Solar distillation/Destilación solar

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La destilación solar consiste en utilizar la energía solar para evaporar el agua y recoger su condensado dentro del mismo sistema cerrado. A diferencia de otras formas de purificación de agua, puede convertir agua salada o salobre en agua potable (por ejemplo, la desalinización ).

La estructura que alberga el proceso se conoce como destilador solar y, aunque el tamaño, las dimensiones, los materiales y la configuración varían, todos se basan en el sencillo procedimiento en el que una solución de entrada ingresa al sistema y los disolventes más volátiles salen en el efluente, dejando atrás el soluto salino. ^{[ 1 ]}

En cualquier destilador solar, el diseño básico consiste en un dispositivo de recolección para captar el agua de lluvia . En la mayoría de los casos, el colector está cubierto por una lámina de vidrio o plástico transparente, que permite el paso de la radiación solar pero no su escape. El agua evaporada por el calor radiante del sol se condensa sobre el material de cobertura más frío. El agua condensada está libre de impurezas, como sales y metales pesados, así como de microorganismos, que pudieran haber estado presentes en el agua de entrada. El resultado final es un suministro de agua fresca y limpia. Los destiladores solares pueden producir agua potable de manera eficiente a partir de agua de acequia o cisterna, especialmente los diseños de humidificación de múltiple efecto de alta eficiencia, que separan el o los evaporadores del o los condensadores.

La destilación solar se diferencia de otras formas de desalinización que requieren más energía, como la ósmosis inversa o simplemente hervir agua, debido a que utiliza energía gratuita. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Si se requiere el tratamiento de agua contaminada en lugar de la desalinización, la filtración lenta con arena es una buena opción.

De la más sofisticada a la menos sofisticada, sus tres configuraciones básicas son:

• Con forma de caja
• En forma de cono
• Tipo de pozo

Los aspectos fundamentales de un destilador solar se han mantenido inalterados desde la antigüedad; la simplicidad de su diseño es una de sus principales ventajas. Sin embargo, existen muchas variaciones del típico destilador de una sola pendiente/cuenca, que se pueden clasificar en dos categorías: activos o pasivos. Estas etiquetas clasifican el destilador según el método que utiliza para obtener la energía necesaria para la evaporación del agua. Los destiladores solares pasivos son, por supuesto, los más convencionales y han sido los únicos que se han tratado hasta ahora. Los destiladores activos, en cambio, pueden obtener calor residual de diversas fuentes. Un buen aislante es necesario para reducir las pérdidas térmicas y prolongar el proceso de evaporación incluso durante la noche. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Entre los materiales aislantes que se pueden utilizar se incluyen el poliestireno expandido con una cubierta de polipropileno o la lana (que puede conservar parte de su capacidad aislante incluso mojada). ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Los destiladores solares convencionales dependen exclusivamente del sol para destilar agua; sin embargo, su complejidad puede alcanzar la de los destiladores activos, e incluso la de otros métodos de desalinización más complejos. Los destiladores pasivos, por lo tanto, varían ampliamente debido a esta limitación y pueden clasificarse en subclases. Algunos tipos comunes de destiladores solares pasivos incluyen:

