánica
(producida por el fitoplancton del agua de mar).
- En la cuarta división, el agua recibida pasa por papel filtro y es sometida a
cloración para eliminar cualquier bacteria que aún exista y, ventilación, gracias a
un ventilador implementado manualmente en la cámara, además de la entrada de
aire en esta parte del sistema; esto para asegurar la eliminación de olores y
mejorar el sabor. Finalmente en esta misma etapa el agua es irradiada con luz UV
que asegura la muerte de las bacterias (debido al daño en los ácidos nucleicos
celulares).
- Posteriormente el agua aquí resultante se hace funcionar o procesar en la cámara
destiladora solar, según lo señalado en la fase 1 de Destilación.
-Fase 3 de Mediciones Cualitativas y Cuantitativas:
- Esta fase se desarrolla simultáneamente según las etapas del proceso, salvo
algunas mediciones realizadas al inicio o al final.
.pH: Se mide con papel indicador y con peachímetro en el agua inicial (agua de mar
sin desalinizar) y en el agua final (agua desalinizada y purificada).
.Concentración de Cloruro de Sodio (NaCl): Medido al inicio y al final de la
desalinización con materia orgánica y al final de la evaporación. Se utiliza el Método
Volumétrico de Volhjard (con Nitrato de Plata AgNO3).
.Turbidez – Presencia de coloides: Efecto Tyndall en la fase 2 de Purificación ya
descrita.
.Floculación: También sirve como medición para comprobar la presencia de pequeñas
partículas invisibles. Se utiliza Sulfato de Aluminio Al2(SO4), en la Fase de
Purificación ya descrita.
.Prueba del aceite: El NaCl no se disuelve en aceite de cocina y a pesar de estar
disuelto en el agua de mar, la separación entre esta agua y el aceite es distinta y
mayor que en el agua desalinizada obtenida al final del proceso. Se realizan pruebas
en muestras.
.Cloración: Se utiliza Hipoclorito de Sodio(NaClO) en una concentración de 0,20 mg/L.
Se mide y comprueba los niveles correctos con el test de cloración para piscinas y
según las normas chilenas.
NOTA: Finalizado y verificado el proceso completo, el agua está en condiciones de
consumo y para ser usado en cultivos. Se sugiere las mangas hidropónicas en donde se
necesita usar poca agua y la sobrante se puede reutilizar, así como sus nutrientes.
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Materiales
- 2 Bidones plásticos (reutilizables) con capacidad cada uno de 20 litros.
- Silicona
- Tamiz (rejilla plástica), cortado circular (40 cm. De diámetro aprox.)
- Arena (1/2 K aprox), carbón común o activado (1/2 K aprox.), papel filtro (40 cm.
Aprox.)
- Ventilador plástico (confeccionado con material de desecho)
- Plumavit (caja)
- Llave plástica (para el paso de agua)
- Nitrato de Plata y Sulfato de Aluminio
- Indicador de pH y peachímetro e indicador de cloro (usado en piscinas)
- Aceite
- Almácigos y mangas hidropónicas (plástico y PVC)
- Armado metálico o de PVC y 2 ruedas (carro de arrastre del sistema portátil)
- Luz solar
G. Presentación de Resultados
- pH:
AGUA DE MAR NATURAL
8.7
-
Cloruro de Sodio:
AGUA DE MAR (rango X)
35 – 37 g/L
-
AGUA PROCESADA (rango x)
0.12 – 0.09 g/L
Aplicación en cultivos:
TIERRA (ALMACIGOS)
Diferentes Hortalizas
-
AGUA DESALINIZADA Y PURIFICADA
7.2
HIDROPONÍA (MANGAS)
Hortalizas y Hierbas Medicinales
Propiedades Físicas del agua:
PROPIEDAD
Color
Sabor
Olor
AGUA DE MAR
Turbia
Salada y Amarga
Algas y animales marinos,
Descomposición.
