UTC Solar Distiller/Distillatore solare UTC

Un progetto in corso progettato e implementato presso l'Universidad Tecnológica de Coahuila a Parras de la Fuente, Coahuila Messico per fornire acqua potabile sicura purificata mediante il processo di distillazione solare .

Esistono numerosi metodi diversi per purificare l'acqua, tutti con lo stesso obiettivo: ottenere acqua potabile sicura per il consumo umano. Alcuni dei metodi più comuni di purificazione dell'acqua sono l'ebollizione, l'aggiunta di sostanze chimiche (iodio o cloro), l'osmosi inversa e la filtrazione. Tutti questi metodi sono efficaci, ma possono richiedere risorse non disponibili in alcune zone. Ad esempio, mentre può essere molto difficile reperire sostanze chimiche o mantenere acceso un fuoco in aree remote, la luce solare è spesso una risorsa facilmente disponibile e utilizzabile per la distillazione dell'acqua.

Questo documento è una proposta per l'implementazione di un prototipo di sistema di distillazione solare passiva come esempio pratico di utilizzo dell'energia solare per fornire acqua potabile sicura per il consumo umano.

Passive solar water distillation is considered an appropriate technology because it operates on the same principles that produce rainfall, purifying water through a process of evaporation, condensation, and collection. Solar distillation could be considered a form of bio-mimicry because of its relation to the rain cycle and the greenhouse effect. The solar distillation process can be performed on brackish, salty water or from sources such as rain, municipal, well, or spring. By utilizing the plentiful energy of the sun to evaporate water, dissolved metals and minerals, such as arsenic, barium, cadmium, chromium, and lead are separated from contaminated water [1]. Distillation also removes salts and biological contaminants such as E.Coli[2].

A conventional solar distiller is a box with a glass roof, referred to as a glaze, set at and angle from the horizontal to ensure optimal sun exposure. This angle is roughly equal to the latitude of the location. The distiller faces south if in the northern hemisphere, north in the southern hemisphere[3]. Untreated water is routed into a holding basin inside the distiller. Radiation from sunlight penetrates the glass and heats the inside of the distiller, causing the water in the basin to evaporate. The absorption of higher frequency radiation heats the water and solar still internals. The glaze traps infrared re-radiation causing a greenhouse effect resulting in higher temperatures [4]. The evaporation process separates contaminants from the water and results in a thin condensate on the underside of the glass cover. The condensed, distilled water then runs off the glass into a trough, and is transferred to a water storage container for domestic use. Contaminants and particulates remain in the basin and must be washed away periodically.

Scott Harris e Jeffrey M. Hinton, partecipanti al programma Parras 2005, hanno costruito un distillatore solare per l'acqua e hanno presentato un'analisi finale del loro progetto il 5 agosto 2005. L'unità costruita si trova nel laboratorio dell'Universidad Tecnológica de Coahuila, campus di Parras. Questo progetto fornisce una solida base per ulteriori ricerche e sviluppi sulla distillazione dell'acqua su piccola scala a Parras. Tuttavia, dopo aver esaminato l'analisi finale, l'infrastruttura di costruzione e i materiali utilizzati, proponiamo alcune modifiche al progetto e prevediamo di studiare diversi materiali da costruzione. Le modifiche includono la sostituzione del materiale isolante, del rivestimento del pavimento, della struttura della vasca e del design della vaschetta di raccolta. L'intento è quello di migliorare il progetto esistente, utilizzare materiali più economici e durevoli e ricercare ulteriori metodi per aumentarne l'efficienza. La trasportabilità non è una priorità per questo prototipo. I materiali e il design scelti non si prestano a un facile trasporto. La smaltatura è fragile, la struttura interna in impiallacciatura di legno è fragile e la vasca metallica non è fissata. Questa unità funzionerà esclusivamente nel campus dell'UTC; le versioni successive di questo progetto dovranno tenere conto delle problematiche relative alla portabilità.

Questo esperimento di distillazione passiva dell'acqua tramite energia solare è destinato al campus dell'Universidad Tecnològica de Coahuila, situato in Madero Street, Parras, Coahuila. L'UTC ospita una popolazione di 205 persone tra studenti, docenti e personale, con una conseguente domanda continua di acqua potabile. Tale domanda è importante perché influenza direttamente la progettazione del distillatore in relazione alla quantità di acqua prodotta desiderata.

