Diseño de un generador de ozono para potabilizar agua

INSTITUTO TECNÓLOGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

CAMPUS ESTADO DE MÉXICO

DISEÑO DE UN GENERADOR DE OZONO PARA POTABILIZAR AGUA

TESIS QUE PARA OPTAR EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN SISTEMAS DE MANUFACTURA

PRESENTA

FERNANDO V ÁZQUEZ ZA V ALA

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Asesor: Dr. ARMANDO BRAVO ORTEGA Comité de tesis: Dr. OLEKSANDR TKACHENKO

M en l. VICTOR MANUEL ROMERO MEDINA

Jurado: Dr. OLEKSANDR TKACHENKO Presidente M en l. VICTOR MANUEL ROMERO MEDINA Secretario Dr. ARMANDO BRAVO ORTEGA Vocal

Atizapán de Zaragoza, Estado de México, 30 de Noviembre del 2000.

RESUMEN.

Muchas regiones de México, aún no cuentan con un abasto de agua potable, lo que ha provocado

un gran número de defunciones por enfermedades causadas por agua contaminada.

Como se observa, esto afecta a muchas familias mexicanas, ya que muchos de sus miembros

sufren los síntomas que estas enfermedades causan lo que mengua la economía familiar por la

compra de medicamentos, visitas a médicos, ausentismo a los lugares de trabajo y escuelas.

Este grave problema ha detonado el desarrollo de la presente tesis, en la cual se aplican conceptos

tecnológicos en áreas del diseño, electrónica, química, fisica y economía.

La mayor contribución de este proyecto es el diseño y construcción de un generador de ozono

para purificar agua, cuya principal aplicación es la de desinfectar agua principalmente para

consumo humano.

Durante el presente trabajo, se tomaron en cuenta diversos aspectos como el costo del producto

para hacerlo accesible a muchas familias que requieren un suministro de agua potable, por lo que

en este trabajo se realizan los cálculos de factibilidad técnico - económico del generador de

ozono para purificar agua.

Además, se realizaron los análisis cuantitativos para determinar la cantidad de ozono generado y

con ello estimar el volumen de agua que se puede purificar, sin afectar el bolsillo de muchos

mexicanos.

vi

CONTENIDO. Pag.

FI G U'RAS ••••••••••••••••••••••••••••••.••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• x

TABLAS .•..................................................................•................. xi ,

ABREVIA TURAS Y SIMBO LOS ....•...........................••....••..•........... xii

1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 1

1.1 EL AGUA EN EL MUNDO ......................................................................... 1 ,

1.2 EL AGUA EN MEXICO .............................................................................. 4

1.2.1 Uso del agua en los sectores económicos principales .......................... 7

1.2.2 Descargas directas de residuos sólidos y líquidos ............................. 12

1.2.3 Agua potable .......................................................................................... 15

1.2.4 Calidad de agua ..............................•..........•..•..........•...•..••.................... 18

1.2.5 P t. . . ' . t't . 1 28 ar 1c1pac1on 1ns I uc1ona .....................•............•...•..••...•.................... ,

1.3 PROBLEMA TICA .......•...•............................... ,, .•..•...•................................ 29 ,

1.4 JUSTIFICACION ...................•.•.........•............. , .......................................•. 30

1.5 OBJETIVO ..............•..........................................................•...•...•................ 30 ,

1.6 ORGANIZACION DEL TRABAJO ......................................................... 31

, 2 FUNDAMENTOS TEORICOS ....................................................................... 32

2.1 PLASMA .........•.........................................................•......•.......................... 32

2.1.1 Los plasmas fuera de equilibrio .......................................................... 35

2.1.2 Generación de los plasmas fuera de equilibrio . ................................ 37

2.1.2.1 Descarga brillante ............................................................................. 37

2.1.2.2 Descarga corona ................................................................................ 39

2.1.2.3 Descarga silenciosa ........................................................................... 41

2.1.2.4 Descarga de radio frecuencia o RF ................................................. 42

2.1.2.5 Descarga con microondas ................................................................. 43

vii

2.1.3 Física y química de los plasmas fuera de equilibrio ......................... 44

2.1.3.1 Física de los plasmas fuera de equilibrio ........................................ 44

2.1.3.2 Química de los plasmas fuera de equilibrio ................................... 45

2.2 LA DESCARGA SILENCIOSA ...............................•...•........................... 45

2.2.1 Teoría de la formación de la descarga silenciosa .............................. 46

2.2.1.1 El rompimiento eléctrico .............................•.................................... 47

2.2.1.2 Transporte de la carga a través del espacio ................................... 48

2.3 FORMACIÓN DE OZONO ..•................................................................... 50

2.3.1 Formación de ozono por medio de oxígeno ....................................... 50

2.3.2 Generación de ozono por medio de . aire ............................................. . 52

2.4 ASPECTOS GENERALES DEL OZONO .............................................. 54

2.4.1 Historia ....................................................... , ........................................... 54

2.4.2 Propiedades ................................................ n •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 55

2.4.3 Presencia del ozono en la naturaleza .................................................. 57

2.4.4 Fórm ola del ozono ................................................................................. 58

2.4.5 Formación. ...•..•.•.............•.•.............................••••••••••••••••••................•••• 59

2.4.6 Métodos de 1 . ,

eva uac1on .......•.......................•......................................... 60

2.4. 7 Reacciones de identificación ................•.........•..................................... 60

2.4.8 Toxicidad ............................................................................................... 61

2.4.9 Manejo y peligro del ozono ........................................•...•..................... 61

2.4.10 Usos .............................................•.......................•...•...•.......................... 62

2.4.11 Investigación y evaluación del Ozono ................................................ 62

2.4.12 Ozono Vs. cloro ......................................................•.......•................•..... 63

2.5 LA NATURALEZA DE LOS MATERIALES DIELÉCTRICOS ........ 65

2.5.1 Dieléctricos polares .............................................................................. 66

2.5.2 Dieléctricos no polares ....................................................................•.... 66

2.5.3 Campo eléctrico en el interior de un dieléctrico ............................... 68

viii

3 DISEÑO DEL GENERADOR DE OZONO ................................................. 71

3.1 FUENTE DE AL TO VOL TAJE ............................................................... 71

3.1.1 Teoría y operación de los SCR ..............•.............................•..•............ 71

3.1.2 Características de la compuerta del SCR ........................................... 72

3.1.3 Uso del UJT en circuitos de disparo de los SCR ............................... 73

3.1.4 El oscilador de relajación con UJT ..................................................... 73

3.1.5 Circuito de disparo con UJT para un SCR ...•....•......•................•...... 73

3.1.6 Magnitud de los componentes de un circuito de disparo con UJT. 75

3.2 CÁMARA DE GENERACIÓN DE OZONO .......................................... 78

3.2.1 Generadores comerciales de ozono ..................................................... 80

3.3 MEZCLA DE AGUA CON OZONO ...........................•..........•.....•......•.... 83

4 CONSTRUCCIÓN Y PRUEBA DEL PROTOTIPO ................................... 87

4.1 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ................................................... 87

4.2 PRUEBA DEL PROTOTIPO ........................ 1t••········································ 97

4.2.1 Generación de ozono ............................................................................. 97

4.2.2 Consumo de potencia ...........................................•...•.......•..•............... 100

4.3 LA DESCARGA SILENCIOSA DE LOS PROTOTIPOS I Y 11 ....... 100

, , 5 FACTIBILIDAD TECNICO-ECONOMICA ............................................. 103

, , 5.1 FACTIBILIDAD TECNICO-ECONOMICA ....................................... 103

5.2 COMPETENCIA ..................................................................................... 106 ,

5.3 COSTOS DE OPERACION ................................•.......•........................... 107

6 CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS ........................................................ 109

6.1 CONCLUSIONES ............................................•.......•..............................• 109

6.2 SUGERENCIAS ....................................................................................... 11 O

7 REFERENCIAS •.......•...................................................•...............................• 111

ix

, 8 BIBLIOGRA.FIA ............................................................................................ 112

9 GLOSARIO .................................................................................................... 114

X

FIGURAS Pag.

FIGURA 1.1. CUENCAS CONTAMINADAS EN MÉXICO. (2) ................................................. 6 FIGURA 2.1. ELEMENTOS DEL VOLUMEN DE DESCARGA (4) ......................................... 35 FIGURA 2.2. LA DESCARGA SILENCIOSA (4). ...................................................................... 38 FIGURA 2.3. LA DESCARGA CORONA [4]. ............................................................................ 39 FIGURA 2.4 ARREGLO TÍPICO DE LA DESCARGA RF [4]. ................................................ 42 FIGURA 2.5. ARREGLO GEOMÉTRICO DE LA DESCARGA SILENCIOSA [5] .................. 47 FIGURA 2.6. ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DEL OZONO [6]. ........................................... 58 FIGURA 2.7. DIELÉCTRICOS POLARES[8]. ............................................................................ 66 FIGURA 2.8. DIELÉCTRICOS NO POLARES [8] . ................................................................... 67 FIGURA 2.9. CAMPO ELÉCTRICO (8). ..................................................................................... 68 FIGURA 2.1 O. CAMPO ELÉCTRICO CON CONDUCTOR [8]. ............................................... 69 FIGURA 2.11. CAMPO ELÉCTRICO CON DIELÉCTRICO [8]. .............................................. 69 FIGURA 3.1. SÍMBOLO ELÉCTRICO DEL SCR (9) ................................................................. 72 FIGURA 3.2. CIRCUITO CON SCR Y UJT [9]. ......................................................................... 74 FIGURA 3.3. GENERADOR DE PLACA DE OTTO [10) .......................................................... 81 FIGURA 3.4. GENERADOR TUBULAR [10]. ........................................................................... 82 FIGURA 3.5. GENERADOR DE PLATO DE LOWTHER [10] ................................................. 83 FIGURA 4.1. TAPAS DE PLÁSTICO ......................................................................................... 90 FIGURA 4.2. TUBO DE VIDRIO l. ............................................................................................. 91 FIGURA 4.3. TUBO DE VIDRIO 11 . ............................................................................................ 91 FIGURA 4.4. TUBO DE PVC ...................................................................................................... 92 FIGURA 4.5. COLOCACIÓN DE LOS ELECTRODOS ............................................................. 92 FIGURA 4.6. FORMA DE ENSAMBLE DE LAS CÁMARAS I Y 11 ........................................ 93 FIGURA 4.7. TUBO DE ACERO INOXIDABLE ....................................................................... 94 FIGURA 4.8. SELLOS TIPO 0-RING ......................................................................................... 94 FIGURA 4.9. MATERIALES DE LA CÁMARA 111 ................................................................... 95 FIGURA 4.1 O. ELECTROVÁLVULA ......................................................................................... 95 FIGURA 4.11. TUBO VENTURI ................................................................................................. 96 FIGURA 4.12. ENSAMBLE DEL SISTEMA DE MEZCLA ....................................................... 96 FIGURA 4.13. CURVA DE DECAÍMIENTO .............................................................................. 99 FIGURA 4.14. VISTA LATERAL DE LA CÁMARA l. ........................................................... 100 FIGURA 4.15. VISTA LATERAL DE LA CÁMARA 11 ........................................................... 101 FIGURA 4.16. VISTA SUPERIOR DE LA CÁMARA 11 .......................................................... 101

xi

TABLAS Pag.

TABLA 1.1. BALANCE DE AGUA SUBTERRÁNEA POR REGIÓN, 1994 [2]. ..................................... 6 TABLA 1.2. EXTRACCIÓN Y USOS DEL AGUA, 1995 [2] .................................................................... 7 TABLA 1.3. INVENTARIO DE PLANTAS POTABILIZADORAS, 1995 (2) ........................................... 9 TABLA 1.4. AGUA PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, 1994 [2]. ....................... 11 TABLA 1.5. CARGA DE DBO EN CUENCAS SELECCIONADAS, 1994 [2] ....................................... 14 TABLA 1.6. PLANTAS POTABILIZADORAS MUNICIPALES, 1993 - 1995 (2). ................................ 16 TABLA 1.7. PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES 1995 [2]. 17 TABLA 1.8. PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES, 1997 [2]. ........................... 17 TABLA 1.9. AGUAS SUPERFICIALES. ÍNDICE DE CALIDAD DEL AGUA (ICA), 1994 [2]. ......... 20 TABLA 1.1 O. AGUAS SUBTERRÁNEAS. ÍNDICE DE CALIDAD DEL AGUA (ICA), 1994 [2] ........ 22 TABLA 1.11. AGUA DESINFECTADA 1993 -1994 (LITROS/ SEGUNDO) [2]. ................................. 23 TABLA 1.12. MUERTES POR ENFERMEDADES INTESTINALES 1990, 1992 Y 1995 [2]. .............. 24 TABLA l. 13. MUERTES POR ENFERMEDADES INTESTINALES POR ESTADO '90,'92 Y '95 [2]. 26 TABLA 2.1. PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA DESCARGA BRILLANTE [4] ................ 38 TABLA 2.2. PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA DESCARGA CORONA [4] ..................... 40 TABLA 2.3. PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA DESCARGA SILENCIOSA [4]. .............. 41 TABLA 2.4. ENSAYOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL OZONO [6] ............................................ 63 TABLA 3. l. COMPARACIÓN DE SOLUBILIDADES [ 11]. ................................................................... 84 TABLA 4.1. PARÁMETROS Y GENERACIÓN DE OZONO ................................................................. 97 TABLA 4.2. PROTOTIPO l. VARIANDO EL VOLTAJE DE ENTRADA. ............................................. 98 TABLA 4.3. PROTOTIPO 11. VARIANDO EL VOLTAJE DE ENTRADA. ........................................... 98 TABLA 5.1 COSTEO DE SUBENSAMBLES ........................................................................................ 105 TABLA 5.2. COSTEO DE MOLDES DE PLÁSTICO ............................................................................ 105 TABLA 5.3. COSTEO DEL DESARROLLO DEL PROYECTO ........................................................... 106 TABLA 5.4. PRECIO DE VENTA POR UNIDAD ................................................................................. 106 TABLA 5.5. PRECIOS DE LA COMPETENCIA .................................................................................... 107 TABLA 5.6. COSTO POR LA POTENCIA CONSUMIDA. ................................................................... 108

xii

ABREVIATURAS Y SÍMBOLOS.

Magnitud Unidad Símbolo

Longitud metro m

Volúmen metro3 mJ

Masa kilogramo kg

Tiempo segundo s

Corriente amper A

Carga coulomb c Potencia watt w

Resistencia ohm Q

Tensión eléctrica volt V

Campo eléctrico volt/metro V/m

Capacidad Faradio F

Densidad volumétrica de Joule/metro3 J/mJ

energía

Densidad de carga Amper/metro2 A/m2

Frecuencia Hertz Hz

Temperatura Celsius ºC

Prefijo: Abreviatura: Significado:

pico- p- 10·12

nano- n- 10-9

micro- µ- 10·6

mili- m- 10·3

centi- c- 10·2

kilo- k- 103

mega- M- 106

giga- G- 109

CAPÍTULO l.

1 INTRODUCCIÓN.

El agua es un recurso natural esencial en términos económicos y sociales. Su importancia es cada

vez mayor, al punto de ser ahora uno de los factores críticos más importantes del desarrollo a

escala mundial. Será por ello, que en un futuro no muy lejano, el problema ambiental más y

crítico decisivo al que deberán enfrentarse millones de personas, será el abasto y consumo del

agua.

1.1 EL AGUA EN EL MUNDO.

Del total de agua en el planeta [1], 97.5% es agua salada, y el restante 2.5% es agua dulce, la cual

se encuentra en un 70% congelada en las capas de hielo en los polos y el otro 30% restante está

concentrado principalmente como humedad en el suelo o en los mantos acuíferos en el subsuelo.

Así se tiene que, menos del 1 % del agua en el mundo es dulce ( o al menos 0.007% del agua en el

planeta) y principalmente se encuentra en lagos, ríos, presas y en fuentes subterráneas que son

explotadas a un costo relativamente bajo.

Aproximadamente los continentes reciben una precipitación anual de 110,000 kilómetros cúbicos,

de los cuales la mayoría se evaporan o bien son absorbidos por las plantas. Cerca de 42,700

kilómetros cúbicos de agua que caen nuevamente sobre el planeta, fluyen a través de los ríos del

mundo. Con estas cantidades se ha estimado que a cada habitante del planeta le corresponde, un

promedio de 7,300 metros cúbicos de agua, cifra que ha disminuido en un 37% por persona desde

1970, debido al crecimiento de la población a escala mundial.

Además, al paso del tiempo no se ha prestado atención a la contaminación de la poca agua dulce

existente en el planeta. Se pueden reconocer como fuentes de los contaminantes de los mantos

acuíferos, a las descargas provenientes de las industrias y de los municipios, pero fortuna las

2

legislaciones al respecto cada vez son más estrictas, al igual que la aplicación de las mismas, pero

falta mucho por hacer.

En el mundo desarrollado las enfermedades provocadas por agua contaminada son raras [1], lo

que se debe esencialmente a la presencia de sistemas eficientes de abastecimiento de agua y

eliminación de la agua residual. Sin embargo, en el mundo en vías de desarrollo, tal vez cerca de

2,000 millones de personas no cuentan con abastecimiento de agua seguro y saneamiento

adecuado. Como resultado, las enfermedades hídricas en estas áreas alcanzan cifras

escalofriantes. En una encuesta reciente de la Organización Mundial de la Salud se destacan los

siguientes hechos:

• Cada día mueren aproximadamente 30,000 personas por causa de enfermedades provocadas

por agua contaminada. En los países en vías de desarrollo, el 80 por ciento de todas las

enfermedades son de provocadas por agua contaminada. Una cuarta parte de los niños que

nacen en los países en vías de desarrollo mueren antes de cumplir los cinco años, la mayoría

por enfermedades hídricas.

• En cualquier momento es probable que 400 millones de personas sufran de gastroenteritis,

200 millones por esquistosomiasis (también llamada bilharzida), 160 millones por paludismo

y 30 millones de oncocercosis. Todas estas enfermedades pueden estar relacionadas con el

agua; aunque también pueden estar asociados otros factores ambientales.

Las fuentes de agua dulce están distribuidas en forma aleatoria: en términos de precipitación

existe un rango desde la casi inexistencia en los desiertos, hasta la de muchos metros por año en

muchas de las regiones húmedas. Mucho del flujo está limitado a cierto número de ríos: el

Amazonas lleva 16% del flujo global, mientras que el río Congo - Zaire, solamente lleva un

tercio del flujo del total de los ríos de África.

Las zonas áridas y semi - áridas del mundo [l], que constituyen el 40% de la superficie terrestre,

sólo cuentan con el 2% del flujo de ríos a escala mundial. Desde luego varia a lo largo del tiempo

y la evaporación juega un papel importante para considerar a un país como húmedo o semi -

árido.

3

El porcentaje de disposición de agua de los ríos está determinado por el tamaño de la población.

La menor disposición per cápita, está en Asia, a pesar de que posee el mayor flujo de ríos.

Por otro parte, en Australia / Oceanía el porcentaje per cápita de disposición de agua es alta, a

pesar del hecho de que el continente está seco.

Los expertos han estimado que el monto del flujo de los ríos que está disponible para uso humano

es de alrededor de 9,000 kilómetros cúbicos por año. A esto se añaden otros 3,500 kilómetros de

flujo de ríos que es almacenado en presas y reservorios. Actualmente la población utiliza

alrededor de la mitad de los 12,500 kilómetros cúbicos disponibles. Esto pareciera dejar ver que

existe mucha agua de reserva, pero en realidad se debe dejar agua para la sobrevivencia de los

ecosistemas, para permitir la pesca y mantener un adecuado monto de agua disponible para la

recreación, la navegación y la generación de electricidad.

Los principales problemas se relacionan tanto con la falta de conciencia de la población que vive

en condiciones insalubres, así como de las autoridades locales y nacionales, y los costos de

implementación, operación y mantenimiento de los sistemas de salubridad.

Los costos de un ambiente salubre pueden ser considerados como altos, si se consideran las

inversiones y los costos de operación de las instalaciones sanitarias y los costos de la educación

higiénica. Pero desde luego existen beneficios que no son tan evidentes a primera vista. Los

costos de un inadecuado control sanitario conducen a pérdidas económicas a través de las

incapacidades de la gente enferma que no puede realizar su trabajo, además de los niños que no

pueden asistir a sus escuelas, además de la creación de ambientes contaminados que afectan a las

actividades económicas como la pesca y el turismo. Adicionalmente, esto incrementa los costos

de salud, y dado que este problema involucra factores sociales y económicos, es difícil poder

resolverlo en forma global.

En el mundo desarrollado hay preocupación por los posibles riesgos para la salud que pueden

surgir a largo plazo por la presencia de pequeñas concentraciones de impurezas en el agua para

beber, en especial de compuestos potencialmente cancerígenos. También hay varios

contaminantes, de origen natural o producidos por el hombre, que tienen efectos conocidos en la

4

salud de quienes los consumen. Por tanto, es muy importante que los ingenieros y científicos que

estudian el control de la calidad del agua, estén al tanto de la relación que existe entre la calidad

del agua y la salud.

A continuación se describe, de manera general, la situación del agua en México, en términos de

su disponibilidad, usos socioeconómicos, descargas de residuos en los cuerpos de agua,

disponibilidad y tratamiento de agua potable, así como la participación institucional en el manejo

de este recurso.

1.2 EL AGUA EN MÉXICO.

Las fuentes de agua no salina incluyen tanto cuerpos superficiales como lagos, estanques y ríos,

así como mantos acuíferos del subsuelo constituidos por arena, grava o rocas porosas que

contienen agua [2]. El volumen de agua superficial disponible en el país, según estimaciones para

1997 de la Comisión Nacional del Agua (CNA), es de 474.9 km3, el cual es resultado del balance

general que considera precipitación pluvial, evaporación, así como entradas y salidas de agua por

acuerdos internacionales. Respecto de las aguas subterráneas, estimaciones de 1994 de la CNA

indican que el volumen de recarga anual de acuíferos es del orden de 63.0 km3, quedando

disponibles sólo 39 km3, de los cuales se extraen al año 24 km3 aproximadamente.

La precipitación pluvial anual promedio del país es de 777 mm, equivalente a 1,522 km2• De este

volumen, el 72% regresa a la atmósfera por evaporación: lo que queda, más lo que ingresa al país

por acuerdos internacionales (procedente de Estados Unidos y Guatemala), escurre en la

superficie por ríos y arroyos alimentando estanques naturales y artificiales de distinto tamaño. Las

salidas anuales al mar se estiman en 359.1 km3, que junto con las salidas por acuerdos

internacionales (con Estados Unidos) suman un total de 359.5 km3•

En promedio, a cada mexicano le corresponden cerca de 5,000 m3 de agua por año, o sea, unos 14

tinacos de agua diarios por persona, que incluye todos los usos. Esta cantidad representa casi la

mitad del volumen de que dispone un estadounidense, un vigésimo del de un canadiense, pero el

doble, o más, del que dispone un europeo, y más de 170 veces que el de un egipcio. A escala

5

mundial, la disponibilidad per cápita del agua en México se ubica en un nivel medio (500 a 10

milm3).

Las condiciones orográficas y las características propias de las latitudes en las que se ubica

México hacen que la distribución de la lluvia sea muy irregular, de tal suerte que en el país

existen zonas áridas (31 % del territorio), semiáridas (36%) y húmedas o subhúmedas (33%). En

este escenario, resulta que un bajacaliforniano dispone de unos 100 m3 de agua por año, mientras

que en el sudeste del país, a un chiapaneco le corresponden unos 17 mil m3.

Otros ejemplos de esta heterogeneidad son los que se refieren al hecho de que más del 60% del

escurrimiento nacional [2], se produce en el 20% del territorio nacional, localizado en el sudeste

del país, en tanto que en el norte se presenta el 2% del escurrimiento en una superficie que

representa el 34% del territorio.

Respecto de la relación entre las distribuciones de la lluvia y de la población, la cuarta parte de la

población nacional se asienta en altitudes superiores a dos mil metros, donde se dispone del 4%

del escurrimiento superficial; en cambio, en altitudes inferiores a 500 metros, con una población

similar a la anterior, se dispone del 50% del escurrimiento total.

Respecto de la variabilidad ínter - anual de las precipitaciones, ésta también es importante, como

lo evidencian las inundaciones que frecuentemente ocurren en el sudeste y las sequías que se han

presentado en el país en los últimos años. La sequía de los últimos tres años amenaza con reducir

notablemente las reservas de agua para riego y uso doméstico. El reporte de la CNA para el

primer trimestre de 1996 indica que las presas del noroeste del país estaban al 18.1 % de su

capacidad, las del noreste al 22% las del centro al 40% y las del sur al 68%.

La administración pública del agua plantea la necesidad de ampliar la infraestructura hidráulica,

para mejorar la calidad de los servicios de suministro, elevar los niveles de bienestar de la

población y combatir las epidemias de enfermedades infecciosas, como el cólera. Lo anterior no

es una tarea fácil dada la distribución de la población, ya que en tres ciudades se concentra el 25%

de la misma, mientras que el 75% restante se distribuye en más de 200 mil localidades, de las

cuales el 75% tiene menos de 100 habitantes.

6

En México prácticamente todos los cuerpos de agua importantes están contaminados (Figura 1.1 ).

Veinte cuencas hidrológicas requieren atención, de las cuales, las 15 siguientes requieren atención

prioritaria: Pánuco., Lerma, Balsas, San Juan, Coatzacoalcos, Blanco, Papaloapan, Valle de

México, Conchos, Coahuayana, Culiacán, Fuerte, Yaqui, Mayo y Bajo Bravo.

··~

--+ ++++

Limite estatal Limite cuenca hidrológica Limite Internacional

l. Lerrna-Santiago 2. Pánuco 3. San Juan 4. Balsas 5. Blanco 6. Culiacán 7. Colorado 8. Fuerte 9. Nazas 1 O. Jamapa

1 1. La Antigua 12. Sonora 13. Guayalejo 14. Yaqui 15. Salado 16. Conchos 17. Armería 18. Coahuayana 19. Tijuana 20 . Bravo

FIGURA 1.1. CUENCAS CONTAMINADAS EN MÉXICO. [2]

Con frecuencia se presenta explotación excesiva de los mant s acuíferos, con los consecuentes

incrementos en los costos de bombeo y otros problemas colaterales, tales como hundimientos y

eventualmente, la salinización de las aguas del subsuelo. Hasta 1995, 80 de los 459 acuíferos

descubiertos presentaban problemas de explotación excesiva (Tabla 1.1 ).

