Tras el ensamblaje de todos los elementos descritos en los dos sistemas basados en tecnología CPC, el material fotosensibilizador se puede disponer sobre los soportes plásticos internos de los tubos en los colectores. Los materiales sensibilizadores empleados finalmente están basados en películas de pSil, dadas sus óptimas características, discutidas anteriormente en el apartado 2. La forma más apropiada para la disposición de estas membranas de 1500 x 35 mm sobre los soporte de polipropileno consiste en su enrollamiento, bien sobre los soportes concéntricos, bien sobre las aletas, de manera que el agua circule por el interior de los tubos de vidrio en contacto directo con la superficie porosa e iluminada de estos materiales teñidos con fotosensibilizador. Una vez incorporado el material fotosensibilizador (producido previamente a gran escala) ambos prototipos de reactor solar pueden ser ensayados para la mejora de la calidad microbiológica del agua. Para ello se han de tener en cuenta una serie de variables relacionadas con el proceso de tratamiento de aguas, como son la temperatura del agua dentro de los sistemas y la dosis de radiación incidente, así como una serie de parámetros operacionales análogos a los descritos anteriormente para el microrreactor a escala de laboratorio, y que son susceptibles de ser modificados para optimizar el proceso de inactivación bacteriana y comparar la eficiencia de ambos fotorreactores, tomando como punto de partida los resultados obtenidos con el microrreactor.
i) Temperatura del agua en los fotorreactores solares.
Si bien el aumento de temperatura es, en principio, beneficioso para la inactivación de patógenos, los sistemas CPC, por no ser sistemas concentradores, no dan lugar a un incremento significativo de la temperatura del agua en su circuito interior. Puesto que nuestro objetivo es llevar a cabo el estudio de la inactivación de microorganismos a través de la fotosensibilización, se hace necesario un seguimiento de la temperatura del
agua en el interior de los reactores, con objeto de comparar correctamente los procesos de inactivación bacteriana llevados a cabo con ambos prototipos de reactor solar. Para la medida de la temperatura en el interior de los circuitos cerrados de agua se emplearon termopares de tipo K, fabricados por Yantra (España) de acuerdo a nuestras especificaciones. Se han instalado 2 termopares por cada montaje, uno a la entrada y otro a la salida de cada colector CPC, utilizando roscas tipo NPT para la inserción de la sonda. Los termopares se conectan a un sistema de adquisición de datos portátil (“data
logger”) modelo 177–T4 (Testo AG, Alemania), que permite recoger datos de
temperatura simultánea en sus 4 canales, por lo que es posible el seguimiento de la temperatura de ambos sistemas trabajando simultáneamente. Los datos almacenados pueden ser descargados a un PC a través de una interfaz Testo ComSoft (Figura 27).
12:00 16:00 25 30 35 40 45 °C [°C] Canal 1 [°C] Canal 2 [°C] Canal 3 A B C 12:00 16:00 25 30 35 40 45 °C [°C] Canal 1 [°C] Canal 2 [°C] Canal 3 12:00 16:00 25 30 35 40 45 °C [°C] Canal 1 [°C] Canal 2 [°C] Canal 3 A B C
Figura 27. Elementos para el seguimiento de temperatura del agua en los prototipos solares: (A) termopar
tipo K; (B) equipo de adquisición de datos; (C) gráfico de la evolución de temperatura en un sistema basado en colectores CPC durante las horas centrales de un típico día soleado en Madrid (el canal 1 corresponde a la salida y el canal 2 a la entrada de agua en el colector solar; el canal 3 representa las fluctuaciones de la temperatura ambiente).
ii) Irradiación.
Otro parámetro necesario para caracterizar los procesos de fotodesinfección del agua es la cantidad de radiación solar que reciben los materiales fotosensibilizadores. En particular, interesa determinar la radiación acumulada en el intervalo espectral de 360– 700 nm, que corresponde a la región operacional del espectro solar en la que suceden los procesos de excitación del colorante en los materiales fotosensibilizadores. Como radiómetro se ha empleado un espectrofotómetro de fibra óptica Guided Wave 260 (EE.UU.), que se integra en el sistema de los fotorreactores. El terminal de la fibra óptica multimodo empleada (400 μm, InnovaQuartz, EE.UU.) está dispuesto con la misma orientación que los colectores solares y en su extremo se dispone un corrector de coseno (Ocean Optics, EE.UU.) que permite recoger la radiación incidente en un ángulo sólido de 180º, lo cual se aproxima a la cantidad de radiación que recogen los espejos de los colectores debido a su geometría optimizada.
