INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA Unidad Profesional "Adolfo López Mateos" Zacatenco Departamento de Ingeniería en Control y automatización SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO PARA LA PURIFICACIÓN Y POTABILIZACIÓN DE AGUA DE REÚSO DE LA ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO PROPUESTA DE TRABAJO TERMINAL PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACION P R E S E N T A N: Castellanos Quiroga Julio Cesar De la Mora Martínez Osmar Ignacio Hernández Oropeza Irving Raúl López Pérez Ricardo Pérez Linares Diego José CIUDAD DE MÉXICO MAYO 2023 Índice. Planteamiento del problema .............................................................................................. 3 OBJETIVOS ......................................................................................................................... 1 Objetivo general .................................................................................................................. 1 Objetivos específicos .......................................................................................................... 1 Justificación ....................................................................................................................... 2 Antecedentes ...................................................................................................................... 3 Estado del arte .................................................................................................................... 6 Referencia: ........................................................................................................................ 11 Página|1 Planteamiento del problema La problemática hídrica actual en México, relacionada con el aprovechamiento y correcto uso de esta afecta a todo el país, incluida a la comunidad de la ESIME Zacatenco, la cual tiene particularidades que empeoran el problema de aprovechamiento del agua, la primera: en la ESIMEZ existe un gran consumo en sanitarios, riego y fugas que se llegan a presentar dentro de la misma, y la segunda es que el alumnado es próximo a quince mil estudiantes, lo cual plantea y cuestiona si realmente se aprovecha eficientemente el agua y si existe algún plan de reúso o mejor aprovechamiento para reducir el consumo. Ante esto en necesario la intervención de los alumnos de la ESIMEZ, especialmente de los de ICA para poner en marcha una solución con el fin de reutilizar el agua proveniente de todas las áreas de consumo y darle más ciclos de vida útil a través de un sistema de control automático que purifique el agua hasta niveles aceptables de consumo, el problema del reúso del recurso hídrico es de vital importancia no solo en la ESIMEZ, sino en todos lados. Página|2 OBJETIVOS Objetivo general • Diseñar un sistema de control automático con el propósito de disminuir el uso de agua en el tratamiento de aguas residuales de la ESIMEZ, se implementará un regulador analógico PI. Objetivos específicos Familiarizarse con los estándares de purificación de agua establecidos para garantizar su aptitud para el consumo humano. • Localizar las zonas de la ESIMEZ donde se consuma y también donde se necesite más agua. • Seleccionar instrumentación y electrónica adecuada para el controlador PI . • Obtener el modelo matemático aproximado del sistema. Página|2 Justificación La implementación de este sistema en el entorno escolar supondría una mejora significativa en comparación con la infraestructura actual. Este sistema representa una aplicación innovadora de soluciones tecnológicas existentes en el campo del control y la automatización. Se utilizarían tecnologías de vanguardia para obtener los mejores resultados, estableciendo lazos de control que garantizarían un funcionamiento casi autónomo y eficiente. Además, la comunidad escolar se beneficiaría al tener la oportunidad de aprender sobre el funcionamiento de este sistema. Podrían participar en actividades prácticas y de mantenimiento, adquiriendo nuevas habilidades, conocimientos y fortaleciendo las habilidades existentes. El sistema también contribuiría a reducir la huella hídrica de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco, lo que resultaría en una disminución del impacto ambiental y, como consecuencia, en un ahorro económico para la escuela. Esto permitiría utilizar esos recursos económicos en otras áreas de la escuela para mejorarla. Página|2 Antecedentes La purificación del agua en la historia de la humanidad ha representado una herramienta muy importante para poder maximizar el uso de esta, si bien, nunca se le ha dado una buena difusión e incluso aplicación, desde muchos años atrás se han desarrollado métodos y técnicas para poder purificar agua, esto desde luego en lugares donde exista dicha necesidad, ya que como se mencionó se ha dado muy poca difusión al