• Destiladores de un solo efecto : Los destiladores de un solo efecto son los más simples y comunes, ya que solo se necesita una interfaz para transmitir la energía y recolectar el condensado. Un ejemplo de un desafío de diseño crucial en todos los destiladores solares es mantener el destilador hermético. Si no es hermético, la eficiencia cae drásticamente. A menudo se utiliza una canaleta poco profunda, pintada de negro e inundada. Un panel de vidrio inclinado cubre, permitiendo que el vapor de agua condensado se deslice hacia un canal de salida. Se espera 1 galón por día por metro cuadrado de vidrio. Otro enfoque es el plástico moldeado (por ejemplo, Watercone ). Esto tiene la ventaja de que se puede hacer hermético más fácilmente, y la producción en masa debería hacerlo asequible. Las eficiencias típicas son del 25 %. La producción diaria en función de la irradiación solar es mayor al anochecer, cuando el agua de alimentación aún está caliente pero las temperaturas exteriores están bajando. La selección del material es muy importante. La cubierta puede ser de vidrio o plástico. El vidrio se considera el mejor para la mayoría de las aplicaciones a largo plazo, mientras que un plástico (como el polietileno) se puede utilizar para uso a corto plazo. Para la base de un alambique de larga duración, si se va a fabricar in situ, se considera que el hormigón armado o el hormigón impermeabilizado son los mejores materiales, pero para los alambiques fabricados en fábrica, el hormigón armado prefabricado es un material adecuado.
• Destiladores multiefecto : Los destiladores multiefecto tienen dos o más compartimentos. La superficie de condensación del compartimento inferior es el fondo del compartimento superior. El calor liberado por el vapor condensado proporciona energía para vaporizar el agua de alimentación que se encuentra arriba. Por lo tanto, la eficiencia es mayor que la de un destilador de una sola cubeta, generalmente del 35 % o más, pero el costo y la complejidad son correspondientemente mayores, requieren el doble de esfuerzo en lo que respecta a garantizar sellos herméticos y pueden ser más difíciles de limpiar. ^{[ 10 ]} La forma en que el agua se almacena durante su tiempo en la fase líquida también puede variar.
• Destiladores de tipo cuenca : Los destiladores de tipo cuenca contienen el agua en un material impermeable que forma parte de todo el recinto y son los más comunes.
• Destiladores de mecha : En un destilador de mecha, el agua de alimentación fluye lentamente a través de una almohadilla porosa que absorbe la radiación (la mecha). Se afirman dos ventajas sobre los destiladores de balde. Primero, la mecha se puede inclinar para que el agua de alimentación presente un mejor ángulo con el sol (reduciendo la reflexión y presentando una mayor área efectiva). Segundo, hay menos agua de alimentación en el destilador en cualquier momento, por lo que el agua se calienta más rápidamente y a una temperatura más alta. Los destiladores de mecha utilizan materiales similares a la tela que utilizan la acción capilar para propagar el agua a través del sistema. Cuando la eficiencia y la efectividad son clave, los destiladores de mecha producen más que los destiladores de balde debido a la mayor superficie de evaporación, el menor costo de energía para calentar el agua y la capacidad de crear un área efectiva mucho mayor para que la radiación solar transfiera energía al agua. ^{[ 11 ]} Algunos diseños de destiladores de mecha pueden costar menos que un destilador de balde de la misma producción.
• Destiladores de múltiples mechas : Los destiladores de múltiples mechas obviamente se basan en los destiladores de mecha típicos y, al igual que la premisa de efectos múltiples mencionada anteriormente, aumentan enormemente la productividad al incrementar exponencialmente el área de superficie influenciada. ^{[ 12 ]}
• Destiladores de difusión : Los destiladores de difusión se basan en las ideas introducidas por los destiladores de efecto múltiple y de mecha, y representan un avance en ambos. Quizás Tanaka y Nakatake sean quienes mejor expliquen el diseño de estos eficientes destiladores: «que consisten en una serie de particiones paralelas muy próximas entre sí, en contacto con mechas empapadas en solución salina, tienen un gran potencial debido a su alta productividad y simplicidad». ^{[ 13 ]}
• Destiladores solares : una combinación entre el concepto de destiladores solares y el de invernaderos.
• Destilador de emergencia : Para obtener agua potable en caso de emergencia en tierra, se puede construir un destilador muy sencillo. Este aprovecha la humedad del suelo. Solo se necesita una tapa de plástico, un recipiente o balde y una piedra.

Estos destiladores utilizan fuentes de calor adicionales para promover los procesos térmicos existentes. ^{[ 14 ]} La base del diseño de estos desalinizadores ya se ha establecido en la sección anterior, por lo que las fuentes involucradas con esta rama de destiladores solares se discutirán brevemente:

• Concentradores parabólicos compuestos (CPC)
• Colectores de placa plana ^{[ 15 ]}
• Calentador solar
• Calor residual novedoso: el calor residual puede utilizarse como un aporte energético adicional, por ejemplo, procedente de un motor, el condensador de un frigorífico o el radiador de un vehículo. ^{[ 16 ]}
• Recogida de agua de lluvia: Al añadir una canaleta externa, la tapa del destilador se puede utilizar para recoger agua de lluvia y complementar así la producción del destilador solar.

