pág. 4993
DETERMINACIÓN DE LAS VARIACIONES DE
CALCIO SOLUBLE EN LA PRECIPITACIÓN SALINA
EN UN DESTILADOR SOLAR A ESCALA
EXPERIMENTAL
DETERMINATION OF SOLUBLE CALCIUM VARIATIONS IN
SALINE PRECIPITATION IN AN EXPERIMENTAL SCALE
SOLAR DISTILLER
Saúl Iram Armendáriz Ramírez
Estudiante del Centro de Desarrollo de Estudios Superiores (CDES), México
Petros G. Koutsoukos
University Campus GR, Grecia
pág. 4994
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i2.10910
Determinación de las Variaciones de Calcio Soluble en la Precipitación
Salina en un Destilador Solar a Escala Experimental
Saúl Iram Armendáriz Ramírez1
sarmendariz2024@cdes.edu.mx
https://orcid.org/0009-0001-9274-4415
Estudiante del Centro de Desarrollo de
Estudios Superiores (CDES)
México
Petros G. Koutsoukos
pgk@chemeng.upatras.gr
https://orcid.org/0000-0002-9898-5914
University of Patras
University Campus GR
Grecia
RESUMEN
El objetivo de la investigación fue estudiar la precipitación salina a temperatura constante de 75
°C en un destilador solar experimental. Se utilizó agua subterránea con alto contenido de calcio,
bicarbonatos y sulfatos solubles como afluente. Una de las variables más importantes en la
operatividad y productividad de agua potable con esta tecnología es la precipitación salina en la
base del destilador. Esta ocurre debido a las características fisicoquímicas del agua subterránea
típica de las zonas desérticas del norte del estado de Chihuahua. Las variaciones en la
concentración de calcio soluble del afluente se midieron cada hora con un espectrofotómetro de
absorción atómica y se calculó la cantidad total precipitada de calcio. Con la técnica de difracción
de rayos X y microscopía electrónica de barrido se analizó el precipitado. Se determinó que la
reacción de la precipitación se estabilizó a la tercera hora. La concentración de calcio aumentó
durante la cuarta y la quinta hora, lo que indicó que el calcio soluble remanente no reaccionó. Se
concluye que la reacción de precipitación salina no es isotérmica, sino que está impulsada por
gradientes de temperatura. En el análisis de la identificación de las fases cristalinas del precipitado
en las incrustaciones se encontró CaCO3 en forma de calcita y CaSO4 como anhidrita y basanita.
Palabras clave: precipitación salina, incrustaciones, calcita, anhidrita, basanita
1
Autor principal
Correspondencia: sarmendariz2024@cdes.edu.mx
pág. 4995
Determination of Soluble Calcium Variations in Saline Precipitation in
an Experimental Scale Solar Distiller
ABSTRACT
The objective of the research was to study salt precipitation at a constant temperature of 75 °C in
an experimental solar still. Groundwater with high content of calcium, bicarbonates and soluble
sulfates was used as an input water. One of the most important variables in the operability and
productivity of drinking water with this technology is the saline precipitation at the base of the
distiller. This occurs due to the physicochemical characteristics of the groundwater typical of the
desert areas of the north of the state of Chihuahua. Variations in the soluble calcium concentration
of the input water were measured every hour with an atomic absorption spectrophotometer and
the precipitated amount was calculated. The precipitate was analyzed using the X-ray diffraction
and scanning electron microscopy technique. It was determined that the precipitation reaction
occurred between the first and second hours. The calcium concentration increased during the
fourth and fifth hours, indicating that the remaining soluble calcium did not react. It concludes
that the salt precipitation reaction is not isothermal but is driven by temperature gradients. The
analysis of the identification of the crystalline phases of the precipitate in the scales found CaCO3
in the form of calcite and CaSO4 as anhydrite and basanite.
Keywords: saline precipitation, scale, calcite, anhydrite, bassanite
Artículo recibido 23 marzo 2024
Aceptado para publicación: 25 abril 2024
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INTRODUCCIÓN
El acceso al agua potable y el saneamiento es imprescindible para la vida y un derecho
humano reconocido. Asimismo, el agua es de vital importancia para el desarrollo sostenible, desde
la salud y la nutrición hasta la igualdad de género y la economía. La mejora del abastecimiento,
el saneamiento y de la gestión de los recursos hídricos puede impulsar el crecimiento económico
de los países y contribuir en gran medida a reducir la pobreza.
Durante los próximos años, los problemas relacionados con los recursos hídricos serán más
urgentes. El aumento de las demandas de una población cada vez más numerosa y una economía
mundial que evoluciona rápidamente, combinado con los efectos del cambio climático,
exacerbarán la dificultad del acceso al agua y al saneamiento para usos domésticos (ONU, 2018).
Agua y Salud
El agua contaminada y el saneamiento deficiente contribuyen a la transmisión de enfermedades
como el cólera y otras enfermedades diarreicas, la disentería, la hepatitis A, la fiebre tifoidea y la
poliomielitis. Si no hay servicios de agua y saneamiento, o si estos son insuficientes o están
gestionados de forma inapropiada, la población se encuentra en una posición vulnerable a los
riesgos para su salud.
Se calcula que cerca de un millón de personas fallecen cada año a causa de enfermedades
diarreicas contraídas como resultado de la insalubridad del agua, de un saneamiento insuficiente
o de una mala higiene de las manos. Sin embargo, en la mayor parte de los casos estas
enfermedades se pueden prevenir: si se abordasen esos factores de riesgo, cada año se podría
evitar que fallecieran unos 395,000 niños menores de cinco años (OMS, 2023).
Datos Clave sobre el Agua
Estas son algunas cifras proporcionadas por la ONU con motivo del Día Mundial del Agua de
2024 que ayudan a entender la situación actual de los recursos hídricos en el mundo y los desafíos
a los que se enfrenta la sociedad global.
Unos 2,200 millones de personas todavía carecen de agua potable gestionada de forma segura,
incluidos 115 millones de personas que beben agua superficial (OMS/UNICEF, 2023).
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Aproximadamente la mitad de la población mundial sufre una grave escasez de agua al menos
durante una parte del año (IPCC, 2022). Se prevé que estas cifras aumenten, exacerbadas por el
cambio climático y el crecimiento demográfico (OMS, 2022).
Solo el 0.5% del agua de la Tierra es agua dulce aprovechable y disponible, y el cambio climático
pone en peligro ese suministro.
El cambio climático, el crecimiento demográfico y la creciente escasez de agua ejercerán presión
sobre la oferta de alimentos (IPCC, 2014), ya que la mayor parte del agua dulce utilizada,
alrededor del 72% de media, se destina a la agricultura (ONU, 2023).
La salud pública y la prosperidad, los sistemas alimentarios y energéticos, la productividad
económica y la integridad ambiental dependen del buen funcionamiento y la gestión equitativa
del ciclo del agua.
(ONU, 2024).