Región Número de acuíferos Recarga Extracción Disponible Acuíferos con más del 20% de

sobre - explotación

Total nacional 459 62.54 23.93 38.61 80

Noroeste 149 5.10 5.01 0.09 20

Norte 86 4.87 5.00 -0 .13 20

Noreste 61 1.65 1.45 0.20 17

Lerma - Balsas 92 8.16 7.40 0.76 19

Valle de México 26 1.96 3.08 -1.12 03

Sureste 45 40.80 1.99 38.81 01

TABLA 1.1. BALANCE DE AGUA SUBTERRÁNEA POR REGIÓN, 1994 [2].

7

1.2.1 Uso del agua en los sectores económicos principales.

Con relación a los usos del agua en México (Tabla 1.2), el mayor volumen que se consume se

destina al riego agrícola, representado aproximadamente el 83% del total; 12% se destina al

abastecimiento de agua por medio de redes públicas a las poblaciones; 3% para las industrias, de

las que algunas tienen su propio sistema de abastecimiento; el 2% restante se emplea en

acuacultura. Aunque las hidroeléctricas utilizan 113 millones de m3 de agua al año, 85% más de

la que se usa para riego, éstas sólo hacen uso de la energía potencial del agua.

Extracción y usos

Extracción total

Usos consuntivos 1

Agrícola

Doméstico

Industrial

Acuacultura intensiva

Uso no consuntivo 2

Generación de energía hidroeléctrica 1 Impacta la disponibilidad al aprovechar el agua y sólo retomar una parte de ésta. 2 Retoma la totalidad del agua aprovechada

TABLA 1.2. EXTRACCIÓN Y USOS DEL AGUA, 1995 [2].

186.7

73.5

61.2

8.5

2.5

1.3

113.2

113.2

Para satisfacer la demanda de los diversos usos del agua en el país, se cuenta con diversas obras

de infraestructura hidráulica, tales como presas, acueductos, sistemas de abastecimiento de agua

potable, centrales hidroeléctricas, así como también obras de protección contra inundaciones.

En las regiones áridas del país se han construido presas principalmente para riego [2], mientras

que en las regiones húmedas las obras hidráulicas son principalmente para la generación de

energía hidroeléctrica y control de avenidas. Actualmente se cuenta con alrededor de 4 mil obras

de almacenamiento y control, de las cuales 640 están clasificadas como grandes presas.

También existe infraestructura hidroagrícola que permite irrigar 6 millones de hectáreas, lo que

ubica a México en el séptimo lugar a escala mundial en cuanto a infraestructura hidráulica de este

tipo.

8

Se estima que la extracción de agua en México, para usos principales, ascendió en 1995 a 186. 7

km3, de los cuales 73.5 km3 se destinaron a usos consuntivos, es decir a usos que sólo regresan al

ciclo hidrológico una parte del agua utilizada, distribuidos de la siguiente manera: 61.2 km3 para

riego agrícola, 8.5 km3 para uso doméstico, 2.5 km3 para la industria, 1.3 km3 para la acuacultura

intensiva. Los 113.2 km3 de agua restantes se destinaron a la generación de energía hidroeléctrica,

clasificada como demanda no consuntiva, es decir, demanda que no abate las reservas

hidrológicas, pues regresa al ciclo del agua casi el total del volumen empleado en el proceso.

Uso doméstico: La extracción total de agua para este uso se estima en 8.5 km3 al año (270

m3 /seg.). La infraestructura instalada tiene capacidad para desinfectar el 95% del agua

suministrada a la población. Además 2.2 km3 al año (70 m3/seg) pasan por algún proceso de

potabilización a través de 356 plantas distribuidas por todo el país. El mayor número de plantas

potabilizadoras en operación se encuentra en Sinaloa, Tama.ulipas, Sonora, Tabasco y Baja

California (Tabla 1.3).

De acuerdo con la CNA, en 1995, 15 millones de habitantes carecían de agua potable y 30.2

millones de alcantarillado. El mayor rezago se ubica en el medio rural, ya que 4 7 .5% de su

población no tiene servicio de agua potable y 79.1 % carece de alcantarillado .. Para el año 2000

se estima que el país tendrá algo más de 99 millones de habitantes, de los cuales el 75% se

concentrará en áreas urbanas y el 25% vivirá en el medio rural. Por ello, la demanda total de

agua potable será de 9.4 km3 (299 m3/seg) aproximadamente!.

Uso agrícola: La tierra para uso agrícola en México representa una superficie aproximada de 29

millones de hectáreas [2], de las que 6.2 millones son de riego y el resto de temporal. El volumen

de agua que se extrae al año para este uso es de 61.2 km3; las mayores proporciones se extraen de

las regiones Lerma - Balsas y Noroeste, siendo en todos los casos superior al 50% de la de origen

superficial.

Entre los problemas de la producción agrícola que derivan del uso inadecuado del agua para

riego, se pueden mencionar los siguientes: pérdida del 35% en el volumen extraído debido a

evaporación o a fallas en la conducción; de los 40 km3 (65% del total) aprovechados, 12 km3

regresan al ciclo hidrológico por infiltración, arrastrando consigo residuos de pesticidas y

9

fertilizantes que favorecen la proliferación de maleza acuática y reducen la calidad del agua que

vuelve a ser extraída.

Entidad federativa Número de Número Capacidad Capacidad Numero sin Capacidad

Plantas operando Instalada Utilizada operar sin operar

Total 356 287 99377.8 76617.5 69 2754.7

Aguascalientes 2 25.0 10.0 0.9

Baja California 22 19 8450.0 5210.0 3 484.0

Baja California Sur o o.o o.o 0.1

Campeche 2 2 505.0 383.0 o o.o Coahuila 3 3 1100.0 1000.0 o o.o Colima o o o.o o.o o o.o Chiapas 4 3 2500.0 1910.0 o.o Chihuahua 4 3 670.0 540.0 1 150.0

Distrito Federal 6 6 1241.0 696.0 o o.o Durango 9 9 0.5 0.5 o o.o Guanajuato 2 2 400.0 310.0 o o.o Guerrero 9 8 3180.0 2905.0 1 200.0

Hidalgo 2 2 100.0 100.0 o o.o Jalisco 17 16 13064.0 11479.0 1 50.0

México 6 4 16810.0 15725.0 2 15.0

Michoacán 3 2 1320.0 1200.0 8.0

Morelos o o o.o o.o o o.o Nayarit 3 3 230.0 120.0 o o.o Nuevo León 12 ll 14410.0 5934.7 25.0

Oaxaca 6 6 1051.3 611.3 o o.o Puebla 3 o o.o o.o 3 60.0

Querétaro 2 2 36.0 25.0 o o.o Quintana Roo 7 5 1190.0 872.0 2 150.0

San Luis Potosi 9 7 838.5 803.5 2 70.0

Sinaloa 100 82 4931.5 4842.5 18 283.0

Sonora 27 22 3430.0 3000.0 5 55.7

Tabasco 18 18 3375.0 3335.0 o o.o Tamaulipas 54 42 12575.0 9815.0 12 416.0

Tlaxcala o o o.o o.o o o.o Veracruz 8 7 5945.0 4090.0 o.o Yucatán 10 2 2000.0 1700.0 8 745.0

Zacatecas 5 o o.o o.o 5 42.0

TABLA 1.3. INVENTARIO DE PLANTAS POTABILIZADORAS, 1995 [2].

10

El 92% de la superficie de riego utiliza el método de gravedad y en muchos casos se emplea el

riego por inundación sin control, lo que ocasiona desperdicios y baja eficiencia en el

aprovechamiento. Se estima que la eficiencia media de conducción en los distritos de riego

durante 1994 fue de 64% en tanto que la eficiencia de aplicación parcelaria fue de 70%, que en

términos globales arroja una eficiencia del 45%.

Si la tendencia actual en el sector agrícola continúa como hasta ahora, en el año 2000 se puede

esperar que se incorporen al riego 104 mil hectáreas, incrementando la demanda de agua en 2 km3

anuales. Un posible escenario para fortalecer la producción de alimentos implicaría crecer a una

tasa de producción del 1. 77% anual para incorporar 560 mil hectáreas al riego; en este caso la

demanda de agua en el año 2000 requeriría una extracción de 7 km3 anuales adicionales. Sin

embargo, la demanda podría ser menor si se utilizan prácticas de riego más eficientes.

Uso industrial: Este destino considera el agua usada por las industrias que se abastecen

directamente de los cuerpos de agua y que descargan a cuerpos receptores; no incluyen a las

termoeléctricas ni a las industrias que se surten de las redes de agua potable y que vierten sus

descargas en la red de alcantarillado municipal.

En 1994 [2], el volumen suministrado a la industria fuera de las áreas urbanas fue de 2.5 km3

(78.7 m3/seg). Este volumen abasteció a mil 387 empresas, consideradas como las más

importantes por el uso y descarga de agua. El 75% del suministro para este uso proviene del agua

subterránea y el 25% de fuentes superficiales. Los resultados obtenidos en 1994 a través de la Red

Nacional de Monitoreo de la Calidad de Agua, indica, el 59% del agua superficial está clasificada

como contaminada y el 18% como excesivamente contaminada. Para el año 2000 se estima una

demanda de agua para este uso de 2.6 km3 anuales (82 m3 /seg), en tanto que la descarga de aguas

residuales será de 2.1 km3 ( 66 m3 /seg).

Uso para la generación de energía eléctrica: En 1994 se extrajeron 113.5 km3 de agua para

generación de energía eléctrica en el país; un poco más del 99% la utilizaron las centrales

hidroeléctricas y menos del 1 % las termoeléctricas. Por regiones, las hidroeléctricas que

utilizaron el mayor volumen de agua se localizan en el sudeste y noreste del país. Entre las

plantas hidroeléctricas más importantes destacan las siguientes: La Angostura, Chicoasén,

11

Malpaso y Peñitas, en el río Grijalva; El Infiernillo, La Villita y Caracol, en el río Balsas (Tabla

1.4).

Región Centrales termoeléctricas Centrales hidroeléctricas Total

Totales 0.251 113.3 113.5

Noroeste 0.000 14.8 14.8

Norte 0.070 3.8 3.9

Noreste 0.113 2.8 2.9

Lerrna - Balsas 0.022 34.1 34.1

Valle de México 0.041 0.4 0.4

Sureste 0.005 57.4 57.4

TABLA 1.4. AGUA PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, 1994 [2].

En las termoeléctricas se consume agua debido a la evaporación que se genera en el sistema de

enfriamiento.

En algunas centrales se utilizan sistemas cerrados para reciclar el agua y disminuir el consumo del

recurso. En estos sistemas se generan concentraciones de sales, lo que representa un riesgo de

contaminación cuando se purga el equipo, además el aumento en la temperatura del agua utilizada

afecta los ecosistemas acuáticos cuando es descargada.

La generación de energía hidroeléctrica casi no consume agua, pero aprovecha su energía

potencial y modifica el régimen de los ríos. Para el año 2000 se estima que la demanda de agua en

las hidroeléctricas será de 142 km3 anuales y de 2.89 km3 para el enfriamiento en termoeléctricas.

Uso en acuacultura y pesca: Los cuerpos de agua existentes en el país abarcan una superficie de

3.8 millones de hectáreas [2], de las cuales 2.9 millones corresponden a agua salada en litorales y

0.9 son de agua dulce. Las zonas con agua salada/salobre reprc~sentan un área potencial para la

acuacultura; se estiman en poco más de 2 millones de hectáreas, de las cuales, 450 mil son

propicias para el cultivo de camarón y 1.6 millones para otras especies. En la actualidad, sólo se

aprovechan 16 mil hectáreas para el cultivo de camarón y 30 mil para otras especies. En cuerpos

de agua dulce el potencial es de 900 mil hectáreas, pero sólo se utilizan 754 mil, con alcances

muy limitados.

12

El potencial acuícola se ha reducido por la contaminación de diferentes cuerpos de agua dulce y

salada, ocasionada por la industria, la agricultura y por actividades urbanas. Algunos ejemplos de

cuerpos de agua con problema de contaminación son los lagos de Chapala, Pátzcuaro y Cuitzeo,

todos ellos de agua dulce; y en el caso de agua salobre/salada, las lagunas de Tamiahua,

Alvarado, Términos, Chantuto y Panzacola, así como en los estuarios de los ríos Pánuco,

Coatzacoalcos, Fuerte y Mayo.

Uso para la navegación: El uso del agua para la navegación ha sido limitado en el país; sin

embargo, es importante considerarlo debido a que puede afectar la calidad del agua, pues usos

como el recreativo, turístico o pesquero puede generar desechos contaminantes.

La navegación afecta la calidad del agua de los ríos y estuarios, debido a las descargas de residuos

sólidos y líquidos, algunas de ellas originadas por fugas y accidentes tanto en la navegación como

en embarcaderos. Aún en operación normal, las pequeñas embarcaciones y motocicletas acuáticas

que usan motores de dos tiempos arrojan grasas y aceites al agua. En las playas más concurridas

por el turismo es notoria la contaminación provocada por el aceite que desechan las

embarcaciones dedicadas a viajes turísticos.

No obstante, los cuerpos de agua interiores como ríos y estuarios para navíos de pequeño calado

pueden ser aprovechados para transportar productos comerciales y en menor escala para

recreación y turismo.

Los principales ríos navegables en el país son el Bravo, Lenna - Santiago, Pánuco, Tuxpan,

Balsas, Cazones, Nautla, Actopan, La Antigua, Papaloapan, Coatzacoalcos, Tonalá, Grijalva,

Usumacinta y Río Hondo.

1.2.2 Descargas directas de residuos sólidos y líquidos.

El agua residual que retoma a las corrientes con mayor o menor grado de carga contaminante

suma 30.55 km3 al año [2]. El sector agrícola genera 69.4% de este volumen y sus contaminantes

son residuos agroquímicos y restos de suelos desprendidos por la erosión. La industria no

integrada a los sistemas municipales genera 6.7% con una amplia gama de compuestos, muchos

13

de ellos contaminantes. El restante 23.9% se vierte a través de descargas municipales conteniendo

materia orgánica y bacterias, así como algunos tóxicos que provienen de las descargas

industriales conectadas a las redes municipales de alcantarillado. Parte de esta contaminación es

controlada en plantas depuradoras.

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO). De acuerdo con el Programa hidráulico 1995-2000,

anualmente se genera 7 .3 km3 de aguas municipales (231 m3 /seg), de las cuales el alcantarillado

público sólo recolecta 5 .5 km3 al año (17 4 m3 /seg).

En el país se estima que la población genera actualmente 1.80 millones de toneladas de DBO, lo

cual es un indicador de la contaminación orgánica de agua, de éstas, 0.58 millones de toneladas

no se recolectan por sistemas convencionales y 1.22 millones de toneladas se recolectan

mediante los sistemas de alcantarillado. Únicamente 0.15 millones de DBO son tratados

adecuadamente, antes de ser descargados al medio natural.

Un estudio realizado por la Comisión Nacional del Agua en 1994, que consideró la información

de las descargas contaminantes de los sistemas de alcantarillado de mil 200 localidades del país,

así como la de mil 387 establecimientos industriales que descargan sus aguas residuales a los

cuerpos de aguas nacionales, reveló que las descargas municipales se concentraban en las áreas

metropolitanas de la Ciudad de México, Guadalajara y Monterrey, las cuales aportaban

respectivamente el 21.9, 4.3 y 3.7% de la carga total de DBO (4 mil 945 toneladas diarias).

Asimismo, de las cuencas hidrológicas consideradas en este estudio, las que reciben mayor carga

de contaminantes son las de los ríos Moctezuma y Papaloapan,, las cuales concentran más de la

tercera parte del total. Las aportaciones municipales e industriales que reciben estas cuencas son

extraordinariamente variables; por ejemplo, las cuencas cuya descarga municipal es mayor al

50% reciben una carga de contaminantes de este tipo, equivalentes a dos mil 188 toneladas diarias

de DBO, que representa el 32% del total de contaminantes y 77% de los de origen municipal.

En relación con las industrias que descargan directamente: sus aguas residuales a los cuerpos de

agua [2], éstas generan un caudal de 77 m3 /seg (sin considerar 190 m3 /seg de agua de

enfriamiento que se descargan en la generación de energía), con una carga orgánica de cuatro mil

14

920 toneladas diarias de DBO (1.8 millones de toneladas al año). Casi el 60% de las descargas

industriales se concentran en nueve de las cuencas hidrológicas consideradas, de las cuales

destacan las de los ríos Papaloapan con el 22.8% del total, Jamapa y otros con 8.8%, y la del río

Soto La Marina con el 7 .6 por ciento.

Con base en la información de 177 plantas de tratamiento de aguas residuales industriales, la

Comisión Nacional del Agua indica que el total tratado es de 5 .3 m3 /seg lo que representa el 7%

de lo generado. Expresado en términos de población, la masa de contaminantes descargados por

industrias que no están conectadas a redes municipales de alcantarillado es equivalente a la masa

de contaminantes producida por 65 millones de habitantes (Tabla 1.5).

Cuenca hidrológica Carga (toneladas/ día) Porcentaje

Total 4920 100.0

Río Papaloapan 1120 22.8

Río Jamapa y otros 432 8.8

Río Soto la Marina 372 7.6

Río Bravo - Río San Juan 185 3.8

Río Tamuín 168 3.4

Río Pánuco 148 3.0

Río Yaqui 145 2.9

Río Coahuayana 139 2.8

Río Balsas - Infiernillo 132 2.7

Otras 2079 42.3 1 Demanda Bioquímica de Oxigeno

TABLA 1.5. CARGA DE DBO EN CUENCAS SELECCIONADAS, 1994 [2].

Se estima que para el año 2000 la demanda total de agua potable será de 9.4 km3 (299 m3/seg) y

se generarán 7.7 km3 de aguas residuales con una concentración de 1.95 millones de toneladas de

DBO al año, de las cuales 6.3 km3/año (200 m3/seg) se captarán en el alcantarillado, con un

contenido de 1.49 millones de toneladas anuales de DBO.

En cuanto a eutroficación, este proceso puede llevar a la total degradación de los cuerpos de agua.

En particular, el fósforo presente en los cuerpos de agua refleja contaminación por detergentes

15

( domésticos e industriales), al mismo tiempo que indica la posible captación de descargas no

puntuales como el arrastre de fertilizantes en los lixiviados de la agricultura.

Las elevadas concentraciones de fósforo se relacionan con el problema de eutroficación acelerada

y la aparición consecuente de malezas acuáticas. En aguas no contaminadas, la concentración de

fósforo va de 0.005 a 0.02 mg/litro. En varias regiones se tienen concentraciones superiores a 0.5

mg/litro; las regiones con este tipo de problemas son: Baja California Norte, Baja California

Centro, Sonora Sur; los ríos: Bravo, Conchos, Presidio, San Pedro, Lerma Santiago, Bajo Pánuco,

Bajo Balsas, Coatzacoalcos y Grijalva Usumacinta y las presas Amistad y Falcón. Además, el

contenido de fósforo en varios de los cuerpos de agua corresponde a la presencia importante de

malezas acuáticas.

1.2.3 Agua potable.

En materia de agua potable y alcantarillado [2], de 1990 a 1995, cerca de 12.2 millones de

habitantes se incorporaron al servicio de agua potable, y aproximadamente 18.1 millones al de

alcantarillado. La cobertura actual de la población con agua potable es de 83.5% y del 67% en

alcantarillado.

En el periodo 1990-1995 se alcanzó un crecimiento anual promedio de 4.06% en la cobertura de

agua potable y de 8.64% en alcantarillado, superiores al doble de la tasa de crecimiento de la

población. Este incremento contribuye a la reducción de la brecha que tradicionalmente se ha

presentado en la dotación de ambos servicios.

Plantas potabilizadoras: El suministro de agua de buena calidad en los sistemas de

abastecimiento es de importancia fundamental para la salud y el bienestar de la población, por lo

cual se construyen instalaciones específicas para potabilizar el agua, de acuerdo con la

normatividad establecida en la materia.

De 1994 a 1995 se incorporaron 56 plantas potabilizadoras de agua, capaces de procesar un

caudal de 2 mil 589 litros/seg de las cuales 36 son nuevas e incrementarán el gasto de operación

16

de mil 809 litros/seg, beneficiando a los estados de Durango, Guerrero, Sinaloa, Tabasco y

Tamaulipas.

En 1995 se reportaron 356 plantas potabilizadoras de las cuales 287 funcionaban procesando un

caudal promedio de 76 mil 617.5 litros/seg, que representan el 29% del volumen de agua

suministrada; se encuentran fuera de operación 69 plantas con una capacidad instalada de 2 mil

754 litros/seg (Tabla 1.6).

Año

1993

1994

1995

Totales En operación

289 222

300 233

356 287

Plantas construidas

Gasto (litros/seg)

69938.5

74028.5

76617.5

Fuera de operación

67

67

67

Gasto (litros/seg)

2912

2587

2754

TABLA 1.6. PLANTAS POT ABILIZADORAS MUNICIPALES, 1993 - 1995 [2].

En la actualidad se encuentran en construcción nueve plantas, con una capacidad total

aproximada de 3 mil 120 litros/seg, en los estados de Guerrero, México, San Luis Potosí, Sinaloa,

Sonora, Tabasco y Yucatán.

Con recursos del Programa de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento en Zonas Urbanas

(APAZU), se desarrollan acciones como las del Programa de Saneamiento de Cuencas

Hidrológicas, a través del cual, principalmente en la cuenca Lerma - Chapala. De 1988 a 1996 se

ha incrementado la capacidad de tratamiento en casi 39 m3/seg en 1996 se estimaba un total de

787 plantas de tratamiento, con una capacidad instalada de más de 52.8 m3/seg. Lo cual significa

un aumento de 564 plantas más que las existentes en 1988 (Tabla 1.7).

En 1995 se contaba con 680 plantas con capacidad para dar tratamiento a 1.5 km3 de aguas

residuales municipales al año ( 48.2 m3 /seg), pero sólo estaban en operación 469 (Tabla 1.8),

dando tratamiento a 1.3 km3 al año (41.7 m3/seg) [2], por lo que se descargaban al ambiente sin

tratar 6.0 km3 al año, dado que el volumen estimado de generación de aguas residuales

municipales es de 7.3 km3 al año (321 m3/seg).

17

El volumen tratado contrastaba también con el gasto total de aguas negras procedentes de

localidades urbanas, el cual en 1995 se estimaba en 5 .4 km3 al año (170 m3 /seg). El mayor

número de plantas de tratamiento se localiza en Aguascalientes (65), Veracruz (49), Nuevo León

(44) y Sonora (47).

Año Número de plantas Volumen tratado Remoción esperada

(m3/seg) (toneladas de DBO/día)

1988 223 14.0 302

1989 256 15.2 343

1990 310 19.3 418

1991 361 25.1 541

1992 577 29.1 627

1993 650 34.8 750

1994 666 35.7 771

1995 666 35.7 771

1996 787 52.8 1140

TABLA 1.7. PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES 1995 [2].

Entre 1992 y 1995 entraron en operación 75 plantas, incrementado con ello el volumen tratado en

11.2 m3 /seg con lo cual se llegó a las 469 plantas en operación antes mencionada y a un volumen

tratado de 41. 7 m3 /seg.

En operación Sin funcionar

Año Total Número Gasto (litros/seg) Número Gasto

(litros/seg)

1992 546 394 30 554 152 4 738

1993 650 454 30 726 196 4090

1994 666 461 32 065 205 5 723

1995 680 469 41 706 211 6466

TABLA 1.8. PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES, 1997 [2].

Si se mantiene el nivel de tratamiento actual y entran en operación las plantas proyectadas para el

año 2000, la CNA estima que para entonces se tendrá una capacidad de tratamiento de 148

18

m3 /seg, lo que representará el saneamiento de 69% del caudal total que se espera sea generado por

las poblaciones en ese año (215 m3 /seg).

1.2.4 Calidad de agua.

La calidad del agua puede establecerse con base en sus niveles o concentraciones de substancias

químicas u organismos [2], los cuales deben mantenerse por debajo de sus respectivos umbrales

para poder destinar el agua a actividades específicas.

El Índice de Calidad de Agua (ICA) que se utiliza en México agrupa varios parámetros capaces

de indicar un deterioro en la calidad de agua [2].

Es importante destacar que la calificación que se hace acerca de la calidad del agua y, en

consecuencia, los proceso de purificación que deban aplicarse, dependen del uso al que se

destine. Por ejemplo, el agua de calidad aceptable debe tener valores de ICA entre 70 y 90 si es

para uso agrícola, y entre 80 y 90 si es para su consumo como agua potable.

Si el agua alcanza estos valores del ICA, se requiere tratamiento de purificación menor para poder

destinarla a los usos mencionados, con la salvedad de que, en el caso del uso agrícola, sólo si se

destina a cultivos que requieren agua de alta calidad. Asimismo, agua con valores del ICA entre

50 y 70, requiere de manera indispensable tratamientos de purificación si va a ser usada como

agua potable, y en cambio, puede ser utilizada tal cual en la mayoría de los cultivos.

Las fuentes de abastecimiento de agua pueden convertirse en focos o vehículos de enfermedades

si no se toman las medidas de control adecuada. De la evaluación periódica y la comparación de

resultados de los análisis de las normas de calidad del agua, se desprenden actividades rutinarias

en el campo de la salud pública. Las principales fuentes puntuales de contaminación del agua se

han agrupado en los siguientes tres sectores:

Social: Integrado por las descargas provenientes de los residuos de usos domésticos, sanitario y

público que conforman las aguas residuales municipales.

19

Agropecuario: Representado por los afluentes de instalaciones dedicadas a la crianza y engorda

de ganado, lavado de legumbres, industrialización del coco, industrialización de limón, así como

por el retomo de aguas de los campos agrícolas.