Los destiladores activos añaden otro elemento de complejidad al diseño base, que no es tan complejo, pero, una vez más, esta modificación puede favorecer una generación de agua dulce más rápida y en mayores cantidades.

El funcionamiento básico de todos los destiladores solares es el mismo. La radiación solar incidente se transmite a través de la cubierta de vidrio o plástico y es absorbida como calor por una superficie negra en contacto con el agua que se va a destilar. De esta forma, el agua se calienta y desprende vapor de agua. El vapor se condensa en la cubierta, que se encuentra a menor temperatura por estar en contacto con el aire ambiente, y desciende por un canal desde donde se dirige a un tanque de almacenamiento.

Para lograr una alta eficiencia, el destilador solar debe mantener:

• Alta temperatura del agua de alimentación (sin destilar)
• Gran diferencia de temperatura entre el agua de alimentación y la superficie de condensación.
• Baja fuga de vapor

Se puede lograr una temperatura elevada del agua de alimentación si:

• Una alta proporción de la radiación incidente es absorbida por el agua de alimentación en forma de calor. Por lo tanto, se requiere un acristalamiento de baja absorción y una buena superficie absorbente de radiación.
• Las pérdidas de calor del suelo y las paredes se mantienen bajas.
• El agua es poco profunda, por lo que no hay mucho que calentar.

Se puede lograr una gran diferencia de temperatura si:

• La superficie de condensación absorbe poca o ninguna radiación incidente.
• El agua que se condensa disipa calor que debe eliminarse rápidamente de la superficie de condensación, por ejemplo, mediante un segundo flujo de agua o aire, o mediante la condensación durante la noche.

Existen muchos métodos diferentes para construir destiladores solares; el más rudimentario consiste en cavar un hoyo, mientras que los más complejos salen de una línea de producción.

Los materiales de construcción comunes incluyen:

• Aislamiento (normalmente debajo del lavabo)
• Sellantes
• Tuberías y válvulas
• Instalaciones para almacenamiento
• Reflector para concentrar la luz solar.
• Componentes estructurales
• Tejidos transpirables
• Madera ennegrecida
• Yute negro
• Polietileno negro

Por lo general, se prefieren los materiales disponibles localmente, pero muchos elementos, como los selladores, podrían tener que adquirirse de proveedores extranjeros. ^{[ 12 ]}

Dado que uno de los objetivos principales de la destilación solar es proporcionar una fuente de agua limpia, la desinfección adecuada después de la construcción es crucial. Algunos métodos de limpieza menos intensivos podrían ser el uso de jabón o detergente para ropa. Una cubierta de vidrio es más ventajosa en cuanto al mantenimiento que una de plástico, debido a las propiedades electrostáticas del plástico que pueden convertirlo en un imán para los detritos. ^{[ 17 ]} La salmuera restante después de una destilación completa se puede aprovechar para obtener sal marina, ya que ahora es un producto valioso por derecho propio. ^{[ 18 ]}

A pesar de la proliferación de nuevos tipos, el destilador de una sola cuenca sigue siendo el único diseño probado en la práctica. Entre 1957 y 1980 se construyeron al menos 40 destiladores de una sola cuenca con superficies superiores a 100 m² (y hasta 9000 m²). Veintisiete tenían cubiertas de vidrio y nueve de plástico. Veinticuatro de los destiladores con cubierta de vidrio siguen funcionando en su forma original, pero solo una unidad con cubierta de plástico está operativa. Cientos de destiladores más pequeños están en funcionamiento, sobre todo en África. El coste del agua pura producida depende de:

• Costo de fabricación del alambique
• Costo del terreno
• La vida de la quietud
• Costes operativos
• Costo del agua de alimentación
• Tasa de descuento adoptada
• Cantidad de agua producida