Para la cuantificación de la cantidad de radiación incidente, se han de calibrar los datos espectrales puntuales obtenidos a través del radiómetro. Para ello se pueden emplear los datos radiométricos proporcionados por el fabricante de una fuente patrón (Ocean Optics LS–1–CAL, EE.UU.) o empleando un espectro de referencia como es el ASTM G173–03 que corresponde a unas condiciones muy similares a las de trabajo, puesto que se refiere a una superficie inclinada 37º, latitud similar a la de Madrid, en el cenit solar e incidente en un ángulo sólido de 180º sobre la superficie terrestre (Figura 28).131
Figura 28. Espectro de irradiancia solar de referencia (ASTM G173–03) correspondiente a nivel
extraterrestre (negro); correspondiente a la radiación directa incidente a nivel superficial (rojo) y contabilizando la radiación global –directa más difusa– sobre un plano inclinado 37º (azul).
De esta manera se estima la irradiancia puntual, E, que, en el intervalo de radiación de 360–700 nm y durante las horas centrales de días soleados en Madrid, toma un valor promedio aproximado de unos 400 W m–2 (ver Figura 29).
131 “Standard Tables for Reference Solar Spectral Irradiances: Direct Normal and Hemispherical on 37º
Tiempo 11:00:00 12:00:00 13:00:00 14:00:00 15:00:00 16:00:00 E / W m - 2 0 100 200 300 400 500 Tiempo 11:00:00 12:00:00 13:00:00 14:00:00 15:00:00 16:00:00 E / W m - 2 0 100 200 300 400 500
Figura 29. Evolución típica de la irradiancia (360–700 nm) sobre los colectores solares de tipo CPC,
inclinados 40º en días soleados en la latitud geográfica correspondiente a Madrid.
A partir de la irradiancia puntual y por integración durante los periodos de tratamiento de agua, se puede determinar la cantidad de radiación acumulada que incide sobre el material fotosensibilizador,132 expresada como fluencia (H
0, J m–2) o como dosis de radiación acumulada (Q, J m–2 L–1) en el intervalo operacional de radiación.133 Los
datos así obtenidos han podido ser contrastados a través de la instalación temporal de un piranómetro Kipp & Zonen modelo CM11 (Países Bajos), cedido amablemente por la Agencia Estatal de Meteorología (España).
En las Figuras 30 y 31 se puede observar el fotorreactor basado en el colector CPC con configuración concéntrica, incluyendo todos los elementos, componentes y equipos de medida descritos más arriba.
132 Ruiz, E., Soler, A., Robledo, L. “Assessment of Muneer´s Luminous Efficacy Models in Madrid and a
Proposal for New Models Based on His Approach”, J. Solar Energy Eng., 2001, 123, 220–224.
133 Braslavsky, S. E. “Glossary of Terms Used in Photochemistry, 3rd Edition (IUPAC Recommendations
Figura 30. Vista anterior del fotorreactor de tipo concéntrico. En el detalle superior izquierdo se observa el
corrector de coseno situado en el extremo de la fibra óptica conectada al radiómetro. El detalle inferior izquierdo muestra la disposición del material fotosensibilizador en el interior de los tubos receptores de radiación del colector CPC. En el detalle a la derecha se puede apreciar el punto de introducción y toma de muestras a la salida del colector, así como el venteo del sistema dispuesto en el tanque de almacenamiento de agua.
Figura 31. Vista posterior del fotorreactor de tipo concéntrico. En el detalle se muestra la situación de un
iii) Parámetros de optimización del proceso de desinfección de agua.