Industrial: Conformado por las descargas originadas durante la extracción de recursos naturales y

la transformación de bienes de consumo y de servicios para satisfacer la demanda social.

La evaluación permanente de la calidad del agua de los ríos, arroyos, lagos, lagunas y embalses,

por medio de la Red Nacional de Monitoreo de la CNA desde los años setenta, ha permitido

conocer cuáles son los cuerpos de agua más contaminados. Asimismo, ha servido para establecer

las prioridades en la planeación y fortalecimiento de las acciones de saneamiento a corto,

mediano y largo plazo de tales cuerpos de agua.

Actualmente, la información sobre la calidad del agua incluye 793 puntos que cubren los

principales cuerpos de agua del país, sitios que se distribuyen de la manera siguiente: 383 sitios

para la vigilancia de 196 ríos, 224 para la supervisión de aguas subterráneas, 76 en 24 presas, 25

en drenajes, 24 en 13 canales, 20 para vigilar 12 zonas costeras, cinco para estuarios, 23 cubren

22 lagos y lagunas, 7 verifican otros tantos arroyos, y 6 a w1 número igual de cenotes. La Red

cubre toda las entidades federativas y se distribuye en 29 de las 27 regiones hidrológicas en que

está dividido el país. La actividad de la red consiste en recolectar 4 mil 12 muestras y determinar

96 parámetros de calidad del agua.

En 1994, en el ámbito nacional [2], cerca del 68% de las muestras de aguas superficiales

analizadas presentaban problemas importantes de contaminación: 59.1 % calificaba como

contaminada y 8.7% como fuertemente contaminada.

En el intervalo de valores más bajos del ICA (intervalo 0-40), el cual corresponde a las aguas

excesivamente contaminadas y por lo cual inaceptables para consumo humano, se ubicó el 18%

de las muestras antes aludidas, las cuales promediaron 31.86 como valor del ICA. Solamente el

7.1 % de las muestras analizadas calificó como la calidad aceptable, con un valor promedio del

ICA de 83.86, sin embargo, también requieren ser purificadas antes de ser destinadas a consumo

humano (Tabla 1. 9).

20

En el ámbito de las regiones administrativas de la CNA, del Valle de México, presenta los valores

más bajos del ICA correspondientes a las categorías de fuertemente contaminada (con 24% de las

muestras) y excesivamente contaminada (48% de las muestras).

Regiones

Administrativas

Total Nacional

Noroeste

Norte

Noreste

Lerma- Balsas

Valle de México

Sureste

Excelente

(90-100)

%2 Medial

Aceptable

(80-90)

%2 Medial

7.10 83.86

39.51 83.86

Indice de Calidad del Agua (ICA)

Levemente Contaminada

contaminada (70

- 80) (50 - 70)

%2 Medial %2 :\1edial

7.10 74.63 59.10 60.78

3.45 71.19 77.59 61.93

16.26 73.86 67.48 61.03

6.17 77.16 39.51 62.48

65.63 59.72

2.17 78.30 26.09 59.99

7.27 76.10 54.55 62.51

Fuertemente Excesivamente

contaminada contaminada

(40 - 50) (O -40)

%2 Media %2 Medial

8.70 45.71 18.00 45.71

1.72 50.01 17.24 29.18

6.50 48.55 9.76 30.28

7.41 45.39 7.40 32.08

4.69 46.17 29.69 33.68

23.91 43.86 47.83 31.18

16.36 45.04 21.82 33.91

1 Parámetros regularmente evaluados para la estimación del ICA:

Alcalinidad

Cloruros

Coliformes Fecales

Coliformes Totales

Color

Dureza Total

Fosfatos

Grasas y Aceites

Nitrógeno Amoniacal

Nitrógeno de Nitratos

Oxigeno Disuelto

Acidificación (pH)

Sólidos Disueltos Totales

Sólidos Suspendidos Totales

Turbiedad

Conductividad Demanda Bioqulmica de Oxígeno Sustancias activas al Azul de Metilo 2 Porcentaje de las muestras analizadas que se ubica en cada una de las categorías de calidad del agua del ICA

l Porcentaje del ICA de las muestras consideradas en cada categoría de calidad del agua.

ICA

Excelente.

Aceptable.

Levemente contaminada.

Contaminada

Fuertemente contaminada

No requiere purificación para consumo humano

Requiere purificación menor antes de consumirla

Sin purificación su consumo es riesgoso

Necesariamente requiere ser purificada

Consumo riesgoso

BIBLIOTECA

Inaceptable para consumo Inaceptable para consumo humano 1 :3 ~ 31 k TABLA 1.9. AGUAS SUPERFICIALES. INDICE DE CALIDAD DEL AGUA (ICA), 1994 [2].

El agua superficial de mejor calidad en el país, es decir, la considerada aceptable para el

consumo humano, se localiza en la región noreste, con 39.5% de las muestras de la región y con

una media en el ICA de 83.86.

21

En cuanto a la calidad del agua subterránea en el país, la Red de Monitoreo reportó que en 1994,

el 67.4% de las muestras analizadas calificó entre las categorías de agua contaminada (39.6%) a

fuertemente contaminada (27.8%).

Al igual que en las aguas superficiales, el tercer porcentaje más importante (24.9%) del agua

subterránea se encuentra en el intervalo de valores del ICA correspondiente a la categoría

excesivamente contaminada (Tabla 1.1 O).

A escala nacional [2], la mejor calidad del agua subterránea se encontró en el 7.7% de las

muestras analizadas, las cuales alcanzaron 73. 51 % como valor promedio del I CA, lo que las

calificó como aguas levemente contaminadas.

En 1991 la CNA puso en marcha el Programa Agua Limpia para garantizar la calidad

bacteriológica del agua que se destina al consumo humano directo y la que se comercializa

embotellada o en forma de hielo, así como para controlar los impactos del riego con aguas

residuales en cultivos que se consumen crudos. Además, se instrumentó el Programa de

Saneamiento con objeto de mejorar las condiciones sanitarias de ríos y lagos nacionales.

No obstante, las descargas de aguas municipales continúan utilizándose para el riego de cultivos

como forraje y maíz en más de 15 mil hectáreas de suelo agrícola; las que no se destinan a este

uso se vierten sin tratar, en su gran mayoría, en ríos, lagos, lagunas y aguas costeras.

Debido a lo anterior, en la actualidad existen 15 cuencas en las que es prioritario el control de la

contaminación.

Los lagos en los que es prioritario el control de la contaminación son: Almoloya, Catemaco,

Centenario, Chariel, Rodeo, Páztcuaro, Milagros y Chapala.

Asimismo, es importante realizar control de malezas acuáticas en las presas Solis (Guanajuato ),

Endhó (Hidalgo), Barraje de Ibarra y Melchor Ocampo (Michoacán), Marín y Valle de Bravo

(Estado de México); en el Lago de Chapala y en las lagunas de San Miguel Almaya y Zumpango;

y en los ríos San Juan, Lerma, Santiago, Alto Pánuco, Atoyac-Mixteco, Culiacán, Fuerte y Mayo.

Indice de Calidad del Agua (ICA)1

Entidad

Federativa

Excelente

(90-100)

Aceptable

(80-90)

Levemente

contaminada

(70 - 80)

%2 Media3 %2 Media3 %2 Media3

Total Nacional

Aguascalientes

Baja Calif. Sur

Chihuahua

Durango

Guanajuato

Jalisco

México

Michoacán

Yucatán

Zacatecas

7.7

18.8

36.4

3.3

73.51

72.32

74.5

71.38

1 Parámetros regularmente evaluados para la estimación del ICA:

Alcalinidad Dureza Total

Cloruros Fosfatos

Coliformes Fecales Grasas y Aceites

Coliformes Totales Nitrógeno Amoniacal

Color Nitrógeno de Nitratos

Contaminada Fuertemente

contaminada

(50 - 70) (40 - 50)

%2

39.6

43.8

33.3

63.6

11.1

33.3

42.9

56.7

Media3 %2

61.13 27.8

62.97

13.3

57.18 66.7

65.43

52.17

58.76

60.22

60.12

50.0

27.8

14.3

42.9

38.3

66.7

Oxígeno Disuelto

Acidificación (pH)

Media3

45.27

42.79

48.24

46.42

44.53

43.41

41.96

45.48

44.99

Sólidos Disueltos Totales

Sólidos Suspendidos Totales

Turbiedad

22

Excesivamente

contaminada

(O -40)

%2 Media3

24.9 32.42

37.5 29.35

86.7 32.51

38.9 32.40

38.9 34.68

85.7 31.01

14.3 28.70

1.7 40.20

33.3 38.62

Conductividad Demanda Bioquímica de Oxigeno Sustancias activas al Azul de Metilo 2 Porcentaje de las muestras analizadas que se ubica en cada una de las categorías de calidad del agua del ICA 3 Porcentaje del ICA de las muestras consideradas en cada categoría de calidad del agua.

ICA

Excelente.

Aceptable.

Levemente contaminada.

Contaminada

Fuertemente contaminada

Inaceptable para consumo

No requiere purificación para consumo humano

Requiere purificación menor antes de consumirla

Sin purificación su consumo es riesgoso

Necesariamente requiere ser purificada

Consumo riesgoso

Inaceptable para consumo humano

TABLA 1.1 O. AGUAS SUBTERRANEAS. ÍNDICE DE CALIDAD DEL AGUA (ICA), 1994 [2].

Entre 1993 y 1994 se incrementó en 13 mil 281 litros por segundo (5.6%) el suministro de agua

desinfectada a través de equipos doradores y plantas potabilizadoras municipales (Tabla 1.11 ).

23

Entidad Agua Agua % Agua Agua % Incremento

federativa suminis- desinfec- suminis- desinfec- de agua

trada (1993) tada trada tada (1994) desinfec-

(1993) (1994) tada (%)

Total 249692 237149 95.0 261290 250430 96.0 0.06

Aguascalientes 3380 3290 97.3 3530 3450 97.7 4.90

Baja California 5980 5940 99.3 5990 5940 99.1 0.00

Baja California Sur 1770 1760 99.4 1770 1760 99.4 0.00

Campeche 1010 1010 100.0 1020 1020 100.0 0.10

Coahuila 9706 9453 97.4 6430 6320 98.3

Colima 2190 1980 90.4 2190 2030 92.7 2.50

Chiapas 5130 5090 99.2 5460 5460 100.0 7.30

Chihuahua 12500 11690 93.5 13240 13030 98.4 11.50

Distrito Federal 36500 36500 100.0 36500 36500 100.0 0.00

Durango 5476 4966 90.7 3200 3200 100.0

Guanajuato I0150 8440 83.2 10150 8500 83.7 0.70

Guerrero 5840 5640 96.6 5840 5640 96.5 0.00

Hidalgo 3500 3160 90.3 3500 3160 90.3 0.00

Jalisco 18630 18160 97.5 18630 18450 99.0 l.60

México 29000 27380 94.4 32700 32180 98.4 17.50

Michoacán 8020 6520 81.3 8300 6900 84.l 7.00

Morelos 4250 4220 99.3 4700 4300 91.5 l.90

Nayarit 2790 2750 98.6 2790 2750 98.6 0.00

Nuevo León 10250 IOOIO 97.7 12200 11270 92.4 12.60

Oaxaca 4650 4620 99.4 5000 4940 98.8 6.90

Puebla 7270 6990 96.1 7270 7030 96.7 0.60

Querétaro 3900 3240 83.1 4430 4000 90.3 23.40

Quintana Roo 2200 2200 100.0 2220 2220 100.0 0.00

San Luis Potosi 5220 4750 91.0 5220 4750 91.0 0.00

Sinaloa 8050 7360 91.4 8060 7430 92.2 0.90

Sonora 6830 6590 96.5 6830 6620 97.0 0.50

Tabasco 4480 4390 98.0 4480 4440 99.1 l.10

Tamaulipas 8000 6960 87.0 8000 6950 86.9 0.10

Tlaxcala 1430 1430 100.0 1430 1430 100.0 0.00

Veracruz 13400 13140 98.1 13600 13400 98.5 l.90

Yucatán 3940 3930 99.7 5890 5840 99.2 48.60

Zacatecas 4250 3590 84.5 5100 4480 87.8 24.80

TABLA 1.11. AGUA DESINFECTADA 1993 - 1994 (LITROS/ SEGUNDO) [2].

Sin embargo [2], la presencia en el agua de microorganismos contaminantes como los de la

especie Escherichia coli, y de los géneros Enterobacter, Klebsiella, Salmonella, Shigella y

Proteus, entre otros. La mortalidad causada por infecciones intestinales disminuyó a menos de la

24

mitad entre 1990 y 1995, al pasar de 22 mil 196 defunciones generales en el primer año, a 9 mil

585 en el segundo; la excepción a este comportamiento general la representa el cólera,

enfermedad que ha aumentado a más del doble entre 1992 y 1995 al pasar de 69 a 143

defunciones, mientras que en 1990 no se registró ninguna defunción por esta causa.

1990 1992 1995

Causas Meno- De Meno- Todas Meno- De Meno- Todas Meno- De 1 Meno- Todas

res de a 4 res de 5 las res de a 4 res de las res de a 4 res de las

1 año años años edades 1 año años 5 años edades 1 año años 5 años edades

Total 9886 4125 14011 22196 5153 2062 7215 14191 3500 1364 4864 9585

nacional

Cólera 3 4 69 9 6 15 143

Fiebre 58 66 124 591 26 25 51 333 19 14 33 230

tifoidea

Shige- 45 35 80 145 26 21 47 97 15 11 26 60

losis

Intoxi- 55 68 123 572 24 30 54 378 22 19 41 291

cación

alimen-

taria

Amibia- 177 134 311 1114 75 71 146 674 70 52 122 492

sis

Infección 276 125 401 530 151 51 202 314 95 36 131 205

intestinal

debida a

otros

organis-

mos

Infección 9275 3696 12971 19233 4850 1861 6711 12324 3270 1226 4496 8161

intestinal

mal

definida

Las 11 2 3

demás

causas

TABLA 1.12. MUERTES POR ENFERMEDADES INTESTINALES 1990, 1992 Y 1995 [2].

Finalmente [2], la disminución en la mortalidad causada por enfermedades intestinales ha sido

desigual entre las entidades que integran la federación; las mayores disminuciones entre 1990 y

25

1995 se registraron en siete entidades, en las cuales las diminuciones fluctuaron entre 60 y 70 %

( destacan Durango con 70% y Oaxaca con 68% ). Sin embargo, en 1995 las menores tasas de

defunciones por infecciones intestinales se registraron en Nuevo León y Baja California Sur

(Tabla 1.13).

La evaluación de la calidad del agua, iniciada en 1975, con :resultados disponibles hasta 1995,

indica que en el ámbito de regiones hidrológicas, los problemas de contaminación más altos (ICA

entre O y 50%) se encuentran en las regiones hidrológicas números 12a, 18c, 24b y 26d,

específicamente en los siguientes cuerpos de agua:

Región hidrológica 12a: los ríos Calvillo, Grande de Morelia, San Pedro, Guanajuato, Los

Gómez, Turbio, Lerma, arroyo Mezapan, laguna de Almoloya y el embalse de la presa Niágara.

El alto grado de contaminación de estos cuerpos de agua se debe a que en la región se encuentra

asentada una cantidad considerable de poblaciones tales como Querétaro, Toluca, León, Morelia,

Zamora, La Piedad, Guanajuato, Salamanca, Irapuato y San Francisco del Rincón, entre otras. La

actividad industrial se concentra en el corredor industrial ToJuca - Lerma, en las zonas urbano -

industriales de Querétaro, del río Grande de Morelia, de Celaya-Salamanca-Irapuato, y en la de

León. Adicionalmente a las descargas de aguas residuales de tipo municipal como industrial,

existen descargas de las granjas porcícolas de Abasolo - La Piedad, así como los retornos

agrícolas que incorporan importantes cantidades de contaminantes en los cuerpos de agua en los

distritos de riego.

Región hidrológica 18c: los ríos Zahuapan, Atoyac, Alseseca, San Francisco, Apatlaco, Nexapa y

el embalse de la presa Villa Victoria.

El alto grado de contaminación de estos cuerpos de agua se debe a que la región se encuentran

ciudades importantes como: Puebla, Tlaxcala, Atlixco, San Martín Texmelucan, Izúcar de

Matamoros y Chilpa, las cuales se caracterizan por su constante crecimiento urbano y su

consecuente descarga de aguas residuales. También existe un importante desarrollo industrial

basado principalmente en la industria automotriz, química, alimentaria y textil, así como

actividad agrícola la cual es beneficiada por el distrito de riego Valsequillo.

26

Región hidrológica 24b: los ríos Pesquería y Talavera, arroyos Ayancual. La Encantada y

Topochico, y la laguna La Escondida.

Entidad federativa Defunciones Tasa 1 Defunciones Tasa 1 Defunciones Tasa 1

Total 22196 27.32 14191 16.57 9585 10.52

Aguascalientes 141 19.59 76 9.86 61 7.07

Baja California 197 11.86 137 7.18 117 5.55

Baja California Sur 32 10.07 19 5.40 13 3.46

Campeche 127 23.73 110 19.32 73 11.37

Chiapas 175 8.87 124 6.08 114 5.25

Chihuahua 95 22.17 50 10.90 38 7.80

Coahuila 2525 78.65 1790 52.09 1107 30.69

Colima 384 15.73 167 6.67 177 6.34

Distrito Federal 988 12.00 639 7.72 585 6.90

Durango 116 8.60 69 4.95 35 2.45

Guanajuato 1548 38.87 858 20.57 612 13.93

Guerrero 693 26.44 614 22.47 335 11.49

Hidalgo 434 22.98 263 13.52 153 7.25

Jalisco 920 17.35 490 8.61 359 5.99

México 3144 32.03 1969 18.39 1294 11.06

Michoacán 693 19.53 475 12.76 330 8.53

Morelos 255 21.34 188 14.93 148 10.26

Nayarit 128 15.52 58 6.65 54 6.03

Nuevo León 241 7.78 133 3.99 103 2.90

Oaxaca 2649 87.73 1741 54.29 858 26.61

Puebla 2138 51.82 1479 33.56 942 20.37

Querétaro 415 39.48 204 18.11 150 12.01

Quintana Roo 85 17.23 51 8.83 44 6.25

San Luis Potosi 596 29.75 302 14.46 254 11.59

Sinaloa 168 7.62 127 5.42 112 4.62

Sonora 305 16.73 204 10.93 142 6.82

Tabasco 394 26.24 189 11.85 143 8.18

Tamaulipas 247 10.98 119 5.06 113 4.47

Tlaxcala 254 33.36 179 22.02 111 12.56

Veracruz 1513 24.29 989 15.44 688 10.22

Yucatán 330 24.21 222 15.97 196 12.60

Zacatecas 257 20.14 148 11.30 110 8.23

1Por 100000 habitantes

TABLA 1.13. MUERTES POR ENFERMEDADES INTESTINALES POR ESTADO 1990, 1992 Y 1995 [2].

27

El alto grado de contaminación de estos cuerpos de agua se debe a que reciben aguas residuales

de poblaciones como Monterrey, Saltillo, Monclova, Sabinas, Chihuahua, Ciudad Camargo,

Ciudad Jiménez, Hidalgo del Parral, Delicias, Ojinaga, Ciudad Juárez, Matamoros, Reynosa y

Nuevo Laredo, así como de actividades industriales como la petroquímica, química, metal básica,

minera no metálica, celulosa y papel, automotriz, alimentos, textil y cemento; además existen

descargas de aguas de retomo agrícola.

Región hidrológica 26b: los ríos San Buenaventura, Churubusco, Magdalena, Tula. Los

Remedios, Alfajayucan, San Juan, Salado, Tepeji, laguna Los Reyes y el embalse de la presa

Constitución de 1917. El alto grado de contaminación se debe principalmente a que en la región

se encuentra establecida la Zona Metropolitana de la Ciudad de México, en la cual se concentra

cerca de la quinta parte de la población del país y un alto porcentaje de la industria.

En general [2], los altos índices de contaminación de los cuerpos de agua de estas regiones se

deben a que en ellas se encuentran establecidos los principales centros de población y de

desarrollo industrial del país, los cuales drenan, directa o indirectamente, grandes volúmenes de

aguas residuales a los cuerpos de agua, los que, debido a los volúmenes tan pequeños que

transportan actualmente, no tienen capacidad para asimilar y diluir los contaminantes vertidos. En

estos cuerpos de agua se realizan los mayores esfuerzos de control de la contaminación.

Los cuerpos de agua que no presentan problemas de contaminación (ICA entre 70 y 100%) son: el

río Piaxtla en la región hidrológica 1 O; el embalse de la presa Plutarco Elías Calles en la región

12a; los ríos Manialtepec y San Francisco en la región 21; los ríos Atoyac o Verde y Quetzala en

la región 20; el embalse de la presa Benito Juárez en la región 22; el río Blanquillo en la región

24b; el río Purificación en la región 25; los ríos Calabozo y Gallinas y el embalse de la presa

Emilio Portes Gil en la región 26a; y el río Palizada en la región 30.

La mayoría de los cuerpos de agua presenta una calidad que se considera adecuada para su

aprovechamiento, bajo ciertas condiciones de tratamiento, en las diferentes actividades

mencionadas (con valores del ICA entre 50 y 70%). Sin embargo, la mayoría muestra una

tendencia a incrementar su contaminación, debido al crecimiento de la población y actividades

económicas en las poblaciones que descargan sus aguas directas o indirectamente a ellos.

28

Se están atendiendo las necesidades de control de la contaminación en aquellos cuerpos de agua

que presentan el mayor grado de contaminación.

Por último, con relación a los agentes contaminantes, se puede afirmar que el principal problema

de contaminación de las aguas nacionales superficiales deriva de la presencia de microorganismos

patógenos, seguida de las grasas y aceites, ortofosfatos, sólidos, disueltos y sustancias activas al

azul de metileno.

1.2.5 Participación institucional.

El Programa Agua Limpia fue establecido en 1991 para reforzar el control de la calidad del agua

[2], con el objetivo de garantizar que el recurso hidráulico cumpla con las normas de calidad para

los usos que se destina; a finales de 1993, la CNA puso en marcha la segunda etapa de dicho

Programa. Los resultados obtenidos a más de cinco años de vigencia del programa son

considerables.

Respecto de las 250 localidades que en 1991 contaban con sistema de desinfección ( cloración), en

febrero de 1997 más de 17 mil 490 localidades disponían de agua con infraestructura de

desinfección, beneficiándose 72. 7 millones de habitantes aproximadamente. El número de

hectáreas irrigadas con aguas residuales sin tratamiento, usadas en el riego de verduras y

hortalizas que se consumen crudas, descendió de más de 24 mil a 180 hectáreas, beneficiando a la

población consumidora y a los trabajadores del campo que se exponen al contacto directo con

este tipo de aguas

Dada la problemática por infestación de malezas acuáticas a escala nacional, se elaboró el

programa de Control de Malezas Acuáticas (PROCMA), con la finalidad de buscar la

restauración y protección de los medios acuáticos mediante la aplicación de métodos de control

que permitan llevar a límites manejables, todas aquellas poblaciones de macrofitas acuáticas que

además efectúan el uso del agua y el manejo óptimo de la infraestructura hidráulica nacional; el

PROCMA utiliza diversos métodos conocidos a nivel mundial, los cuales son manuales

mecánicos, químicos y biológicos.

29

Con la aplicación de estos métodos, en 1995 se destacan la limpieza total de los embalses:

Centenario (Querétaro ), Urepetiro y Barraje de !barra (Michoacán), así como Requena (Hidalgo),

lo que representó liberar de lirio acuático una superficie de mil 269 hectáreas. Al mismo tiempo,

se mantuvieron en bajos niveles de infestación las presas Trigomil, Tacotán, Miraplanes y

Hurtado en el estado de Jalisco, así como las presas Madín y Valle de Bravo en el Estado de

México, beneficiándose una superficie del orden de las 3 mil 600 hectáreas.

En 1996 sobresalen los trabajos de limpieza total de lirio acuático en los embalses: José Antonio

Alzate (Estado de México), Manuel Ávila Camacho (Puebla), Solís (Guanajuato) y Endhó

(Hidalgo), integrándose una superficie atendida de 4 mil 235 hectáreas, con lo que se beneficio

una superficie inundada de 8 mil 909 hectáreas. En este mismo año se pusieron en marcha

controles a nivel de cuenca, destacándose los instrumentos en tres corrientes tributarias del Lago

de Chápala: Lerma, Duero y Zula. Con ellos, se empezó a resolver la problemática de este cuerpo

de agua, al reducirse los aportes de esta maleza flotante proveniente de aguas arriba.

1.3 PROBLEMÁTICA.

El agua es un recurso esencial para la supervivencia de los ecosistemas de nuestro planeta, así

como para los procesos industriales. Pero a pesar de que el agua es un recurso que a escala

mundial es abundante (aparentemente), el problema del consumo de agua potable y la

disposición de las aguas residuales, cada día toma mayor importancia debido al aumento de la

población.

En nuestro país, estos problemas no nos son ajenos, ya que:

• Sólo el 95% del agua para consumo humano se logra potabilizar antes de ser suministrada a la

población.

• De las aguas negras generadas, con la infraestructura actual, sólo el 7% puede ser tratada para

su posterior recuperación.

• La tercera causa de defunción en el país es debida a las enfermedades gastrointestinales.

30

• La legislación actual no es aplicada con suficiente rigor a las entidades que contaminan los

cuerpos de agua nacionales.

Por lo que la solución a estos problemas, requiere una pronta atención para que en un futuro el

país que le heredemos a las siguientes generaciones, cuente con los recursos en calidad y

cantidad, que la creciente población demande.

1.4 JUSTIFICACIÓN.

Muchos de los problemas anteriormente citados, requieren una inmediata respuesta proveniente

de muchas organizaciones en el país, dentro y fuera del ámbito gubernamental, junto con una

infinidad de programas y recursos. Por estas limitaciones, sería imposible dentro de este trabajo

dar una solución adecuada a todos ellos.