La fonte d'acqua più probabile è quella pubblica. Sebbene l'acqua comunale venga sottoposta a un certo trattamento, non è sempre potabile. Attualmente, l'acqua comunale rappresenta il metodo più semplice per l'approvvigionamento idrico. In futuro, potrebbe essere implementato un sistema di raccolta dell'acqua piovana. Al momento, la posizione del distillatore nel campus dell'UTC non è ancora stata determinata, in attesa di individuare la collocazione ottimale. È necessaria un'area piana e livellata con accesso diretto all'acqua e alla luce solare. Occorre inoltre assicurarsi che il distillatore non si trovi in ​​un luogo in cui la smaltatura possa essere facilmente danneggiata da atti vandalici o rotture accidentali. Il sistema deve essere posizionato in un'area che faciliti l'accesso e la manutenzione.

Attualmente, l'UTC acquista l'acqua potabile da SierrAzul in taniche da 5 galloni (19 litri) al costo di circa 1,40 dollari USA (14,50 pesos) ciascuna. I potenziali vantaggi derivanti dall'implementazione di questo sistema sono la riduzione del costo dell'acqua e l'autosufficienza . Ipotizzando un costo del sistema di 106,92 dollari USA + 79,32 dollari USA = 186,24 dollari USA, si considera la somma del costo dei materiali dell'anno precedente e del costo totale della seconda fase. Se l'UTC consuma una tanica d'acqua da 5 galloni al giorno, il sistema si ripagherebbe in circa 133 giorni, grazie al risparmio derivante dal mancato acquisto dell'acqua. La presenza di questo progetto presso l'UTC potrebbe incoraggiare gli studenti a proseguire gli studi nel campo della tecnologia solare, applicando potenzialmente queste conoscenze nella vita quotidiana e nel futuro.

Se riusciremo a implementare con successo il distillatore d'acqua solare presso l'UTC, si apriranno nuove possibilità di espansione e installazione in altre località di Parras. La distillazione solare dell'acqua potrebbe essere applicata sia a piccoli impianti per uso domestico, sia a installazioni più grandi in aziende o aziende agricole.

Settimana 4: Inizio dello smontaggio. Componenti fusi parzialmente rimossi e ispezionati. Questi componenti includono polistirolo, tubo in PVC e rivestimento in plastica.

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  Figura 1: Distillatore con smalto rimosso, nessuna modifica.
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  Figura 2: Gran parte del polistirolo si è ristretto e indurito a causa del calore eccessivo.
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  Figura 3: La segatura può essere un buon isolante, ma è molto disordinata se non controllata. Sono stati trovati anche pezzi di polistirolo espanso e varie piastrelle di ceramica sfuse. *Materiali
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  Figura 4: La colla siliconica è stata ampiamente utilizzata. *Materiali
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  Figura 5: Il PVC non ha resistito al calore. *Materiali
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  Figura 6: Vaschetta di raccolta fusa, con colla.
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  Figura 7: Primo piano dell'isolamento che circonda la vasca dell'acqua non trattata.
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  Figura 8: Anche l'isolamento sotto il bacino si è fuso.
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  Figura 9: Telaio interno in legno che sostiene la vasca dell'acqua. Realizzato in impiallacciatura sottile.
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  Figura 10: Dopo aver frantumato e scartato i pezzi più grandi di polistirolo, è necessario smaltire i pezzi più piccoli.

L'isolamento è di gran lunga il materiale più difficile da scegliere. Sono disponibili molte opzioni e non abbiamo ancora deciso quale materiale sia il più appropriato , considerando costi, disponibilità ed efficacia. Alcune possibili soluzioni:

Note:

• Qualsiasi materiale isolante infiammabile potrebbe richiedere misure aggiuntive per prevenire gli incendi.
• La protezione antincendio implica un qualche tipo di sigillatura e/o trattamento chimico dell'isolante sfuso.
• Il materiale isolante deve avere un contatto minimo o nullo sia con l'acqua liquida che con il vapore acqueo.
• Un ritardante di fiamma e repellente per insetti abbastanza economico è
• 2,5 once di borace mescolate con 2 tazze di acqua bollente [6]

Potrebbe essere utile combinare un isolante solido con un qualche tipo di riempimento sfuso [12] o spruzzato in loco [13]

La vaschetta dell'acqua è piuttosto piccola, verniciata di nero con vernice spray e sigillata con colla siliconica. Alcuni suggerimenti per migliorarla:

• Realizzare o acquistare un bacino più grande
  • Ricerca di possibili alternative al bacino metallico
    • Riutilizzare un lavabo di colore scuro
    • Realizzare un lavabo in ceramica
    • Rivestire il lavabo attuale con vetro colorato o piastrelle di ceramica scura
  • Il peso aggiuntivo è accettabile per questo prototipo di distillatore grazie al suo design fisso. Inoltre, la vasca dell'acqua può essere rimossa in caso di necessità di trasporto .
• Acquista un secondo lavabo identico e posiziona i due uno accanto all'altro
• Rimuovere la vernice spray
  • Cerca una vernice nera alternativa, atossica e resistente alle alte temperature.
  • Se una mangiatoia in metallo è l'unica opzione, informatevi su altre soluzioni per scurirla, come la patinatura o la colorazione.
• Valuta la possibilità di utilizzare un sistema a stoppino per aspirare acqua non trattata nell'alambicco.