La temperatura así como la irradiación solar y su aprovechamiento por parte de los sistemas solares son parámetros que influyen de manera directa sobre el proceso de mejora de la calidad microbiológica del agua, pero que no son optimizables, al tratarse de variables ambientales sobre las que no es posible influir. Sin embargo, la efectividad de desinfección de los prototipos de reactor solar sí puede ser optimizada por una serie de parámetros operacionales modificables, que básicamente son los mismos que los descritos en el subapartado 3. 1 para el caso del microrreactor a escala de laboratorio: volumen de agua a tratar (V), área iluminada de fotosensibilizador (Ailum), relación entre dicha área y dicho volumen (Ailum/V), volumen de agua iluminada bajo la influencia directa del material fotosensibilizador respecto al volumen total (Vilum/V) y el caudal de agua (qV), directamente relacionado con el régimen de circulación del agua a tratar así como con su tiempo de residencia dentro el circuito.134 A fin de poder comparar y
optimizar ambos prototipos, hay que tener en cuenta una serie de consideraciones. En primer lugar, los volúmenes seleccionados se encuentran en el intervalo entre 10–20 L, asumiendo un consumo de 2–3 L diarios de agua potable por persona, para una familia de 5 miembros, puesto que nos permiten llevar a cabo ensayos en condiciones piloto con costes razonables de operación y sin necesidad de almacenamiento de cantidades exageradas de agua. El área total (A) de cada colector es de 1 m2, pero mientras que el área del soporte plástico en el interior de cada tubo es similar para ambos prototipos, el número total de tubos no lo es, con la consiguiente diferencia en el área de colector solar por tubo. Por otro lado, el volumen de agua contenida en el interior de cada tubo difiere según la configuración del sistema (∼ 1 L y ∼ 2 L para la configuración coaxial y de aletas, respectivamente). Todo esto conduce a que el volumen de agua que permite llenar todos los tubos del sistema de aletas sea superior al necesario en el sistema concéntrico y a la imposibilidad de que las relaciones (Ailum/V) y (Vilum/V) sean similares en ambos sistemas de desinfección de manera simultánea. Por otra parte, en función del caudal del agua (qV) se puede modificar su régimen de circulación teniendo en cuenta que, dada la diferente configuración que presentan ambos sistemas de tratamiento, un mismo caudal supone diferencias reológicas entre ellos en función del número adimensional de Reynolds, Re,135,136 que viene dado por:
Re
Hμ
ρ
D
v
=
(l)134Malato, S., Blanco, J., Vidal, A., Richter, C. “Photocatalysis with Solar Energy at a Pilot-Plant Scale:
an Overview”, Appl. Catal. B: Environ., 2002, 37, 1–15.
135 Costa, E. “Ingeniería Química: Flujo de Fluidos”. Vol. 3, 1985, Ed. Alhambra, Madrid. 136 Holman, J. P. “Heat Transfer”, 8th ed., 1997, McGraw-Hill, New York.
donde v es la velocidad lineal media del agua (m s–1), D
H es el diámetro hidráulico, definido como 4 veces la sección libre divido entre el perímetro de mojado (m), ρ es la
densidad del fluido (kg m–3), y μ es la viscosidad dinámica del fluido (kg m–1 s–1). Una vez considerados y estudiados los aspectos anteriores, los parámetros de trabajo seleccionados para llevar a cabo los procesos de tratamiento de agua, de modo eficiente en ambos fotorreactores solares, son los mostrados en la Tabla 8.
Tabla 8. Variables y parámetros operacionales (volumen de agua a tratar por experimento, área de
fotosensibilizador iluminado, relación entre área iluminada y volumen, relación entre el volumen de agua iluminada respecto al volumen total, caudal y número de Reynolds, temperatura del agua e irradiancia) empleando fotosensibilizadores inmovilizados en película de pSil en los fotorreactores solares con configuración concéntrica y de aletas, respectivamente.
Prototipo V
/ L A/ milum2 / mA ilum2 L/V –1 Vilum/V / L minqV –1 Re / ºC T / W mE –2
Concéntrico 10,0 0,57 0,06 0,52 ∼2 ∼4000 < 50 400