Por lo tanto, este trabajo se enfocará al diseño de un dispositivo para desinfectar agua por medio

de ozono, para así contribuir al desarrollo sustentable de nuestro país y hacer que un mayor

número de habitantes, que aún no cuentan con agua potable, tengan acceso a ella y así limitar las

enfermedades gastrointestinales que tanto aquejan a nuestra población.

1.5 OBJETIVO.

Dado el alarmante número de defunciones en el país por efectos de las enfermedades provocadas

por agua contaminada, es propósito de este trabajo proponer una solución que se agregue a las ya

existentes como la cloración y la aplicación de rayos ultravioleta, pero que no tenga efectos

colaterales y que sea aún más efectiva que las descritas anteriormente.

La utilización del ozono, para la desinfección de agua ofrece una nueva luz para satisfacer los

nuevos requerimientos de calidad en el agua. Además, los dispositivos que existen para el

proceso de desinfección por ozono, en los mercados doméstico como extranjero, tienen una alto

costo de adquisición, así como representan una gran carga económica dado el momento de reparar

o mantener en buen estado estos dispositivos. Lo que provoca que su uso no sea difundido, a

31

pesar de las ventajas que ofrece. Por lo que a través de los procesos de manufactura y del diseño,

que nos permiten ofrecer nuevas alternativas a los usuarios, se propondrá una solución más

económica y funcional que las ya existentes en el mercado.

Por tanto, el objetivo de este trabajo es:

• Diseñar y construir un prototipo de un generador de ozono para desinfectar agua, utilizando

aire.

De este objetivo general se desprenden los siguientes objetivos específicos:

• Diseñar y construir un cámara de generación de ozono por descarga silenciosa.

• Diseñar y construir un fuente de alto voltaje.

• Diseñar y construir un sistema de mezcla de ozono-agua.

• Evaluar el desempeño del desinfectador de agua por medio de mediciones de ozono contra los

parámetros más representativos dentro del diseño.

• Evaluar la factibilidad técnico-económico del prototipo.

1.6 ORGANIZACIÓN DEL TRABAJO.

En el capítulo 2 se revisarán los conceptos más importantes sobre plasmas fuera de equilibrio.

Además se estudiarán los aspectos más relevantes concernientes al ozono y los dieléctricos. En el

capítulo 3, se mencionarán los aspectos teóricos que se involucran para la construcción del

prototipo que se desarrollará. En el capítulo 4 se hablará acerca de la construcción y pruebas del

generador de ozono y se mostrarán las gráficas de concentración de ozono contra los parámetros

de operación más importantes. En el capítulo 5 se mostrarán los resultados de un estudio de

factibilidad económica del proyecto. Por último en el capítulo 6 se darán las conclusiones y

sugerencias resultantes de este trabajo.

32

CAPÍTULO 2.

2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS.

Antes de iniciar con el desarrollo del trabajo, es necesario re,:apitular sobre algunos conceptos

que son muy importantes para la generación de ozono, por lo que en este capítulo se darán los

principales conceptos de los plasmas, en especial los que están fuera de equilibrio, así como la

forma en la que se generan y se hará hincapié en el mecanismo de la descarga silenciosa.

Posteriormente se hablará de los aspectos generales del ozono y de los dieléctricos.

2.1 PLASMA

El término plasma fue primeramente utilizado por lrving Langmuir en 1926 para describir la

región interna de una descarga eléctrica [3]. Posteriormente,. la definición fue modificada para

definir el estado de la materia en la que un número significante de átomos y/o moléculas están

eléctricamente cargadas o ionizadas. La primera forma de w1 plasma observada fue la columna

positiva de una descarga brillante, en la que un número igual de iones positivos y electrones está

presente.

El plasma se define como un sistema eléctricamente neutro compuesto por portadores de carga

positivas y negativas. El grado de ionización del plasma puede variar desde muy bajo, hasta

extremadamente alto, tal y como se presentan en los sistemas estudiados en el área de las

reacciones nucleares.

Si los iones positivos se encuentran fijos, como en un sólido, y los electrones tienen movimiento,

el sistema puede ser catalogado como un plasma de estado sólido. Los plasmas líquidos existen

en soluciones de sales en donde los iones positivos y negativos se mueven separadamente. En este

trabajo sólo los plasmas en estado gaseoso son considerados, esto es, el estado en el que las

cargas eléctricas pueden moverse libremente a través del gas, usualmente bajo la influencia de un

campo eléctrico, con lo cual el gas está ionizado. Dentro de estas regiones los gases pueden

mostrar una gran variedad de propiedades fisicas y químicas totalmente diferentes a las

encontradas en condiciones normales.

33

Una condición para el plasma, es de que siempre es neutro. Por tanto, una definición más

específica de plasma es la referente al ensamble de partículas c:argadas positiva y negativamente

acomodadas de tal manera que forman externa e internamente campos electrostáticos. Esta

neutralidad eléctrica es sólo verdadera desde el punto de vista macroscópico. Si se enfoca la

atención en una sola de las partículas cargadas dentro del plasma, tal y como un ion positivo, su

campo radial inducirá una separación de las cargas de vecinas.

La concentración de los iones positivos y negativos están descritas por la ley de distribución de

Boltzmann:

_eV/ n+ =ne /kr

p

eV/ n =ne /kr

e p

(Ec. 2.1)

(Ec. 2.2)

donde np es la densidad de cualquiera de las partículas cargadas en el plasma como un todo y debe

ser la misma para las partículas con ambas polaridades, para satisfacer la neutralidad a nivel

macroscópico. Asumiendo que la energía potencial es mucho menor a la energía térmica, se tiene:

eV << kT (Ec. 2.3)

Por lo que las ecuaciones anteriores se transforman en:

(Ec. 2.4)

(Ec. 2.5)

Las partículas cargadas dentro de dicho sistema, se acomodan en una distancia de una longitud de

Debye, A.o, por lo que se alcanza la neutralidad de carga local aún en regiones mayores a la

longitud de Debye.

Para una densidad de electrones Ne a una temperatura Te, la longitud Debye está dada por:

34

(Ec. 2.6)

Para un plasma confinado, el criterio arriba citado se satisface si las dimensiones físicas del

sistema de confinamiento, son mayores comparadas con la longitud de Debye y si existe un

número suficiente de electrones dentro de una esfera con un radio A.o que formen una envoltura.

Para el caso de una geometría cilíndrica de radio R0 el criterio para el plasma es:

(Ec. 2.7)

además:

Ne<< 1.9 X 106 T/ (Ec. 2.8)

El comportamiento de un plasma difiere de un gas neutral en:

1. Los plasmas pueden ser influenciados fuertemente por campos magnéticos y eléctricos.

2. Los plasmas pueden conducir electricidad, muchas veces mejor que el cobre.

3. Las fuerzas de largo alcance en un plasma compiten con su altamente complicado

comportamiento colectivo.

Este trabajo se enfocará al estudio de la química dentro del volumen del plasma. De esta forma, el

aparato más simple donde se lleva a cabo la descarga, consiste de dos electrodos, y el volumen de

descarga en sí (Figura 2.1 ).

En el volumen de descarga [4], se lleva a cabo la interacción entre las partículas cargadas que

tienen cierta aceleración (electrones y iones) y otras especies químicas (como átomos, moléculas

y radicales).

Esta interacción puede conducir a la destrucción de ciertas especies químicas. Por ejemplo, una

molécula puede llegar a estar tan excitada, que se pueda disociar.

Electrodo

1

t -

-

Volumen de descarga

Campo eléctrico Densidad del gas Presión Temperatura del gas Temperatura del electrón

-- -Fuente de e:nerg(a (AC, DC, Pulsos)

Electrodo

1

t -

E n p T Te

~

FIGURA 2.1. ELEMENTOS DEL VOLUMEN

DE DESCARGA [4].

35

Además puede provocar la síntesis o creación de nuevas especies químicas. Los átomos y

moléculas excitados son mucho más reactivos que los que se encuentran a niveles estables. Por

tanto, es deseable controlar ciertos parámetros del plasma para que ciertas reacciones se lleven a

cabo y evitar en la medida de lo posible, que otras se produzcan.

Durante este proceso, se debe prestar mucha atención a dos aspectos de los plasmas:

1. Los requerimientos para la iniciación y sustentación del plasma.

2. Las especificaciones de los procesos químicos inducidos en ese plasma.

2.1.1 Los plasmas fuera de equilibrio.

Como anteriormente se ha mencionado, los plasmas son una colección de partículas cargadas

positiva y negativamente [4], es decir iones y electrones. En este trabajo se considera el caso de

plasmas con baja ionización. Esto significa que la densidad total de partículas cargadas es mucho

menor que el total de la densidad de partículas neutras.

36

Los plasmas en cuestión son casi neutros, lo que significa que el total de la densidad de los

portadores de carga positiva es prácticamente igual al total de la densidad de portadores de carga

negativa. Si se suministra suficiente energía a este tipo de plasmas, el campo eléctrico actuará

sobre las partículas cargadas e impartirá energía a éstas. Mientras que las partículas neutras no

son afectadas directamente por el campo. Los electrones, que tienen menor masa, son acelerados

inmediatamente a altas velocidades a diferencia de los iones positivos, que son más pesados. La

energía que los electrones pierden en las colisiones, es cedida a. las partículas vecinas.

Si la presión es muy baja o el campo es extremadamente fuerte, los electrones y algunos iones, en

promedio, tendrán una energía cinética que será mayor a la energía correspondiente al

movimiento aleatorio de las moléculas. En este caso, se habla de un plasma fuera de equilibrio. Si

por otro lado, la presión es tan alta que haga que las partículas no puedan moverse muy lejos entre

sí antes de la siguiente colisión o si el campo es muy débil, la energía cinética de las partículas

cargadas tenderá a ser igual a la energía de las partículas neutras, es decir un estado de

equipartición de energía. En este caso se tiene un plasma en equilibrio, esta situación es la que

sufren los plasmas a muy altas temperaturas.

A altas temperaturas, el número de colisiones entre todas las partículas se incrementa a tal grado

que la energía es equitativamente distribuida en todas las partículas y en todos los grados de

libertad. Así, a los plasmas en equilibrio se les conoce como plasmas calientes, mientras que los

plasmas fuera de equilibrio, se les conoce como plasmas fríos.

Un importante parámetro a considerar para los plasmas fuera de equilibrio, es la denominada

reducción de campo, E / n, que es el cociente del campo eléctrico E aplicado sobre la densidad

neutral del gas, n. En la fisica de las descargas [4], este parámetro tiene su propia unidad que es

llamada Townsend (Td). Un Td equivale a 10·17 Vcm2• La reducción de campo determina la

energía de los electrones dentro del plasma. Además es la medida de la fuerza de ruptura del

plasma. En un gas típico como el oxígeno (02), el nitrógeno (N2) o el aire, el rompimiento se

efectúa alrededor de los 100 Td.

La reducción de campo también determina cuando el plasma se encuentra en equilibrio o no. Sólo

a valores muy bajos de E/ n ( < 1 Td) entonces la energía cinética de los electrones es casi igual a

37

la energía cinética de las partículas más pesadas y se espera que el plasma se encuentre en

equilibrio.

Las ventajas inherentes de las descargas no equilibradas sobre las descargas equilibradas son las

siguientes: si se desea excitar sólo una pequeña fracción de los átomos o moléculas de un gas,

sólo la descarga no equilibrada puede dar a los iones y electrones la energía requerida. El resto del

gas es dejado casi intacto por lo que las pérdidas son mínimas.

2.1.2 Generación de los plasmas fuera de equilibrio.

Es costumbre dividir a los plasmas fuera de equilibrio en distintos grupos, dependiendo del

mecanismo utilizado para su generación, el rango de presión o la geometría de los electrodos.

A continuación, se enumeran los cinco tipos de descargas más representativas, que producen

plasmas fuera de equilibrio.

1. Descarga brillante.

2. Descarga de corona.

3. Descarga silenciosa.

4. Descarga de radio frecuencia o RF.

5. Descarga por microondas.

2.1.2.1 Descarga brillante.

La descarga brillante estacionaria es una descarga que ocurre a baja presión y razón alta de campo

reducido [4], que usualmente utiliza dos electrodos en un tubo cerrado (Figura 2.2).

Debido a que los electrones tienen mucha energía, estos pueden excitar a los átomos y moléculas

neutras fácilmente, por lo que se produce un típico brillo (por esto su denominación) que depende

de la clase de gas que se esté empleando dentro del tubo. Una razón de la popularidad de la

descarga brillante, es la utilización de una baja corriente y un bajo voltaje para que así se inicie el

proceso de descarga.

38

FIGURA 2.2. LA DESCARGA SILENCIOSA [4].

Esta es la descarga que se efectúa en un tubo fluorescente. Los parámetros típicos de las

descargas brillantes se resumen en la tabla 2.1.

Presión

Campo eléctrico

Reducción de campo

Energía del electrón

Densidad de electrones

Grado de ionización

< 10 mbar

10 V/cm

50Td

0.5 - 2 eV

1011 - 1011 cm·3

10-'6 - 10·3

TABLA 2.1. PARAMETROS CARACTERISTICOS DE LA DESCARGA BRILLANTE [4].

Por tanto, este tipo de descarga se ha convertido en una herramienta de laboratorio importante

para la investigación de la química de los plasmas.

Debido a las bajas presiones en la que opera y por el bajo flujo de masa correspondiente, este tipo

de descarga no se ha utilizado ampliamente en la producción de químicos a nivel industrial.

En la industria de la iluminación se tienen innumerables aplicaciones de la descarga brillante,

pasando desde los tubos neón usados para los anuncios de los comercios hasta los clásicos tubos

39

fluorescentes, sin olvidar las nuevas tendencias creadas por el uso de las lámparas ahorradoras de

energía.

2.1.2.2 Descarga corona.

La principal desventaja de la descarga corona [4], en aplicaciones industriales, es la

extremadamente baja presión a la cual opera. Si se requiere incrementar la presión, en

consecuencia, se debe incrementar el campo aplicado. Sin embargo, para presiones y campos

eléctricos muy altos, se encuentra normalmente que, la descarga se vuelve altamente inestable y

se llega a convertir en una descarga de alta corriente.

Una manera de estabilizar la descarga a alta presión, es el uso de electrodos geométricos no

homogéneos, por ejemplo un electrodo en forma de punta y un plano como en la figura 2.3, o un

alambre delgado.

_../,,,.. ----.-- ______ ...... ..

~--~ ···-....

FIGURA 2.3. LA DESCARGA CORONA [4].

A presión atmosférica, no necesariamente se requiere confinar la descarga. Un filamento de luz

(corona) muy localizado, es observado si el punto es negativo o una luz más homogénea en el

caso de un punto positivo. En ambos casos, el volumen expuesto a la acción de la corona es

mucho más pequeño que la descarga total del volumen. El comportamiento de las coronas

positivas y negativas son algo diferentes.

1. Corona Positiva. Existe un voltaje, que depende del radio del punto y el espaciado. Si el

voltaje se incrementa, se producen flujos típicos de un fenómeno de corona. Un voltaje aún

40

más alto transforma el flujo de la corona en una descarga brillante homogénea alrededor del

punto. Al incrementar el voltaje aun más, ocurren más rupturas y se presentan puentes con

chispas entre los espacios.

2. Corona Negativa. Una vez que el voltaje de la corona es excedido, se generan pulsos Trichel,

que son pulsos cortos de corriente con una frecuencia proporcional al voltaje aplicado y que

también dependen del radio del punto. Mientras más se incrementa el voltaje, un destello

brillante se desarrolla antes de que se complete la ruptura.

Debido al fenómeno de cambio en el espaciado en las vecindades del punto, la corona negativa es

menos sensible del radio de curvatura, y permite la existencia de campos eléctricos intensos que

pueden ionizar las moléculas neutras. Las principales características de la descarga corona se

listan en la tabla 2.2.

Presión

Campo eléctrico

Reducción de campo




1 bar

0.5 - 50 kV/cm

2- 200 Td

5 eV

1013 cm-3

Reducido.

TABLA 2.2. PARÁMETROS CARACTERISTICOS DE LA DESCARGA CORONA [4].

Debido al pequeño volumen de activación alrededor del punto, la descarga corona no es una

buena herramienta para la producción industrial de grandes cantidades de especies químicas.

Existen sin embargo, aplicaciones donde sólo concentraciones muy pequeñas de excitación o

especies de cargas son requeridas.

Un ejemplo típico son las precipitaciones electrostáticas o las máquinas de copiado, donde la

descarga corona es usada para producir partículas cargadas.

41

Otra posibilidad de aplicación a gran escala es el tratamiento de gases. También se usan las

descargas corona en sistemas de impresión de alta velocidad. Otra importante aplicación incluye

el tratamiento superficial de polímeros.

2.1.2.3 Descarga silenciosa.

Una característica de la descarga silenciosa es que una capa de dieléctrico [4], cubre al menos uno

de los electrodos, algunas veces a los dos. Por esta razón la descarga silenciosa es también

llamada como "descarga de barrera de dieléctrico", o simplemente, "descarga de barrera".

La descarga silenciosa se emplea para aplicaciones de volúme:nes químicos de plasma. Ésta tiene

varias ventajas inherentes sobre las descargas anteriormente mencionadas. Pues combina el gran

volumen de excitación de la descarga brillante con la alta presión en la descarga corona. Los

parámetros típicos de la carga de las descargas silenciosas están listados en la tabla 2.3.

Presión

Campo eléctrico

Reducción de campo




1 bar

0.1. - 100 kV/cm

1 -· 500 Td

1 .. 10 eV

1014 cm·J

10-4

TABLA 2.3. PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LA DESCARGA SILENCIOSA [4].

El dieléctrico es la clave de un funcionamiento apropiado de la descarga. Una vez que la

ionización ocurre en una localidad del espaciamiento de descarga, la carga transportada se

acumula en el dieléctrico. El campo generado por esta carga reduce el campo en el espaciamiento

e interrumpe el flujo de corriente después de algunos nanosegundos. La duración del pulso de

corriente depende de la presión y las características efectivas de ionización del gas así como, de

las propiedades dieléctricas. Con la aplicación de un voltaje sinusoidal cuya amplitud sea

suficiente, se produce un número muy alto de micro descargas.

42

Éstas están distribuidas aleatoriamente en espacio y tiempo. Con el máximo y el mínimo del

voltaje aplicado, el flujo de corriente es cero (dU/dt = O) y la actividad de las microdescargas se

detiene, sólo para reiniciarse después de que la ruptura del campo es alcanzada en el

espaciamiento durante la siguiente media onda.

El dieléctrico sirve para dos propósitos:

1. Limitar la carga transportada durante una microdescarga.

2. Distribuir las microdescargas a lo largo de toda el área del electrodo.

La descarga silenciosa es una excelente fuente de filamentos que contiene electrones energéticos.

En muchos casos la reducción de la ruptura del campo, corresponde a la energía del electrón que

es alrededor de 1 a 1 O e V. Este es el rango de energía ideal para la excitación atómica y de las

especies moleculares y de rompimiento de enlaces químicos.

2.1.2.4 Descarga de radio frecuencia o RF.

La descarga de radio frecuencia se ha utilizado ampliamente en el laboratorio para producir

plasmas para emisión espectrográfica y para investigaciones en el área química de los plasmas

[4].

La operación de los plasmas acoplados por inducción, se realiza por medio de electrodos que se

mantienen en el exterior del volumen de descarga, por lo que se! evita la erosión de los electrodos

así como la contaminación del plasma con los vapores del metal (Figura 2.4).

rf

~1-11 D

FIGURA 2.4 ARREGLO TÍPICO DE LA DESCARGA RF [4].

43

Dado que la longitud de onda del campo eléctrico es mucho mayor que la dimensión de la

cavidad, se pueden obtener plasmas razonablemente más homogéneos. Este tipo de descargas

pueden obtenerse a presiones bajas, pero pueden ser obtenidas a presión atmosférica. Las

descargas de radio frecuencia a bajas presiones, se han utilizado ampliamente en la etapa del

grabado en la manufactura de semiconductores. Como la frecuencia de colisión es mucho mayor

que la frecuencia del campo aplicado, la descarga se comporta de forma muy parecida a una

descarga de corriente directa. Esto implica que las condiciones de no equilibrio pueden ser

obtenidas a bajas presiones, considerando que los plasmas térmicos son generados a presiones

mayores que la atmosférica.

2.1.2.5 Descarga con microondas.

En la región de las microondas (0.3 - 10 Ghz) la longitud de onda del campo electromagnético se

hace comparable a las dimensiones de la cámara de descarga [ 4], que necesita otros mecanismos

de acoplamiento. Muchos de los plasmas inducidos por microondas son producidos en una guía

de onda o en cavidades resonantes. Así como las dimensiones de la cavidad disminuyen cuando la

frecuencia se incremente, la máxima frecuencia de las microondas utilizada en estas aplicaciones

resulta ser de menor a los 3 Ghz. Una frecuencia muy común es la de 2.45 Ghz que es utilizada en

los hornos de microondas.

Dado que a estas frecuencias solamente los electrones que tienen menor masa pueden moverse

bajo las oscilaciones del campo eléctrico, los plasmas con microondas normalmente están fuera

de un equilibrio termodinámico. Estos pueden ser obtenidos dentro de una amplio rango de

presión, comenzando desde 1 milibar hasta la presión atmosférica.

Por el hecho, de que pueden operar dentro de un rango muy amplio de frecuencias y presiones es

posible generar un gran volumen de plasma no equilibrado, con una aceptable homogeneidad. El

plasma, que es contenido en un tubo dieléctrico de algunos centímetros de diámetro, es

sustentado por ondas electromagnéticas que solamente utilizan la columna de plasma y el tubo

como medio de propagación. En algunos casos las columnas de plasma, llegan a tener longitudes

de hasta 4 metros de largo.

44

En vista del amplio rango de presión en la que este tipo de plasma puede ser generado, la

densidad de electrones se encuentra entre 108 y 10-15 cm-3•

Este tipo de plasmas ofrecen un campo muy amplio campo de investigación en el área de la

química de los plasmas.

2.1.3 Física y química de los plasmas fuera de equilibrio.

En los procesos plasmoquímicos siempre se involucran dos diferentes aspectos [4]: el primero se

refiere a la física de la descarga y el segundo es la correspondiente química de las reacciones del

plasma. Para poder entender la influencia de cada un de ellos, se tratarán de forma independiente.

En esta parte se describirán en forma concisa la parte de la física de la descarga, posteriormente

se hablará en los aspectos químicos del procesamiento de los plasmas.

2.1.3.1 Física de los plasmas fuera de equilibrio.

En la descarga brillante [ 4], los electrones están constantement1! ganando energía proveniente del

campo aplicado. Debido a la baja presión, estos no pueden choc:ar muy seguido con los electrones

que se encuentran en equilibrio lo que hace que no puedan alcanzar la estabilidad. Esta situación

es similar a lo que ocurre en la descarga de radiofrecuencia o en la de microondas.

En la descarga en corona o en la silenciosa, la situación es totalmente diferente. Aquí, debido a la

elevada presión, los electrones que están viajado a altas velocidades, transfieren su energía en

forma total hacia los átomos y moléculas circundantes. La fo1mación de arcos y de chispas es

controlada por la geometría de los electrodos utilizados.

La energía de los electrones es determinada por dos parámetros:

1. El campo total al que están sujetos.

2. Las colisiones con otras partículas.

45

2.1.3.2 Química de los plasmas fuera de equilibrio.

Para que se lleven a cabo las reacciones químicas en un plasma. se requiere que los electrones que

tienen alta velocidad [4], choquen y exciten a niveles mayores de energía a las moléculas del gas

circundante. Las moléculas excitadas pueden ahora, debido a. su alto nivel de energía interna,

disociarse o iniciar otras reacciones. Por lo que, es muy importante que la transferencia de energía

se haga con la mayor eficiencia posible. Esto ocurre durante las microdescargas.

2.2 LA DESCARGA SILENCIOSA.

La descarga silenciosa o descarga de barrera de dieléctrico [5], es una descarga de gas fuera de

equilibrio que puede ser obtenida a elevadas presiones (0.1 - 1 O bar). Este tipo de descarga se

aplica en los casos donde se requiere obtener gran cantidad de flujo de masa o en la que las

grandes presiones pueden influenciar de forma benéfica en la dinámica de la reacción requerida.

Un ejemplo ilustrativo para el primer caso es la generación industrial de ozono. En instalaciones

de gran tamaño, se requiere una producción de varios cientos de kilogramos por hora y de

potencias eléctricas de varios megawatts.

Las raíces históricas de la descarga silenciosa se encuentran en el siglo XIX. Ya en 1840,

Schonbein había identificado el ozono como un nuevo compuesto y en 1857 Siemens sugirió la

idea de una descarga especial que pudiera ser usada para producir ozono del aire o del oxígeno.

Siemens llamó a su procedimiento "electrólisis de una fase gaseosa", donde se utilizaron dos

tubos de vidrio coaxiales, los cuales mantenían una separación anular entre ellos, dos electrodos

externos colocados en forma coaxial alimentando un flujo de gas de forma axial. Actualmente

llamaremos a este dispositivo un ozonizador de descarga silenc.iosa. Claramente se observa que

este experimento de laboratorio sienta las bases de los actuales generadores de ozono a nivel

industrial.

Las primeras investigaciones sobre la formación de exímeros por descarga en gases, fueron

reportadas por Goldstein y Curtís en 1913. En dos publicaciom~s independientes, ellos reportan

acerca de las nuevas características del espectro de emisión en la descarga de helio, donde como

una primera interpretación de sus respectivos resultados supusieron una formación molecular.

46

En 1955, Tanakara realizó la observación de que la formación de exímeros por descarga en gases

se podría realizar por medio de la descarga silenciosa, pero abandonó la idea en favor de la

descarga pulsada, conocida después como Lámpara Tanaka. Las más recientes investigaciones

revelan que las fuentes eximidoras de ultravioleta se pueden realizar por medio de descarga

silenciosa, tal y como lo anuncian en sus respectivos trabajos Shuaibov y Shevera, Volkova et. al.

y por último Xu.

Otros aspectos relevantes de la descarga silenciosa han sido descubiertos y usados al paso del

tiempo, tal y como las investigaciones detalladas en descarga no homogénea y las propiedades de

las microdescargas individuales, debido a las avanzadas tecnologías que hasta ahora están

disponibles, como lo son los convertidores sensibles de imágenes y las técnicas de monitoreo de

corriente. La producción de ozono en forma industrial, es claro reflejo del uso de las herramientas

de la física y química de los plasmas, mencionadas anteriormente.