maximizar el uso del agua a través de la potabilización y purificación del agua de reusó. Los seres humanos han distribuido y almacenado el agua durante siglos. En la época en la que el hombre se dedicaba a la caza y a la recolección el agua que se destinaba para el consumo humano se tomaba directamente del rio. Cuando no existen ríos o lagos cerca de las viviendas las personas aprovechaban sus recursos subterráneos que se extrae en la construcción de pozos. Alrededor de los años 7000 en Jericó (Ciudad palestina), el agua almacenada en los pozos era utilizada como una fuente de recursos del agua. En esta ciudad se empezaron a fabricar sistemas de transporte y distribución del agua. [...] En el año 3000 a. e, Pakistán utilizaba sistemas de distribución y almacenamiento muy grandes debido a que esta ciudad contaba con servicios de baño público, instalaciones de agua caliente y baños (Lenntech, 2017). En la ciudad de Grecia se presentó un problema de crecimiento de población y se vieron obligados a la fabricación de un sistema de suministro y almacenamiento. Los griegos fueron los primeros en tener un interés sobre tener agua de calidad, por lo que se utilizaron represas de aireación que consiste en la eliminación de olores y sabores producidos por gases disueltos en el agua. Página|2 En el antiguo Egipto dejaban reposar el agua en vasijas de barro durante varios meses para dejar precipitar las partículas e impurezas, y mediante un sifón extraían el agua de la parte superior (decantación), en otras ocasiones incorporaban ciertas sustancias minerales y vegetales para facilitar la precipitación de partículas y clarificar el agua (coagulación). En los comienzos del 1500 antes de Cristo, se tiene referencias de que los egipcios usaban ya un producto, que hoy se emplea para el mismo fin, el alumbre (sulfato de alúmina) para lograr precipitar partículas suspendidas en el agua (Serviqualita, 2016). Roma fue una de las ciudades con las mayores construcciones en redes de distribución de agua a lo largo de la historia. Usaban el mismo método de purificación de agua que los griegos (aireación). La aireación de aguas residuales es el proceso de agregar aire o aguas residuales para permitir la biodegradación aeróbica de los componentes contaminantes. Es una parte integral de la mayoría de los sistemas biológicos de tratamiento de aguas residuales. El tratamiento biológico utiliza microorganismos naturales en las aguas residuales para degradar los contaminantes de las aguas residuales, la aireación en un proceso de lodos activados se basa en bombear aire a un tanque, lo que promueve el crecimiento microbiano en las aguas residuales. Los microbios se alimentan de materia orgánica, formando bandadas que pueden asentarse fácilmente. Después de depositarse en un tanque de sedimentación separado, las bacterias que forman las bandadas de "lodo activado" se recirculan continuamente de regreso al tanque de aireación para aumentar la velocidad de descomposición. (Gran Denver, 2019). Durante los años 500 a 1500 d.C hubo poco desarrollo en los sistemas de tratamiento de agua debido a que se manifestaron grandes problemas de higiene, lo que provocó la muerte de mucha gente. Los llamados portadores se encargaban de traer agua potable proveniente de ciudades externas con el propósito de frenar la intoxicación en dicha ciudad. Página|2 En el año de 1804, John Gibb se encargó de construir el sistema de suministro de agua potable para una ciudad completa. A finales del siglo XIX se realizaban mejoras para los sistemas de filtración, a su vez, se estableció la teoría de la existencia de gérmenes causantes de las enfermedades, como resultado de la investigación de Louis Pasteur, Robert Koch, etc. Dentro de esta investigación se aportaron evidencias de la importancia de la filtración del agua para protegerse de las enfermedades de esta investigación se aportaron evidencias de la importancia de la filtración del agua. Página|2 Estado del arte Las múltiples tareas desarrolladas por el ser humano han causado una modificación de las propiedades de los recursos hídricos, llegando a alcanzar niveles de contaminación no aptos para consumo humano. El agua es un recurso importante y limitado, por consiguiente, la población debería usarla de manera racional, los sistemas de purificación de agua han ido mejorándose y adaptándose, dependiendo de las características del agua a la cual se le vaya a aplicar la purificación, ya que dependiendo de donde provenga el agua esta tendrá características específicas que se deberán tratar de diferentes maneras dependiendo de la composición de esta. Dentro de las nuevas tecnologías para el tratamiento del agua se destacan las siguientes: David Pineda y José Duran en su artículo: "Evaluación de residuos de raquis de palma de aceite como adsorbente para la remoción de tintes reactivos de soluciones