Febrero 2017

EXPERIMENTOS CON GRAFITO COMO ACELERADOR DE EVAPORACIÓN

Angel Hernández, Duglas Morales, Romeo Muñoz, Stanley Ventura, Rainer Christoph

Introducción El agua potable es uno de los recursos más preciados de este planeta. Pese a que el 70% de la superficie de la Tierra está cubierto por agua, el 97.5% es agua salada y sólo el 2.5 % es dulce. De este último porcentaje, sólo es consumible el 1%, pues gran parte está congelada en los glaciares, y otro tanto se presenta como humedad en el suelo o permanece en capas acuíferas subterráneas inaccesibles (ver figura 1). La crisis mundial del agua no trata de la escasez física, sino del hecho de que está arraigada en la pobreza y la desigualdad. Ese fue el mensaje que dejó el Informe sobre Desarrollo Humano 2006 “Más allá de la escasez: Poder, pobreza y la crisis mundial del agua”. Miembros del PNUD han establecido que el mundo no se está quedando sin agua en un sentido total y absoluto, pero para millones de personas su acceso se ve amenazado [1]. Cada día se buscan formas de obtener el vital líquido, una de ellas es eliminando la sal del agua de mar por métodos cómo: -Osmosis inversa -Destilación -Congelación -Evaporación relámpago -Formación de hidratos -Electrodiálisis El recurso más importante para nuestro estudio es El Sol, cuya energía puede ser utilizada para evaporar el agua y desalinizarla. En nuestro país El Sol alumbra de 2,573.25 a 3,029.5 horas por año propiciando energía entre 1,576.8 a 1,930.85 KWh/m2 [2]. La energía solar varía dependiendo la zona del país (ver Figura 2) El Salvador cuenta, como parte del territorio nacional, con alrededor de 200 millas marinas desde la costa del país hacia mar abierto; dicho territorio marítimo no está siendo aprovechando en su totalidad, por lo que es viable retomar ese recurso y, por medio de metodologías amigables con el ambiente y de bajo costo como la

Figura 1. Distribución de agua en el mundo. Alrededor del 97.5% del agua mundial es salada y sólo el 2.5% es dulce. Este último porcentaje se encuentra dividido en glaciares, agua subterránea, lagos, ríos, humedad del suelo y atmósfera.

Figura 2. Mapa de radiación (promedio anual) en KWh/m2/día para El Salvador. Interpolación de Kriging.

Earth’s volume: 1,083,207 million km3

Earth’s volume: 1,083,207 million km3

Earth’s available fresh water:

35.0 million km3

Earth’s total fresh

water(liquid and solid): 10.6

million km3

destilación del agua bajo irradiación solar, puede proveer agua potable a las personas que residen en zonas costeras remotas, así como aquellas que se ven afectadas por eventos climáticos y geológicos. Metodología En trabajos recientes [3] hemos investigado un modelo de desalinizador de agua marina por medio de evaporación del líquido utilizando la luz solar, y se logró aumentar la tasa de evaporación de agua en un factor 1.3 a través del uso de una película grafítica en la superficie del agua. El uso de grafito como acelerador de evaporación de agua [4] es útil para aprovechar la energía irradiada por el sol para desalinizar el agua de mar de una manera más eficiente. Investigaciones recientes [3] muestran que el grafito con mejores resultados para este fin es el que se encuentra en las baterías que contienen diodo de grafito para su uso, descartando las alcalinas ya que estas utilizan otra tecnología para operar. El grafito de batería fue adquirido a nivel local, reciclando baterías usadas, también se importó al país diodo de grafito con un nivel de pureza del 99.99% para realizar pruebas y compararlos midiendo su efectividad para aumentar la rapidez de evaporación de agua. Los test fueron realizados depositando agua en un contenedor cuya área es de 2.04x10-3 m2 y volumen de 4.16x10-2 m3. El agua depositada obtuvo un peso inicial de 20.04 g, Un dispositivo creado en el laboratorio [5] envía datos de temperatura hacia la PC vía Bluetooth (ver figura 3). Se les agregó a los experimentos el factor color, lo que significa que un mismo experimento se hizo para un recipiente color negro y uno blanco. El material de grafito en polvo (0.17g) fue depositado sobre la superficie del agua de manera homogénea, posteriormente fue iluminado por una luz LED de 200W a una altura de 7 cm. de la superficie del agua, aislándolo de corrientes de aire. A continuación, fueron tomadas las medidas de temperatura y pérdida de peso respecto al tiempo durante el periodo de 1 hora. Las mediciones fueron capturadas en tiempo real mediante conexión RS232 para el peso y vía Bluetooth y Arduino para la temperatura [5]. Resultados Los resultados obtenidos utilizando ambos recipientes (negro y blanco) pueden apreciarse en la figura 4, nótese que la cantidad de agua evaporada es mayor utilizando una película de grafito de batería sobre la superficie del

Figura 3. Módulo inalámbrico para la captura de datos de temperatura, los datos de medición se envían en tiempo real vía Bluetooth y son capturados en el ordenador.