2.2.1 Teoría de la formación de la descarga silenciosa.

La descarga silenciosa usualmente ocurre en gases a altas presiones y consiste en una multitud de

filamentos de corriente de corta duración [ 5].

A continuación se identifican los mecanismos presentes en la descarga:

1. Formación de la descarga, a través del rompimiento eléctrico.

2. Transporte de la carga a través del espacio.

3. Excitación de átomos y moléculas presentes e iniciación de la cinética de las reacciones.

La duración de cada una de estas etapas varían en varios órdenes de magnitud. El rompimiento

eléctrico dura sólo algunos nanosegundos, el transporte de corriente usualmente dura de 1 a 100

nanosegundos y por último la química de formación puede durar algunos nanosegundos hasta

segundos.

Aquí se describirán los aspectos físicos de formación de la descarga silenciosa, las condiciones de

frontera, así como las ecuaciones matemáticas involucradas. A través de esta discusión de la

formación de las descargas se utilizará un modelo como se muestra en la figura 2.5, en la que dos

47

electrodos planos, colocados en forma paralela entre sí, donde al menos uno de ellos está cubierto

por un dieléctrico de espesor "g", y donde una separación de espesor "el' es también definida.

Dentro de esta separación se hace pasar un gas (a cierta tempeiratura y presión que se denota por

"t" y ''p" respectivamente) cuya densidad se denominará como "n".

Electrodo

~ Dieléctrico

~ Electrodo

//

~d

FIGURA 2.5. ARREGLO GEOMÉTRICO

DE LA DESCARGA SILENCIOSA [5].

2.2.1.1 El rompimiento eléctrico.

Por la aplicación de un voltaje [5], por ejemplo sinusoidal, en ambos electrodos metálicos se

induce un campo eléctrico dentro la separación, excediendo el respectivo campo reducido de

Paschen de la separación, se produce un rompimiento eléctrico.

El voltaje de Paschen está dado por el mínimo voltaje constante necesano para 1mc1ar el

rompimiento en la separación. A su vez, el campo reducido de Paschen es obtenido dividiendo el

voltaje de Paschen por el producto de la densidad del gas y la separación, es decir: "ncf'. Las

descargas silenciosas se obtienen a presiones del orden de 1 bar o más. A tales presiones el

rompimiento se manifiesta por medio de infinidad de filamentos o canales de rompimiento. Cada

canal corresponde a un simple rompimiento en un solo sentido.

48

Los filamentos o microdescargas tienen diámetros del orden de 100 micrómetros. Estas

microdescargas tienen un tiempo de vida muy corto, del orden de 100 nanosegundos o menos.

Ambos parámetros ( el diámetro y la duración) dependen en gran medida del gas utilizado, además

de la presión. La corriente fluye completamente dentro de los filamentos. El intercambio de

energía entre los electrones acelerados y los átomos ocurre dentro de las microdescargas. Por

tanto se transforma parte de su energía cinética en energía almacenada en las especies excitadas.

Es muy importante entender la fisica involucrada como lo es el rompimiento eléctrico y la

química de las reacciones de las especies generadas. La corriente: inicial de electronesje(t) excita a

la especie A. Esta especie excitada reacciona de forma que produce la especie B. Este proceso

tiene su propia duración y ciclo de vida.

Debido a la alta energía de los electrones, este intercambio de energía puede ser muy eficiente; no

es inusual que el 90% o más de la energía cinética se transfo1me en energía almacenada. Las

pérdidas elásticas por tanto son muy pequeñas, e inicialmente muy poca energía es perdida en

calor.

Si la presión es lentamente disminuida hay una continua transición desde la estructura en forma

de filamentos de la descarga silenciosa hasta la más difusa apariencia de la descarga brillante.

A bajas presiones, los diámetros de los filamentos se incrementan y tienden a ser muy numerosos

y sobre todo su apariencia es muy difusa.

Una gran ventaja de la descarga silenciosa sobre otro tipo de descargas, es que se puede

influenciar la energía promedio de los electrones por variaciones en la densidad del gas "n" y el

ancho de la separación "d'.

2.2.1.2 Transporte de la carga a través del espacio.

Dependiendo de la magnitud del producto de la densidad del gas "n" y la distancia de separación

"d", hay dos distintos mecanismos que conducen al rompimiento [5].

49

Con valores bajos del producto "nd", el rompimiento ocurre con muy poca generación de carga

espacial dentro de la separación. Aquí, el rompimiento se presenta como resultado de un proceso

con retroalimentación, entre las avalanchas de electrones y los electrones secundarios emitidos

desde el cátodo, muchos de ellos a través de la acción de iones y de radiación ultravioleta.

Existe un lento crecimiento del rompimiento y toma cierto número de avalanchas para

completarse. El rompimiento en sí, depende en gran medida del material de que esté hecho el

cátodo. Este tipo de rompimiento es usualmente llamado rompimiento Townsend.

Cuando la presión se incrementa hasta alcanzar el rango de trabajo de la descarga silenciosa, otra

clase de rompimiento toma lugar. Con un valor alto del producto "nd", una considerable carga

espacial se genera durante el primer tránsito de las avalanchas de electrones a través de la

separación.

El campo autoinducido localmente ( o eigencampo local) de las cargas espaciales, en el inicio de

la avalancha, se sobrepone al campo aplicado y éste provoca que aumente el campo eléctrico, que

se dirige a lo largo de la dirección de propagación hacia el ánodo ..

Teniendo un campo intenso autoinducido localmente, los últimos electrones dentro de la

avalancha (que tienen alta energía), se aceleran a altas velocidades y estos se desplazan a través

del canal de propagación del rompimiento hacia el ánodo. Esta situación se puede iniciar a la

mitad del espaciamiento.

Una vez que la carga espacial alcanza al ánodo el campo eléctrico que se crea, se regresa por

reflexión hacia el cátodo. Esto sucede cuando un gran campo se propaga de regreso hacia el

cátodo, ionizando los átomos y las moléculas en su camino y además simultáneamente, una gran

cantidad de electrones que se propaga también hacia el cátodo. Un canal de conducción surge

después de que una carga espacial ha pasado a través de la separación [5].

Otro fenómeno que ayuda a incrementar las dimensiones de los canales es el siguiente: Algunos

átomos y moléculas excitadas emitirán fotones en el rango del ultravioleta, durante el paso de los

electrones. Estos fotones realizan dos cosas: Incrementan la emisión de electrones del cátodo, y

50

de esta forma se incrementa el tamaño del canal. Además, estos fotones pueden llegar a ionizar a

los átomos y moléculas en la separación entre el inicio de la avalancha y los electrodos.

2.3 FORMACIÓN DE OZONO.

2.3.1 Formación de ozono por medio de oxígeno.

Con oxígeno [5], a una presión atmosférica, una microdescarga permanece algunos nanosegundos

y transporta una carga de al menos 1 nanoCoulomb.

Los más abundantes portadores de carga son los electrones, los iones positivos 0 2 + y los iones

negativos o-, 02-, 03-.

Estas relativas concentraciones dependen de la fuerza de las microdescargas. Esta fuerza se

caracteriza por la energía depositada en los canales de las microdescargas o por la relativa

concentración de los átomos de oxígeno [O] / [02] que se alcanzan en el canal después de un

corto pulso de corriente. La correcta selección de la fuerza de las microdescargas tiene una

influencia muy fuerte en las reacciones químicas, llevando a la formación de ozono y a la

eficiencia de los dispositivos generadores de ozono. En un modelo óptimo de descarga, la

densidad de carga en una microdescarga es del orden de 100 A/cm2, y la densidad de electrones es

del orden de 1014 cm-3•

Además, las columnas de microdescargas, aún en el pico del pulso de corriente, se encuentran en

un estado de plasma pobremente ionizado. La densidad de energía típicamente especificada se

encuentra por debajo de los 1 O mJ/cm3• Dado que mucha de esta energía se almacena inicialmente

en las especies excitadas, el calentamiento del gas debido a las microdescargas es casi nulo. La

temperatura de las partículas más pesadas dentro de las columnas de microdescarga se encuentra

cerca del promedio de temperatura en la separación de descarga.

Este promedio de temperatura es determinado por el balance entre la potencia eléctrica disipada

(menos la potencia utilizada por la formación del ozono) y el calor emitido por los electrodos[5].

El paso más importante durante la formación del ozono es la reacción de disociación de la

molécula de oxígeno (02) debida a los electrones con cierta energía (entre 6 y 9 eV), seguida de

51

las reacciones triples involucrando al O, 0 2 y un tercer participante en las colisiones M (02, 0 3, y

en aire N2).

e + 02 - e + 02 ( A 3¿u +) - e + O (3P) + O (3P)

- e+ 02 ( B 3¿u") - e+ O (1D) + O (3P)

0+02+M - O/ +M - 03 +M

(Ec. 2.9)

(Ec. 2.10)

(Ec. 2.11)

Aquí, 03 * se mantiene como una especie transitoria del ozono, la cual es el producto inicial de la

reacción. En la investigación de la formación del ozono, otras reacciones son usadas. Se han

contabilizado alrededor de 70 reacciones con 16 diferentes especies particulares.

Mientras que los portadores de carga desaparecen típicamente f!n menos de 1 O nanosegundos, la

formación toma sólo pocos microsegundos. Los principales resultados se pueden resumir en:

1. La disociación de la molécula 0 2 debida a los impactos de los electrones, es la principal

reacción para la formación de ozono.

2. Muy poco contribuyen las reacciones iónicas en la formación de ozono.

3. Hay una intensidad optima para las microdescargas.

4. Las grandes concentraciones de ozono se generan por un gran número de microdescargas.

Si las microdescargas se hacen muy intensas, la concentración de átomos de oxígeno alcanzan un

nivel tal, que algunas reacciones indeseables cobran importancia.

O+O+M - 02 +M •

0+03 - 202

0+03 - 202

(Ec. 2.12)

(Ec. 2.13)

(Ec. 2.14)

La conversión de los átomos de oxígeno en moléculas de ozono, empieza a decaer cuando la

concentración relativa de átomos es superior a 104. Por otra parte, no es deseable utilizar

microdescargas extremadamente débiles, porque la pérdida de energía debida a los iones cobra

importancia. Por tanto, la intensidad óptima de una microclescarga se convierte en un

52

compromiso, entre los requerimientos de la fisica de la descarga y aquellos debidos a la cinética

de la reacción.

Un compromiso razonable para evitar las excesivas pérdidas de energía, debida a los iones y

seguir obteniendo una conversión efectiva, es alcanzado dentro de concentraciones [O] / [02] del

orden de 10·3 [5]. El mejor valor experimental alcanzado en descargas silenciosas es de alrededor

de 250 gr 03/kWh. Si la disipación de la energía debida a los iones puede ser evitada, los cálculos

predicen una máxima eficiencia de 400 gr 03/kWh. Si estos valores son comparados con el calor

de formación del ozono, correspondiente a 1,220 gr 0 3/kWh, el monto de la eficiencia será

aproximadamente del 20 o 30% respectivamente. Esto demuestra que aún en el mejor generador

de ozono, la mayor fracción de la energía de descarga es convertida en calor. Dado que la

molécula del ozono es muy delicada y muy sensible al calor, su concentración decae rápidamente

a altas temperaturas, por lo que la remoción del calor es !.a mayor preocupación de los

generadores de ozono.

2.3.2 Generación de ozono por medio de aire.

En la mayoría de las pequeñas y medianas instalaciones generadoras de ozono [5], éste se forma

por medio de aire. Para una producción eficiente de ozono, el aire debe ser secado por debajo del

punto rocío, es decir -60ºC. La humedad no solamente interfiere con la cinética de las reacciones,

sino que también cambia la conductividad superficial del dieléctrico, provocando intensas

microdescargas. Esto hace que el nitrógeno del aire no pueda ser olvidado como un actor dentro

de las reacciones de formación. En la descarga, la presencia de los iones de nitrógeno N+, N2 +, los

átomos de nitrógeno y las especies atómicas y moleculares excitadas, adicionan complejidad al

sistema de reacciones.

En una mezcla de 20% oxígeno y 80% nitrógeno, se ha calculado que los cambios químicos

generados por el uso de micro descargas, ascienden a 143 reacciones con 30 especies reactivas.

Una obvia diferencia entre la formación de ozono por medio de oxígeno y por medio del aire, es

el cambio en la escala de tiempos en la formación de ozono, además de la aparición de especies

adicionales como: NO, N20, N02, N03 y N20 5, todas ellas que pueden ser detectadas por

53

espectrografia y por espectrografia dinámica de masas. Las principales ventajas de la generación

del ozono por medio del aire se resumen a continuación:

1. Bajo condiciones normales de operación de un generador de ozono, solamente los óxidos N20

y N20s pueden ser detectados adicionalmente con el ozono. A su vez, estas concentraciones

son dos órdenes de magnitud menor que la concentración de ozono.

2. Con mayor energía que la especificada, la producción de ozono decae y solo los óxidos de

nitrógeno son producidos (modo de descarga venenosa, sin ozono). En este modo los óxidos

NO y N02 son encontrados adicionalmente con el N20.

3. La producción de ozono por aire (concentración y eficiencia) es la mayor que se podría obtener

de una concentración de oxígeno en el aire (21 % ).

La explicación puede ser encontrada debido a la existencia de procesos adicionales por la

liberación de los átomos de oxígeno, adicionalmente a la formación directa por medio de la

disociación de las moléculas de oxígeno (02) debido al impacto de electrones [5]. Los siguientes

procesos involucran átomos de nitrógeno o los estados moleculares excitados N2 (AJ¿g 1 y

N2(B3ílg) que pueden ser identificados:

N + 02 ---. NO + O (Ec. 2.15)

N+NO---. N2 + O (Ec. 2.16)

N2(A)+02 ___. N20+0 (Ec. 2.17)

N2(A,B) + 02 ---. N2+20 (Ec. 2.18)

Adicionalmente, el proceso de descarga venenosa puede ser explicado de forma cualitativa por la

aplicación al modelo de cálculo, de un número mayor de microdescargas, donde aparentemente,

la formación de ozono termina una vez que la concentración de los NOx alcanza un nivel en el

cual los átomos de oxígeno reaccionan rápidamente con el NO y N02, los cuales pueden

reaccionar con el 02 para formar 03.

Este resultado es una recombinación "catalítica" más amplia, cuyos resultados se muestra a

continuación:

O + NO + M --+ N02 + M

O + N02 --+ NO + 02.

o+ o --+ 02

54

(Ec. 2.19)

(Ec. 2.20)

(Ec. 2.21)

El ozono previamente formado se recombina en un proceso catalítico que lo destruye, donde

también se involucra el NO y el N02:

N02 + 03 --+ N02 + 02

O+N02--+ N0+02

o+ Ü3 --+ 202

(Ec. 2.22)

(Ec. 2.23)

(Ec. 2.24)

Dado que en estas reacciones involucran óxidos de nitrógeno, las relativas bajas concentraciones

de los mismos, interfieren con la formación del ozono. Estos efectos son más pronunciados,

cuanto más se eleve la temperatura del gas.

Sin importar el medio por el cual se genere ozono (por oxígeno o aire) a nivel industrial, se puede

concluir que los mayores mecanismos de reacción y las más importantes partículas reactantes se

han identificado, así como los mayores compromisos experimentales.

2.4 ASPECTOS GENERALES DEL OZONO.

2.4.1 Historia.

Las observaciones hechas por los griegos sobre los olores que quedaban después de una tormenta

eléctrica [6], de las cuales se hace referencia en la !liada y en la Odisea, son probablemente las

primeras noticias que se tengan sobre el ozono.

La presencia del ozono alrededor de una máquina eléctrica. fue reconocida por primera vez en

1785, por Van Marum, pero no fue sino hasta 1840, que Schonbein en sus investigaciones sobre

55

la naturaleza del olor que se desprendía en ciertas reacciones químicas, reportó que ese olor era

debido a una nueva substancia que denominó ozono ( del griego ozo, yo huelo).

Años más tarde se demostró, que su composición era la del oxígeno tri - atómico. Esta

demostración fue hecha por primera vez en 1860 por Andrews y Tait.

2.4.2 Propiedades.

El ozono, 03, es una forma alotrópica del oxígeno [6], que se obtiene como gas inestable de color

azul, con un olor irritante muy característico y que licúa a -111.9 ºC, formando un líquido azul

inestable. El aire ozonizado tiene un olor fuerte y desagradable. El olor recuerda a algunas

personas al bióxido de azufre, a otras el ajo, y a otras el cloro. Si se respira aire muy cargado de

ozono durante un cierto periodo de tiempo, produce dolor de cabeza, pero en cantidades pequeñas

el olor es agradable y refrescante. El ozono es poco soluble en el agua, por ejemplo 100

volúmenes de agua a temperatura y presión ordinarias disuelven alrededor de un volumen de

ozono y el agua huele a ozono y presenta muchas de las propiedades del mismo.

El ozono es un agente químico muy fuerte. Su potencial de oxidación referido al electrodo· de

hidrógeno a 25 ºC, es de -2.07 Volts, existiendo sólo un elemento más electronegativo, el flúor.

El calor de formación estándar a 25ºC del ozono puro (gas) es de 34,000 cal/mol. El ozono, a

temperatura ambiente y a presión atmosférica, se descompone lenta y espontáneamente formando

oxígeno (02). La descomposición se acelera grandemente a medida que se eleva la temperatura.

También se descompone rápidamente en presencia de agua y de soluciones ~lcalinas.

A diferencia del oxígeno, el ozono libera yodo del yoduro de potasio neutro. Esto puede

demostrarse sumergiendo papel en una solución de yoduro de potasio y manteniendo en el tubo

de salida del generador. El papel se toma marrón debido a la liberación de yodo. Si se mezcla un

poco de almidón con el yoduro de potasio, el papel aparecerá azul. La reacción se representa

generalmente:

(Ec. 2.25)

56

El ozono es un agente oxidante muy potente. La materia orgánica como el corcho, la goma, etc.,

es corroída rápidamente por el ozono. El papel coloreado por una solución de sulfato de índigo o

una solución de tornasol, se decolora. Si se coloca un glóbulo de mercurio en un frasco pequeño y

se hace circular por él aire ozonizado, el mercurio pierde su brillo y se extiende en una película

sobre las paredes del frasco. Se dice que el ozono corta el mercurio.

Si un trozo de lámina de plata, bien pulido se calienta y mientras está caliente se mantiene en un

chorro de aire ozonizado, la plata se ennegrece, debido, se dice, a la formación de peróxido de

plata. La plata libre de óxido no evidencia esta reacción a temperaturas ordinarias, a menos que el

metal esté contaminado con alguna substancia como óxido de plata, de cobalto, de níquel, etc.,

que actúa como agente catalizador. Se supone que se forman vestigios de óxido cuando la plata se

calienta en el mechero de Bunsen. La reacción es caracte1istica del ozono, pero no es muy

sensible. El ozono convierte al sulfuro de plomo marrón oscwo en sulfato de plomo blanco:

(Ec. 2.26)

Muchos otros sulfuros - de cobre, antimonio, zinc, cadmio - se comportan de manera similar. Los

sulfuros de níquel y cobalto, forman peróxido y ácido sulfúrico. Una solución de sulfato de

manganeso, usada como tinta invisible, se torna marrón por exposición al ozono. El ozono se

descompone en presencia de platino, bióxido de plomo, bióxido de manganeso, óxidos de plata y

de cobre. El ozono se convierte en oxígeno ordinario sin descomponer a los óxidos. Por lo tanto

estas reacciones se clasifican como reacciones catalíticas.

Cuando el ozono se pone en contacto con peróxido de sodio, las dos substancias se descomponen

mutuamente y se libera oxígeno:

(Ec. 2.27)

El ozono parece ser bastante estable a la temperatwa ordinaria, aunque se descompone

gradualmente con el tiempo. También parece ser bastante estable a altas temperaturas, mientras a

temperaturas intermedias es inestable.

57

El ozono ataca a la mayor parte de los metales, con excepción del oro y el platino[6]. Entre los

metales comunes más resistentes a su acción se encuentran el aluminio y el acero inoxidable.

El ozono es disuelto por aceites esenciales, tales como trementina, aceite de canela, etc. Ello se

debe a que estos aceites contienen lo que en química orgánic;a se conoce como compuestos no

saturados, es decir, las moléculas de estos compuestos tienen uno o más pares de átomos de

carbono unidos por una doble ligadura. Tales compuestos forman productos de adición con el

bromo y con el ozono.

2.4.3 Presencia del ozono en la naturaleza.

El ozono existe en la naturaleza en forma muy diluida y se produce por acción de los rayos

ultravioleta sobre la capa de oxígeno atmosférico [6]. Puede •evidenciarse generalmente ozono en

el oxígeno obtenido por electrólisis del agua acidulada.

Por electrólisis del ácido sulfúrico de peso específico comprendido entre 1,075 y 1,1, con un

ánodo construido incluyendo una hoja de platino en vidrio, y limando el borde se ha obtenido

oxígeno con 17 a 23 por ciento de ozono. El rendimiento aumenta con el aumento de la densidad

de corriente.

El oxígeno liberado en muchas reacciones contiene también ozono. Por ejemplo, en las

reacciones del bióxido de manganeso con ácido sulfúrico, del bióxido de bario con ácido

sulfúrico, del permanganato de potasio con ácido sulfúrico, del ácido persulfúrico y persulfatos.

El clorato de potasio purificado de oxígeno libre de ozono, pero si están presentes vestigios de

algunas substancias indiferentes, puede formarse ozono. Cuando el flúor descompone al agua

formando fluoruro de hidrógeno y oxígeno, 13 a 14 por ciento del oxígeno se convierte en ozono.

También, se forma ozono durante la oxidación lenta de muchas substancias. Así, puede

descubrirse ozono en la atmósfera de un balón que contiene un par de cilindros de fósforo limpio.

58

Se dice que el ozono se forma también cuando se oxidan la trementina, diversos hidrocarburos, el

alquitrán de carbón y muchos aceites esenciales. J. K. Bocke supone que ese efecto se debe a la

formación de óxido de nitrógeno.

Mucho ozono atmosférico parece ser formado por acción de la luz ultravioleta solar en las

regiones superiores de la atmósfera. El ozono se encuentra allí en proporciones relativamente

mayores.

El ozono atmosférico es traído a la superficie terrestre por corrientes de convección, donde

reacciona rápidamente con anhídrido sulfuroso (S02), humo y otras partículas orgánicas

suspendidas. Las descargas en la atmósfera producen también ozono.

2.4.4 Fórmula del ozono.

La determinación de la fórmula del ozono presentaba muchas dificultades [6], ya que no podía

obtenerse ozono puro.

El problema de sí el ozono era de naturaleza elemental o no provocó considerable controversia, y

durante un tiempo no se supo si debía considerarse como una forma alotrópica del oxígeno, o

como una forma "oxidada" del agua.La molécula de ozono se puede considerar como un híbrido

de resonancia de la siguiente estructura electrónica (Figura 2.6):

o 1.26 ± 0.07 A

/127±3º\ o +-2.24A- o

FIGURA 2.6. ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DEL OZONO [6].

59

2.4.5 Formación.

El ozono se puede producir por varios métodos [7], entre ellos:

a) Método químico: como en la reacción entre el bióxido de bario y el ácido sulfúrico.

b) Por electrólisis, de una solución acuosa de ácido sulfúrico o ácido perclórico.

c) Por reacción fotoquímica, o sea por la acción de rayos ultravioleta de longitudes de onda

menores de 2200 A, sobre oxígeno puro o de aire.

d) Por descarga eléctrica de alto voltaje sobre corrientes de oxígeno puro o de aire.

Los tipos de descarga eléctrica que pueden emplearse son:

a) Descarga brillante de sostenimiento propio, que opera a bajas presiones.

b) Descargas de punto, de corona y silenciosa, que operan a presión atmosférica.

c) Descarga sin electrodos, usando para ello un solenoide a través del cual se pasa una corriente

de alta frecuencia, y que opera a menos de 0.1 mm de mercurio.

d) Descargas de arco de bajo voltaje y de alta tensión.

e) Descargas luminosas con electrodos líquidos.

f) Descargas catódicas al vacío.

De todas estas descargas, la que usualmente se utiliza en un generador de ozono es la descarga

silenciosa a alto voltaje.

La formación del ozono por el método eléctrico se puede explicar de la siguiente manera:

Durante la descarga eléctrica se produce un alto grado de ionización, pasando el oxígeno a un

estado altamente excitado, reaccionando después con moléculas de 02.

La formación por el proceso fotoquímico se puede explicar como sigue: el oxígeno absorbe

intensamente la luz ultravioleta comprendida entre 1600 y 1800 A, y cada molécula se disocia en

dos átomos, produciendo a continuación una reacción endotérmica.

60

2.4.6 Métodos de evaluación.

Los métodos para la evaluación de ozono de pueden clasificar como sigue [7]:

a) Método químico: en términos del yodo liberado de una solución de yoduro de potasio. Los

instrumentos modernos permiten el registro continuo de la concentración de ozono en términos

de lecturas colorimétricas o potenciométricas.

b) Medición colorimétrica del ozono en términos de la oxidación de fenolftalina (C20H1604) a

fenolftaleina (C20H14Ü4). Para el desarrollo de la curva estándar se emplea agua oxigenada.

c) Medición fisica en términos de la razón de agrietamiento de: hule doblado o estirado.

d) En términos de la reacción o respuesta de ciertos vegetales al daño causado a la zona superior

de sus hojas.

e) Medición óptica en términos de la absorción del ozono en d ultravioleta, visible o infrarrojo.

2.4. 7 Reacciones de identificación.

El olor tan característico del ozono, apreciable en el aire aún a diluciones de un volumen por 108

es un método seguro para identificarlo.

