La humedad atmosférica como fuente opcional de agua para uso doméstico
Atmospheric humidity as optional source of water for domestic use
Ana L. Bautista-Olivas1, Jorge L. Tovar-Salinas2* , Oscar L. Palacios-Velez1, Oscar R. Mancilla-Villa1
1 Hidrociencias. Campus Montecillo, Colegio de Postgraduados. 56230. Carretera México-Texcoco, km. 36.5. Montecillo, Texcoco, Estado de México.
]]> 2 Edafología. Campus Montecillo, Colegio de Postgraduados. 56230. Carretera México-Texcoco, km. 36.5. Montecillo, Texcoco, Estado de México. (analaura@colpos.mx). *Autor responsable.
Recibido: Abril, 2010.
Aprobado: Marzo, 2011.
Resumen
La escasez de agua en zonas áridas y suburbanas es un problema mundial, pot lo que es necesario evaluar opciones para obtener agua por métodos no convencionales. Así, el objetivo de esta investigación fue evaluar una fuente de abasto de agua mediante la captación por condensación del vapor de agua de la atmósfera, con el prototipo higroimán CP-HI-03, que induce las condiciones del punto de rocío. En el estudio, realizado en la Ciudad de México del 14 de marzo al 3 de junio de 2008, se analizó el funcionamiento de siete niveles de temperatura y dos tiempos de operación del prototipo. Las medias de los resultados de la humedad relativa, la temperatura del ambiente, la temperatura del serpentín y el volumen de agua obtenido con el prototipo fueron analizados con la prueba de Tukey (p≤0.05). La mayor cantidad de agua se obtuvo con una humedad relativa de 69.8 % a una temperatura promedio del higroimán de —10.6 °C condensando 1.980 L en un periodo de 15 h. Con el higroimán se obtiene agua del aire, y con mayor humedad relativa se obtiene mayor cantidad de agua con menor consumo de energía eléctrica.
Palabras clave: condensación de vapor de agua, humedad relativa, humedad absoluta, punto de rocío, higroscopicidad.
Abstract
]]> Water shortage in arid and suburban areas is a worldwide problem, so it is necessary to evaluate options for obtaining water by unconventional methods. Thus, the objective of this study was to evaluate a source of water supply through collection by condensation of water vapor from the atmosphere, with the prototype higroimán (hygromagnet) CP-HI-03, which induces the dew-point conditions. In this study conducted in México City from March 14 to June 3, 2008, the performance of seven levels of temperature and two times of operation of the prototype were analyzed. Means of results of relative humidity, air temperature, coil temperature and volume of water collected with the prototype were analyzed with the Tukey test (p≤ 0.05). The maximum amount of water collected was obtained with a relative humidity of 69.8 % at an average temperature of the higroimán of —10.6 °C condensing 1.980 L in a 15 h period. With the higroimán, water from the air is obtained and with higher relative humidity higher amount of water is obtained with less consumption of electric energy.Key words: condensation of water vapor, relative humidity, absolute humidity, dew point, hygroscopicity.
Introducción
La dispersión de las viviendas en el medio rural y el desarrollo irregular de áreas suburbanas reducen significativamente la rentabilidad de la instalación de redes hidráulicas para abastecer agua potable a los habitantes de esas zonas. Según UNICEF (2008) y OMS (2009), 46 % de los hogares del mundo no disponen de servicios de agua por tubería en sus hogares o cerca de ellos. En México, 11.30 % de 24 748 938 viviendas particulares habitadas no disponen de agua entubada proveniente de redes públicas de abastecimiento o de otras fuentes (INEGI, 2005). Esta situación ha impulsado la investigación para utilizar agua de fuentes no convencionales, como los sistemas de captación de lluvia, la recolección de neblina o la condensación de la humedad atmosférica (Roman, 1999).
La atmósfera contiene 12 900 km3 de agua dulce, de los cuales 98 % es vapor de agua y 2 % de agua condensada (nubes), lo cual es comparable a los recursos renovables de agua líquida dulce de la tierra habitada (Beysens y Milimouk, 2000). Según Marzol (2002) y Gandhidasan (2007), el agua obtenida de la neblina es importante para poblaciones pequeñas; así, en Chungungo en el norte de Chile, hay una superficie de captación de 3528 m2 con una producción de agua de 10 580 L, es decir, 3 L m -2.