El Derecho al Agua
Uno de los hitos recientes más importantes ha sido el reconocimiento por parte de la Asamblea
General de las Naciones Unidas del derecho humano al agua y al saneamiento, en julio de 2010.
La Asamblea reconoció el derecho de todos los seres humanos a tener acceso a una cantidad de
agua suficiente para el uso doméstico y personal (entre 50 y 100 litros de agua por persona y día),
segura, aceptable y asequible (el costo del agua no debería superar el 3% de los ingresos del
hogar), y accesible físicamente (la fuente debe estar a menos de 1,000 metros del hogar y su
recogida no debería superar los 30 minutos). Este derecho corresponde al Objetivo 6 del
Desarrollo Sostenible (ONU, 2023).
La Crisis de Agua en México
De acuerdo con el informe El Agua en México, Actores, Sectores y Paradigmas, 12 millones de
personas carecen de acceso a agua potable, al mismo tiempo, las sequías se han intensificado
durante la última década y la sobreexplotación de los acuíferos se ha incrementado en 15 por
ciento.
En México, 102 de los 653 acuíferos se encuentran sobreexplotados y 46% del vital líquido se
pierde por fugas en las redes de abastecimiento, además, 80% de los cuerpos de agua del país
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presenta algún tipo de contaminación por descargas industriales. En contraste, solo 1 de cada 100
litros de agua que caen por concepto de lluvia es captado para su utilización en distintas
actividades y debido a la pobre calidad del agua en la mayoría de las cuencas, México es el país
número uno en consumo de agua embotellada del mundo (Toché, 2023).
El acceso al agua es un tema de seguridad nacional, un pilar de la política ambiental, y un factor
clave en la política social y económica en México. Su disponibilidad condiciona las posibilidades
de crecimiento y desarrollo del país y su calidad es factor determinante para la salud y bienestar
de la población. Por su orografía y clima, México es susceptible a la escasez de agua. Además, el
país ha enfrentado problemas de sequías y variación en las precipitaciones por efectos del
aumento de la temperatura, así como sobreexplotación de los mantos acuíferos, problemas en la
red de distribución, contaminación, y falta de control sobre las concesiones. El uso de este recurso
natural debe contar con regulación eficiente, gestión e inversión en infraestructura que garanticen
el acceso y saneamiento de agua para consumo personal, doméstico, agrícola e industrial. Su uso
debe ser equitativo y sostenible, lo cual implica la participación coordinada del Gobierno Federal,
las entidades federativas y la ciudadanía (IMCO Staff, 2023).
Una de las problemáticas más graves que enfrenta el Estado Mexicano es la relacionada con el
agua. La cobertura nacional de agua potable es 91.6%. En zonas urbanas la cobertura es 95.4%.
En zonas rurales (localidades menores a 2,500 habitantes), la cobertura es 78.8% debido a la
dispersión de la población en condiciones fisiográficas complejas, y la dificultad técnica y/o
financiera de desarrollar sistemas de agua potable, alcantarillado y tratamiento de aguas residuales
(Senado de la República. LXV Legislatura, 2022).
Crisis de Agua en Chihuahua, México
El 51% del territorio nacional presenta sequía de severa a excepcional. Todo el territorio de los
estados de Aguascalientes, Guanajuato y Querétaro reportan sequía de severa a excepcional;
Chihuahua, Sinaloa y San Luis Potosí presentan esa situación en más de 90% de sus territorios.
En categoría extrema hay 563 municipios, de los cuales 99 son de Oaxaca, 85 de Michoacán, 54
de Sonora, 49 de Chihuahua y 40 de Guanajuato (Badillo, 2023).
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Por otra parte, el Programa de Mediano Plazo. Gestión Hídrica 2022-2027 del Gobierno del
Estado de Chihuahua, menciona en dicho programa como enunciado principal: “El reto más
grande que vive el estado es la falta de agua. Si no actuamos oportunamente, el servicio hídrico,
vital para todas las familias y para las principales actividades comerciales del estado, se verá
comprometido en los próximos años”. Además, la Estrategia 6.1 en su línea de acción 6.1.4,
indica: “Promover las tesis de licenciaturas, maestrías o doctorados en temas de aplicación
práctica a nuestra problemática hídrica local: Remoción de impurezas en agua para consumo
humano, sistemas eficientes de conducción y distribución del agua, nuevos sistemas de
desinfección, nuevas fuentes de abastecimiento, desalación de aguas salobres, entre otros”, así
como la Estrategia 6.2 que señala: “Impulsar proyectos y programas de investigación, innovación
tecnológica para el cuidado del medio ambiente (Junta Central de Agua y Saneamiento del Estado
de Chihuahua, 2022).
Existen varias comunidades ubicadas en la zona fronteriza México-Estados Unidos que no
cuentan con el servicio de agua potable, por lo que reciben agua mediante el acarreo de esta, ya
sea por particulares o bien por el gobierno. Sin embargo, la calidad del agua no es la adecuada,
ya que presenta contaminantes industriales o por fertilizantes, afectando así de manera directa la
salud de los habitantes de dichas comunidades. Este mismo problema se presenta en zonas rurales,
donde el agua es extraída de pozos o norias, que generalmente están contaminados por
microorganismos que son perjudiciales para la salud para el ser humano. Existen diversas
soluciones para tener agua libre de contaminantes químicos y biológicos, sin embargo, algunas
de ellas no son convenientes debido a la sofisticación de la tecnología y la zona geográfica donde
se localizan estas comunidades. Es por esto que se ha propuesto como una solución el uso de
destiladores solares de bajo costo, utilizando el eje de las energías limpias o renovables y con una
tecnología fácil de comprender y de aceptar. (Ojinaga y Foster, 2001).
Destilación Solar
Como se puede percibir, la escasez y contaminación del agua a nivel mundial, nacional y estatal
se encuentra en estado crítico y su tratamiento es de alto costo. Por esa razón, es necesario abordar
alternativas en específico en cuanto a la escasez y calidad del agua, sobre todo en regiones del
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norte de México, como en el estado de Chihuahua, en el cual existen vastas zonas desérticas y
semi desérticas, donde se encuentran ubicadas comunidades rurales de menos de 5,000 habitantes
y la calidad del agua del agua subterránea no cumple con la Norma Oficial Mexicana NOM-127-
SSA1-2021 relativa a Agua para uso y consumo humano.
Uno de los esquemas atractivos para atacar el problema de la falta de agua potable es por medio
de la destilación solar de aguas salinas, ya que estas abundan en lagos extensos, mares
intercontinentales y depósitos de agua subterránea. El agua destilada puede ser mezclada con agua
salada (si es higiénica) para incrementar el rendimiento de agua y proporcionarle una
concentración de dureza menor a 500 ppm. El problema principal, obviamente, es el alto grado
de salinidad de tal agua. Los procesos convencionales de destilación, tales como de múltiples
etapas, multi-efecto, de capa delgada, ósmosis inversa y electrodiálisis no solo requieren de
energía, sino que no son económicamente atractivos para pequeñas demandas de agua dulce. Sin
embargo, los avances en el uso de la energía solar han demostrado que esta es adecuada para la
desalación, siempre y cuando la demanda de agua no sea muy grande (Armendáriz et al., 2003).