Entre los métodos químicos, podemos mencionar las pruebas siguientes [7]:

a) Reacción de Arnold-Mentzel; El ozono colorea de café un papel filtro impregnado con una

solución alcohólica de benzidina.

b) Prueba de Benoit; Una solución de fluoresceina al 0.0001 %, pierde su color y su fluorescencia

cuando se agita con aire ozonizado.

c) Reacción de Chlopil; El ozono colorea de azul su papel filtro impregnado con Ursol D o J.

d) Prueba de Manchot-Kampschutte; La plata se ennegrece con ozono seco o húmedo.

e) Prueba de Bottger; Un papel filtro impregnado con cloruro de oro, libre de ácido, toma un

color violeta en contacto con ozono.

f) Prueba de Schonbein; Un papel filtro mojado con yoduro de potasio y almidón, se pone de

color azul con ozono.

61

2.4.8 Toxicidad.

Las autoridades de Salubridad Pública, dan la cifra de 1 ppm de ozono en volumen, como la

máxima concentración permisible durante exposición continua.

Una exposición continua de media hora a concentraciones mayores de 0.02 - 0.05 ppm produce

una fuerte tos. También se observa, algunas veces, efectos como decaimiento, cianosis y náuseas.

En pruebas efectuadas sobre algunos animales, se han reportado los siguientes resultados:

a) Concentraciones de 0.001 mg/litro (0.5 ppm) de ozono producen la muerte de ratones después

de seis y media horas de exposición continua.

b) Una concentración de 0.03 mg/litro (15 ppm) de ozono, causó la muerte de ratas doce horas

después de habérseles expuesto a la acción del ozono durante tres y media horas.

2.4.9 Manejo y peligro del ozono.

El ozono líquido, es en extremo inestable [7], particularmenk! a concentraciones mayores de 30%

en peso. A esta concentración o mayor, explotará violentamente si se pone en contacto con trazas

de materia orgánica.

En las concentraciones a las cuales se produce aire - ozonizado ú oxígeno ozonizado (1 % - 2% en

peso), no es necesario tomar precauciones. Explotará sólo y cuando se mezcle con alguna materia

combustible o con un gas combustible. Cuando el oxígeno - ozonizado se mezcla con vapores

orgánicos, puede producirse una mezcla explosiva.

Estudios hechos sobre la adsorción de ozono en sílica gel, indican que el ozono puede ser

envasado y acarreado con seguridad, a temperaturas de hielo seco o menores, en una

concentración de 1 O libras de ozono por 100 libras de sílica gel.

La fuerte solubilidad del ozono en los freones, a baja temperatura, sugiere un método de

almacenamiento de ozono similar al del acetileno en acetona.

62

2.4.10 Usos.

El ozono se emplea en el laboratorio para análisis estructural [7], sobre todo como paso

intermedio en la determinación de la posición de dobles ligaduras y para romperlas.

Su uso clásico ha sido en la prueba de la estructura de olefinas. El uso de la ozonólisis como

método de síntesis ha tomado un gran auge en los últimos años.

Industrialmente se aplica el ozono como medio de purificación de agua. El ozono se ha empleado

para esterilización de agua para beber desde principios de siglo, sobre todo en Francia. El ozono,

aplicado al agua, sirve para controlar los sabores y olores, para quitar fierro o manganeso, para

reducir el color y como medio de esterilización.

El ozono también se emplea industrialmente para tratamiento de desperdicios industriales, tales

como oxidación de desperdicios conteniendo cianuros y compuestos fenólicos. Se usa además en

la producción de ácidos azelaico y pelargónico, a partir del ácido oleico.

Además se usa en la conservación de alimentos, el control de olores atmosféricos, en la

preparación de intermediarios para sintetizar la cortisona y otras hormonas, en el blanqueo del

algodón. El aire ozonizado se usa también en la ventilación, por ejemplo, en los ferrocarriles

subterráneos, para blanquear el aceite oxidado en la fabricación del linoleum, etc. Se ha empleado

también como agente blanqueador para la cera y otros materiales.

2.4.11 Investigación y evaluación del Ozono.

La investigación del ozono se complica porque muchas de sus reacciones más aparentes son

similares a las de otros agentes oxidantes [ 6].

El ozono puede evidenciarse por su acción sobre el mercurio, o sobre la lámina de plata limpia,

que es ennegrecida. Libera yodo del yoduro de platino, lo mismo que muchos otros agentes

63

oxidantes, pero puede distinguirse de ellos, excepto del peróxido de hidrógeno, en que no libera

yodo después de pasar a través de un tubo caliente.

La dificultad real surge en la diferenciación del ozono y el peróxido de hidrógeno. Puede hacerse

por medio de solución de permanganato de potasio, que se decolora con el peróxido de

hidrógeno, pero no con el ozono. Como substituto, C. Amold y C. Mentzel (1902) propusieron el

uso de papeles reactivos empapados en solución alcohólica de tetrametil-base, no afectada por el

peróxido de hidrógeno, pero que se pone violeta con el ozono; azul con el cloro y el bromo, y

amarillo paja con el óxido nítrico.

En la tabla 2.4 se comparan algunas reacciones del ozono, del peróxido de hidrógeno, del cloro y

del peróxido de nitrógeno.

Reactivo Ozono Peróxido de

Cloro Peróxido de

hidróeno nitrógeno Kiyalmidón Azul Azul Azul Azul Lámina de

Ennegrece Nada Película

Inalterado plata limpia blanca

Gota de Rastro sobre el Nada Blanco Inalterado

mercuno vidrio Eter Nada Azul Nada Nada

Ácido titánico Nada Amarillo Nada Nada

Tetrametíl Violeta Nada Azul

Amarillo base pardo

Bencidina Pardo Inalerado Rojo Azul

TABLA 2.4. ENSAYOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL OZONO [6].

2.4.12 Ozono Vs. cloro

Aunque el cloro es el agente más empleado en la desinfección del agua potable, el uso del ozono

para este menester ha sido continuo en Francia durante los últimos cien años (10], y

posteriormente se ha extendido a Alemania, Holanda, Suiza y otros países de Europa, y más

recientemente en Canadá y E. U .A.

64

En estos últimos años se cuestiona la validez del cloro como desinfectante de aguas potables, no

por su reconocido poder bactericida, sino debido a la formación de compuestos indeseables en las

aguas doradas:

a) Si las aguas a tratar contienen nitrógeno orgánico o amoníaco libre, se forman cloraminas que

producen olores en el agua. Se está estudiando la posibilidad de que sean agentes

cancerígenos.

b) Si las aguas contienen pequeñas cantidades de fenoles, por la adición de cloro los

denominados clorofenoles que producen en el agua olores y sabores tan desagradables, que a

concentración de 0,01 mg/litro la hacen inaceptable para el consumo.

c) Pero sin duda, el mayor inconveniente que se le atribuye al cloro es la formación, bajo ciertas

circunstancias, de componentes dorados tales como los PCB'S (bifenilos policlorados), que

tienen un probado carácter cancerígeno, y cada vez son más frecuentes.

d) Los trihalometanos (THM) que últimamente están preocupando a las Autoridades Sanitarias de

la mayoría de los países, son compuestos orgánicos potencialmente cancerígenos y que

aparecen en el agua potable tras ser sometida a cloración.

Por otra parte, el ozono, al actuar sobre los productos que originan los THM, realiza la función

desinfectante sin este inconveniente y no existen THM como producto de la desinfección.

Frente a estos inconvenientes del cloro, el ozono no sólo no forma productos que pueden

considerarse como cancerígenos, ni produce sabores u olores al agua, sino que elimina las

posibilidades cancerígenas y elimina los sabores y olores del agua.

Durante años se han realizado numerosos trabajos para establecer el poder relativo del cloro y el

ozono en la destrucción de bacterias y virus, llegando a la conclusión de que el ozono es, como

desinfectante, mucho más eficaz y rápido que el cloro, como se ilustra enseguida:

a) Bringman observó que 0,1 mg/litro de cloro requiere 4 horas para eliminar 6x104 células de E.

Coli en agua, mientras que O, 1 mg/litro de ozono necesita únicamente 5 segundos.

65

b) Kessel encontró que para desinfectar agua que contiene el virus de la poliomielitis con 1

mg/litro de cloro, se necesitaban 2 horas, y con sólo 0,05 mg/litro de ozono bastaban

únicamente 2 minutos.

Así, se concluye que el ozono tiene un poder de desinfección de 300 a 3,000 veces más efectivo y

rápido que el cloro.

En resumen, podemos concluir que el ozono, en el tratamiento de agua en general, tiene las

siguientes ventajas:

1. Elimina el color causado por el hierro o manganeso o la materia carbonosa, así como los

sabores y olores debido a la presencia de materia orgánica.

2. Reduce la turbiedad, el contenido en sólidos en suspensión y demandas bioquímicas de

oxígeno (DBO).

3. No sólo elimina las bacterias patógenas sino que, además, inactiva los virus y otros

microorganismos que no son sensibles a la desinfección ordinaria con cloro.

4. Si no hay posterior recontaminación, el ozono residual es suficiente para efectuar una

desinfección común.

5. El ozono puede ser detectado por el hombre mucho antes de que llegue al nivel tóxico.

6. No produce en el agua aumento en el contenido de sales inorgánicas ni subproductos nocivos.

7. Balancea el pH del agua.

2.5 LA NATURALEZA DE LOS MATERIALES DIELÉCTRICOS.

Aunque se han mencionado los aisladores y los materiales dieléctricos, hasta el momento no se

tiene relación cuantitativa alguna en la que intervengan [8]. Sin embargo, pronto se verá que un

dieléctrico en un campo eléctrico se puede imaginar como una distribución, en el espacio libre, de

dipolos microscópicos, o cargas positivas y negativas ligadas, los centros de las cuales no

coinciden del todo; estas cargas pueden ser tratadas como cualquiera otra fuente del campo

electrostático. Los dieléctricos son cuerpos caracterizados por la pequeña movilidad de sus

cargas, clasificándoseles, según sus moléculas, en polares y no polares.

66

2.5.1 Dieléctricos polares.

Son polares aquellos dieléctricos en los cuales los centros de gravedad o, quizá mejor, de simetría

de las cargas positivas y negativas de sus moléculas no coinciden [8]. Si los centros coinciden

decimos que la molécula no es polar, con lo cual al dieléctrico le llamaremos no polar. Bajo un

punto de vista macroscópico el comportamiento de ambos dieléctricos, sometidos a la acción de

un campo eléctrico, es similar.

En la figura 2.7a nos encontramos con un dieléctrico de moléculas polares, las cuales están

totalmente desordenadas en cuanto a su orientación. Al introducirlo dentro de un campo eléctrico

(Figura 2. 7b ), los pequetlos dipolos tienden, dentro de su posibilidad, a orientarse en el sentido

del campo, aunque lógicamente no adquirirán una orientación tan perfecta como la de la figura,

teniendo los ejes de estos dipolos una cierta inclinación con respecto a las líneas del campo. Sin

embargo, todas las cargas positivas estarán dirigidas en un mismo sentido y las negativas en el

sentido contrario.

+

~ e:) + + + + +

.................... es~··· ······················-·········· ···-·······<0····-···· ···············-········

- + .................... ,,,_,,, ............ ,,,_, .. ······-····· ····-·········---............. _ ....... ··-·-······

+

~ ~ + + + + +

··••••••••••••••••cg5··· ······················································~·······

~

(a) (b)

FIGURA 2.7. DIELÉCTRICOS POLARES[8].

2.5.2 Dieléctricos no polares.

En la figura. 2.8a tenemos un dieléctrico formado por moléculas no polares [8]. Al ser sometido

dicho dieléctrico a la acción de un campo eléctrico figura 2.8b las cargas positivas, dentro de la

pequetla movilidad que tienen, tienden a ir en el sentido del campo, es decir, hacia las cargas

negativas de las placas y las negativas, en sentido contrario. Este pequeño desplazamiento de las

67

cargas hace el efecto de que aparezcan en la superficie del dieléctrico una especie de cargas

imaginarias o aparente, como promedio de las acciones de todas las cargas que se han desplazado.

En el caso no polar, este giro orientativo de los dipolos hace que, en la superficie del dieléctrico,

se manifiesten una especie de cargas aparentes o imaginarias. Es decir, en ambos tipos de

dieléctricos aparece, en la superficie, una cierta densidad de cargas aparentes que depende de la

naturaleza de dicho dieléctrico. Tanto en uno como en otro caso se afirma que el dieléctrico se ha

polarizado bajo la acción del campo.

o + + + + + + + + + + + + +

G o

(a) (b)

FIGURA 2.8. DIELÉCTRICOS NO POLARES [8].

Todo dieléctrico sometido a un campo eléctrico adquiere un estado, que llamaremos polarización,

en el cual sus cargas, dentro de su pequeña movilidad, tienden a desplazarse a la superficie, o a

orientarse, haciendo el efecto de que aparece en dicha superficie una carga aparente.

La característica principal de todos los materiales dieléctricos tienen en común, ya sean sólidos,

líquidos o gaseosos, y sean o no de naturaleza cristalina, es su capacidad para almacenar energía

eléctrica.

Este almacenamiento se efectúa por medio de un cambio en las posiciones relativas de las cargas

positivas y negativas internas, contra las fuerzas moleculares y atómicas normales.

68

Este desplazamiento contra una fuerza de restricción, es análogo al levantamiento de una masa o

al alargamiento de un resorte y representa energía potencial. La fuente de la energía es el campo

externo, el movimiento de las cargas que se desplazan posiblemente da por resultado una

corriente transitoria a través de una batería que produce el campo.

El mecanismo real del desplazamiento de la carga varía en los diversos materiales dieléctricos.

2.5.3 Campo eléctrico en el interior de un dieléctrico.

Consideremos un campo eléctrico uniforme creado por dos placas suficientemente próximas [8],

cargadas con cargas iguales pero de signo contrario e introduzcamos, sucesivamente, entre ambas

tres diferentes medios, tales como aire o vacío, un medio conductor y un medio dieléctrico.

Si consideramos primeramente que entre ambas placas está el vacío o el aire de comportamiento

eléctrico similar, las líneas de fuerza, representativas del can1po que existe entre ambas, nacerían

en las cargas positivas y morirían en las negativas, existiendo entre ambas placas líneas de fuerza

y, por lo tanto, campo eléctrico (Figura 2.9).

- -+ -+ . -+ .

~ -+ . -+ .

-+ . + . -. + . -

~

+ . -. + -. + -+ -- ---FIGURA 2.9. CAMPO ELÉCTRICO [8].

Si en vez del aire, colocamos entre ellas un medio conductor (Figura 2.1 O), en la superficie de

éste aparecerán por inducción, cargas de signo contrario a las de la placa.

Como las líneas de fuerza nacen en las cargas positivas y mueren en las negativas, dentro del

conductor no tendremos líneas de fuerza ni, por tanto, campo eléctrico.

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

FIGURA 2.10. CAMPO ELÉCTRICO CON CONDUCTOR [8].

69

Por último, el medio situado entre ambas placas es un dieléctrico (Figura 2.11 ). Debido a la

polarización aparece una carga aparente, la cual no será igual a la carga que existe en la placa.

Esta carga aparente, es resultado de las cargas parcialmente libres que existen en el interior del

dieléctrico. Estos nos lleva a la conclusión de que dentro del dieléctrico existe un campo parcial,

esto es, un campo disminuido por la acción del creado por las cargas aparentes.

+

+

+

+

+

+

························--···---···-··-······+

+

.................................................................. ± .....

.......................................... + ..

+

FIGURA 2.11. CAMPO ELÉCTRICO CON DIELÉCTRICO [8].

Esta última posibilidad estudiada es la que realmente nos interesa, siendo las anteriores un

proceso de razonamiento con el cual intentábamos llegar a una mejor comprensión de este tercer

caso ya que a través de esta sabemos como funciona d dieléctrico dentro de la cámara de

generación de ozono al distribuir uniformemente las microdescargas sobre la superficie del

mismo y limita la carga transportada durante la microdescarga. Esta propiedad es uno de los

70

parámetros que se relacionan de manera muy importante para la generación del ozono como se

observará en los siguientes capítulos de este trabajo.

71

CAPÍTULO 3.

3 DISEÑO DEL GENERADOR DE OZONO.

En este capítulo se hará una revisión de los elementos que formarán parte del generador de ozono,

donde se incluyen algunos de los elementos electrónicos de la fuente de alto voltaje, las distintas

cámaras de generación de ozono y los sistemas de mezda ozono-agua que se encuentran

actualmente en el mercado.

3.1 FUENTE DE ALTO VOLTAJE.

En la industria hay numerosas operaciones, las cuales requieren que se entregue una cantidad de

potencia eléctrica variable y controlada.

Para ello se utiliza, el SCR, dispositivo pequeño y de bajo costo, que no necesita mantenimiento y

su consumo de potencia es bajo. Algunos SCR, pueden controlar corrientes del orden de varios

cientos de amperes en circuitos que operan a voltajes muy devados. Por estas razones, los SCR

son muy importantes en el campo del control industrial moderno.

3.1.1 Teoría y operación de los SCR.

Un rectificador controlado de silicio (SCR, Silicon Controlled Rectifier) es un dispositivo de tres

terminales utilizado para controlar corrientes relativamente grandes de una carga [9]. La figura

3 .1 muestra el símbolo esquemático de un SCR, junto con los nombres y letras de identificación

de sus terminales.

Un SCR actúa de una manera muy similar a un intem1ptor. Cuando está CONDUCIENDO

presenta un camino de baja resistencia para el flujo de corriente de ánodo a cátodo, por

consiguiente, actúa como un interruptor cerrado. Cuando está BLOQUEADO, no puede fluir

corriente de ánodo y cátodo; por consiguiente, actúa como un interruptor abierto. Debido a que es

un dispositivo de estado sólido, la conmutación de un SCR. es muy rápida.

72

Ánodo Cátodo

A

Compuerta

G

FIGURA 3.1. SÍMBOLO ELÉCTRICO DEL SCR [9].

Si se alimenta corriente alterna, el SCR permanece un cierto período en el estado de

CONDUCCIÓN y el resto del período en el estado BLOQUEADO. El tiempo que permanece en

cada estado se controla por medio de la compuerta.

Si el SCR permanece en el estado de CONDUCCIÓN durante poco tiempo, la magnitud

promedio de la corriente por la carga es pequeña. Esto es debido a que la corriente puede fluir de

la fuente a la carga, a través del SCR, en el mismo lapso. Si la señal de la compuerta es tal que el

SCR esté en CONDUCCIÓN durante más tiempo, entonces la magnitud promedio de la corriente

será mayor.

En esta forma, la corriente por la carga puede variarse ajustando la magnitud de la porción del

período en la cual el SCR está en conducción. Como su nombre lo sugiere, el SCR es un

rectificador, de modo que solamente permite el paso de corriente durante el semiciclo positivo, en

el cual el ánodo del SCR es más positivo que el cátodo. Esto significa que el SCR no puede estar

en CONDUCCIÓN por más de medio ciclo. Durante el otro medio ciclo, la polaridad de la

fuente es negativa, lo cual impide que circule cualquier corriente hacia la carga.

3.1.2 Características de la compuerta del SCR.

Un SCR es activado por la aplicación de un pulso de corriente a la compuerta [9]. Esta corriente

de compuerta (Im) fluye de la unión entre la compuerta y cátodo y sale del SCR por el cátodo. La

corriente de compuerta se simboliza por lar, La mayoría de los SCR requieren una corriente de

compuerta entre Im = O, 1 a 20 mA.

73

Una vez activado el SCR, no es necesario que continúe fluyendo corriente por la compuerta. El

SCR permanece en CONDUCCIÓN por el tiempo que fluya corriente a través de sus terminales

principales, de ánodo a cátodo.

3.1.3 Uso del UJT en circuitos de disparo de los SCR.

El UJT es un transistor de unijuntura (UJT UniJunction Transistor) es un dispositivo de tres

terminales ideal para el disparo de los SCR [9]. Hay varias razones para la compatibilidad entre

los UJT y los SCR:

El UJT produce una salida tipo pulso, la cual es excelente para efectuar con seguridad el paso a la

CONDUCCIÓN de un SCR sin que se exceda la capacidad de disipación de potencia de la puerta

del SCR. El punto de disparo del UJT es prácticamente estable en un amplio rango de

temperatura. Este hecho anula la inestabilidad en temperatura de los SCR. Los circuitos de

disparo con UJT se facilitan para el control retroalimentado.

3.1.4 El oscilador de relajación con UJT

En el oscilador de relajación con UJT, hacemos uso de la característica de carga y descarga de un

capacitor en un circuito RC [9]. El capacitor comienza a cargarse cuando se cierra el interruptor

en un tiempo cero. El voltaje a través del capacitor aumenta con el tiempo como una función de la

constante de tiempo.

't = RC (En segundos) (Ec. 3.1)

3.1.5 Circuito de disparo con UJT para un SCR.

El método clásico para disparar un SCR con un transistor monojuntura [9], se muestra en la

figura 3.2(a). En este circuito, el diodo zener D21 recorta la forma de onda de Vs al voltaje zener,

del orden de 20 Volts con una fuente de 120 Volts de corriente alterna durante el semiciclo

positivo de la línea de corriente alterna.

74

Durante el semiciclo negativo, Dz1 está directamente polarizado y mantiene a Vs cercano a los

cero volts. La forma de onda de Vs se muestra en la figura 3 .2(b ).

Una vez se ha estabilizado el voltaje de Vs, CE comienza a cargarse a través de RE, Cuando CE

alcanza cierto valor pico, el UJT se dispara, produciendo un pulso de voltaje a través de R1• Este

pulso activa al SCR y de este modo hace que fluya corriente por la caga durante el resto del

semiciclo positivo. Las formas de onda de VR1 y Vcarga se muestran en las figuras 3.2 (c) y (d)

respectivamente. Cada vez que el UJT entregue un pulso, el SCR pasa al estado de

CONDUCCIÓN.

Vs

VR1

Vcare:a

Linaa AC

carga

100 n 100 W Ro 2.2 K

5W

V, DZ1

I I

1

!

SCF (a)

l t

(b)

L (c)

• t

/~ (d)

t

FIGURA 3.2. CIRCUITO CON SCR Y UJT [9].

75

La potencia entregada a la carga se controla por medio del potenciómetro RE. Cuando el valor

óhmico de RE es bajo, CE se carga rápidamente, lo cual produce un disparo rápido del UJT y de

hecho del SCR. Cuando el valor de RE es grande, el capacitor CE se carga más lentamente, lo

cual produce un disparo retardado, y de hecho un bajo promedio de la corriente en la carga.

3.1.6 Magnitud de los componentes de un circuito de disparo con UJT

El valor de R1 debe mantenerse tan bajo como sea posible y a. la vez que sea capaz de generar un

pulso de voltaje suficiente para activar realmente al SCR [9]. Existen dos razones para esto:

• Aún después de disparado el UJT, hay flujo de corriente a través de R1, debido a la conexión

entre el cuerpo del UJT y Vs. Debido a esta corriente no despreciable, R1 debe mantenerse en

un valor bajo, de otra forma, el SCR puede activarse inadvertidamente.

• Con un valor pequeño de R1, hay menos posibilidad que un pulso de ruido pueda activar

falsamente al SCR. Las fuentes externas de ruido (por ejemplo un motor eléctrico), crean

señales de ruido indeseables, las cuales pueden hacer que suceda esto.

Un método para seleccionar los componentes de la figura 3.2(a) se presentará enseguida.

Asumamos que el UJT es del tipo 2N4947, el cual tiene las características típicas siguientes a una

tensión de alimentación de 20 Volts:

T bb = 6K. I v = 4 miliampers T) = 0.60 Vv=3 Volts Ip=2 µA

si D21 tiene un voltaje de ruptura zener de 20 Volts, entonces la corriente a través de R1 antes del

disparo está dada por:

IR = 20 volts I R1 +TAB +R2

(Ec. 3.2)

Nuevamente despreciando R1 y R2, dado que son pequeñas comparadas con TBB, la corriente es

aproximadamente:

76

IR¡ = 20 volts = 20 volts

3 3 .1.

6 v ri. = . mi 1ampers

RBB ~l,

(Ec. 3.3)

Puesto que la mayoría de los SCR se activan a un VGK del orden de 0.1 a 1.0 Volt, es por tanto

razonable hacer que VR1 no sea mayor que 0.3 Volts mientras el UJT está en espera del disparo.

Esto da un margen de ruido del origen de 0.4 V (O. 7V-0.3V). Por tanto:

R¡ = VRI = 0.3 volts = 100 Q I Ri 3.3 miliampers

(Ec. 3.4)

Por otro lado, RE debe ser lo suficientemente pequeña para permitir la circulación de la corriente

necesaria, pero además RE debe ser lo suficientemente grande para impedir que el UJT quede

enganchado; es decir, no se debe permitir que por el emisor c:ircule una corriente igual o mayor a

la corriente del valle, lv. Por lo tanto:

R . = Vs -Vv = 20 volts-3 volts= 4_25 Kn Emm I v 4 miliampers

(Ec. 3.5)

lo cual significa que RE debe ser mayor que 4,25 Kn para garantizar CORTE del UJT. El

enganche del UJT no puede durar más allá de un semiciclo, sin embargo, aún un enganche

durante medio ciclo es indeseable. Este efecto hace que se incremente la disipación de potencia.

Por lo cual calculamos una RE máxima:

Vp = 1J VB2Bl + VD = (0.60 x20 volts)+ 0.6 volts= 12.6 volts (Ec. 3.6)

Donde V8281 ha sido tomado como 20 Volts, lo cual es correcto debido a los valores de R1 y R2.

REmáx = Vs -VP = 20volts-12.6volts = 3.?MQ lp 2 µampers

(Ec. 3.7)

lo cual significa que RE debe ser menor que 3,7MQ para poder que entregue suficiente corriente

al emisor para el disparo del UJT.

77

Para tener el valor óptimo, se acostumbra tomar la media geométrica, en lugar de la media

aritmética, así tenemos:

(Ec. 3.8)

El potenciómetro de valor estándar es de 100 Kn, de modo que RE = 100 KQ

Para calcular el valor correcto de CE, se admite que cuando toda la resistencia variable esté en el

circuito, el tiempo de carga para alcanzar Vp será casi igual ti(:mpo de un semiciclo de la corriente

alterna. En una línea de 60 Hz, el tiempo de un semiciclo es del orden de 8 mseg. Luego:

(Ec. 3.9)

8 X 10-3

CE= 3 = 0.073 µfarad llOxlO

(Ec. 3.10)

El valor comercial más cercano para CE = 0,068µfarad.