La humedad atmosférica es una fuente alternativa de agua potable en las zonas áridas y semiáridas (Cereceda et al., 2000), y se puede complementar con las fuentes tradicionales en los asentamientos agrícolas y en los sistemas de abastecimiento urbano de agua en estas regiones, como ocurre en Chile, Perú, Namibia e Islas Canarias, donde se utiliza como una fuente de agua potable (Shanyengana, 2002).
Por tanto, el objetivo de esta investigación fue evaluar una fuente no convencional de abasto de agua, mediante la captación por condensación del vapor de agua de la humedad atmosférica, con un prototipo que induce las condiciones del punto de rocío.
Materiales y Métodos
]]> El estudio se realizó en la Ciudad de México, 19° 24' 26.53" N a 99° 08' 35.23" O, a una altitud de 2240 m, en la azotea de un domicilio particular. De acuerdo con los datos meteorológicos históricos, obtenidos en la estación Merced, los promedios máximos y mínimos anuales son: temperatura, 33.3 °C y 12 °C; humedad relativa, 86.75 % y 23 % (SMA-DF, 2003).La condensación del vapor de agua contenido en la humedad atmosférica se realizó con un prototipo llamado higroimán CP-HI-03, el cual induce las condiciones del punto de rocío, es una variante de un sistema de refrigeración y tiene una escala de siete intervalos de temperatura para alcanzar el punto de rocío o de escarcha (Cuadro 1).
El higroimán (CP-HI-03), trabaja con un circuito cerrado herméticamente y consta de: 1) compresor; 2) filtro; 3) tubo capilar; 4) condensador; 5) serpentín o evaporador; 6) termostato; 7) dos termómetros; 8) gas freón (R-12), cuya finalidad es condensar el vapor de agua del medio ambiente. Este prototipo tiene las siguientes dimensiones: equipo refrigerante, 1.85X50X50 m; evaporador, 1.35X30X32 m (1.7 m2 placas); peso aproximado 10 kg; y para su funcionamiento requiere 115 V y 60 Hz (Figura 1).
En la Figura 2 se muestra la parte donde el higroimán atrae las moléculas de agua (serpentín). El tratamiento 1 (Cuadro 1) ejerce una menor influencia en la atracción de las moléculas del agua debido a que la temperatura promedio del evaporador es 4.46 °C, es decir, el gradiente de humedad disminuye al alejarse del serpentín. Pero en el tratamiento 7 (Cuadro 1) a temperatura de 10.6 °C la humedad relativa es mayor cerca del serpentín lo que se refleja en la cantidad de agua obtenida para un mismo volumen de aire.
Los datos se tomaron con una estación meteorológica automatizada modelo IMETOS®sm, la cual se programó para registrar la humedad relativa y temperatura del aire, cada hora por 82 d (14 de marzo al 3 de junio de 2008). Esta estación dispone de un sistema de comunicación GPRS, y la información se transmite automáticamente a un servidor donde se guardaron los datos consultados en http://www.imetos.at/fieldclimate.
De los 82 d de uso de la estación meteorológica, se seleccionaron 28 d para obtener datos con el higroimán; volumen de agua recolectada y la temperatura del serpentín. El consumo de energía se cuantificó con un watthorímetro conectado entre el higroimán y la toma de corriente eléctrica. Antes de tomar datos definitivos se obtuvieron datos del volumen de agua condensada cada h las 24 h del día durante dos semanas. Al analizar los datos se observó que de 10:00 a 19:00 h el volumen de agua recolectada fue mínimo. Por tanto, el higroimán se usó sólo por periodos de 15 h: de las 19:00 h del día anterior a las 10:00 h del día siguiente, por ciclos de 50 min; en los 10 min restantes se evaluaron los datos mencionados a continuación en los pasos 2 y 3.
La evaluación se realizó así: 1) el higroimán se operó manualmente para cada intervalo de temperatura; 2) el higroimán se utilizó 170 min de cada ciclo de 3 h, en los 10 min restantes se registró el volumen de agua recolectada; 3) para el mismo intervalo se evaluaron el consumo, costo de energía eléctrica y la temperatura del serpentín.