Figura 1. Esquema del funcionamiento de un destilador solar de una vertiente
El principio de funcionamiento reproduce en pequeña escala el ciclo natural del agua,
independiente del tipo que sea. Este consiste en una caja o espacio contenedor donde se dispone
un recipiente o estanque con fondo de color negro para depositar el agua salada o contaminada a
destilar. En la parte superior, y cerrando este espacio, se coloca una superficie transparente que
permite pasar la radiación solar, por el efecto invernadero se logra el calentamiento del agua al
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tiempo que también se retiene la humedad en el interior de la superficie transparente. La radiación
solar entra en contacto con la base del evaporador pintado de negro, que eleva la temperatura del
agua en el recipiente, favoreciendo la evaporación, tal como se puede apreciar en la Figura 1.
El vapor de agua asciende entonces por convección hasta topar con la superficie transparente, que
por estar en contacto con el exterior está a una temperatura más fría que el resto del destilador. En
esta superficie se condensa el agua formando pequeñas gotas. La superficie transparente está
dispuesta de manera adecuada para favorecer que las gotas, conforme continúa el proceso,
aumenten de tamaño y fluyan hacia un recipiente donde se recoge toda el agua destilada. Mientras
dure la radiación solar y exista agua que destilar, el proceso se mantiene (Ojinaga y Foster, 2001).
Por lo anterior expuesto, la relevancia de realizar investigaciones científicas, proponer y promover
tecnologías, radica en que puedan hacer frente a la problemática de la escasez y/o contaminación
de las fuentes de agua para consumo humano, con la finalidad de garantizar la seguridad en cuanto
a cantidad y calidad óptima del recurso vital para el ser humano en localidades pequeñas, alejadas
de las ciudades y que no cuentan con un adecuado sistema de suministro de agua potable. Más
específicamente en localidades ubicadas en zonas áridas y semi áridas del estado de Chihuahua y
gran parte de la zona norte de México.
El ritmo anual del 1% de crecimiento del uso de agua y su escasez debido al cambio climático
aumentarán la dependencia de las aguas subterráneas, que constituyen el 99% del agua dulce de
la Tierra (ONU, 2022). Aunque la destilación solar es una tecnología viable para el tratamiento
de agua subterránea que no cumple con la Norma Oficial Mexicana de agua para uso y consumo
humano en estas áreas desérticas y semi desérticas del estado de Chihuahua, el alto contenido de
calcio soluble, bicarbonatos y sulfatos (característico de las aguas subterráneas de estas zonas),
entre otros, da origen a la formación de incrustaciones en la base del destilador.
Eso se deriva en una importante limitante en la producción de agua purificada, ya que las sales
formadas hacen que la base del dispositivo cambie de un color negro a uno blanco, impidiendo la
adecuada absorción de la radiación solar, lo que impide la conservación de temperatura idónea,
como consecuencia, menor cantidad de agua se evapora y menor porción de esta se condensa,
disminuyendo drásticamente la producción.
pág. 5002
Asimismo, las sales cristalizadas en el evaporador afectan en su operatividad, ya que implica
detener el funcionamiento del destilador solar de manera frecuente para eliminar las
incrustaciones. Esto se traduce en la nula producción de agua en los días que se realice la limpieza.
Por lo anterior, la vida útil del destilador solar se acorta a máximo unos días o un par de semanas,
dependiendo de la época del año y la temperatura ambiental, resultando finalmente en una
tecnología inoperante para los fines requeridos.
Respecto a este fenómeno de la precipitación salina y formación de incrustaciones en destiladores
solares con las características fisicoquímicas del agua subterránea, no existen estudios al respecto.
Las primeras (y únicas) investigaciones realizadas acerca de la precipitación salina y formación
de incrustaciones en destiladores solares, y que le anteceden al presente, son: Armendáriz, et al.
(2003). Comportamiento isotérmico de la precipitación salina en un destilador solar experimental.
Journal of the Mexican Chemical Society, vol 47, núm. 3, julio-septiembre, pp. 287-294 efectuada
a una temperatura de 50 °C; y Armendáriz, et al. (2005). Estudio de la Precipitación de Carbonato
de Calcio en un Destilador Solar Experimental. Revista Internacional de la Contaminación
Ambiental. 21(1) 515. Esta investigación se efectuó a una temperatura de trabajo de 60 °C.
El presente trabajo de investigación, el cual se realiza a la máxima temperatura de operación de
estos dispositivos tecnológicos, esto es, a 75 °C en operación isotérmica, siendo otro trabajo
investigativo que se agrega a los anteriores.
Por ende, existe un vacío en el conocimiento de lo que sucede respecto a la formación de
incrustaciones. Por ejemplo: ¿Qué tipo de sales se forman a esta temperatura de trabajo (75 °C)?
¿En cuánto tiempo se estabiliza la reacción de precipitación salina? ¿Cuánta cantidad de calcio
soluble reacciona en cada tiempo de muestreo? ¿Qué fase cristalina tienen las sales formadas por
la reacción de precipitación salina? ¿Qué porcentajes del precipitado total corresponden a cada
uno de los compuestos? ¿Qué otro fenómeno puede ser detectado cualitativamente en la fase
experimental?, entre otras cuestiones.
Los estudios que mencionan la problemática de la precipitación salina y formación de cristales en
el evaporador son: Zachritz et al. (2000), quienes reportan observaciones realizadas en junio,
cuando la insolación incidente fue de 1280 Watts/m2, puntualizando que un alambique con una
pág. 5003
alta deposición de minerales reflejaba casi 500 Watts/m2. Es decir, se perdía un 39 por ciento de
la energía proveniente del sol. Por contraparte, una base limpia y negra reflejaba solo 85 Watts/m2.
Esto es, solamente un 6 por ciento de pérdida de energía solar. Este fenómeno tiene un efecto
directo en aproximadamente el 20 por ciento de la producción.
Kemmer (1994) hace referencia a que, para transferir calor de manera eficiente con bajos
gradientes de temperatura, las superficies del evaporador deberán mantenerse libres de depósitos,
los cuales producen un efecto aislante. Asimismo, puntualiza que la precipitación tiene lugar en
forma de incrustaciones (sales de calcio, magnesio y sílice) sobre las superficies de transferencia
de calor, las cuales ocasionan una disminución de la velocidad de transferencia de calor, retardo
en la evaporación y, por consiguiente, una reducción de la eficiencia térmica.
