UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

ESCUELA DE POSGRADO

UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

TESIS

PRESENTADA POR:

Judith Salas Beraún

PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:

MAESTRA EN INGENIERÍA AMBIENTAL

Huancayo - Perú 2018

Tratamiento de aguas contaminadas con aceite de motores

por fotocatálisis heterogénea

i

ii

iv

ASESOR

Dr. Wilder Efraín Eufracio Arias

v

DEDICATORIA

A mi familia por su confianza y apoyo incondicional.

vi

AGRADECIMIENTO

 A Dios, por darnos salud, fuerza y guiarnos en esta vida.

 A mi familia, por su apoyo incondicional, amor, paciencia y comprensión;

además por la confianza que siempre han depositado en mí, porque me han apoyado y animado en mis decisiones y con su ejemplo me han enseñado que merece la pena esforzarse para conseguir lo que se desea.

 En el plano académico, quiero agradecer a los docentes de la Escuela de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Química por los conocimientos impartidos y por incentivarnos a la investigación científica.

 A mi Asesor de tesis el Catedrático Dr. Wilder Efraín Eufracio Arias por ser un pilar fundamental en el desarrollo de este trabajo, por sus horas empleadas, por su eficacia y por compartir su amplia experiencia.

Asimismo por su ayuda, sus consejos, sus comentarios y por el aporte de un punto de vista diferente sobre el trabajo, que siempre es tan necesario y sobre todo por su excepcional calidad humana.

vii

ÍNDICE GENERAL

CARÁTULA i

ASESOR iv

DEDICATORIA v

AGRADECIMIENTO vi

ÍNDIC GENERAL vii

ÍNDICE DE TABLAS x

ÍNDICE DE FIGURAS xi

RESUMEN xii

ABSTRACT xiii

INTRODUCCIÓN 1

CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO

1.1 Antecedentes o marco referencial 2

1.2 Bases teóricas y conceptuales 6

1.2.1 Energías renovables 6

1.2.1.1 Fuentes de energía renovable 6

1.2.1.2 Impactos ambientales de las energías renovables 8

1.2.2 Energía solar 13

1.2.2.1 El recurso solar 15

1.2.2.2 Beneficios de la utilización de la energía solar en los

pases en desarrollo 19

1.2.3 Contaminación del agua 27

1.2.3.1 Aguas residuales oleosas 30

1.2.4 Tratamiento de aguas contaminadas 32

viii 1.2.4.1 Técnicas de tratamiento químico 33 1.2.4.2 Técnicas de tratamiento biológico 41 1.2.4.3 Técnicas de tratamiento físico 45 1.2.5 Procesos avanzados de oxidación para la eliminación de

contaminantes en el agua 45

1.2.5.1 Proceso de oxidación de ozono 47 1.2.5.2 Proceso de oxidación del peróxido de hidrógeno 48 1.2.5.3 Proceso de oxidación de Fenton 49 1.2.5.4 Proceso de oxidación por aire húmedo 50 1.2.5.5 Proceso de electro - oxidación 51 1.2.5.6 Proceso de oxidación fotocatalítica 52 1.2.5.7 Proceso de oxidación por ultrasonido (cavitación) 55 1.2.5.8 Proceso de oxidación ultravioleta (UV) 56

1.2.6 Fotocatálisis heterogenea 57

1.2.6.1 Fundamentos de la fotocatálisis heterogenea 58 1.2.6.2 Catalizadores para reacciones fotocatalíticas 60 1.2.6.3 Factores que influyen en el proceso fotocatalítico 62

1.2.7 Aceite de motor 64

1.3 Definición de términos básicos 66

1.4 Hipótesis de la investigación 67

1.4.1 Hipótesis general 67

1.4.2 Hipótesis específicas 67

1.5 Operacionalización de las variables 68

ix CAPÍTULO II

DISEÑO METODOLÓGICO

2.1 Tipo y nivel de investigación 69

2.2 Método de investigación 69

2.2.1 Metodología experimental 70

2.3 Diseño de la investigación 73

2.4 Población y muestra 74

2.4.1 Población 74

2.4.2 Muestra 74

2.4.3 Técnica de muestreo 74

2.5 Técnicas e instrumentos de recopilación de datos 74

2.6 Técnica de procesamiento de datos 75

CAPÍTULO III

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

3.1 Presentación, análisis e interpretación de los datos 76 3.1.1 Aspectos descriptivos de las variables 76 3.1.2 Resultados de la degradación de las aguas contaminadas con