Para la mayoría de los UJT, la mejor estabilidad térmica se consigue con un valor de R2

comprendido entre 500 Q y 3 KQ. Las características que proporciona el fabricante, ayudan a

escoger el valor de R2. En la mayoría de los casos, se consigue buena estabilidad cuando R2 =

IKQ.

Una forma de determinar el valor de D21 y Rd es como sigue: asumamos que Dz1 es un diodo

zener que disipa una potencia de casi 2 Watts. Por tanto, la corriente promedio permitida por el

zener será:

I Psemt 2 Watts

100 .1. = --- = --- = m1 1ampers

V2 20Volts (Ec. 3.11)

78

Por tanto,

V¡inea - Vz = 120 Volts - 20 Volts = 100 Volts (Ec. 3.12)

Rd = 100 Volts = 1 Kn 100 miliampers

(Ec. 3.13)

Naturalmente Rd debe escogerse de mayor valor, para tener un margen de seguridad. Con un

margen de seguridad de 2 a 1, esto nos lleva a:

P. _ V 2

_ (I00Volts)2

_ 4 5

W Eo - ----~ - • atts

Rd 2.2K.0 (Ec. 3.14)

Lo que obliga a seleccionar una resistencia de 5 Watts, que ,!sel valor estándar más cercano por

encima de 4,5 Watts. Desde luego, todos estos cálculos son aproximados y deberán probarse

experimentalmente.

3.2 CÁMARA DE GENERACIÓN DE OZONO.

La inestabilidad del ozono a descomponerse en oxígeno, marca la necesidad de la producción en

el sitio donde va a ser usado. Este hecho marca la nec1!sidad de una instalación con bajo

mantenimiento, alta eficiencia contra costos de operación, as:í como tamaño reducido.

Así, cuando el alto voltaje de corriente alterna se alimenta a la cámara de generación de ozono en

presencia de aire con oxígeno, se producirá ozono. Este método tan primitivo de formación es

extremadamente ineficiente. En sistemas grandes, y en algunos pequeños, la mayor cantidad de la

energía que se suministra a las cámaras generadoras de ozono, se transforma en luz, sonido y

desafortunadamente en calor.

Si el calor, no es removido de forma eficiente, el generador de ozono se convierte en un horno,

además de que el calor es un factor degenerativo para el ozono, ya que provoca que la molécula

de ozono, que es muy sensible a la temperatura, se descomponga en oxígeno además de que las

79

características propias del dieléctrico también son afectadas, a tal punto que se puede provocar la

perforación del dieléctrico.

Para estar en posibilidad de estimar la producción de ozono, cuando el gas alimentado a la cámara

de generación de ozono, se encuentra limpio, seco y rico en oxígeno, además de contar con un

eficiente método para eliminar el calor de la cámara, se plantea la siguiente ecuación empírica:

Vocpg (Ec. 3.15)

y oc (JvV2) A d

(Ec. 3.16)

donde:

(Y/AJ es el estimado de producción de ozono por unidad de área de electrodo, sólo bajo

óptimas condiciones.

V es el voltaje aplicado a los electrodos (volts).

p es la presión del gas que pasa a través de la separación (bar).

g es el espesor de la separación (metro).

f es la frecuencia del voltaje aplicado (hertz).

v es la constante del dieléctrico (farad/metro).

d es el espesor del dieléctrico (metro).

Observando las ecuaciones 3 .15 y 3 .16, se pueden comentar los siguientes aspectos para el

diseño:

I. El compromiso entre la presión - espesor de la separación, debe ser tal que permita que el

voltaje aplicado a la cámara, sea lo más bajo posible, mientras se mantenga la presión de

trabajo. Manteniendo el voltaje lo más bajo posible, se evitará cualquier daño en el dieléctrico

y/o las superficies de los electrodos debido a cualquier falla por alto voltaje o arqueamiento.

Para sistemas de desinfección que requieran el burbujeo del ozono, por inyección en la parte

baja de los tanques con agua contaminada, las presiones de trabajo generalmente utilizadas

están dentro del rango de los 0.7 a 1 bar.

80

2. Se recomienda la utilización de un material dieléctrico lo más delgado posible, además de que

tenga un alto valor en su constante dieléctrica, para elevar la eficiencia del generador de ozono.

Por lo tanto, algunas formas geométricas hechas de vidrio, se recomiendan como dieléctrico

debido a su costo, su disponibilidad en el mercado, además de contar con una muy alta

constante dieléctrica.

3. El voltaje de corriente alterna debe ocurrir a altas frecuencias. La alta frecuencia en el voltaje

de corriente alterna disminuye el peligro de dañar las superficies del dieléctrico. Esto

disminuye el costo debido a mantenimiento y por tanto eleva la disponibilidad del generador.

Existe un compromiso que debe ser tomado en cuenta, entre la magnitud del voltaje aplicado y

su frecuencia, debido a que el voltaje se presenta elevado al cuadrado.

4. El enfriamiento debe ser lo más eficiente posible para remover el calor producido durante la

descarga. Parte del calor producido se elimina con el flujo de gas que se alimenta al generador,

pero en el caso de que se requiera una mayor producción de ozono, será necesario implementar

algún sistema de intercambio de calor que sea lo más eficiente posible.

3.2.1 Generadores comerciales de ozono.

De cierta manera, los generadores de ozono para utilización a gran escala que se pueden encontrar

en el mercado, cuentan con el mismo principio fisico de generación (descarga silenciosa), pero

algunos aspectos como la forma, dieléctrico, voltaje y frecuencia hacen la diferencia entre ellos,

sin dejar de mencionar la forma como se enfrían todos estos generadores. Para el caso de los

generadores de ozono que se emplean para usos que no son tan intensivos, estos están construidos

por un par de electrodos y un aislante, que en general tiene una forma tubular.

Los sistemas que se utilizan para poder eliminar el calor del generador de ozono, no son muy

complicados ya que sólo basta con la transmisión del calor al gas que se le hace pasar a través de

la separación entre dieléctrico y electrodo. Existen en el mercado, una infinidad de generadores de

ozono que varias compañías comercializan, pero la mayoría de estos están basados en los

siguientes tres tipos de generadores:

1. Generador de placa de Otto.

2. Generador tubular.

81

3. Generador de plato de Lowther.

Generador de placa de Otto. Este tipo de generador de ozono es ampliamente utilizado en

Francia, en las plantas de tratamiento de agua. El diseño original de este generador de placa fue

desarrollado por Otto, en los principios del siglo XX, y esta unidad básica se sigue utilizando, en

forma primaria en aplicaciones de tratamiento de agua potable (Figura 3.3).

La construcción de la cámara generadora está hecha de cierto número de secciones arregladas en

la siguiente secuencia: una placa o disco de aluminio ( enfriado con agua y que sirve como

electrodo a tierra); una placa o disco de vidrio como dieléctrico; un espacio de aire, otro vidrio

dieléctrico y un electrodo hecho de acero inoxidable al cual se le aplica el alto voltaje. Una

unidad completa puede incluir varios de estos arreglos.

El aire es bombeado dentro de la cámara y entra a través de la separación de descarga, donde la

conversión del ozono toma lugar. El aire ozonizado es extraído a través de un tubo con agujeros

colocado en el centro de cada uno de los electrodos y dieléctricos. Normalmente los electrodos

tienen una sección transversal de 135 centímetros cuadrados, y los platos de vidrio tienen un

espesor de 3 a 5 milímetros con una sección transversal de 175 centímetros cuadrados. Este tipo

de sistema de distribución de gas está limitado a bajas presiom!s .

Platos de vidrio

Electrodo a tierra, enfriado oor aeua

..,.---• ....--- Platos de vidrio

r- ,. -r Aire Aire

Electrodo ele alto voltaie

FIGURA 3.3. GENERADOR DE PLACA DE OTTO [10].

Ozono

82

Generador tubular. Este tipo de generador de ozono está compuesto de un número de unidades

tubulares (Figura 3.4). Los electrodos exteriores son tubos de acero inoxidable, que están sujetos

a espaciadores del mismo material. Estos tubos se enfrían por medio de agua que pasa a través de

los espaciadores.

Por dentro de estos tubos se colocan tubos de vidrio que en su parte interior están recubiertos por

una capa conductora, que actúa como el otro dieléctrico.

A·~ Electrodo a tierra

Electrodo 02 03

:J) Tubo de vidrio

02 03

. Sección A-A.;

FIGURA 3.4. GENERADOR TUBCLAR [10].

Generador de plato de Lowther. Este generador es significativamente diferente al de tipo Otto

(Figura 3.5). El generador de plato de Lowther es enfriado por aire y puede operar con aire o con

oxígeno.

La unidad básica es un "sándwich" hermético, construido con por placas de aluminio para disipar

el calor, un electrodo de acero recubierto por cerámica como dieléctrico, separadores de vidrio,

donde se genera el ozono, otro electrodo de acero recubierto por cerámica con una entrada (para

el aire u oxígeno) y una salida para el ozono, las cuales pasan a través del segundo disipador de

aluminio.

El enfriamiento, por convección forzada, se realiza por medio de varios ventiladores, que hacen

pasar aire a través de las aletas de los disipadores de calor.

Disipador de aluminio

\ --CJ CJ

D CJ

D CJ CJ

--

:··+ A 1 : Separador de

~¿ 1

.

CJ CJ

/ 1 Electrodo de alto voltaje: "' Electrodo a

1 . ,-.. + A

Separador de vidrio

¿

Ozono •••••••••••········•••·••o

Oxígeno

Sección A-A

FIGURA 3.5. GENERADOR DE PLATO DE LOWTHER [10].

3.3 MEZCLA DE AGUA CON OZONO.

83

Cerámica

En los procesos de oxidación es imprescindible un contacto inmediato del ozono con la solución

a tratar, con el fin de obtener una aplicación eficiente. Se han diseñado varios métodos para

aumentar la eficiencia de la transferencia gaseosa, en algunos casos se han alcanzado

rendimientos de un 90 % y aún superiores.

El diseño de los sistemas de contacto para ozono es importante debido a que se desea aumentar al

máximo la eficiencia en la transferencia de ozono para reducir el costo del tratamiento.

Los tres principales problemas que se encontraron para hacer el contacto del ozono en el agua

son:

1. El ozono es relativamente poco soluble en agua como lo muestra la tabla 3.1.

2. Las bajas concentraciones de ozono producidas en los ozonizadores.

84

3. La inestabilidad del ozono.

GAS OºC IOºC 20ºC 30ºC

Oxígeno

a 100% 70.5mg/l 54.9 mg/1 44.9 mg/1 38.2 mg/1

a21% 14.8 mg/1 11.5 mg/1 9.4 mg/1 8.0 mg/1

Ozono

a 100% 1374.3 mg/1 1114.9 mg/1 789.0 mg/1 499.6 mg/1

a21% 55.0 mg/1 44.6 mg/1 31.6 mg/1 20.0 mg/1

Cloro

a 100% 14816.5 mg/1 9963.4 mg/1 7263.6 mg/1 5688.8 mg/1

a 99.8% 14879.4 mg/1 9943.5 mg/1 7294.1 mg/1 5677.4 mg/1

TABLA 3.1. COMPARACIÓN DE SOLUBILIDADES [11].

Existen muchos mecanismos para el contacto como inyectores, difusores y equipos Venturi. Los

sistemas de contacto pueden ser diseñados específicamente para la aplicación de ozono a

diferentes tipos de agua residual.

Con el fin de definir el equipo de contacto ideal para cada caso, se debe especificar lo siguiente:

a) El objetivo: desinfección, reducción de DBO y en qué grado.

b) Velocidad relativa de las reacciones competitivas con la destrucción de ozono, como son:

reacciones de oxidación química orgánica e inorgánica, muerte de bacterias, desactivación de

virus, etc.

c) Velocidad de transferencia de masa del ozono a la solución.

d) Características de calidad del agua.

e) Presión de operación del sistema.

f) Concentración de ozono utilizada.

Hay otras consideraciones como materiales de construcción, el tipo de contacto: lecho empacado,

columna, etc.

85

Los equipos de contacto usados principalmente en tratamientos de agua son:

a) Difusor poroso de burbujas finas en multietapas, el cual consta de una aplicación de gas en el

fondo de una cámara de contacto profunda por medio de difusores porosos, con el flujo de la

disolución en contracorriente con el flujo del gas, reciclando los gases de salida de las etapas

subsecuentes a la primera etapa.

b) El inyector de ozono con presión positiva o negativa, comprende inyección del gas en el

líquido a 0.43kg/cm2• Debido a la pérdida de presión a través del inyector, se succiona aire

ozonizado que se mezcla con la disolución en varias etapas, donde los gases de salida de las

etapas subsecuentes se reciclan en la primera etapa.

c) Mezclador de turbina con presión positiva o negativa, también llamado Sistema Kerag, que

utiliza un propulsor giratorio rápido con una base perforada, a través de la cual se introduce el

ozono que se mezcla con la disolución en el fondo de la columna de contacto.

d) Columna con lecho empacado, que es un tratamiento a contracorriente de la mezcla de

ozono/aire u oxígeno con la solución.

e) Difusor de cámara de dos niveles, que es la aplicación de ozono a la cámara baja donde los

gases de salida se inyectan en la cámara alta.

La selección de un sistema de contacto, está en función de la aplicación de éste. A continuación

se cita las aplicaciones más comunes para ozonización y el tipo de contacto que se utiliza

normalmente o que ha demostrado ser el más eficiente.

Desinfección primaria: Con el fin de mantener una concentración residual del agente

desinfectante, se ha tenido éxito con el sistema difusor de burbujas finas en multietapas.

Para oxidar hierro y manganeso: Normalmente se realiza esta oxidación en etapas primarias o

intermedias. La formación de precipitados de estos compuestos favorece el empleo de varios

sistemas de contacto que no produzcan burbujas finas, sin embargo, se ha observado que a pesar

de utilizar burbujas finas, su aplicación ha tenido éxito.

Eliminación de color y olor: lo más usado frecuentemente y con mayor eficiencia para este fin,

es el sistema de contacto de difusor poroso de burbujas finas en multietapas.

86

Eliminación de algas: es usada la formación de altos niveles de burbujas finas de gas en el

líquido bajo tratamiento para la eliminación de algas porque induce la flotación de éstas. El

modelo de turbina sumergida o sistema Kerag está específicamente diseñado para la remoción de

algas.

Eliminación de partículas: para deshacerse de partículas en etapas primarias de tratamiento se

han empleado diferentes sistemas de difusión de gas, presentando resultados satisfactorios.

Oxidación: la aplicación de ozono para la oxidación de compuestos orgánicos disueltos, requiere

de la participación de ingenieros expertos para la selección del sistema más eficaz.

El tratamiento de los gases de salida es muy importante, este tratamiento puede ser dilución,

destrucción vía carbón activado, descomposición térmica o catalítica o bien recirculación.

En el sistema Otto de inyección parcial, la disolución a tratar pasa a través de un inyector bajo

una presión de 0.43kg/cm2. Debido a la pérdida de presión de un inyector se succiona aire

ozonizado que se mezcla con la disolución. Después, esta mezcla se transfiere a un reactor de

flujo ascendente donde ocurre la oxidación. En algunos casos, parte de la disolución se mezcla

con un exceso de ozono y se añade después al caudal principal antes de entrar al reactor.

El sistema Kerag utiliza un propulsor giratorio rápido con una base perforada a través del cual se

introduce el ozono que se mezcla con la disolución en el fondo de una columna de reacción.

Como se puede apreciar, existen muchos mecanismos por los que el ozono se puede poner en

contacto con el agua, pero todos de gran tamaño por lo que se escogió utilizar un tubo Venturi en

el diseño de este potabilizador de agua. Además se requiere utilizar varios conceptos de

electrónica para poder diseñar la fuente de alto voltaje. Todo este marco teórico nos servirá para

consolidar la fabricación de un prototipo como se podrá ver en el siguiente capítulo.

87

CAPÍTULO 4.

4 CONSTRUCCIÓN Y PRUEBA DEL PROTOTIPO.

Para el diseño y fabricación de un producto de cualquier tipo y uso, los ingenieros de producto

deben tener siempre en mente las necesidades y expectativas que los clientes tienen; sin olvidar

los aspectos inherentes a la propia construcción. Estos aspectos, dentro del proceso de diseño son

los que darán al producto su fuerza de comercialización dentro del mercado.

4.1 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO.

Para la construcción del generador de ozono para desinfectar agua, se tomaron en cuenta aspectos

de funcionalidad del producto, tamaño, materiales, costos, aspectos de seguridad y sin olvidar

dentro de la construcción del mismo, aspectos como fijación y fácil mantenimiento.

Para obtener un mejor punto de vista acerca de los productos ya existentes en el mercado, se hizo

una exhaustiva investigación en varias fuentes de información como libros, artículos de revistas y

por supuesto se consultaron varias patentes dentro de la base de datos de la Oficina de Patentes de

los Estados Unidos de América, por Internet.

Tras esta investigación, se concluyó que el mejor esquema de construcción de la cámara para la

generación de ozono es el de tipo tubular, debido a que ocupa poco espacio y es más eficiente en

la generación de ozono por unidad de potencia eléctrica suministrada. Otro aspecto que se

concluyó de dicha investigación, se refiere a que la mayoría de los electrodos que forman parte de

las diferentes cámaras de generación de ozono estudiadas, son manufacturados a partir de barras

cilíndricas de aluminio o bronce, que después de varios procesos de maquinado, quedan listos

para ser utilizados en los pasos correspondientes al ensamble.

Para reducir cualquier costo inherente al proceso de maquinado de los electrodos, se optó por

utilizar otra estrategia en la construcción. Por ello, se prefirió utilizar malla de acero inoxidable

ya que es un material fácil de manejar además de que es más resistente al ataque corrosivo del

88

ozono en comparación con los materiales utilizados en los generadores estudiados. Otra

motivación que llevó a este cambio, se refiere a que rápidamente se pueden fabricar nuevos

prototipos ya que no es necesario realizar algún proceso de maquinado a ningún material y con

ello reducir los costos de fabricación y diseño, y en el momento de la manufactura del producto

final, se reducen los tiempos de construcción.

Para enriquecer aún más la investigación, se revisaron varios artículos publicados en revistas

científicas de renombre internacional, en donde se reportan distintas investigaciones en este

campo. En ellos se da a conocer que la longitud total de la cámara, forma parte de los parámetros

que influyen para la generación de ozono, pero se tomó la decisión de no incluir este parámetro

en la optimización del modelo, debido a que no se contó con los recursos monetarios suficientes

para hacer otros nuevos prototipos, se estandarizó a una sola longitud todas las cámaras.

En estas mismas publicaciones, los diferentes artículos en el campo de la generación de ozono,

reportan la utilización y prueba con diferentes materiales como dieléctrico tales como vidrio,

PVC y aire.

Los modelos de cámaras de generación hechos con dieléctricos de vidrio permiten que se genere

mayor cantidad de ozono por unidad de potencia eléctrica, motivo por el cual, en todos los

prototipos propuestos en este trabajo se utilizaron tubos de vidrio como dieléctrico.

Para incluir otros grados de libertad en el diseño de la cámara, se propuso variar tanto el diámetro

exterior como el espesor del tubo de vidrio.

Por el hecho de que no puede estar expuesta la cámara de generación, ya que se pierde a la

atmósfera el ozono producido, y puede haber el riesgo de que el usuario, reciba una descarga de

alto voltaje, se optó por encerrar a los electrodos y el tubo de vidrio dentro de un tubo de PVC, el

cual forma el aislamiento exterior de la cámara, le da rigidez mecánica a la misma y se evita que

el ozono se pierda a la atmósfera.

Para clausurar los extremos correspondientes de la cámara de generación, se optó por colocar dos

tapas de plástico las cuales permiten, por medio de dos orificios, introducir los alambres

89

correspondientes a la alimentación de alto voltaje, proveniente de la fuente. A su vez, estas tapas

están diseñadas para dar soporte al tubo de vidrio que se encuentra en el interior de la cámara y

cumplen la misma función que el tubo de PVC, es decir dar aislamiento exterior a la cámara.

Todos y cada uno de los materiales anteriormente descritos, fueron elegidos tomando en cuenta el

hecho de que son resistentes a la acción oxidante del ozono y con ello se le da al producto final

una mayor confiabilidad, con relación a los diferentes diseños estudiados, además de que son

fáciles de encontrar en el mercado nacional a costos muy bajos.

Revisando los diseños de los generadores de ozono, que se presentan en las patentes estudiadas,

se pudo observar que las fuentes de alto voltaje son muy complicadas y costosas. O en su caso,

simplemente sólo se reporta el diseño de la cámara de generación de ozono y se abre la

posibilidad de que el usuario adquiera alguna fuente de alto voltaje existente en el mercado. Y

dado que el propósito de este trabajo es el de ofrecer una solución integral al usuario a precio

accesible y no sólo ofrecer el diseño de la cámara de generación, se procede al diseño y

construcción de una fuente de alto voltaje.

En el primer diseño y construcción de la fuente de alto voltaje, se tomaron en cuenta ciertos

aspectos tales como facilidad de ensamble, tamaño reducido y que no disipe gran cantidad de

calor al ambiente ya que le resta estabilidad a la misma. Posteriormente, se pensó en la

posibilidad de poder variar el número de pulsos de alto voltaje que se aplican a los electrodos de

la cámara de generación, ya que por la investigación bibliográfica realizada, se observó que varios

autores hacen hincapié en el hecho de que esto hace más eficiente la generación de ozono por

unidad de potencia eléctrica, suministrada a la cámara, ya que el ozono requiere cierto tiempo

entre pulso y pulso para su formación, ya que la reacción no es inmediata.

De la posterior formación del ozono, se necesita que éste se ponga en contacto con el agua que se

desea desinfectar. Por lo que tras una revisión en libros, artículos de revistas y patentes se llegó a

la conclusión de que el método de contacto más económico y fácil de manufacturar es el

correspondiente a la utilización de un tubo Venturi, el cual por el principio de Bemoulli, permite

el contacto rápido del ozono con el agua, ya que hace la función de crear un efecto de succión del

ozono debido a una diferencia de presión generada al paso del agua dentro del Venturi. Con lo

90

que se evita que el ozono formado se pierda a la atmósfera además de que se reduce el costo final

del producto, ya que se evita incluir una bomba que inyecte el aire necesario dentro de la cámara

de generación.

Para el control del caudal de agua que se hará pasar a través del tubo Venturi, para su

desinfección por medio de ozono, se pensó en utilizar una electroválvula la cual permite el paso

del fluido cuando se aplica una diferencia de potencial de 120 Volts en sus terminales. La

admisión del fluido, es controlada por medio del movimiento de un diafragma hecho de hule, que

se acopla mecánicamente a un vástago metálico, este último es atraído por la acción del campo

magnético generado por la diferencia de potencial aplicada a la bobina que la electroválvula

contiene.

Hecho el respectivo análisis para el diseño y construcción del prototipo para la purificación de

agua por medio de ozono, a continuación se presentan las fotografías correspondientes a todos y

cada uno de las piezas y subensambles que se requieren para la construcción.En la figura 4.1 de

puede observar las dos tapas que se utilizan para poder cerrar a la cavidad que genera el ozono.

Estas dan soporte mecánico a los componentes que se encuentran dentro y fuera de ella, como

son: el tubo de PVC, el tubo de vidrio que forma el dieléctrico de la cámara de generación de

ozono (y sobre el cual se colocan los dos electrodos), y en su caso el tubo de acero inoxidable.

FIGURA 4.1. TAPAS DE PLÁSTICO.

91

A continuación se muestra en la figura 4.2, una de las dos secciones de tubo de vidrio que tendrá

la función de dieléctrico y como se apreciará más adelante, es la base para la colocación de los

dos electrodos de la cámara de generación. Este segmento, tiene las siguientes características:

longitud de 12.5 centímetros, con un espesor de pared de 0.08 ,~entímetros y un diámetro exterior

de 2.2 centímetros y se utilizará para la construcción del prototipo l.

FIGURA 4.2. TUBO DE VIDRIO l.

Se muestra en la figura 4.3 el segmento de tubo de vidrio que se empleará para la fabricación del

prototipo 11. La longitud de este tubo es de 12.5 centímetros, un espesor de pared de 0.16

centímetros y un diámetro exterior de 3.0 centímetros.

FIGURA 4.3. TUBO DE VIDRIO 11.

92

En la figura 4.4, se muestra la sección de tubo hecha de PVC, clase ligera, tipo sanitario de 4.0

centímetros de diámetro exterior. Esta pieza de la cámara de generación, como anteriormente se

ha mencionado, tiene la función de cubrir totalmente al tubo de:: vidrio y ambos electrodos así de

dar rigidez mecánica a todo el ensamble.

FIGURA 4.4. TUBO DE PVC.

Se observa en la figura 4.5, el detalle de la forma en la que fueron colocados los dos electrodos

(ánodo y cátodo) al tubo de vidrio mostrado anteriormente en la figura 4.2, para de esta manera

construir la cámara de generación I, donde se espera que se forme el ozono.

FIGURA 4.5. COLOCACIÓN DE LOS ELECTRODOS.

93

De forma similar se colocan los electrodos a la sección de tubo de vidrio mostrado en la figura

4.3 para así construir la cámara de generación 11.

Los electrodos están hechos con porciones de malla de acero inoxidable de dos y medio cuadros

por centímetro cuadrado. También se aprecia el detalle de la colocación de los dos conductores

que hacen la interconexión de los electrodos con la fuente de alto voltaje.

La operación de colocar los electrodos a ambos tubos de vidrio, consiste en introducir un trozo de

malla de acero inoxidable en el interior del tubo de vidrio (teniendo cuidando que la malla esté en

contacto con la superficie interior del tubo) y el otro electrodo de malla se coloca en la superficie

exterior del tubo.

Utilizando alambre de acero inoxidable, se fija la malla exterior al tubo haciendo un amarre con

los extremos del mismo. Ahora, se procede a colocan las dos tapas de plástico, como las

mostradas en la figura 4.1 en los extremos del tubo de vidrio.