Uno de los problemas críticos en la operación de los destiladores solares de Puerto Lobos, Sonora,
fueron las incrustaciones de sales y el crecimiento de estas (Cabanillas et al., 1995), a pesar de un
adecuado lavado de la salmuera (Cabanillas y Montaño, 1995). Asimismo, Armendáriz (1999)
menciona que, empleando agua subterránea con alto contenido de calcio como agua a tratar
en estos sistemas, la formación de incrustaciones en la base del evaporador es un factor limitante
en la producción de agua purificada en destiladores solares.
Por otro lado, una de las principales características en la zona de Matehuala es que el agua
presentó un alto contenido en sales disueltas. Debido a eso, se for-
maron rápidamente incrustaciones en la base del evaporador, por lo que fue necesario un servicio
de mantenimiento para limpiar tales sales acumuladas. Por esto, se ha recomendado a
los usuarios lavar diariamente el destilador con agua (Ojinaga y Foster 2001).
Tampoco existe en la literatura información relativa a la formación de capas de cristales flotantes
en el afluente, mientras se llevaba a cabo la fase experimental en el destilador experimental, por
lo que es el primer reporte de este fenómeno, siendo detectado visualmente.
Adicionalmente, existen varios aspectos que necesitan ser investigados. El análisis de la
precipitación de calcio soluble con otros minerales solubles es un aspecto muy importante y del
cual se sabe poco, más aún en agua subterránea, donde existen varios iones en solución (Kladi et
al., 2000). El efecto de estos en la precipitación y en su cinética es desconocido. Se pueden hacer
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aproximaciones teóricas mediante el uso de sistemas de equilibrio termodinámico entre especies
(Parkhurst y Appelo, 2001), pero la interrogante es conocer qué tan reales serían tales cálculos,
especialmente en sistemas donde el polimorfismo es un importante factor, como es el caso del
carbonato de calcio (Koutsoukos y Kontoyannis, 1984; Xyla et al., 1989).
El objetivo principal de este estudio se centra en la determinación del comportamiento de la
precipitación del calcio a una temperatura constante de 75 °C en un destilador solar a escala
experimental.
De igual forma, se pretende comparar de las cantidades precipitadas de calcio soluble en el
destilador libre de incrustaciones con respecto al destilador con incrustaciones previamente
formadas para conocer la influencia de estas en la velocidad de la formación de las sales en la
base del evaporador.
También, tiene como propósito la identificación del tipo de compuestos formados en la
incrustación y las fases cristalinas de las sales que resultaron como producto de las reacciones de
conllevaron a la precipitación salina por medio de la técnica de difracción de rayos X, así como
su morfología a través de la técnica de microscopía electrónica de barrido.
Otro objetivo es precisar los porcentajes de cada uno de los compuestos precipitados por medio
de las técnicas analíticas que correspondan a los compuestos encontrados en la incrustación.
Además, el conocimiento generado en esta investigación proporciona una perspectiva más
acertada de la solución de esta problemática.
METODOLOGÍA
Enfoque de la investigación: cuantitativo y cualitativo. Por tanto, es mixto.
El tipo de investigación: exploratoria y explicativa.
El diseño utilizado en la investigación: observacional y experimental.
Universo de estudio: destiladores solares de una vertiente.
Selección de muestra a estudiar: agua subterránea que alimenta a la red de suministro de agua
potable a la Ciudad de Ojinaga, Chihuahua.
Sistema de muestreo: muestro intencional o de conveniencia.
pág. 5005
Consideraciones éticas, los Criterios de Inclusión y Exclusión; y las limitaciones si fuese el
caso
Consideraciones éticas: El presente trabajo de investigación científica se realiza asegurando el
avance del conocimiento, la comprensión y mejora de la condición humana y el progreso de la
sociedad. Para ello, se enfoca en el respeto a la dignidad del ser humano, a la autonomía de su
voluntad, así también la protección, privacidad y/o confidencialidad de sus datos, bienestar animal
y preservación del medio ambiente.
De igual manera, el estudio se apega a la normativa vigente y con respeto a los principios,
compromisos y exigencias bioéticas y de bioseguridad.
Criterios de inclusión: dimensiones del dispositivo tecnológico, ángulo de inclinación del
condensador, la distancia entre el condensador y la base del evaporador en la distancia
longitudinal del evaporador, materiales y forma de la estructura y las consideraciones del aislante
térmico. Asimismo, el material y la coloración de la base del evaporador.
Criterios de exclusión: utilizar el objeto de estudio, en este caso la muestra de agua subterránea,
del mismo pozo de agua.
Diseño y Construcción de un Destilador Solar a Escala Experimental
El destilador solar a escala experimental empleado en los experimentos, y que se muestra en la
Figura 2, se basó en el diseño de los denominados “de una vertiente” o “de una pendiente”, con
un ángulo de inclinación del condensador de 4 grados. El evaporador de acero inoxidable tiene
una dimensión de 0.615 m de largo, 0.32 m de ancho y 0.055 m de altura media. El área superficial
resultante es de 0.197 m2. Esta área corresponde, en proporción aproximada, a un destilador de
campo, que generalmente es de 2.0 m2 (Foster y Cormier, 1999).
En relación con altura media d (la distancia entre la base del evaporador y el condensador cuando
la longitud es la mitad) fue establecida con base en los estudios efectuados por Porta (1997), en
los que encontró la menor distancia d que es posible tener desde el punto de vista constructivo
para un destilador solar de una pendiente, al notar un incremento en la velocidad del fluido cuando
d disminuye hasta 55 mm, con lo que se obtuvieron las producciones máximas reportadas. De
igual manera, encontró que el ángulo más adecuado para el condensador es de 4 grados, suficiente
pág. 5006
para crear una inestabilidad entre las distintas celdas convectivas porque solo la periferia del
vórtice participa en la transferencia de masa debido a que las partes centrales de los vórtices nunca
tocan ni al evaporador ni al condensador. En la Figura 2 se muestra el prototipo experimental.
Figura 2. Vista lateral del destilador solar a escala experimental. a) Garrafones con agua
subterránea; b) entrada del agua de alimentación; c) vidrio; d) manguera de lavado de salmuera;
e) termómetros; f) orificio para tomar muestras; g) recipiente de captación del destilado; h) control
de temperatura de la parrilla eléctrica; j) turbina para la convección de aire caliente.
Para realizar los experimentos a la temperatura de trabajo, se utilizó una parrilla eléctrica marca
Themolyne, con una longitud de 0.61 m de largo y 0.32 m de ancho y 0.055 m de altura media,
completando un área de calentamiento del evaporador de 0.195 m2, la cual mantenía la
temperatura constante de la muestra de agua subterránea dentro del prototipo. El condensador
utilizado es vidrio comercial con un grosor de 3 mm.