Figura 4. Resultados de experimentos para mejorar la evaporación de agua extrapoladas a gramos por metro cuadrado en una hora. Es apreciable que el grafito obtenido de las baterías conlleva una mejor eficiencia, la nomenclatura utilizada se presenta en Tabla 1.

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A A+G A+GT A+GP A+GPT

Total Evaporado (gm-2h-1)

Recipiente Negro Recipiente Blanco

agua. La energía absorbida por el sistema tiene dos componentes principales. Una primera componente es formada por las energías de vibración y rotación de las moléculas de agua inducidas por la luz. Esta componente produce un calentamiento del líquido, el cual nosotros consideramos como “pérdida”. La segunda componente es formada por la energía cinética inducida a las moléculas individuales por medio de la luz, que conlleva al cambio de fase. Es esta última componente la que es fundamental para los propósitos de desalinización. La entalpía de vaporización o calor de vaporización es la cantidad de energía necesaria para que un mol de un elemento que se encuentre en equilibrio con su propio vapor a una presión de una atmósfera pase completamente al estado gaseoso, la entalpía del agua tiene un valor de 2,257 kJ Kg-1.[7] Para el caso del agua cubierta con grafito de batería en la superficie (recipiente negro) se multiplicó la cantidad total evaporada en Kg. (ver figura 4) por el valor de entalpía de evaporación del agua [7]. Obteniendo el resultado como sigue:

𝐸𝑒𝑣𝑎𝑝 = 1.1715𝐾𝑔𝑚2ℎ−1 ∗ 2257𝐾𝐽 𝐾𝑔−1

𝐸𝑒𝑣𝑎𝑝 = 2,644.23 𝐾𝐽𝑚2ℎ−1 El resultado de la energía obtenida en los demás experimentos puede apreciarse en la figura 5. Hasta el momento el grafito de batería es el mejor candidato para mejorar el factor de evaporación comparado con otros materiales grafíticos testeados con anterioridad [5]. Basado en los valores estudiados es posible observar que efectivamente con una capa de grafito recubriendo la superficie del agua obtenemos una mayor fracción de energía lumínica dedicada al proceso de evaporación. Se puede reciclar el grafito de baterías usadas como insumo para mejorar la evaporación del agua de mar, lo que también fomentaría una mejor manipulación en los desperdicios de baterías en El Salvador.

Nomenclatura utilizada de izquierda a derecha:

Descripción

A Superficie de agua G Superficie de agua cubierta con grafito de batería [3] GT Superficie de agua cubierta con grafito de batería Tratado [3] GP Superficie de agua cubierta con grafito 99.99% [6] GPT Superficie de agua cubierta con grafito 99.99% tratado [6]

Tabla 1. Descripción de las nomenclaturas utilizadas en figuras 4 y 5.

Figura 5. Energías utilizadas para evaporar la cantidad de agua correspondiente a los totales mostrados en la Fig. 4.

Agradecimientos

Se agradece al Instituto de Ciencia Tecnología e Innovación de la Universidad Francisco Gavidia, El Salvador, por apoyar

la realización de este trabajo.

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A A+G A+GT A+GP A+GPT

Energía de Evaporación (KJm2h-1)

Recipiente Negro Recipiente Blanco

Referencias

[1] Malema de León. (2007). Recuperado de https://burica.wordpress.com/2007/03/22/25-es-dulce-y-975-es-agua-

salada-en-el-mundo/ consultado (febrero,2017)

[2] Determinación del potencial solar y eólico en El Salvador. (2005).

http://cef.uca.edu.sv/descargables/proyectos/UCASolarAssessment_es_206.pdf

[3] ESTUDIO DE MATERIALES GRAFÍTICOS COMUNES COMO ACELERADORES DE EVAPORACIÓN DE AGUA BAJO

IRRADIACIÓN LUMINOSA. (2016). Recuperado de

http://nanotecnialab.ufg.edu.sv/newsletters/uploads/newsletters/2016-09-01.pdf. Consultado (Febrero, 2017)

[4] Solar steam generation by heat localization. NATURE COMMUNICATIONS | 5:4449 | DOI: 10.1038/ncomms5449 |

www.nature.com/naturecommunications. 2014.

[5] HERRAMIENTAS PARA LA INVESTIGACIÓN. (2017). Recuperado de

http://nanotecnialab.ufg.edu.sv/newsletters/uploads/newsletters/2017-01-01.pdf. Consultado (Febrero, 2017)

[6] Placa de grafito con pureza de 99.99%. http://www.ebay.com/itm/5pcs-99-99-Pure-Graphite-Electrode-Rectangle-

Plate-Sheet-50-40-3mm-/122253087206?hash=item1c76da11e6:g:dDkAAOSwA3dYPk5J

[7] Entalpia de evaporización de agua. (s.f). Recuperado de

http://personales.unican.es/renedoc/Trasparencias%20WEB/Trasp%20Termo%20y%20MF/00%20GRADOS/Tablas%20T

ermo.pdf. Consultado (Febrero 2017)