Questo componente potrebbe essere sostituito con metallo lavorato, ceramica o altro materiale resistente alle alte temperature. Occorre valutare la conduttività del materiale scelto.

Gran parte della colla esistente deve essere rimossa e sostituita con elementi di fissaggio più robusti come staffe e viti. Il materiale più adatto disponibile in questa regione è il sigillante siliconico RTV per guarnizioni ad alta temperatura.

• È stato realizzato l'impianto idraulico per il sistema di prelievo dell'acqua, comprensivo di serbatoio di accumulo esterno e valvola a galleggiante per il lavabo.
• Ho deciso di utilizzare la perlite come isolante. Ho visitato diversi vivai locali e ne ho trovato uno che può ordinare perlite all'ingrosso.
• Ho visitato alcuni negozi di materiali edili locali alla ricerca di silicone nero ad alta temperatura. Non era disponibile in zona.
  • Ho invece acquistato due piccoli tubetti di sigillante rosso resistente alle alte temperature da Home Depot a Torreón.

• Elenco definitivo dei materiali
• Sono andato da Home Depot a Torreón per acquistare i materiali
• Il budget proposto fino ad oggi per la distilleria è di 100,00 dollari (USA)
• La somma spesa fino ad oggi è di 35,00 dollari (USD).
• Ho ordinato della perlite dal vivaio. Sono in arrivo due grandi secchi che dovrebbero arrivare giovedì 13/10. A causa di un viaggio programmato, dovranno essere ritirati sabato 15/10.

Entrata in vigore domenica 9 luglio 2006

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  Figura 1: Valvola a galleggiante all'interno del contenitore esterno
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  Figura 2: Uscita del secchio di contenimento
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  Figura 3: Foratura del foro di aspirazione per la vasca dell'acqua
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  Figura 4: Installazione della valvola a galleggiante della vasca dell'acqua
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  Figura 5: Test di funzionamento della valvola a galleggiante
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  Figura 6: Aspirazione dell'acqua dalla vasca per aprire la valvola a galleggiante
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  Figura 7: Bacino idrico in funzione

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  Tagliare la legna con l'aiuto di Mari Angél
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  Misurazione delle dimensioni interne del telaio
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  Fissaggio del telaio interno
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  Costruzione del telaio interno più complessa
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  Aggiunta di plastica nera utilizzata per la ritenzione del calore
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  Rifilare le viti con una smerigliatrice
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  Misurazione delle dimensioni del rivestimento isolante
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  Taglio della plastica per la copertura isolante
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  Angela sta per tagliare la legna
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  Fissaggio della plastica originale (rimossa in seguito)
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  Pronto per la presentazione ma non ancora pronto per l'uso.
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  Sostituzione della plastica
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  Completo, senza la glassa
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  Quasi pronto per il test!

• Mattinata nuvolosa. Temporale in serata.
  • L'intera distilleria si è bagnata e la parte inferiore è satura.
  • Non si è verificata alcuna evaporazione dell'acqua.

• Installazione completata stamattina.
  • Ho spostato il distillatore in modo che fosse rivolto a sud per massimizzare l'esposizione al sole. Per questo motivo, l'impianto non è più raggiungibile dal rubinetto più vicino e il secchio di stoccaggio deve essere riempito manualmente.
• La smaltatura non è stata sigillata correttamente fino alle 17:00.
  • L'acqua fuoriusciva costantemente e non si verificava alcuna evaporazione.
• Dopo aver sigillato lo smalto, l'evaporazione è iniziata immediatamente.
  • Circa 10 ml di acqua sono stati distillati e recuperati con successo.
  • Una quantità significativa di acqua è andata persa perché il tubo di plastica utilizzato per raccogliere le gocce d'acqua e depositarle nel collettore non era completamente sigillato al vetro. Inoltre, la forma circolare del tubo potrebbe consentire alle gocce d'acqua di infiltrarsi e cadere sulla cornice di legno alla base dello smalto.
  • A causa di altri impegni come le lezioni e la pausa pranzo, le rilevazioni di temperatura sono state sporadiche. Tutti i dati relativi alla temperatura sono stati scartati perché il sistema non era sigillato e non manteneva il calore.