Con la finalidad de asegurar la temperatura de trabajo de manera permanente del agua dentro del
prototipo a 75 °C, se aislan la base del evaporador y la parrilla eléctrica por medio de una cabina
de policarbonato transparente de 2.5 mm de espesor. La turbina mueve el aire que se encuentra
entre la base de la parrilla y el evaporador. La distancia entre estos es de 5 cm. Mediante dos
termómetros se monitorea la temperatura de trabajo y las variaciones en cada temperatura de
trabajo por rango de error del sistema de convección de aire caliente es de +/- 1 °C.
a)
g)
c)
b)
f)
e
)
e
)
d)
h)
j)
pág. 5007
El destilador solar experimental de una pendiente en funcionamiento se puede observar en la
Figura 3. Se puede ver el agua condensada en el vidrio fluyendo hasta el canal recolector del
destilado.
Figura 3. Vista superior del prototipo experimental en funcionamiento.
Material de Trabajo
En los experimentos realizados en este estudio, se empleó agua subterránea que suministra agua
potable a la población de la ciudad de Ojinaga, Chihuahua.
La muestra para analizar se obtuvo de la rede de suministro de agua potable de una vivienda
ubicada en el centro de la ciudad de Ojinaga, Chihuahua.
Esta ciudad está localizada en el noreste del estado de Chihuahua, en una zona semi-desértica y
tiene las condiciones climáticas ideales para la implementación de la tecnología de destilación
solar, ya que en verano las temperaturas fluctúan entre los 20 y 50 °C y la intensidad de la
radiación solar llega hasta 900 Watts/m2 (Armendáriz, 1999).
Las características de la composición química del agua subterránea utilizada en esta investigación
se muestran en la Tabla 1.
pág. 5008
Tabla 1. Composición química del agua subterránea
Parámetro
fisicoquímico
Resultado
(muestra de agua
subterránea)
Límites máximos
permitidos por la NOM-
127-SSA1-2021
pH
7.50
6.5 – 8.5
Sólidos totales
2036 mg/L
1000 mg/L
Conductividad eléctrica
2010 microS/cm
1000 microS/cm
Calcio soluble
243 mg/L
Magnesio soluble
30 mg/L
Alcalinidad total
292 mg/L
-
Dureza cálcica
607 mg/L
Dureza magnésica
75 mg/L como CaCO3
Dureza total
682 mg/L como CaCO3
500 mg/L
Sulfatos
1025 mg/L
400 mg/L
Sodio
382 mg/L
200 mg/L
Potasio
28 mg/L
-
Fluoruros
3.0 mg/L
1.0 mg/L
Cloruros
167 mg/L
250 mg/L
De acuerdo con la Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-2021: Agua para uso y consumo
humano, los límites permitidos de las características químicas, en cuanto a la calidad del agua
para consumo humano, los parámetros de dureza total, sulfatos, conductividad eléctrica, fluoruros
y sodio, están excedidos en el agua subterránea, que a su vez se suministra a la red de
abastecimiento público en la ciudad de Ojinaga, Chihuahua.
La clasificación en la escala de dureza se presenta en la Tabla 2 y es significativa la diferencia del
valor de dureza entre la composición del agua subterránea y el límite máximo permisible por la
NOM-127-SSA1-2021, quedando dentro de la clasificación como muy dura.
Tabla 2. Clasificación de la dureza del agua.
Dureza (mg/L como CaCO3)
Clasificación
0 – 100 mg/L
Blanda
101 – 300 mg/L
Moderadamente dura
301 – 500 mg/L
Dura
501 en delante
Muy dura
El límite máximo permisible de dureza total en el agua para consumo humano es de 500mg/l. Por
esa razón, es necesario un proceso de ablandamiento y así, producir agua con características
químicas aceptables para su uso y consumo humano, establecidas en la Norma Oficial Mexicana
NOM-127-SSA1-2021.
pág. 5009
Fase Experimental
La máxima producción de destilado se produce cuando se utiliza una altura de agua en
destiladores solares, no mayor a 1 cm en el evaporador; esto, según investigaciones realizadas por
Almanza (1994) y Mc Cracken (1990). Por esa razón, en la fase experimental se utilizaron 2 litros
del afluente, con la finalidad de cubrir el espesor de 1 cm de altura en el destilador experimental.
Posterior a ello, se aumentó la temperatura del agua a destilar, a partir de la temperatura ambiente,
hasta la temperatura de trabajo (75 °C), por medio de la parrilla eléctrica, y se mantuvo constante
a lo largo del periodo de muestreo. Esta temperatura es una de las máximas a la que operan los
alambiques solares en campo en verano y en zonas desérticas (Zachritz et al., 2000).
Se realizaron dos tipos de experimentos a temperatura constante de 75 °C por un periodo de 5
horas, pero con 4 horas de trabajo debido a que se emplea una hora en alcanzar la temperatura de
operación. El primer ensayo se efectuó con el evaporador limpio, es decir sin precipitado o
incrustaciones previamente formadas. La segunda fase experimental se llevó a cabo con
incrustaciones previamente formadas en el prototipo experimental con varias corridas, a la misma
temperatura, para determinar la influencia del precipitado, debido al efecto conocido como
nucleación, y medir la cantidad de sales que se forman en cada hora operativa por las sales
incrustadas inicialmente.
Una vez puesto a punto el prototipo experimental y alcanzada la temperatura, se tomaron 5
muestras por un periodo de 5 horas. En cada hora se extraía una muestra de 15 ml para precisar
la concentración de calcio soluble en el evaporador. El volumen total extraído por las muestras se
sumó al volumen obtenido del destilado para mantener la cantidad en el balance del agua tratada
sin alterarla.
Para ello, se realizó un promedio de los valores obtenidos en 6 ensayos experimentales con el
objeto de obtener una mejor precisión de los resultados. De esta manera, se determinó el avance
de la reacción de precipitación salina.
Posteriormente, se elimina la salmuera y, después de haberse secado el precipitado, se observan
los cristales por medio de microscopía electrónica de barrido para observar su morfología.
pág. 5010
Finalmente, por difracción de rayos X, se determinaron los compuestos formados y su fase
cristalina.
Medición de la Concentración de Calcio Soluble
Las muestras de salmuera fueron digeridas con 5.5 ml de HCl concentrado (grado analítico) en la
parrilla eléctrica a 65 °C por una hora. Después, la solución se llevó a un matraz aforado de 100
ml y se le adicionaron 0.3 gr de KCl a cada una de las muestras. Por último, la concentración de
calcio soluble fue medida en un espectrofotómetro de absorción atómica (EAA) marca Avanta
GBC, mediante la flama de óxido nitroso-acetileno, y se realizaron tres repeticiones por muestra,
de las cuales se obtuvo un promedio de cada una.
Determinación de las Cantidades de CaCO3 Precipitado
El destilado presenta < 1 ppm de calcio soluble, de acuerdo con el promedio de las mediciones
efectuadas por medio de espectrofotometría de absorción atómica. El balance de calcio
precipitado se calcula mediante la ecuación 1.
Cap = Cai – Cat………………. (ecuación 1)
en el que Cap es la cantidad en miligramos de calcio precipitado a un tiempo t; Cai es la cantidad
inicial en miligramos de calcio soluble y Cat es la cantidad de calcio en solución, determinado
por la ecuación 2.