El coste de un destilador solar suele ser de entre 50 y 70 libras esterlinas por metro cuadrado. El precio del terreno suele representar una pequeña proporción de este coste en zonas rurales, pero puede resultar prohibitivo en pueblos y ciudades. La vida útil de un destilador de vidrio se estima generalmente entre 20 y 30 años, pero los costes operativos pueden ser elevados, especialmente para la sustitución de cristales rotos. El rendimiento varía entre zonas tropicales, aunque no de forma significativa. Una producción media típica es de 2,5 a 3,0 l/m²/día, es decir, aproximadamente 1 m³/m²/año.

En muchos países en desarrollo existe una necesidad imperiosa de agua potable limpia y pura. A menudo, las fuentes de agua son salobres (es decir, contienen sales disueltas) o bacterias dañinas, por lo que no son aptas para el consumo. Además, en muchas zonas costeras abunda el agua de mar, pero no se dispone de agua potable. El agua pura también es útil para baterías, hospitales y escuelas. La destilación es uno de los muchos procesos que se pueden utilizar para purificar el agua. Este proceso requiere un aporte de energía, ya sea calor o radiación solar. En este proceso, el agua se evapora, separando así el vapor de agua de la materia disuelta, que se condensa en agua pura.

Generalmente, los destiladores solares se utilizan en zonas donde el acceso a agua potable mediante tuberías o pozos es poco práctico. Estas zonas incluyen lugares remotos o aquellos donde los frecuentes cortes de energía hacen que las bombas no sean fiables. En tales áreas, los destiladores solares pueden proporcionar una fuente alternativa de agua limpia. Un uso importante de los pequeños destiladores solares se da en países en desarrollo donde aún no se ha desarrollado la tecnología para destilar grandes cantidades de agua a escala comercial. La desventaja es que cada destilador individual produce una cantidad relativamente pequeña de agua limpia.

Another application for solar stills is for outdoors back-country survival. Simple solar stills can be created by making use of basic camping gear and materials available in the natural environment. Stills for survival purposes would generally be of the relatively unsophisticated pit type, since they are the simplest to produce. One can extract moisture from the ground, but locally available moisture can be supplemented with water added inside or along the edges of the still. Where no water sources are readily available, urine or shredded vegetation can be used inside the pit. Whilst makeshift solar stills often do not provide enough water for long-term survival, they can prevent dehydration for short periods of time.

Many journals, researchers and others like them rely too much on the technical aspects of solar distillation to prove its worth.^[19] In order to be socially sustainable, such technologies must:^[19]

• Be accepted by the community
• Meet their water needs
• Be within their capacity to operate and maintain

The situation that exists today has not changed much from even 50 years ago. Energy and cost intensive technologies still champion over desalination in the modern world.^[20] For this reason, many developing countries and communities, on large and small-scale levels resort to the status quo, when more appropriate solutions exist.^[21]

Human beings need 1 or 2 litres of water a day to live. The minimum requirement for normal life in developing countries (which includes cooking, cleaning and washing clothes) is 20 litres per day (in the industrialized world 200 to 400 litres per day is typical). Yet some functions can be performed with salty water and a typical requirement for distilled water is 5 litres per person per day. Therefore 2m² of still are needed for each person served.

Solar stills should normally only be considered for removal of dissolved salts from water. If there is a choice between brackish ground water or polluted surface water, it will usually be cheaper to use a slow sand filter or other treatment device. If there is no fresh water then the main alternatives are desalination, transportation and rainwater collection.

Unlike other techniques of desalination, solar stills are more attractive the smaller the required output. The initial capital cost of stills is roughly proportional to capacity, whereas other methods have significant economies of scale. For the individual household, therefore, the solar still is most economic. For outputs of 1m³/day or more, reverse osmosis or electrodialysis should be considered as an alternative to solar stills. Much will depend on the availability and price of electrical power.