Para la evaluación técnica del prototipo se analizaron dos variables: temperatura del higroimán con siete niveles (Cuadro 1), y dos tiempos (50 y 170 min) de condensación; la combinación de ambas variables generó 14 tratamientos. El diseño experimental fue completamente al azar y se usó la prueba de Tukey (p≤ 0.05) para determinar diferencias estadísticas en el volumen de agua recolectado.
]]>Resultados y Discusión
Según Schemenauer (2009), meteorológicamente cada día es un evento independiente y los valores de humedad relativa (HR) y temperatura del aire cambian constante e inversamente, uno respecto al otro en el transcurso del día. Para evaluar las condiciones meteorológicas en este estudio se registraron cada día estas dos variables durante 82 d (Figura 3). De 11:00 a 17:00 h el intervalo de HR fue 20 a 30 %, en el cual se captó sólo 10 % de agua en un día (promedio 15 mL d -1), mientras que 90 % del volumen de agua se obtuvo de las 18:00 del día anterior a las 10:00 h del día siguiente. Este resultado difiere con Marzol (2002) y Kulshrestha (2005), quienes reportan 100 % de HR y el tiempo para obtener mayor cantidad de agua de niebla para el primero fue entre 18:00 h y las 23:00 h del mismo día, y para el segundo de las 22:00 h del día anterior a las 6:00 h del día siguiente. En los 82 d de registro de la HR y la temperatura del aire promedio horaria, se observó que: 1) los valores máximo y mínimo de la HR fueron 57.56 % a las 7:00 h, y 23.69 % a las 14:00 h; 2) la temperatura fue 26.61 °C a las 14:00 h, y 16.10 °C a las 7:00 h. Dichos resultados coinciden con los reportados por Arteaga (1993).
Dentro del periodo de registro de datos sólo se recolectó el agua durante 28 d, cuyos valores de HR y temperatura del aire se analizaron y compararon contra los datos de los 82 d, de las 19:00 a las 10:00 h. En la Figura 4 se muestra que la HR máxima y la mínima promedio del muestreo fueron 62.2 % a las 7:00 h, y 40.69 % a las 10:00 h. Los valores máximos y mínimos de HR por evento fueron 89 % a las 21:00 h, y 20 % a las 20:00 h.
En la Figura 5 se observa que la temperatura máxima promedio fue 22.31 °C a las 10:00 h, y la mínima 15.28 °C a las 7:00 h, mientras que la temperatura máxima fue 27.7 °C a las 10:00 h, y la mínima 10.9 °C a las 7:00 h. Los datos mostrados en las Figuras 4 y 5 tienen una distribución similar, por lo que se corrobora que las determinaciones de volumen de agua recolectada, con base en los datos de 28 d, son confiables al ser una muestra representativa de los 82 d en que se registró la HR y la temperatura del aire.
En función de la temperatura del serpentín, en los tratamientos 3, 4 ,5 ,6 y 7 el agua se sublimó a la temperatura con intervalo promedio de 2.86 a —10.6 °C. Esto se debió a que la temperatura del serpentín en dicho intervalo se mantuvo en la temperatura de escarcha, lo cual provocó que el vapor de agua contenido en el aire se congelara en el momento de entrar en contacto con el dispositivo; mientras que en los tratamientos 1 y 2, con intervalo de temperatura de 0 a 7 °C, pudieron condensar la humedad atmosférica.
]]> Al analizar el primer tiempo de trabajo (50 min) del higroimán se observa que el intervalo promedio de temperatura del serpentín en los tratamientos 5, 6 y 7, fue de —4 a —17 °C, condiciones en las cuales el volumen de agua obtenido fue similar dado que la HR y la temperatura del aire oscilaron de 47.05 a 59.86 % y de 18.44 a 21.98 °C. Además, hubo diferencia significativa con el tratamiento 1, a pesar de que la HR y la temperatura fueron 50.86 % y 16.03 °C (Cuadro 2).En relación con la eficiencia para condensar el vapor de agua del aire con respecto a la cantidad de energía consumida, el tratamiento 6 fue el mejor con 104.4 mL h -1, mientras que el tratamiento 1 fue el menos eficiente con 33.13 mL h -1 (Cuadro 2).