(C) X (V) = Cat………………..(ecuación 2)
donde C es la concentración de calcio soluble en la salmuera y V es el volumen de destilado
obtenido en ese lapso.
Por medio de la ecuación 3, se resta Cat de Cai y se determina la cantidad de calcio precipitado
Cap.
Cai – Cat = Cap………………….(ecuación 3).
El balance de calcio proporciona la cantidad precipitada como calcio soluble o iónico, pero este
se convierte a carbonato de calcio por medio de la ecuación 4, utilizando el valor del peso
molecular del Ca soluble (PM Ca) y del carbonato de calcio (PM CaCO3).
mg CaCO3 = mg Ca soluble X (PM CaCO3)…………….(ecuación 4).
(PM Ca)
pág. 5011
Desviación Estándar de los Datos Experimentales
La desviación estándar media, σn, para las cuatro pruebas de los datos de las cantidades
precipitadas de sales de calcio, fue determinada usando la ecuación 3, tal y como se describe en
la literatura (Brownlee 1965).
…………..(ecuación 5).
donde x son datos y n es el número de muestras analizadas. La desviación estándar media de la
fluctuación en la concentración de calcio en la solución, las cantidades restantes de calcio soluble
en el afluente y la cuantía de las sales de calcio fue de ± 2%.
En la fase experimental, las técnicas utilizadas para la interpretación de los resultados fueron las
siguientes:
Determinación de calcio soluble. La concentración de calcio soluble a través del tiempo fue
medida con un espectrofotómetro de absorción atómica marca Avanta GBC, mediante la flama de
óxido nitroso-acetileno.
Identificación del precipitado y de los cristales depositados sobre la solución. Para identificar
las
especies precipitadas y su fase cristalina se utilizó la técnica de difracción de rayos X (DRX), con
un difractómetro Siemens D5000, equipado con un monocromador curvo de grafito que emplea
radiación CuKα de λ = 1.5405 Å, con un funcionamiento de 43 kV y 30 mA.
Morfología del precipitado y de los cristales depositados sobre la solución. La morfología del
precipitado y de los cristales depositados sobre la salmuera fueron observadas mediante un
microscopio electrónico de barrido (MEB) modelo JEOLJSM5800 LV.
Predicción teórica-termodinámica de las sales precipitadas por medio del programa
informático PHREEQC (Versión 2). Para la determinación teórica de los precipitados
termodinámicamente más estables, se hizo uso del software PHREEQC en su Versión 2 y fue
diseñado para efectuar una amplia gama de operaciones y cálculos geoquímicos a temperaturas
pág. 5012
relativamente bajas. Está elaborado en lenguaje de programación C, el cual está basado en un
modelo de asociación de iones en soluciones acuosas.
Para tal efecto, se introdujeron los valores de la composición química del agua subterránea que
se utilizó como afluente en esta investigación y se exhiben en la Tabla 1.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Datos del Comportamiento de la Precipitación de Calcio
En la Tabla 3 se muestran los resultados obtenidos del promedio de 6 corridas experimentales con
el evaporador libre de incrustaciones.
Tabla 3. Resultados de las cantidades precipitadas de CaCO3 durante 4 horas de operación.
Muestra
Destilado
(ml)
Volumen
total
extraído
(ml)
Volumen
de la
salmuera
(L)
Calcio
soluble en
solución en
ppm
Cat
(mg)
Cap (calcio
precipitado
total)
% pptado.
en forma
de CaCO3
Cai
2.0
244
488
M 1
90
105
1.895
236.04
447.3
40.7
19.72
M 2
180
285
1.715
210.00
360.15
90.68
43.94
M 3
164
464
1.536
205.00
314.88
45.27
21.93
M 4
158
637
1.363
214.37
292.18
22.7
11
M 5
150
802
1.198
238.07
285.20
7.00
3.39
TOTAL
206.35
99.98%
Concentración del afluente a tiempo inicial Cai, M 1= muestra tomada al alcanzar 75 °C (1 hora).
Volumen total extraído del prototipo es igual al destilado + 15 ml de muestra en cada periodo.
M2 a M5 corresponden a las muestras tomadas en cada hora.
En la Tabla 4 se muestran los resultados del promedio de 6 ensayos con incrustaciones en el
evaporador.
pág. 5013
Tabla 4. Resultados de la precipitación en forma de CaC03 en un periodo de 4 horas.
Muestra
Destilado
(ml)
Volumen
total
extraído
(ml)
Volumen
de la
salmuera
(L)
Calcio
soluble en
solución en
ppm
Cat
(mg)
Cap (calcio
precipitado
total)
mg
% pptado
como
CaCO3
Cai
2.0
243
486
M 1
85
100
1.900
217.50
413.25
72.75
34.5
M 2
172
272
1.728
195.50
337.80
75.45
35.80
M 3
155
442
1.558
194.06
302.34
35.4
16.78
M 4
152
609
1.391
204.35
284.25
18.09
8.60
M 5
148
772
1.228
224.01
275.08
9.17
4.34
TOTAL
210.86
99.99%
Concentración del afluente a tiempo inicial Cai, M 1= muestra tomada al alcanzar 75 °C (1 hora).
Volumen total extraído del prototipo es igual al destilado + 15 ml de muestra en cada periodo.
M2 a M5 corresponden a las muestras tomadas en cada hora.
Los datos obtenidos y plasmados en ambas tablas son: variación de la concentración de calcio
soluble inicial en la salmuera, las cantidades remanentes de calcio soluble, las cantidades
precipitadas como calcio total y el porcentaje precipitado en cada hora, el cual se calculó
dividiendo la cantidad precipitada en cada hora, entre la cantidad total precipitada como calcio
total.
Caracterización del Precipitado por DRX
Para identificar los cationes y aniones que reaccionaron en la solución acuosa, se realizó un
análisis de la incrustación por medio de la técnica de difracción de rayos X. Para tal efecto, se
llenó el alambique y se mantuvo en funcionamiento durante 12 horas a la temperatura de
operación de 75 °C.
Posteriormente, se retiró la salmuera. Este procedimiento se realizó para recolectar suficiente
sedimento para analizar por DRX en un tiempo aproximado de 2 semanas.
El análisis mostró que la incrustación está formada por carbonato de calcio (CaCO3), sulfato de
calcio (CaSO4) y sulfato de calcio hemihidratado (CaSO4. 0.5 H2O) y la fase cristalina de las sales
precipitadas estuvo compuesta principalmente por calcita con sistema de cristalización
romboédrica, anhidrita en sistema cristalino ortorrómbico, en la clase bipiramidal rómbica y
basanita con sistema cristalino ortorrómbico respectivamente, tal y como se observa en la Figura
pág. 5014
5. Las mismas sales y fases cristalinas se encontraron en las capas salinas que se formaron sobre
la salmuera.