For outputs of 200m³/day or more, vapor compression or flash evaporation will normally be cheaper. The latter technology can have part of its energy requirement met by solar water heaters. In many parts of the world, fresh water is transported from another region or location by boat, train, truck or pipeline. The cost of water transported by vehicles is typically of the same order of magnitude as that produced by solar stills. A pipeline may be less expensive for very large quantities. Rainwater harvesting is an even simpler technique than solar distillation in areas where rain is not scarce, but requires a greater area and usually a larger storage tank. If ready-made collection surfaces exist (such as house roofs) these may provide a less expensive source for obtaining clean water.

A very common and, by far, the largest example of solar distillation is the natural water cycle that the Earth experiences. In "Understanding Solar Stills" it is said:^[22]

It takes a lot of energy for water to vaporize. While a certain amount of energy is needed to raise the temperature of a kilogram of water from 0 to 100 Celcius (C), it takes five and one-half times that much to change it from water at 100°C to water vapor at 100°C. Practically all this energy, however, is given back when the water vapor condenses. This is the way we get fresh water in the clouds from the oceans, by solar distillation. All the fresh water on earth has been solar distilled.

The journey for a water molecule from the aqueous to gaseous phase is difficult. A tremendous factor will be the difference in temperature between the surface water and that of the interface, be it glass or plastic. Some relevant equations include:^[23]

• Equation 1 describes the instantaneous thermal efficiency in relation to the evaporative heat transfer rate from the water surface to the glass cover the solar radiation intensity.
• Equation 2 represents the evaporative heat transfer rate from Eqn. (1) and its relationship to product of the convective heat transfer coefficient from the water surface to glass difference between the partial vapor pressure of water and gas.
• Equation 3 is the equation for determining the monthly output of distillate.
• Equation 4 was developed to describe the pay back period, n_p as a function of the Unacost, or the uniform end-of-year annual amount with P being the initial cost and i the interest rate.

La energía necesaria para evaporar el agua es el calor latente de vaporización del agua. Este valor es de 2260 kilojulios por kilogramo (kJ/kg). Esto significa que para producir 1 litro (o 1 kg, dado que la densidad del agua es de 1 kg/litro) de agua pura mediante la destilación de agua salobre se requiere un aporte de calor de 2260 kJ. Este cálculo no tiene en cuenta la eficiencia del método de calentamiento, que será inferior al 100 %, ni la recuperación del calor latente que se pierde al condensarse el vapor de agua.

Cabe señalar que, si bien se requieren 2260 kJ/kg para evaporar agua, para bombear un kilogramo de agua a través de una columna de agua de 20 metros se necesitan solo 0,2 kJ/kg. Por lo tanto, la destilación normalmente solo se considera cuando no existe una fuente local de agua dulce que pueda bombearse o elevarse fácilmente.

Un método aproximado para estimar la producción de un destilador solar viene dado por:

Q = (E x G x A) / 2,3

donde:

• Q = producción diaria de agua destilada (litros/día)
• E = eficiencia general
• G = irradiación solar global diaria (MJ/m²)
• A = área de apertura del alambique, es decir, las áreas de planta para un alambique de cubeta simple (²)

En un país típico, la irradiación solar global diaria promedio es de 18,0 MJ/m² (5 kWh/m²). Un simple depósito sigue funcionando con una eficiencia global de aproximadamente el 30 %. Por lo tanto, la producción por metro cuadrado de superficie es:

Producción diaria = (0,30 x 18,0 x 1) / 2,3 = 2,3 litros (por metro cuadrado)

Por lo tanto, la producción anual de un destilador solar se suele expresar como aproximadamente un metro cúbico por metro cuadrado.

La destilación solar de agua es una tecnología solar con una larga historia, y se construyeron instalaciones hace más de 2000 años, aunque para producir sal en lugar de agua potable. El uso documentado de destiladores solares comenzó en el siglo XVI. Un destilador solar a gran escala se construyó en 1872 para abastecer de agua potable a una comunidad minera en Chile. La producción en masa se produjo por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial, cuando se fabricaron 200 000 destiladores inflables de plástico para ser instalados en los botes salvavidas de la Armada de los Estados Unidos.