• Ho sigillato il fondo della vaschetta dell'acqua per evitare perdite.
  • Il lavabo non è sigillato correttamente negli angoli inferiori e continua a perdere acqua.
• Collegamento del tubo flessibile al lavabo sigillato con nastro di teflon.
• Ho aggiunto un ulteriore strato di guarnizione al tubo di gomma utilizzato per far gocciolare l'acqua nella mangiatoia.
  • Tagliare il tubo a metà per ridurre la possibilità che le goccioline cadano oltre la vaschetta di raccolta.
  • È stata aumentata con successo la probabilità che l'acqua distillata cada nella mangiatoia.
• Ho sigillato completamente la smaltatura utilizzando una guarnizione in silicone resistente alle alte temperature e del nastro adesivo.
  • Il nastro metallico sarebbe stata una scelta migliore, ma dopo 3 ore di ricerche infruttuose a Parras, il nastro adesivo telato era l'unica opzione possibile.
• Nelle ore di luce rimanenti, ho distillato una piccolissima quantità d'acqua.

• Giornata piena di sole con qualche nuvola.
• Alla fine della giornata, erano stati distillati circa 500 ml di acqua.
  • Aspetto dell'acqua distillata: l'acqua è limpida e ha un odore di plastica.
  • Prova d'assaggio: Jeff Kinzer ed Eddie Durán sono stati i soggetti del test. Il consenso generale è che l'acqua ha un sapore terribile, come plastica con un retrogusto di cotone.
• Problemi riscontrati:
  • La vasca dell'acqua non trattata continuava a perdere, causando la separazione e la deformazione del legno nella parte anteriore inferiore del distillatore.
  • Durante la rimozione dello smalto per riporre l'unità in magazzino, un angolo del vetro si è rotto.

1. Collegare il tubo dalla fonte d'acqua al secchio. In alternativa, collegare il tubo direttamente all'impianto. Il secchio serve esclusivamente come contenitore temporaneo nel caso in cui la fonte d'acqua debba essere scollegata e utilizzata per altri scopi.
2. Apri il rubinetto e controlla che la bacinella e il secchio si riempiano.
3. Attendi pazientemente
4. Sostituire il contenitore dell'acqua pulita quando è pieno.

• Lavare periodicamente il bacino dell'acqua non trattata
• smalto pulito
• Verificare la presenza di perdite nei tubi flessibili.
• Coprire con un telo se piove
• Sostituire le valvole a galleggiante se necessario.
• Verificare le guarnizioni dello smalto
• Controllare che i raccordi dei tubi flessibili non presentino perdite e, se necessario, ripararli.

• L'acqua si accumula sul fondo del sistema.
• Degrado dello strato di sigillatura dello smalto, con conseguente perdita di efficienza e aumento della possibilità di contaminazione da fonti esterne.
• Perdita dal raccordo del tubo flessibile
• Degrado della struttura in legno dovuto a infiltrazioni d'acqua ed esposizione agli agenti atmosferici.

• Correggere l'incompatibilità delle filettature : le valvole a galleggiante utilizzano una filettatura fine, mentre i connettori per tubi flessibili hanno una filettatura grossa. Questa incompatibilità causa connessioni inaffidabili e perdite costanti. Attualmente sono stati applicati diversi strati di nastro di teflon per arrestare le perdite. La soluzione migliore è un adattatore per filettature o l'acquisto di connettori per tubi flessibili con filettatura fine.
• Realizzate il sistema con un materiale diverso dal legno, soprattutto non con il truciolato : il metallo o il cemento potrebbero resistere meglio del legno all'esposizione a pioggia, vento e forte sole.
• Utilizzate un metodo diverso per depositare le goccioline di condensa nella vaschetta di raccolta. Il tubo non è del tutto efficace : una possibile soluzione è un pezzo di plastica curvo che parta dal bordo inferiore dello smalto e si estenda diagonalmente nella vaschetta di raccolta.
• Installare un sistema di facile connessione/disconnessione dei tubi flessibili nella parte posteriore del distillatore : il sistema deve essere semplice da collegare e scollegare per chiunque.
• Sigillare completamente l'isolamento in perlite dalla camera dell'acqua : attualmente la polvere di silice proveniente dalla perlite frantumata sta contaminando l'intera camera di evaporazione dell'acqua.