aceite usado de motores por fotocatálisis heterogénea 81

3.2 Proceso de la prueba de hipótesis 82

3.2.1 DQO 82

3.3 Discusión de resultados 87

CONCLUSIONES 91

RECOMENDACIONES 92

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 93

ANEXOS 98

x ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Electricidad renovable como porcentaje de la capacidad eléctrica

mundial instalada total durante 2010-2015 7

Tabla 2. Operacionalización de las variables de la investigación 68

Tabla 3. Niveles de las variables 71

Tabla 4. Matriz de diseño 72

Tabla 5. Fechas de las experimentaciones 72

Tabla 6. Radiación solar promedio de las experimentaciones 76 Tabla 7. Resultados de los análisis de DQO de las experimentaciones en

días soleados 77

Tabla 8. Resultados de los análisis de DQO de las experimentaciones en

días nublados 77

Tabla 9. Estadísticos descriptivos respecto al DQO y la concentración

inicial del aceite usado de motores 78

Tabla 10. Estadísticos descriptivos respecto al DQO y la condición de

radiación solar 79

Tabla 11. Estadísticos descriptivos respecto al DO y el tiempo de tratamiento 80 Tabla 12. Porcentaje de degradación de las aguas contaminadas con

aceite usado de motores

87 7

Tabla 13. Porcentaje de degradación promedio de las aguas contaminadas

con aceite de motores 82

Tabla 14. Pruebas de normalidad respecto a la concentración inicial del

aceite usado de motores – DQO 83

Tabla 15. Pruebas de normalidad respecto a la condición de radiación

solar – DQO 83

Tabla 16. Pruebas de normalidad respecto al tiempo de tratamiento - DQO 84 Tabla 17. Prueba de homogeneidad de varianza respecto a la concentración

inicial del aceite usado de motores – DQO 84 Tabla 18. Prueba de homogeneidad de varianza respecto a la condición de

radiación solar – DQO 85

Tabla 19. Prueba de homogeneidad de varianza respecto al tiempo de

tratamiento - DQO 85

Tabla 20. Pruebas de efectos inter-sujetos - DQO 86 Tabla 21. Especificaciones del módulo de fotocatálisis 99

Tabla 22. Valores Máximos Admisibles (VMA) 104

xi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Conversión de energía solar y tipos de sistemas 14 Figura 2. Espectro solar extraterrestre (AM0) y el espectro terrestre estándar

(AM1.5 Global) 17

Figura 3. Diferentes métodos de tratamiento de aguas residuales químicos,

físicos y biológicos 32

Figura 4. Varios métodos de procesos de oxidación avanzados (AOP)

aplicados para el tratamiento del agua 36

Figura 5. Diferentes tipos de adsorbentes utilizados en el tratamiento de

aguas residuales 41

Figura 6. Diferentes categorías de procesos de oxidación avanzados (AOP) utilizados para el tratamiento complejo de aguas residuales 47 Figura 7. Esquema representativo de las posibles reacciones redox en el

proceso fotocatalítico 59

Figura 8. Band gap y potencial redox, utilizando el electrodo de hidrógeno normal (NHE) como referencia (pH 7), de varios semiconductores

utilizados en fotocatálisis 61

Figura 9. Partes del módulo de fotocatálisis y flujo del agua residual 73 Figura 10. Radiación solar del día 28/08/17 (nublado) 99 Figura 11. Radiación solar del día 30/08/17 (nublado) 100 Figura 12. Radiación solar del día 31/07/17 (soleado) 100 Figura 13. Radiación solar del día 07/08/17 (soleado) 101 Figura 14. Radiación solar del día 10/08/17 (soleado) 101 Figura 15. Aguas contaminadas con aceite usado de motores 102