En el segundo intervalo de tiempo analizado los volúmenes de agua se recolectaron por 3 h, con una actividad continua del higroimán de 170 min y 10 min para tomar datos (Cuadro 3). El promedio de HR fue diferente entre los dos intervalos de tiempo de condensación: en el primero (1 h) la HR fue 53.41 % y la diferencia entre los promedios diarios máximos y mínimos fue 20.22 %; en el segundo (3 h) el promedio fue 58.8 % y la diferencia entre los valores máximo y mínimo fue 37.1 %. Además, el volumen promedio de agua de los siete tratamientos fue 70.99 mL h— 1 para 1 h y 85.87 mL h— 1 para 3 h, lo que representa un incremento 20.96 % en el volumen de agua condensada. En el Cuadro 3 también se observa que no hubo diferencia en el consumo de energía eléctrica entre los tratamientos 3 y 5, pero se captaron diferentes volúmenes de agua: 350 mL con el tratamiento 3 y la HR fue 71 %; 250 mL con el tratamiento 5 y la HR fue 42.15 %.
La eficiencia del tratamiento 3 fue 111.95 % (Cuadro 3), es decir, se necesitó un menor consumo de energía eléctrica para obtener un mayor volumen de agua, debido a que la HR fue 71 % y la temperatura 15.95 °C en un periodo de tiempo prolongado (5 h), por lo cual hay una mayor cantidad de gramos de agua en la atmosfera (humedad absoluta) y por tanto el consumo de energía es menor.
El tratamiento 7 fue el más eficiente en cuanto a la obtención de agua, y el menos eficiente fue el tratamiento 2 (Cuadro 3). Esto se puede explicar porque mientras más fría se mantiene la superficie del serpentín se atrae una mayor cantidad de moléculas, lo cual depende directamente de la HR y la temperatura en el ambiente. Adicionalmente, entre más cerca se encuentren las moléculas del serpentín se aumenta la HR en un determinado volumen de aire (Figura 2).
En resumen, la cantidad de agua promedio obtenida durante 15 h con el higroimán en el tratamiento 1, para periodos de 1 y 3 h, fue 0.496 y 0.478 L, mientras que con el tratamiento 7 se captó 1.458 y 1.980 L de agua. En el primer caso no se observó diferencia alguna, pero a menor temperatura y mayor tiempo el volumen captado aumentó en 35.8 %. Cereceda (2000) y Olivier (2004) usaron neblina y una HR de 100 % y reportan valores de agua captada de 3.2 y 5 L d -1 m -2, es decir, 2 y 2.5 L por 15 h, volúmenes comparables a los obtenidos en le presente estudio, a pesar de que el higroimán operó con HR de 59.58 y 69.8 %.
Este es un estudio preliminar y se continuará la investigación con un prototipo con base en los resultados obtenidos, con el objetivo aumentar la eficiencia de la condensación de la humedad atmosférica.
Conclusiones
Mediante la condensación de la humedad relativa del aire, que es una fuente no convencional para captar agua, se recolectaron 1.98 L de agua cada 15 h al utilizar un higroimán funcionando entre 17 a — 4 °C. Además a temperaturas mayores de 0 °C la humedad atmosférica se condensa, mientras que se sublima inversamente (pasa del estado gaseoso al líquido) cuando las temperaturas son menores a 0 °C. El higroimán fue más eficiente al operar en periodos mayores a 1 h.
]]> Considerando que es un estudio preliminar y que en promedio se consumieron 3 kW h -1 (a un costo de $0.617 por kW h — 1; 1 US$ = $12.20) para obtener 1 L de agua, el costo fue de $1.80 que es menor al costo de 1 L de agua purificada comercial.
Agradecimientos
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), por la beca de postgrado otorgada para realizar el presente trabajo. A la Unidad de Mantenimiento de equipo del Colegio de Postgraduados por la construcción del prototipo y en especial a la colaboración del Ing. Marcos Arévalo Godínez, del departamento de aire acondicionado, y al señor Mario Vázquez García del departamento de Maquinado. A la Sra. Carmen Olivas Rodríguez por su importante colaboración en la toma de datos de este estudio.
Literatura Citada
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