AGUA PROCESADA
Incolora – Transparente
Insípida
Inolora
H. Discusión o Análisis de los Resultados
La comprobación del pH obtenido del agua procesada, permite aclarar que se encuentra
dentro de la normalización chilena, la que incluso acepta un rango de 6.0 a 8.5. El agua
potable medida registró un pH neutro y en su comparación el pH del agua de mar un pH
alcalino, el que luego de los tratamientos quedó en condiciones similares al agua potable.
En relación a la cloración, inicialmente se pensó aplicar este procedimiento en dos etapas
de la purificación, pero considerando que el cloro puede reaccionar con compuestos
orgánicos y formar sustancias perjudiciales para la salud (como trihalometanos. THM), se
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utilizó solo una vez y se apoyó el proceso con carbón y luz UV, que también funcionan
eliminando o matando bacterias y otros.
El proceso de Purificación resultó adecuado y eficaz, puesto que siguiendo las
propiedades físicas normales del agua, se obtuvo un agua limpia, clara, sin olor ni sabor
desagradable.
Considerando también que la temperatura de ebullición en una solución de sal es unos
grados mayor que en el agua sin sal, la estrategia de desarrollo del Destilador Solar con
superficies ennegrecidas y cubierta conservadora de temperatura, optimizó los resultados.
En función de los buenos resultados, se puede modificar o proyectar nuestro sistema a
tratamiento de otras aguas, como las servidas, de río, de relave, etc.
De emplearse el sistema en regiones del extremo sur en que la radiación solar es mucho
más baja, obviamente la eficacia de los resultados también se reduce, sin embargo, en
partes del sistema se pueden modificar las cámaras quedando en condiciones de recibir
combustible para la evaporación (por supuesto, con mayor costo pero igual o mejor
respuesta).
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I. Conclusiones
- Mediante el sistema se obtiene agua desalinizada, puesto que el porcentaje de
Cloruro de Sodio presente en el agua procesada difiere en más de un 95% con el
agua de mar. De esta forma es apta para las finalidades que sean. De preferencia
consumo y riego que es en donde más existe problemática y déficit actualmente,
además de ser las principales necesidades humanas.
- Desarrollado el proceso de purificación, el agua queda libre de elementos extraños
y dañinos para la salud humana y para la vida d los vegetales en riego.
- El aprovechamiento de radiación solar en sistema bien confeccionados, resulta
efectivo y económico.
- La creación de un único sistema (Purificador-Destilador) facilita su uso y la
obtención de agua.
- Un sistema Portátil permite su acceso a diferentes personas, lugares, espacios y
actividades humanas.
- El agua obtenida puede emplearse en cultivos terrestres, pero de preferencia en
mangas hidropónicas en la que el requerimiento de agua es menor y el agua y
nutrientes sobrantes son reciclables y reutilizables. Se obtiene vegetales sanos, en
gran producción; dando solución a quienes viven en sectores costeros en donde el
suelo es arenoso o rocoso, difícil para la siembra.
- El Sistema Purificador-Destilador Solar Portátil, es una medida ecológica creativa,
simple y significa la entrada a un mundo natural y lleno de ventajas.
J. Bibliografía Consultada
- Addison Wesley Longman. Quimcom. American Chemical Society. 1998.
- Butt R. La Física en exprimentos de alumnos. Serie de escritos PHYME. Calor.
- Forjadores Ambientales. Guía docente. Una propuesta para integrar la Educación
Ambiental. TELEDUC. Centro de Educación a distancia. CONAMA.
- Jiménez Wong W. Concentradores Solares. Informe técnico. Depto. De Física.
Universidad Católica del Norte. 1990.
- Ley de Base del Medio Ambiente. CONAMA. Chile. 1994.
- Sanz Portela M. Guía práctica de cultivos hidropónicos. Quelados y
Bioestimulantes. El Huerto Casero. Tomo I. Hidroponía Chile. Ediciones impresos
MINKS. 1993.
K. Declaración de tipo de asesoría científica recibida
NOTA: Los espacios destinados a cada ítem dentro del formulario pueden ser adaptados
según las necesidades de cada trabajo, respetando el límite de carillas asignado-
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