Diseño y construcción de boya descontaminadora para remoción de plomo II del lago Chinchaycocha

Abstract

En el presente trabajo se diseña y construye un prototipo basado en nanoadsorbentes para remoción de especies de plomo II del Lago Chinchaycocha. Se emplea una metodología de diseño escalonado o por etapas en el que los parámetros de entrada inicial hacen referencia al rendimiento del nanoadsorbente en una columna de adsorción, las condiciones de campo como la disponibilidad de solar y de navegación. Así, en el prototipo se identifica tres sistemas: la red de conducción hidráulica, el sistema autónomo fotovoltaico y el sistema de flotación. El proceso de diseño inicia con ensayos de columna del nanoadsorbente bajo condiciones de campo de la zona de operación. En dicha experiencia se determina la curva de ruptura y con ello se caracteriza el rendimiento del filtro. Con estos resultados se simula condiciones de operación escalada y se determina la cantidad de adsorbente necesaria. Las dimensiones de la red de descontaminación se seleccionan de tal manera que la bomba hidráulica pueda sostener la altura manométrica generada en los filtros. Luego se dimensiona el sistema fotovoltaico autónomo necesario para sostener la energía diaria demandada por los dispositivos eléctricos, principalmente por el sistema de bombeo. Estos dispositivos son empaquetados en cubículos para su instalación. Con todos los componentes dimensionados, el sistema de flotaje se diseña de tal forma que otorgue al prototipo flotabilidad y estabilidad durante su navegación. Finalmente se identificó los materiales necesarios y se establecen pasos sencillos para la instalación del prototipo. Empleando el procedimiento expuesto y conociendo el principio de funcionamiento de los sistemas instalados en el prototipo, se identifica los principales aspectos a controlar en su diseño y son: el nivel de carga del adsorbente en la columna y la altura manométrica total en la red de conducción hidráulica. Para el caso del sistema fotovoltaico autónomo se establecieron condiciones que garanticen una operación óptima y larga durabilidad de los componentes eléctricos debido a que en su dimensionamiento se utilizó un factor de seguridad para los cálculos, permitiendo así, cubrir la demanda energética para el generador fotovoltaico y el acumulador energético. Se realizó el montaje del sistema de flotación a partir de materiales disponibles y de bajo costo. El método desarrollado, si bien es cierto, emplea un método intuitivo, no obstante, garantiza alcanzar los resultados de operación esperados. Finalmente, para el análisis económico, se considera el prototipo diseñado como suministro de agua potable a la población más cercana, y se determina el menor precio venta que garantice rentabilidad para la inversión en el proyecto. Los resultados indican la necesidad de establecer las condiciones para que pueda comercializarse el servicio ya que su puesta en marcha requiere de una inversión inicial considerable. El precio de venta determinado, por otro lado, resulta comparable al valor establecido por el mercado de forma que, su inserción a éste no presentaría inconveniente alguno. Entre las principales recomendaciones, se tiene el de analizar las especies presentes en la matriz del lago para optimizar el rendimiento del filtro y el de seguir mejorando el proceso de síntesis del nanoadsorbente, así se pueda lograr un menor costo de fabricación y otorgara al servicio mayor competitividad .

In the present work, a prototype based on nanoadsorbents for the removal of lead species II from Lake Chinchaycocha is designed and built. A phased or staged design methodology is used in which the initial input parameters refer to the performance of the nanoadsorbent in an adsorption column, field conditions such as solar availability and navigation. Thus, in the prototype three systems are identified: the hydraulic conduction network, the autonomous photovoltaic system and the flotation system. The design process begins with nanoadsorbent column tests under field conditions in the area of operation. In this experience, the breakthrough curve is determined and thus the filter performance is characterized. With these results, scaled operating conditions are simulated and the amount of adsorbent needed is determined. The dimensions of the decontamination network are selected in such a way that the hydraulic pump can support the manometric height generated in the filters. Then the autonomous photovoltaic system necessary to sustain the daily energy demanded by the electrical devices, mainly by the pumping system, is sized. These devices are packaged in cubicles for installation. With all the dimensioned components, the floating system is designed in such a way that it gives the prototype buoyancy and stability during navigation. Finally, the necessary materials were identified and simple steps are established for the installation of the prototype. Using the procedure outlined and knowing the principle of operation of the systems installed in the prototype, the main aspects to be controlled in its design are identified: the level of adsorbent load in the column and the total manometric height in the hydraulic conduction network. In the case of the autonomous photovoltaic system, conditions were established that guarantee an optimal operation and long durability of the electrical components due to the fact that in its dimensioning a safety factor was used for the calculations, thus allowing to cover the energy demand for the photovoltaic generator and the energy storage. The flotation system was assembled from available and low-cost materials. The developed process, although it employs an intuitive method, however it guarantees to achieve the expected operating results. Finally, for the economic analysis, the designed prototype is considered as a drinking water supply to the nearest population, and the lowest sale price that guarantees profitability for the investment in the project is determined. The results indicate the need to establish the conditions for the service to be marketed since its commissioning requires a considerable initial investment. The determined sale price, on the other hand, is comparable to the value established by the market so that its insertion into it would not present any inconvenience. Among the main recommendations, we have to analyze the species present in the matrix of the lake to optimize the performance of the filter and to continue improving the process of synthesis of the nanoadsorbent, so that a lower manufacturing cost can be achieved and it will give the service greater competitiveness.