Porcentaje de las Sales Precipitadas en Función de su Composición Química
Con el propósito de determinar los porcentajes de cada sal formada en la incrustación, se realizó
un análisis por medio de termogravimetría, el cual mostró un 80% de carbonato de calcio y un
4% de humedad en la muestra.
Por medio de la técnica de precipitación por sulfato de bario, se determinó que había un 14.5%
de calcio en forma de sulfato de calcio. También se encontró un 1% de material insoluble.
Figura 5. Resultado del análisis por la técnica de difracción de rayos X (DRX).
Morfología de los Cristales por MEB
La micrografía que se muestra en la Figura 6 se observa a la calcita, la más abundante de las sales,
tanto como incrustación en la bandeja del destilador solar experimental, como en la superficie de
la salmuera.
pág. 5015
Figura 6. Micrografía Electrónica de Barrido que muestra un acercamiento
los cristales de calcita para apreciar su morfología
Figura 7. Micrografía electrónica de barrido que exhibe la formación longitudinal de la calcita
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Como se aprecia en las Tablas 3 y 4, los ensayos experimentales muestran que la estabilización
de la reacción de precipitación de carbonato y sulfato de calcio ocurre en la tercera hora de
operación debido a que la cantidad de calcio soluble total se incrementa en la tercera y cuarta
hora, lo que sugiere que el calcio soluble no reacciona y se va concentrando mientras ocurre el
pág. 5016
proceso de destilación y disminuye el volumen del agua tratada. Este hecho también se corrobora
con las cantidades de calcio precipitados en la tercera y cuarta hora, ya que prácticamente es
mínima la cantidad de calcio total precipitado este periodo.
Como se observa en la Tabla 3, la mayor parte del calcio soluble reaccionó en la primera hora de
operación, con un 44%. Pero si tomamos en cuenta que el 20% reaccionó al alcanzar la
temperatura de trabajo, entonces el total de calcio soluble que precipitó en la primera hora fue de
un 64%, en la segunda hora un 85.6% y un 96.6% en la tercera.
Por lo anterior, se determina que las reacciones de precipitación salina se estabilizan a la tercera
hora de operación a 75 oC. Lo anterior contrasta con los resultados obtenidos por Armendáriz et
al. (2003) en cuanto a que la estabilización de la reacción de precipitación de CaCO3 a 60oC
sucede hasta la sexta hora. A 50oC la estabilización de la reacción de precipitación de CaCO3 se
alcanza con más de 11 horas de tratamiento isotérmico (tiempo en el cual fue el último muestreo
y todavía proseguía la formación de carbonato de calcio).
Además, una vez que se forma la incrustación salina, la velocidad de la reacción de precipitación
se incrementa drásticamente, tal y como se puede observar y comparar el valor obtenido en la
primera hora de trabajo sin incrustaciones en el evaporador (40.7%) con respecto a la primera
hora de trabajo con incrustaciones previamente formadas en la base del destilador experimental,
donde el calcio soluble reaccionado fue de 72.75%. Esto es, un 78% más rápido.
Lo anterior debido a que, una vez que se depositan las sales en el evaporador, estas sirven para
que se lleve a cabo la nucleación y su efecto se traduce en que se incrementa la generación y
crecimiento de nuevos cristales (Encyclopedia of Desalination and Water Resources, 2001).
Cabe resaltar que en la época de primavera-verano, donde las temperaturas de esa zona desértica
de la ciudad de Ojinaga, Chih, y en general de todo el norte del estado de Chihuahua, México,
oscilan entre los 20 °C hasta los 50 °C (CONAGUA, 2023). En ese sentido, a mayor temperatura,
se incrementa la velocidad de las reacciones iónicas que dan origen a la precipitación salina y a
la formación de capas de cristales blancos en la superficie del afluente. Al mismo tiempo, debido
a que en la época de verano esta ciudad y zonas aledañas se presentan las temperaturas más altas
de México, se tiene un gran potencial para la implementación de esta tecnología.
pág. 5017
Tomando en cuenta los resultados de las cantidades de calcio precipitado y las fases cristalinas
encontradas, tanto en experimentos con evaporador libre de precipitado como en ensayos con
incrustaciones formadas previamente, se infiere que las reacciones de precipitación salina no son
isotérmicas, sino que están impulsadas por gradientes de temperatura.
La temperatura al interior de los destiladores solares se encuentra alrededor de la temperatura de
trabajo de esta investigación (75 °C), según previos estudios (Zachritz et al., 2000). Lo anterior
es otro motivo por la cual se fundamente la importancia de efectuar la fase experimental a esta
temperatura de operación.
Las fases cristalinas resultantes del análisis por difracción de rayos X, tanto en los cristales
formados sobre la solución como en la incrustación en el evaporador del destilador a esta
temperatura de trabajo fueron calcita, anhidrita y basanita. A diferencia de los resultados a 50 y
60 °C reportados por Armendáriz et al. (2003) y Armendáriz et al. (2005), la única sal encontrada
fue carbonato de calcio (CaCO3) en la forma cristalina de calcita. La reacción química del calcio
soluble (Ca++) con los iones bicarbonato, es la siguiente:
Ca++ (ac) + 2 HCO3 –1 (ac) → CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O (l)
El sulfato de calcio anhidro o anhidrita (CaSO4), en unión con el sulfato de calcio hemihidratado
o basanita (CaSO4.1/2H2O), representó un 14.5% en el precipitado respecto al experimento con
incrustaciones previamente formadas en el prototipo experimental.
La ecuación química que expresa la formación de CaSO4 en forma de anhidrita y que se produce
en el sistema de investigación es la siguiente:
Ca+2 (ac) + SO+4 (ac) → CaSO4 (s)
La reacción química que sucede en el prototipo experimental respecto de la formación de basanita
o sulfato de calcio hemihidratado (CaSO4.0.5H2O) se representa con la siguiente ecuación
química:
Ca+2 (ac) + SO+4 (ac) + 2H2O Δ → CaSO4. 0.5 H2O + 1.5H2O
Por otra parte, en esta investigación se efectuó un estudio teórico con los valores de la
composición química del agua subterránea que se muestran en la Tabla 1 mediante el programa
de cómputo PHREEQC (Versión 2), desarrollado por Parkhurst y Appelo (2001) para predecir
pág. 5018
los sólidos termodinámicamente más estables, los cuales resultaron en correspondiente orden:
aragonita, calcita, dolomita y vaterita. Dichos resultados difirieron en gran manera de los
encontrados en este estudio.
Niu et al. (2022), señalan que el CaCO 3 cristalino exhibe tres polimorfos: vaterita hexagonal,
aragonita ortorrómbica y calcita romboédrica, en orden de estabilidad termodinámica creciente.
En ese sentido, el CaCO3 se ha encontrado la fase cristalina en forma de calcita, tanto en los dos
estudios anteriores de Armendáriz et al. (2003) a 50 °C y de Armendáriz et al. (2005) a 60 °C
como en el presente (75 °C), lo cual concuerda con lo señalado por Niu et al. (2022).