acuosas" iniciaron a estudiar la problemática de la contaminación generada por tintes desarrollados por la industria textil, ya que la industria textil consume un 60-70% de sustancias para teñir, ese tipo de tintes son tóxicos y llegan a interrumpir la cadena alimenticia de la fauna marina y la fotosíntesis de la flora acuática, esto se definió por medio a sus estudios e investigaciones. Por ello se enfocaron en buscar absorbente de tintes que sea accesible en precio y que sea lo menos perjudicial para la flora y fauna marina, por ello encontraron un método para purificar el agua de los tientes, este método es un tratamiento biológico, es palma de aceite Elaeis guineensis. De acuerdo con Pineda y Duran: Los residuos de palma de aceite que se han investigado para adsorción de metales pesados y colorantes en agua son las fibras de semilla, tronco y hojas. La descomposición de sustancias orgánicas por acción del agua del raquis de palma de aceite no causa cambios significativos en su capacidad de absorción, la eliminación de sustancias solubles en agua en ebullición es suficiente para asegurar la adsorción de tintes reactivos y de esta forma asegurar reducción de precios en el pretratamiento del raquis como adsorbente (Pineda, 2019) Página|2 Danilo Revelo, Erick Pérez y Manuel Maya mencionan otro método para la purificación de agua que consta de apoyarse de cascaras de huevo, este método surgió del problema de que otros métodos de purificación tiene problemas con su eficiencia, el costo de su implementación, su uso y renovación, ya que las cascaras de huevo tiene un precio más accesible y el calcio que contienen las cáscaras de huevo han sido apoyo para el agua contaminada con cianuro, boro y cumplen la adsorción de metales pesados como níquel, hierro, plomo, cobre, entre otros.Se basaron en formulas donde desencadenan a profundidad el proceso de filtración. Este método busca mejorar la accesibilidad para a las personas que gustan purificar su agua con métodos más amigables con el medio ambiente. Se evaluó la capacidad de retención de compuestos azufrados mediante el uso de filtros biológicos elaborados a partir de cáscaras de huevo, con el fin de desarrollar un mecanismo de purificación de agua en una región con riesgo por contaminación con derivados azufrados de origen geológico [...] La cáscara de huevo se presenta como una alternativa potencial de solución, al ser una parte del huevo que no se aprovecha para el consumo y que se genera en abundancia, ya que a nivel mundial su producción superó los 1.417 billones de unidades producidas y de 13,316 millones de unidades tan solo para el 2017. Estas cáscaras presentan un contenido de hasta un 94% de carbonato de calcio (CaC03), el cual es un compuesto con capacidad reguladora del intercambio de gases, protección contra daños mecánicos y contaminación bacteriana dentro del huevo. Este efecto de protección o barrera ha sido investigado en una amplia variedad de aplicaciones industriales y químicas, llegando a ser empleado para purificar el agua de los compuestos contaminantes que por métodos tradicionales de filtración no podrían ser separados, siendo además bastante económico y fácilmente remplazable una vez el sistema se sature o complete su vida útil. Específicamente el carbonato de calcio presente en las cáscaras de huevo aviar ha sido evaluado en la remediación de agua contaminada con cianuro, boro o la adsorción de metales pesados como níquel, hierro, plomo, cobre, entre otros (Revelo, 2019). Página|2 La Osmosis inversa para la purificación de la orina es un método que consta de diversas etapas, actualmente se ha popularizado su uso en las múltiples purificadoras extendidas a lo largo de la república Mexicana, uno de los métodos más usados, que actualmente la NASA de los Estados Unidos se encuentra en vías de desarrollo de la implementación eficaz de este método para la reutilización de los desechos urinales orgánicos, con la intención de volverlos aptos para su consumo, así como la potabilización de agua de mar. La ósmosis inversa (O1) es un proceso en el cual se reduce el caudal a través de una membrana semipermeable y se ejerce una fuerza de empuje superior a la presión osmótica en dirección opuesta al proceso de ósmosis. De esta forma se logra separar las sustancias que se encuentran en el agua en un lado de la membrana (concentrado) y del otro lado se obtiene una solución diluida baja en sólidos disueltos (permeado). Podría decirse que es un filtro físico, pero por tratarse de una membrana que retiene elementos sólidos, pero ya no lo podemos llamar filtración porque retiene moléculas disueltas que no solo son retenidas por la física, sino también por lo química. La ósmosis inversa se usa para desalinizar agua de mar y agua salobre, suavizar aguas, remover materia orgánica y separar de contaminantes específicos del agua (Carbotecnia, 