Los destiladores solares se han utilizado durante cientos de años. Los primeros ejemplos conocidos datan de 1551, cuando los alquimistas árabes los empleaban. En 1882, Charles Wilson inventó el primer destilador convencional moderno: una enorme planta destiladora solar que se utilizaba para abastecer de agua potable a una comunidad minera en el norte de Chile. Hoy en día, existen cientos de plantas destiladoras solares y miles de destiladores solares individuales construidos en todo el mundo.

El inicio más temprano del uso de energía solar para desalinizar agua se atribuye ampliamente a Aristóteles durante el siglo IV a. C. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 22 ]} Atribuciones anteriores hacen referencia a la Biblia y al uso que hace Moisés de un trozo de madera para quitar la "amargura" del agua (Éxodo 15:25, English Standard Version). El primer relato documentado del uso de la destilación solar para la desalinización fue realizado por Giovani Batista Della Porta en 1958. ^{[ 24 ]} Sin embargo, ninguna publicación de renombre sobre destilación solar omite al Padre de la destilación solar, Carlos Wilson, creador de la primera planta moderna de desalinización alimentada por energía solar, construida en Las Salinas (Las Salinas), Chile, en 1872. ^{[ 24 ] [ 22 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} Esta planta desalinizadora "puede considerarse la primera instalación industrial para la explotación de energía solar". ^{[ 30 ]} La planta de Las Salinas fue concebida para aprovechar el efluente de la cercana mina de salitre para suministrar agua dulce a los mineros y sus familias. ^{[ 24 ]} La instalación era bastante grande para su época y ahora: ^{[ 24 ]}

La planta estaba construida con una estructura de madera y madera cubierta con una lámina de vidrio. Constaba de 64 naves con una superficie total de 4450 m² ^y una superficie total de terreno de 7896 m² ^. Producía 22,70 m³ ^de agua dulce al día. La planta estuvo en funcionamiento durante unos 40 años, hasta que se agotaron las minas.

El interés en la destilación solar fluctuó durante un tiempo, hasta que los acontecimientos históricos impulsaron nuevas investigaciones y desarrollos. La Segunda Guerra Mundial fue un gran catalizador para que el Instituto Tecnológico de Massachusetts desarrollara destiladores solares adecuados para su uso en zonas más remotas del mundo durante emergencias. Estos pequeños destiladores solares se fabricaron para flotar y recolectar agua salada para desalinizarla mientras flotaban junto a botes salvavidas y balsas. ^{[ 24 ]} En 1952, la Oficina de Agua Salina, un sector del gobierno estadounidense, llevó a cabo estudios más significativos sobre la destilación solar. Se realizaron muchos experimentos con diferentes conceptualizaciones del destilador solar, incluyendo cuencas de efecto múltiple y la aplicación de condensadores. ^{[ 24 ]} Esta tendencia terminó a principios de los años 70 con la llegada de técnicas de desalinización más lucrativas como la ósmosis inversa o la evaporación instantánea multietapa, una técnica que implica una serie de etapas donde la evaporación se basa en la reducción de la presión de cada etapa para disminuir el punto de ebullición o "inflamación" del agua. ^{[ 31 ] [ 32 ]} Hoy en día, el renovado entusiasmo por la destilación solar proviene de individuos, comunidades y organizaciones que buscan una tecnología apropiada que sea barata, simple y viable en entornos rurales. ^{[ 17 ]}

• Comprensión de los destiladores solares (publicación de VITA)
• Concentradores parabólicos compuestos
• Destilación solar TB

• Wikipedia:Aire solar
• Wikipedia: Pirámide de agua - Destilador solar comercial
• Destiladores solares fotovoltaicos: un diseño más eficiente : la separación de las 2 cámaras se puede realizar mejor.
• Aquaver WTS-40 : puede utilizar la energía térmica/calor del sol.
• Agua dulce con destilador de agua impreso en 3D

• Malik AS et al. (1982) Destilación solar , Pergamon Press - Proporciona un texto técnico completo
• Desarrollo de tecnologías apropiadas en Perú (1988) Revista Waterlines, Vol. 7, No. 2.