Con estos estudios, se demuestra experimentalmente que se puede seleccionar la formación de
CaCO3 en forma de calcita, anhidrita y basanita a temperaturas entre los 60 °C y 75 oC.
Por otra parte, es importante señalar que la formación de capas de cristales sobre la solución
conlleva a una implicancia desfavorable en la productividad, debido a que, en campo, la
reflectividad de la radiación solar en los destiladores solares comienza antes de llegar al fondo
del evaporador, por lo que la reflectividad ocurre con mayor significancia. Esto debido a que, a
la formación de incrustaciones, se le suma la de las capas de cristales blancos sobre el afluente.
Por ende, ambos factores (la formación de cristales en la solución y de incrustaciones), influyen
más significativamente y de forma negativa en la eficiencia de estos sistemas purificadores de
agua y su vida útil.
La utilidad de los destiladores solares en zonas desérticas de la entidad se ve justificada, ya que
el agua de pozo o agua subterránea que pueden ser fuente de agua apta para consumo humano,
pero sobrepasan los límites de la norma oficial mexicana ya sea por contenido de dureza total,
fluoruros, sulfatos y cloruros, metales pesados o sustancias tóxicas para la salud.
No obstante, para que sea efectiva esta tecnología de la destilación solar, es necesario prevenir o
eliminar el problema de la formación de incrustaciones en estos dispositivos tecnológicos. Una
posibilidad es el uso de inhibidores de la precipitación de CaCO3 y CaSO4, que sean aprobados
para el uso de la potabilización del agua, con alta efectividad y que sean amigables con el medio
ambiente.
pág. 5019
Por otra parte, de acuerdo con la revisión de literatura, se puede sugerir que el consumo de aguas
muy duras, en general de más de 200 a 300 mg/L, aumenta el riesgo de litiasis renal (Alvarado et
al., 2000; Mora et al., 2000; Medina et al., 2002; Alvarado et al., 2007; León, 2008; Cotruvo y
Bartram, 2009; Reyes, 2019), por lo que es otra justificación para ablandar el agua por medio de
la tecnología de destilación solar, ya que la dureza total del afluente en este trabajo de
investigación es de 682 mg/L.
Debido lo antes expuesto, en el presente trabajo se propone una combinación de agua destilada
por el destilador solar con agua subterránea con la finalidad de promover la salud con las
cantidades suficientes y necesarias de calcio.
La mezcla óptima para tal efecto es de 70% de agua destilada y 30% de agua subterránea en
términos de volumen de agua. Este volumen total tiene 218 mg/L de dureza total.
Lo anterior es otro aporte al estado del conocimiento sobre destilación solar en la región desértica
del estado de Chihuahua, en cuanto al equilibrio moderado de calcio y magnesio necesario para
la salud y al mismo tiempo, se logra un aumento en el volumen de agua producido, el cual es
adecuado para cocinar, lavar utensilios de cocina u otros similares, y apta para consumo humano,
además de otras actividades, siempre y cuando el agua subterránea como la del municipio de
Ojinaga no contenga metales pesados u otras sustancias que sean tóxicas. Igualmente,
contaminantes que sobrepasen los límites permisibles que establece la Norma Oficial Mexicana
NOM-127-SSA1-2021.
Respecto al fenómeno de la formación de cristales sobre la solución en el funcionamiento de un
destilador solar, incluso a bajas temperaturas de trabajo, es un hecho no reportado en la literatura.
Por esto, se abre la puerta para otro estudio en cuanto al conocimiento del porqué ocurre ese
fenómeno.
CONCLUSIONES
En los ensayos realizados con el evaporador libre de cristales de sal incrustadas en la base del
evaporador, el calcio soluble que precipitó en la primera hora fue de un 64% y en la segunda hora
un 85.6% y 96.6% en la tercera.
pág. 5020
En relación con los experimentos realizados con incrustaciones previamente formadas, la
velocidad de la reacción del calcio soluble total fue un 82% más rápida en la primera hora de
operación, ya que, comparativamente, el 40% del calcio soluble reaccionó en un destilador libre
de incrustaciones en la primera hora de trabajo y con incrustaciones previamente formadas en la
base del destilador experimental, el calcio soluble total reaccionó el 72.75%. Entonces, la previa
formación de incrustaciones hace que la reacción del calcio total soluble se duplique. Esto
significa que una vez que comience la reacción de precipitación salina en el destilador y se formen
los primeros precipitados, la reacción se duplicará al alcanzar la temperatura de 75 °C, originando
que la formación de incrustaciones sea más rápida y en mayor cantidad.
Por lo anterior, se concluye que la reacción de precipitación salina no es isotérmica, sino que está
impulsada por gradientes de temperatura.
Las sales que se formaron en la incrustación son: carbonato de calcio (CaCO3), la cual se precipitó
en la fase cristalina de calcita con una composición del total de 80% y sulftato de calcio en fase
cristalina de anhidrita CaSO4) y basanita (CaSO4.0.5H2O) en conjunto, con un 14.5%.
Se demuestra experimentalmente que se puede seleccionar la formación de CaCO3 en forma de
calcita, CaSO4 en forma de anhidrita y basanita a una temperatura de 75 oC en condición
isotérmica.
El estudio teórico con los valores de la composición química del agua subterránea de la Ciudad
de Ojinaga, efectuado con el programa de cómputo PHREEQC (Versión 2), para predecir los
compuestos termodinámicamente más estables, arrojó que se formarían en correspondiente orden:
aragonita, calcita, dolomita y vaterita.
Dicha predicción fue muy distinta a los resultados encontrados en este estudio, ya que las fases
cristalinas de las sales incrustadas fueron calcita, anhidrita y basanita. Ello debido a que los
precipitados de las fases cristalinas que se obtienen dependen en mayor significancia del tipo de
afluente, es decir, de la composición química del agua. Por esta razón, los resultados encontrados
experimentalmente en este estudio son más exactos. Eso significa que, mediante ensayos, es la
única forma de conocer la fase cristalina de las sales precipitadas con este tipo de estudios.
pág. 5021
Se concluye que las reacciones de precipitación salina ocurren con rapidez, ya que se estabilizan
a la tercera hora de operación en el prototipo experimental y por esa razón, se forman
incrustaciones rápidamente y de manera abundante, lo cual afecta de forma negativa en la
operatividad y productividad de los destiladores solares en campo, impidiendo la implementación
de estos dispositivos para su uso en comunidades rurales.
Por tanto, es imprescindible encontrar la solución a esta problemática para que la destilación solar
pueda ser una tecnología aplicable a comunidades rurales que tienen como suministro de agua,
pozos con las características fisicoquímicas similares a las del agua subterránea, asociadas a las
favorables condiciones climáticas y a la alta incidencia de la radiación solar que caracteriza al
Municipio de Ojinaga, Chih.
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