2022). El MIT Instituto Tecnológico de Massachussets, se ha caracterizado por innovar y dar al mundo soluciones tecnológicas de alta vanguardia en función de las necesidades de la sociedad mundial, sus aportes prácticamente se amplían a todos los campos del conocimientos humano, y el de la ingeniería aplicada no es excepción, es por ello, que en los últimos años, este instituto ha aportado diversos métodos alternativos de purificación, en los cuales destaca el método electroquímico, el cual ha sido el más novedoso sistema propuestos por el MIT. Este método es un método el cual se expertiza por la eliminación de los mínimos residuos de contaminantes en el agua, ya que, por métodos mecánicos o métodos clásicos químicos se puede purificar aquellos contaminantes de gran tamaño o de grandes concentraciones, sin embargo, estos no son aptos para la eliminación de bajas cantidades de producto químicos que Página|2 pueden ser peligrosos para el consumo humano en general, es por ello que este método ataca las concentraciones bajas peligrosas, cosa que métodos clásicos no permitía liberar al agua purificada de dichos agentes. Xiao Su y un grupo ingenieril del departamento de química del MIT: El sistema utiliza un método novedoso, el cual depende de un proceso electroquímico para eliminar selectivamente los contaminantes orgánicos tales como pesticidas, desechos químicos y productos farmacéuticos, incluso cuando éstos están presentes en concentraciones pequeñas pero peligrosas. [...] Los sistemas actuales para tratar estos contaminantes diluidos incluyen la filtración por membrana, que es costosa y tiene eficacia limitada a bajas concentraciones, y la electrodiálisis y la deionización capacitiva, que a menudo requieren altos voltajes que tienden a producir reacciones secundarias (portalfruticola, 2017). Este método es parecido a una especie de electrolisis, los cuales permiten una gran purificación de agua que las libere de sustancias químicas/farmacéuticas peligrosas, eliminando concentraciones incluso en partes por millón. Esta técnica es altamente significativa, ya que extiende las capacidades de los sistemas electroquímicos de básicamente no selectivo a la eliminación altamente selectiva de contaminantes clave. Este último es el método más novedoso e innovador, sin embargo, la comunidad del MIT ha desarrollado algunos métodos más para la purificación del agua, entre ellos, se encuentran: • Aprovechar el filtrado de las plantas • Potabilizar el agua salada gracias al sol • Filtro de grafeno para desalinizar el agua • Un filtro de lavadora permite reutilizar el agua Página|2 Finalmente, se revisaron en los antecedentes los métodos que se usaron ya varios años atrás, en este contexto tecnológico y en función de las condiciones de infraestructura implementación, control e instrumentación de la escuela, los mejores métodos aplicados al sistema de control son la osmosis inversa, biofiltración y luz ultravioleta, ya que para hacer funcionar estos procesos se requieren de instrumentación y de mantener una referencia de niveles de aceptación los cuales el controlador PI con ayuda de instrumentación, puede hacer correctamente y también eficientemente, es por ello que de todos los métodos que se vieron estos se pueden integrar con el PI y lograr una purificación de agua que alcance niveles normativos para que el consumo y redistribución sea la adecuada para la ESIME Zacatenco. Página|2 Referencia: Aquaprof Barcelona. (2018, Febrero 7). Filtros de carbón activado. https://www.aquaprof.es/info/osmosis/mantenimiento/filtros/carbon-activado/ Carboctenia. (2022, Diciembre 11). ¿Qué es la osmosis inversa? https://www.carbotecnia.info/aprendizaje/osmosis-inversa/que-es-la-osmosis-inversapurificador/ Cardona, F. (2018). Osmosis y presión osmótica. Implicaciones en química, biología, medicina y tecnología de alimentos. https://m.riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/140064/Cardona%20%20%C3%93SMOSI S%20Y%20PRESI%C3%93N%20OSM%C3%93TICA.%20IMPLICACIONES%20EN%2 0QU%C3%8DMICA%2C%20BIOLOG%C3%8DA%20Y%20TECNOLOG%C3%8DA% 20DE%20ALIMENTOS.pdf Serviqualita. (2016, octubre 31). Tratamiento del agua. Su historia https://descalcificador10.com/agua-potable-historia/ Dorf, R. C. (2023). Sistemas de control moderno (10° ed. Vol. 1). Prentice Hall/Pearson. Eden Springs. (2020, Febrero 19). 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Nuevo método puede eliminar selectivamente micro contaminantes del agua. https://www.portalfruticola.com/noticias/2017/05/12/nuevometodo-puede-eliminar-selectivamente-micro-contaminantes-del-agua/ Relevo, D., Perez, E. y Maya. M.(2020). Evaluación de la capacidad de absorción selectiva de cáscaras de huevo ante compuestos azufrados para purificación de agua potable. Revista De Ciencias, 23(2). https://doi.org/10.25100/rc.v23i2.8423 Página|2 Página|2 Página|2 Página|2