• Sostituzione del telaio interno
• l'aggiunta di plastica nera riciclata da serbatoi di stoccaggio dell'acqua difettosi, in sostituzione della vernice spray
• Sistema di aspirazione dell'acqua con valvola a galleggiante
• Isolante in perlite in sostituzione del polistirolo
• Grazie alla famiglia Madero, che ospita Angela, è stato possibile mettere a disposizione strumenti, aiuto e mezzi di trasporto. Senza di loro, questo progetto non sarebbe stato realizzabile.

• sistemi di immissione dell'acqua
• Il secchio con valvola a galleggiante non è necessario
  • Tuttavia, il secchio aggiuntivo si è rivelato essenziale per i test perché non disponiamo di un tubo flessibile sufficientemente lungo per raggiungere il punto di prova dal rubinetto più vicino.
  • Il materiale aggiuntivo comprende anche una valvola a galleggiante di ricambio e parti di tubo flessibile extra per la manutenzione futura.
• Filettatura non corrispondente ai raccordi del tubo flessibile: filettatura fine sulla valvola a galleggiante, filettatura grossa sul connettore del tubo flessibile.
• Perdite dai raccordi dei tubi flessibili (attualmente si utilizza nastro in teflon e un raccogligocce)
• La vasca perde acqua e i tentativi di ripararla non hanno avuto successo.
• L'isolamento non è completamente sigillato. La perlite penetra nella camera di distillazione e le particelle di silice si depositano nella vasca dell'acqua non trattata.
• La smaltatura è molto difficile da sigillare perché la struttura della scatola è deformata e continua a deformarsi.
  • I tentativi di sigillare la smaltatura con una guarnizione in silicone resistente alle alte temperature hanno avuto un successo parziale.
  • Per sigillare l'unità era necessaria una quantità di silicone superiore a quella che siamo riusciti ad acquistare.
  • Per sigillare la smaltatura basterebbe del nastro metallico. Trovare questo tipo di nastro a Parras è difficile e non siamo riusciti a reperirlo. Sarebbe opportuno condurre ulteriori ricerche sulla sicurezza dell'utilizzo del nastro di alluminio in caso di possibile contatto con l'acqua distillata.

Nel suo complesso, questo progetto ha avuto solo un successo parziale. Molti problemi relativi all'efficienza, alla facilità d'uso e alla manutenibilità del sistema di distillazione devono ancora essere risolti. L'acqua recuperata dal distillatore non è stata adeguatamente analizzata, ma è improbabile che sia molto più sicura per il consumo rispetto all'acqua non trattata originale.

Proseguendo con il lavoro iniziato l'anno precedente, il progetto ha fatto progressi. Diversi componenti, come il sistema di aspirazione dell'acqua, la struttura interna, l'isolamento e la vaschetta di raccolta, sono stati notevolmente migliorati. L'aggiunta di una valvola a galleggiante per consentire l'immissione automatica dell'acqua ha risolto uno dei principali problemi riscontrati inizialmente. Il distillatore non deve più essere riempito manualmente e il rischio che il sistema si asciughi e i componenti interni si fondano è notevolmente ridotto. La struttura interna è ora più robusta e utilizza plastica nera anziché vernice spray per mantenere la temperatura interna. L'isolamento in perlite è molto più resistente al calore rispetto al polistirolo. La vaschetta di raccolta è realizzata in metallo e non si fonderà come la precedente vaschetta in PVC.

Questo progetto ha ottime prospettive di miglioramento significativo negli anni a venire. Il prossimo gruppo che lavorerà con il distillatore solare potrà contare su due anni di esperienza nella progettazione e implementazione del sistema, che un giorno potrebbe fornire acqua potabile sicura all'Universidad Technológia Coahuila di Parras de la Fuente.

Distillazione solare

• Wikipedia:distillazione solare
• http://www.solaqua.com/solstilbas.html#cap
• https://web.archive.org/web/20061010224651/http://www.wot.utwente.nl/documents/publications/1990_ssadc/ssadc/chapter3.htm
• Distillazione solare a Parras 2005 (non disponibile online)

Informazioni di base sulla distillazione

• https://web.archive.org/web/20120915003611/http://www.nsf.org:80/consumer/drinking_water/selecting_dwtu.asp?program=WaterTre
• https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_Effect http://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_Effect
• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/grnhse.html#c1

Perlite

• http://www.perlite.info
• https://web.archive.org/web/20121127174713/http://www.perlite.org:80/perlite_info.htm
• Wikipedia:Perlite

Vermiculite

• Wikipedia:Vermiculite

Amianto

• Wikipedia:Amianto
• http://www.epa.gov/amianto

Isolamento

• Wikipedia: Isolamento termico

• Distillazione solare
• Concentratori parabolici composti
• Comprendere i concentratori solari