Figura 16. Solarímetro SL 100 102

Figura 17. Efluente en tratamiento por fotocatálisis heterogénea 102

xii

RESUMEN

Las aguas contaminadas con aceite de motores contienen una cantidad considerable de hidrocarburos tóxicos y metales pesados como arsénico, cadmio, plomo, cromo y otros. Estos impactan negativamente por diversos mecanismos en los organismos vivos, en el agua, suelo y aire. Normalmente, estas aguas se vierten directamente al alcantarillado y presentan valores de DQO superior a los VMA, por lo que necesitan de un tratamiento para cumplir con esta normativa. El volumen de agua contaminada con aceite usado de motores fue 24 L, a esta cantidad de agua potable se agregó la cantidad respectiva del aceite en función al nivel de concentración (3 y 5 mL/L). Para cumplir con las condiciones de tratamiento por la fotocatálisis heterogénea, se agregó ácido clorhídrico (HCl) hasta alcanzar un pH 3, se adicionó 2 g/L de dióxido de titanio (TiO2) y 0,5 mL/L de peróxido de hidrógeno (H2O2). Para el tratamiento, el efluente se alimentó al módulo y energizó la bomba y luego de 2 y 4 horas se muestreó el agua en tratamiento para su análisis. En el tratamiento el agua contaminada con aceite usado de motores con la fotocatálisis heterogénea, en 4 horas, una concentracion inicial de 3 y 5 mL/L y un día nublado, el porcentaje de degradación promedio de DQO fue 43,44% y 62,41%;

y para un día soleado fue 81,36% y 76,58%, respectivamente. A mayor radiación solar y tiempo de tratamiento mayor es la degradación, pero es inversa respecto a la concentración inicial del aceite usado.

Palabras claves: Fotocatálisis heterogénea, efluente, degradación.

xiii

ABSTRACT

Water contaminated with engine oil contains a considerable amount of toxic hydrocarbons and heavy metals such as arsenic, cadmium, lead, chromium and others. These negatively impact by various mechanisms in living organisms, in water, soil and air. Normally, these waters are discharged directly into the sewer system and have COD values higher than the VMA, so they need a treatment to comply with this regulation. The volume of water contaminated with this oil was 24 L, to this amount of drinking water the respective quantity of the oil was added depending on the concentration level (3 and 5 mL). To comply with the treatment conditions for the heterogeneous photocatalysis, hydrochloric acid (HCl) was added until a pH of 3 was reached, 2 g / L of titanium dioxide (TiO2) and 0.5 mL/L of hydrogen peroxide were added (H2O2). For the treatment, the effluent was fed to the module and energized the pump and after 2 and 4 hours the water was sampled for its analysis. In the treatment of water contaminated with used motor oil with heterogeneous photocatalysis, in 4 hours, an initial concentration of 3 and 5 mL / L and a cloudy day, the percentage of average degradation of COD was 43.44% and 62%. 41%; and for a sunny day it was 81.36% and 76.58%, respectively. The greater the solar radiation and the longer the treatment, the more it degrades, but it is the opposite of the initial concentration of the used oil.

Key words: Heterogeneous photocatalysis, effluent, degradation.

1

INTRODUCCION

La contaminación y degradación del ambiente por las operaciones de los hidrocarburos y sus residuos, como el aceite usado de motores, generan el deterioro gradual del ambiente porque afecta el agua, suelo y aire, e impacta negativamente sobre los organismos vivos. Este aceite es altamente peligroso porque persiste y se disemina en el suelo y agua cubriendo con una capa muy fina que no permite el ingreso de oxígeno. Los contaminantes presentes en el aceite usado, producen en el agua un cambio drástico en su calidad, como sabor, textura, olor, color y otros y su consumo representa un riesgo para la salud. Los mecanismos de este impacto es la asfixia con efectos en las funciones fisiológicas, toxicidad química y cambios ecológicos.

Los procesos de oxidación avanzada utilizan la energía solar para eliminar o degradar contaminantes acuosos y gaseosos con un fotocatalizador. La fotocatálisis heterogénea es una alternativa para la degradación y mineralización de contaminantes a los procesos tradicionales de oxidación, porque es el único método que destruye las sustancias tóxicas y orgánicas y metales pesados a compuestos totalmente inocuos (agua y CO2), los contaminantes son eliminadas en un único proceso, puede combinarse con cualquier otro proceso como el biológico, el oxígeno requerido se puede obtener directamente del aire, el catalizador es barato, inocuo y puede ser reutilizado y ser parte de una estructura inerte. En este contexto, la investigación realizada se basa en el tratamiento de aguas contaminadas con aceite de motores por fotocatálisis heterogénea.

La información de la investigación está organizada en tres capítulos. El primero se refiere al marco teórico, se detalla los antecedentes que son la base de la investigación, las bases teóricas que sustentan las variables de estudio, el marco conceptual, definición de términos, hipótesis de la investigación y operacionalización de las variables. En el segundo capítulo se presenta el diseño metodológico, la población, muestra, técnicas e instrumentos de recopilación de datos y técnica de procesamiento de datos. En el tercer capítulo, el análisis y discusión de resultados de la investigación. Finalmente, se presentan las conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos.