Con el fin de mostrar como se colocan ambas tapas, al ensamble mostrado en la figura 4.5 se dejó

fuera del ensamble al tubo de PVC, (Figura 4.6).

FIGURA 4.6. FORMA DE ENSAMBLE DE LAS CÁMARAS I Y 11.

94

Para la fabricación de la cámara de generación III, tal y como ya se había mencionado se utilizó

una sección de tubo de acero inoxidable. El cual tiene 12.5 centímetros de longitud, un diámetro

exterior de 3.8 centímetros y un espesor de 0.1 centímetros, tal y como se muestra en la figura

4.7.

FIGURA 4.7. TUBO DE ACERO INOXIDABLE.

La utilización de un tubo de acero inoxidable como segundo electrodo, conlleva otra forma de

ensamble la cual es totalmente diferente a la observada en la figura 4.6, debido a que el ozono

puede salir de la cámara hacia la atmósfera. Para solucionar este problema se colocan dos sellos

hechos de vitón, tipo 0-RING, como los que se muestran en la figura 4.8.

FIGURA 4.8. SELLOS TIPO 0-RING.

95

Para mostrar el conjunto de todos los materiales que conforman el prototipo III, en la figura 4.9 se

observa el tubo de PVC (como el mostrado en la figura 4.4), el tubo de acero inoxidable (de la

figura 4.7), y la sección de tubo de vidrio (tal como la mostrada en la figura 4.2) junto con el

primer electrodo, (el cual se encuentra en el interior del tubo de vidrio) hecho de malla de acero

inoxidable y los dos sellos tipo 0-RING. También, la figura muestra el arreglo con el cual dos

conductores hacen la función de interconexión entre la fuente y los respectivos electrodos.

FIGURA 4.9. MATERIALES DE LA CÁMARA III.

La función de la generación del ozono es purificar agua, por lo que el contacto entre ambas

substancias es vital. Por el cual el flujo es controlado por una electroválvula (Figura 4.1 O).

FIGURA 4.1 O. ELECTROVÁLVULA.

96

El agua que se va a desinfectar, se hace pasar a través del tubo roscado de la electroválvula y la

salida del fluido se hace a través del tubo con cuello. Para hacer que el agua fluya, se aplica a las

terminales eléctricas de la bobina una diferencia de potencial de 120 Volts de corriente alterna

(Figura 4.10). En la figura 4.11, se muestra el tubo Venturi, que es el encargado de mezclar el

ozono generado con el agua que se desea purificar. Está construido de plástico para evitar

cualquier efecto corrosivo debido al ozono y el agua.

FIGURA 4.11. TUBO VENTURI.

El tubo Venturi se ensambla con la electroválvula por medio de un de tubo de plástico, tal como

se muestra en la figura 4.12.

FIGURA 4.12. ENSAMBLE DEL SISTEMA DE MEZCLA.

97

4.2 PRUEBA DEL PROTOTIPO.

4.2.1 Generación de ozono.

Tras el diseño y construcción de un nuevo producto, es necesario realizarle una serie de pruebas

que son necesarias para verificar que lo inicialmente fue propuesto, se ha llevado a cabo. En este

caso, se requiere cuantificar la producción de ozono para cada una de las cámaras fabricadas. La

cuantificación del ozono generado es de suma importancia, para estar en posibilidad de tomar una

decisión acerca de qué diseño de los propuestos es el que podrá purificar agua de la forma más

económica y eficiente posible.

Se requiere, por tanto, utilizar un método confiable que nos permita conocer cuantitativamente la

generación de ozono. El método propuesto para llevar a cabo este estudio es el 2350 E, propuesto

por la American Water Works Association [12]. A continuación, se muestran los resultados

obtenidos de la evaluación hecha a los tres prototipos fabricados.

Estas pruebas se realizaron con un voltaje de entrada de 10,000 Volts (Tabla 4.1 ). Como se puede

observar, el prototipo III no cumple con la expectativa de generar suficiente cantidad de ozono ya

que es necesario garantizar que la cámara que se utilizará en el prototipo final tenga la capacidad

de entregar mucho más ozono que el que se especifica en el apartado 2.4.12, para que de esta

forma tengamos la certeza de que el agua que se intenta purificar realmente esté libre de agentes

contaminantes después del contacto con el ozono.

Proto- Lon- Voltaje Dielé- Espesor Diámetro Electrodos Caudal Gene- % Tempe-

tipo gitud. (volts) ctrico (cm) (cm) hechos entrada ración de Hume- ratura.

(cm) con: (lts/min) ozono dad (ºC)

(mg/min) relativa

r 12.5 10000 Vidrio 0.08 2.2 Malla- 1.0 7 31 20

Malla

rr 12.5 10000 Vidrio 0.16 3.0 Malla- 1.0 9.8 31 20

Malla

m 12.5 10000 Vidrio 0.08 2.2 Malla- 1.0 1.5 31 20

Tubo

' ' TABLA 4.1. PARAMETROS Y GENERACION DE OZONO.

98

Con las dos cámaras restantes (1 y 11), se procedió a variar el voltaje de entrada a la cámara de

generación de ozono. Se dejaron fijos los restantes parámetros de generación, para observar la

forma en la que el voltaje afecta a la generación de ozono. Como se puede apreciar en la tabla 4.2,

la generación disminuye con respecto a la cantidad mostrada en la tabla 4.1, para el mismo

prototipo.

Pro- Lon- Voltaje Dielé- Espesor Diámetro Electrodos Caudal Gene- % Tempe-

totipo gitud. (volts) ctrico (cm) (cm) hechos entrada ración de Hume- ratura.


(mg/min) relativa

I 12.5 6000 Vidrio 0.08 2.2 Malla- l.O 4.55 31 20

Malla

I 12.5 7000 Vidrio 0.08 2.2 Malla- l.O 4.86 31 20

Malla

I 12.5 8000 Vidrio 0.08 2.2 Malla- l.O 5.60 31 20

Malla

TABLA 4.2. PROTOTIPO l. VARIANDO EL VOLT AJE DE ENTRADA.

Procediendo de la misma manera que en el prototipo 1, se hace variar el voltaje de entrada a la

cámara de generación 11, conservando fijos los restantes parámetros se obtuvieron los siguientes

resultados (Tabla 4.3).

Pro- Lon- Voltaje Dieté- Espesor Diámetro Electrodos Caudal Gene- % Tempe-

totipo gitud. (volts) ctrico (cm) (cm) hechos entrada ración de Hume- ratura


(mg/min) relativa

II 12.5 6000 Vidrio 0.16 3.0 Malla- l.O 5.48 31 20

Malla


Malla


Malla

TABLA 4.3. PROTOTIPO 11. VARIANDO EL VOLTAJE DE ENTRADA.

Se procede a graficar los resultados anteriores, para facilitar la observación del comportamiento

de la generación de ozono de ambas cámaras (Figura 4.13). A esta gráfica se adicionan los

99

resultados obtenidos de la tabla 4.1 para complementar las gráficas para cada uno de los

prototipos en estudio.

Dado que no se contó con un equipo de medición para cuantificar la diferencia de potencial que

se alimentó a los electrodos de las cámaras de generación de ozono, sólo se realizó una

aproximación del mismo.

Se procedió a variar el voltaje de entrada a la fuente y tomando en cuenta la relación de vueltas

que el transformador elevador tiene, se estimó el voltaje que se alimentó a cada uno de los

prototipos evaluados 4.2 y 4.3.

Como se observa en la figura 4.13, la disminución en el voltaje de entrada a las cámaras de

generación de ozono I y 11, provocó que la cantidad de ozono generado disminuyera. Lo que

también se aprecia, en esa misma figura es el comportamie:nto tan similar que ambas cámaras

tienen.

12 . e

10 ·-E - 8 0 e 0 6 N 0 CD 4

"C O> E

2 o

Curva de decaimiento

~-*" ---

1 1 1

6000 7000 8000 10000

Voltaje

_._ P roto tipo 1 __.._Prototipo 11

FIGURA 4.13. CURVA DE DECAÍMIENTO.

100

4.2.2 Consumo de potencia.

Se obtuvo la potencia eléctrica que consume el mejor de los prototipos construidos. La fuente de

alto voltaje se conectó a los electrodos de la cámara de generación II, y por medio de un equipo

Analizador de Potencia marca Fluke modelo 43/003 se conectaron las puntas de prueba del

instrumento, a la clavija de alimentación de 120 Volts de corriente alterna de la fuente de alto

voltaje. Se hizo funcionar el generador de ozono y se obtuvo la lectura del instrumento que es de

20 watts.

4.3 LA DESCARGA SILENCIOSA DE LOS PROTOTIPOS I Y 11.

Para verificar en qué forma se está llevando a cabo la producción del ozono dentro de la cámara

de generación, se requiere observar el mecanismo de formación de las microdescargas, para así

demostrar que realmente se genera ozono por descarga silenciosa y no por otro método como los

mencionados anteriormente en el capítulo 2.

Por tal motivo se tomaron las siguientes fotografias de cada una de las cámaras de generación de

ozono. En la figura 4.14 se aprecia la descarga silenciosa que se efectúa en la cámara de

generación l.

FIGURA 4.14. VISTA LATERAL DE LA CÁMARA l.

101

En la figura 4.15 se aprecia la descarga que se produce dentro del generador de ozono II.

FIGURA 4.15. VISTA LATERAL DE LA CÁMARA II.

A continuación en la figura 4.16, se muestra otro vista de la descarga que se efectúa en el

prototipo II. En esta figura se aprecia la forma en la que a través de los agujeros que tiene la malla

se lleva a cabo la descarga.

FIGURA 4.16. VISTA SUPERIOR DE LA CÁMARA II.

En las figuras anteriores, todas y cada una de las descargas se producen por descarga silenciosa,

ya que las microdescargas empiezan muy cerca de los conductores pero terminan justo en el

borde del dieléctrico, sin traspasarlo, ya que no existe un arco eléctrico entre ambos electrodos.

102

No obstante, de que se ha demostrado que el prototipo fabricado, está en posibilidad de generar

suficiente ozono para purificar un litro de agua, se requiere realizar un estudio de factibilidad

técnico-económica para averiguar si el trabajo realizado cumple con las expectativas propuestas

en este trabajo. Por lo tanto, en el siguiente capítulo se realizará esta amalgama entre la técnica y

la economía.

103

CAPÍTULO 5.

5 FACTIBILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA.

En todos los aspectos de la vida del hombre, de los bienes que no obtiene de la naturaleza, se

puede observar el sello que la inteligencia humana le da a las cosas que utiliza. De ahí, que todas

las ramas de la ingeniería, tengan un papel de suma importancia. Pero el aspecto económico no

puede ser dejado a un lado dentro de cualquier desarrollo técnico, por tanto es imposible pensar

obtener un nivel de excelencia técnica sin observar la excelencia económica.

5.1 FACTIBILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA.

Al paso del tiempo los ingenieros, han diseñado y construido toda una infraestructura como

caminos, presas, plantas industriales y muchas obras más. Estas obras han permitido que la

sociedad tenga a su alcance un amplio sistema productivo, lo que ha dado lugar a que un mayor

número de personas tengan acceso a las facilidades de la vida moderna.

Por tanto, se puede hablar que todas las ramas de la ingeniería están muy ligadas al progreso de la

humanidad tanto en el medio social como el económico. El objetivo intrínseco de la ingeniería es:

formular e implementar sistemas capaces de proporcionar tanto los bienes como los servicios que

satisfagan las necesidades de los seres humanos. La calificación que dichas obras de ingeniería

deberán recibir, está ligada al grado de bienestar que la humanidad obtiene.

Pero ese bienestar no sólo debe ser exclusivo de la sociedad actual, ya que ahora y más que nunca

debe ser objetivo de la ingeniería, velar por el bienestar de la humanidad actual además del de las

futuras generaciones, por lo que deben tomarse en cuenta la armonía con el medio ambiente y

aprovechar al máximo los recursos que se extraen de él por lo que es menester hacer todo sistema

sustentable.

La ciencia y la tecnología son piedras angulares de la ingeniería, pero ésta, al tener como objetivo

final satisfacer las necesidades humanas, tiene muy estrecha relación con otras disciplinas del

área humanística.

104

Por lo que la economía cobra un papel preponderante dentro de esta relación. Es bien conocido

que existe una gran cantidad de sistemas que son técnicamente factibles, pero no se encuentra

alguna justificación económica para su implementación.

Para ilustrar lo anterior diremos que se han desarrollado diversos procesos para la desalinización

del agua del mar, los cuales bajo ciertas condiciones, resultan 1~conómicamente factibles.

Se puede afirmar que la ingeniería bien realizada va más allá de los aspectos tecnológicos, ya que

debe estar consciente ante los principios que establece la economía y optimizar el uso de los

recursos de que se dispone, evitando cualquier posible ecosidio.

Los logros de la ingeniería no deben por tanto ser estimados sólo en relación con la eficiencia

técnica, sino también con base en su eficiencia económica, es decir en función de los costos en

que se incurra y de los valores o beneficios alcanzados a corto, mediano y largo plazo.

En cualquier labor de la ingeniería, se pretende obtener cierta eficiencia técnica, por lo que se

debe en todos los casos intentar optimizar la relación entre la los factores inherentes de un

producto o servicio ( como calidad y cantidad) y las necesidades del usuario. Esto implica que aún

cuando un producto o servicio alcance una perfección técnica, no es condición para alcanzar la

eficiencia técnica.

Es tarea indispensable combinar los recursos disponibles con las herramientas de producción

existentes para así formar sistemas integrados, capaces de generar productos nuevos y útiles; y los

ya existentes, a un costo menor.

La eficiencia técnica puede incrementarse, con frecuencia,, con el lanzamiento de un producto

nuevo o con tecnología mejorada, ya que esto estimula e incrementa las necesidades de los

usuarios, de tal manera automáticamente cambia los patrones de eficiencia técnica.

Cuando la meta es lograr una eficiencia económica se plantean algunas preguntas tales como:

¿Puede lograrse lo mismo a menor costo? ¿Pueden aumentarse los ingresos sin incrementar los

costos? Por lo que de aquí se desprende que para lograr una eficiencia económica es

105

indispensable incrementar las utilidades y reducir los costos, siendo esto último lo más común

dentro de los trabajos de ingeniería.

Por lo que para cerrar el diseño del generador de ozono para purificar agua realizaremos un

estudio de factibilidad económica del prototipo, el cual dependerá en gran medida de los costos

de las materias primas, moldes, costos de mano de obra, costos de fabricación y por supuesto los

costos de ingeniería. A continuación se enlistan los costos de los subensambles (Tabla 5 .1 ), estos

incluyen los costos de las materias primas y mano de obra:

Subensamble.

Fuente de alto voltaje

Cámara de generación de ozono

Mezclador ozono-agua

Arneses para conexión

Cajas de plástico

Materiales de empaque e instructivo

TOTAL SUBENSAMBLES POR UNIDAD

Costo a valor actual (pesos)

94.00

31.00

51.00

30.00

90.00

25.00

321.00

TABLA 5.1 COSTEO DE SUBENSAMBLES.

La necesidad de fabricar nuevas herramientas o simplemente diseñar dispositivos que permitan la

fabricación es otro de los conceptos que debe ser tomado en cuenta (Tabla 5.2). Aquí se presentan

los costos de los moldes que se involucran para la inyección de las piezas de plástico.

Molde de

inyección para:

Caja de plástico.

Tapa de plástico.

Tubo Venturi.

Número de cavidades.

2

2

Costo del molde

a valor actual (pesos)

100,000

65,000

50,000

TOTAL POR 100,000 INYECCIONES 215,000

TABLA 5.2. COSTEO DE MOLDES DE PLÁSTICO.

A su vez, se estima que cada molde puede tener una vida útil de 100,000 inyecciones antes de ser

sacado de la producción o realizarse algún mantenimiento mayor. Por lo que a cada unidad

producida hay que agregarle un costo de $2.15 pesos, en el peor de los casos, ya que para cada

106

unidad se requiere sólo un tubo Venturi. Pero se considera este costo unitario en él costeo debido

a las reparaciones menores que estos moldes puedan sufrir durante su vida útil.

Los gastos de ingeniería que se involucran para el desarrollo y diseño de un producto, son

igualmente importantes, ya que en esta etapa es necesario tomar muchas decisiones, hacer

cambios, etc. Por parte del equipo de ingeniería de producto, por lo anterior se muestran los

costos que este concepto causan:

Descripción

Desarrollo e investigación.

Desarrollo de la ingeniería básica

Desarrollo de la ingeniería de detalle

Costo aproximado a valor real (pesos).

45,000.00

15,000.00

35,000.00

TOTAL 95,000.00

TABLA 5.3. COSTEO DEL DESARROLLO DEL PROYECTO.

Tomando como base la durabilidad de los moldes y en un momento dado la vida en el mercado de

este producto, tenemos que la amortización de los costos del desarrollo del proyecto para 100,000

inyecciones es de: $0.95 pesos por unidad vendida. Lo que resta del estudio de factibilidad

técnico-económica, es hacer la correspondiente sumatoria de los costos por unidad que

anteriormente se han calculado en las tablas anteriores, por tanto en la tabla 5.4:

Descripción

Subensambles

Moldes

Desarrollo del proyecto

Costo Primo (pesos)

321.00

1.55

0.75

Precio de venta por unidad

Utilidad%

35%

Costo de venta (pesos)

433.35

2.15

0.95

436.45

TABLA 5.4. PRECIO DE VENTA POR UNIDAD.

5.2 COMPETENCIA.

Para poder tomar una decisión lo más acertada, es imprescindible mirar hacia el exterior y

observar a los posibles competidores en el mercado, por lo que a continuación en la tabla 5.5 se

muestran los resultados tras una investigación de otros productos que sirven para potabilizar

agua:

107

Compañía. Costo del producto a valor Método de desinfección.

presente (pesos)

Ozono Ecology $7000.00 Ozono

Alkem de México $6030.00 Ultravioleta.

Instapura $1800.00 Ultravioleta

Potagua $1218.00 Cloro

TABLA 5.5. PRECIOS DE LA COMPETENCIA.

Como se observa, el prototipo del generador de ozono para purificar agua tiene un precio por

unidad que está dentro del mercado nacional, ya que los productos de la tabla 5.5 están en el

bloque del mercado de mediano ingreso en el que se quiere ingresar. Otro aspecto muy

importante que arroja este estudio, que se puede aumentar el precio de venta y tener un margen

mayor de ganancias, sin perder mercado.

5.3 COSTOS DE OPERACIÓN.

El usuario, antes de realizar cualquier compra de un bien o servicio, verifica la cantidad de

producto que va a adquir, el consumo de potencia de algún electrodoméstico, o el número de

piezas en el contenido de un paquete, etc. Esta importante característica de los bienes que

consumimos nos hacen adquirir un producto sobre otro del mismo tipo. Por tal motivo es

necesario indicar claramente en una etiqueta y en el instructivo de operación, el consumo de

potencia del generador de ozono para purificar agua, y presentar al usuario la cantidad en dinero

que va a gastar por utilizarlo.

Sobre la base de los datos de desinfección mencionados en el apartado 2.4.12 del capítulo 2,

podemos deducir que para desinfectar de forma efectiva un litro de agua, se requieren dos

miligramos de ozono.

Tomando en cuenta los datos del apartado 4.2.1 del capítulo 4, de la cantidad de ozono generado

por minuto por los distintos prototipos fabricados, sabemos que el prototipo 11, genera hasta 9

miligramos de ozono por minuto, con este prototipo se pueden desinfectar hasta 4.5 litros de agua

por minuto (es decir, un botellón con 20 litros de agua se desinfecta en 5 minutos de operación).

108

A continuación, se muestra el costeo del consumo de potencia. eléctrica para purificar un botellón

con 20 litros de agua. Partiendo de la potencia eléctrica consumida, obtenida en el apartado 4.2.2

y para desinfectar esa cantidad de agua se requieren 5 minutos, esto equivale a 0.084 horas. El

costo por kilowatt/hora, uso domiciliario, facturado por la Compañía de Luz y Fuerza en el

periodo Agosto-Octubre del 2000, es de 0.54 pesos

Potencia Tiempo de Consumo de Costo del kilowatt Costo por utilización

consumida utilización. potencia en hora uso doméstico e para purificar un

(En kilowatts) (Horas) (kilowatts hora) incluye l. V .A. botellón con 20

(pesos) litros de agua.

(Pesos)

0.02 0.084 0.00168 0.54 0.0009072

Nota: El costo del kilowatt/hora, es el facturado por la Compañía de Luz y Fuerza, en el periodo Agosto

Octubre del 2000.

TABLA 5.6. COSTO POR LA POTENCIA CONSUMIDA.

Los resultados de este estudio de factibilidad técnico-económico, nos muestran que este producto

es factible ya que puede llegar a tener una buena aceptación por los beneficios tanto económicos

como técnicos dentro del mercado. Y que el de operar un equipo de este tipo en más económico

que adquirir un botellón con 20 litros de agua cuyo precio en el mercado es de 16.00 pesos

(Marca ELECTROPURA). En el siguiente capítulo se darán las conclusiones y recomendaciones

resultantes de este trabajo.

109

CAPÍTULO 6.

6 CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS.

Tras la elaboración de cualquier tipo de trabajo, es muy importante hacer una recopilación de los

resultados obtenidos en él, por lo que a continuación se darán las conclusiones y algunas

recomendaciones, resultantes de esta labor de investigación.

6.1 CONCLUSIONES.

Cuando se inició este trabajo de investigación se plantearon varios problemas que existen en

nuestro país, todos ligados al agua.

Algunos de ellos, involucran a toda la sociedad y por tanto en este trabajo sería imposible

proponer alguna solución acorde a todos ellos.

El compromiso ineludible de desarrollar a nuestra comunidad para mejorarla en lo social, nos

impulsó a poner un grano de arena para encontrar alguna solución a los graves problemas que las

enfermedades por agua contaminada causan en muchas poblaciones de nuestro país, utilizando

las herramientas que la manufactura y el diseño nos ofrecen para proponer un desinfectador de

agua, que utilice ozono como agente desinfectante, con el objetivo de que sea posible adquirirlo a

un costo razonable, para así asegurar que el agua para consumo de nuestra población tenga un alto

grado de pureza.

Y con ello, hacer que las personas no sufran por adquirir alguna de las enfermedades de tipo

gastrointestinal que a través del agua contaminada se han extendido en nuestro país.

Consideramos que este objetivo se ha cumplido, ya que si! ha propuesto en este trabajo un

dispositivo que a través de pruebas de laboratorio ha demostrado tener una alta eficiencia para

desinfectar agua.

A continuación ponemos en consideración de los interesados las siguientes sugerencias:

IIO

6.2 SUGERENCIAS.

• Realizar una medición confiable de la potencia que se proporciona a la cámara de generación

de ozono, a través de un equipo de medición de alto voltaje, o en su caso adquirir una punta

de prueba de alto voltaje. Por ejemplo, la compañía Tektronix tiene bajo el modelo P6015a

este tipo de punta de prueba, que se puede conectar a cualquier osciloscopio ya sea digital o

analógico.

• Plantear diferentes geometrías para la cámara de generación, para intentar elevar la eficiencia

de estos sistemas de generación.

• Adquirir algún equipo para la medición de ozono, para con ello tener la oportunidad de

experimentar en la búsqueda de una geometría optima.

• Utilizar los nuevos desarrollos en el área de materiales para encontrar nuevos dieléctricos que

eleven la eficiencia de los generadores de ozono.

• Para posteriores investigaciones en el campo de la generación de ozono, es imprescindible

contar con una fuente de alto voltaje que sea regulable.

• Diseñar otra fuente de alto voltaje que sea más económica, que la propuesta en este trabajo.

• Realizar modelos de purificadores de agua por medio de ozono de mayor tamaño, para así

beneficiar a mayor cantidad de personas.

7 REFERENCIAS.

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[2] INEGI. Estadísticas ambientales de México. INEGI. 1997 p 155-174.

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licenciatura. Facultad de Química, UNAM. 1996 p 74-78.

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112

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(18) GARCÍA-PELA YO, R. Diccionario Larousse usual. Ediciones Larousse. 1983.

(19) Diccionario de la lengua española. Real Academia Española. 1992.

114

9 GLOSARIO.

ACUÍCOLA: adj. Dicese del animal o vegetal que vive en el agua.

ALOTROPÍA: Quim. Propiedad de algunos elementos químicos de formar moléculas diversas

por su estructura.

ALOTRÓPICA: adj. Perteneciente o relativo a la alotropía.12.V. estado alotrópico.

CONSUNTIVO: adj. Que tiene virtud de consumir.

DBO (DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO): Es la cantidad de oxígeno consumido por

microbios aeróbicos en los contaminantes durante cinco días ele incubación.

ESPECTROGRAFÍA: f. Fis. Espectroscopia. 112. Fis. Imagen obtenida por un espectrógrafo.

EUTROFICACIÓN: f. Ecol. Incremento de sustancias nutritivas en aguas dulces de lagos y

embalses, que provoca un exceso de fitoplancton.

FERTILIZANTE: adj. Que fertiliza.11-M. Abono fertilizantes nitrogenados.

FREÓN: m. Nombre que se da a los gases o líquidos no flamables que contienen flúor,

empleados especialmente como refrigerantes.

IÓN: m. Quím. Partícula dotada de una carga eléctrica y que está formada por un átomo o grupo

de átomos que han ganado o perdido uno o varios electrones.

LIXIVIAR: tr. Quím. Tratar una sustancia compleja con el disolvente adecuado para obtener la

parte soluble de ella.

POTABLE: adj. Que puede beberse.11 Fam. Admisible, más o menos bueno, regular.

PESTICIDAS: adj. Que se destina a combatir plagas.

REACTANTE: adj. Dícese de cada una de las sustancias que participan en una reacción química

produciendo otra u otras diferentes de las primitivas.

SALOBRE: adj. Que contiene sal o tiene sabor de sal: agua salobre.

SINUSOIDAL: adj. Mat. Que se refiere a la sinusoide.

SINUSOIDE: f. Mat. Curva que representa gráficamente la función trigonométrica seno.

Diseño de un generador de ozono para potabilizar agua

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