2

CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO

1.1 Antecedentes o marco re ferencial

(Ossai, Ahmed, Hassan, & Hamid, 2019) dirigieron su trabajo a la investigación de varios tratamientos in situ o ex situ que comprenden la contención, separación y destrucción que incluyen métodos de tratamiento biológico, químico, físico-químico, térmico, eléctrico, electromagnético, acústico y ultrasónico. Estos métodos de tratamiento involucran varias otras técnicas y estrategias que se enumeran en su trabajo. Para seleccionar la mejor opción de tratamiento para la remediación, es importante comprender la naturaleza, composición, propiedades, fuentes de contaminación, tipo de ambiente, destino, transporte y distribución de los contaminantes, mecanismo de degradación, interacción, relaciones con microorganismos y factores extrínsecos que afectan la remediación. En ese sentido, su artículo nos proporciona una descripción general de las diversas tecnologías de remediación y tratamiento derivadas de enfoques basados en el riesgo que se utilizan para el aislamiento, contención, separación, restauración, recuperación y remediación de suelos, sedimentos, aguas superficiales y subterráneas contaminadas por hidrocarburos de petróleo y compuestos orgánicos.

(Zhang, Sivakumar, Yang, Enever, & Ramezanianpour, 2018) realizaron una revisión exhaustiva de importantes esfuerzos a desarrollar y probar tecnologías innovadoras de tratamiento de agua basadas en energía solar.

Investigando los desarrollos y aplicaciones recientes de siete importantes tecnologías de desalinización solar, el proceso de fotocatálisis solar y la desinfección solar. Al recopilar y analizar datos de rendimiento de estudios recientes, revisaron críticamente el estado de la productividad, el consumo de energía y los costos de producción de agua de las diferentes tecnologías.

También evalúan la aplicabilidad en el mundo real, así como la viabilidad técnica y económica. Revelando que los costos de agua reportados de las plantas de desalinización solar de pequeña a mediana escala están en el

3 rango de US $ 0.2-22/m³, mucho más alto que las plantas convencionales basadas en combustibles fósiles. Las tecnologías de tratamiento de agua impulsadas por la energía solar son alternativas sostenibles para abordar el problema mundial del agua y reducir el impacto dañino de la quema de combustibles fósiles.

(Herrmann, Guillard, & Pichat, 1993) presentan el principio del método y una breve reseña de la literatura relevante. Sobre la base de estudios sobre la degradación de diversos aromáticos sustituidos en suspensiones acuosas de TiO2 irradiado con UV, señalando características cinéticas del método, la naturaleza de los intermedios y las vías de degradación, así como la influencia de pH o iones comunes y otros parámetros. También describieron la recuperación fotocatalítica de metales nobles y la desintoxicación de agua que contiene ciertos iones inorgánicos. Encontrando que a fotocatálisis heterogénea ofrece interesantes ventajas; la estabilidad química del TiO2 en agua bajo irradiación UV, ausencia de aditivos químicos, la ausencia de inhibición o la baja inhibición por iones generalmente presentes en el agua (incluido H3O⁺), el bajo coste del TiO2, la posibilidad de trabajar con soluciones que contengan concentraciones muy bajas, la mineralización total lograda para muchos contaminantes orgánicos.

(Malato, y otros, 2016) revisaron el uso de la luz solar para producir radicales HO• mediante nanofotocatálisis de TiO2. Describieron los sistemas de reacción necesarios para realizar la fotocatálisis solar y destacaron los factores que gobiernan la cinética de la fotocatálisis como la concentración inicial de reactivo, masa de catalizador, pH, temperatura, flujo radiante y concentración de oxígeno. También describieron varios enfoques para mejorar la eficacia de la fotocatálisis del TiO2. Revisaron la ingeniería de reactores solares para el tratamiento de aguas fotocatalíticas, así como el uso de los procesos fotocatalíticos solares para inactivar microorganismos presentes en el agua, poniendo especial énfasis en los mecanismos que actúan durante el proceso, principalmente la generación de radicales hidroxilo y oxígeno singlete, y en los sistemas realizados para optimizar esta técnica de

4 desinfección. También mostraron la producción simultánea de hidrógeno fotocatalítico y eliminación de contaminantes orgánicos bajo radiación solar directa y a escala de planta piloto en la Plataforma Solar de Almería (PSA).

Los resultados de las tecnologías fotocatalíticas solares descritas en este artículo fomentan la investigación adicional para avanzar en los procesos industriales.

(Byrne, Subramanian, & Pillai, 2018) tuvieron como objetivo destacar los avances recientes en las tecnologías de oxidación avanzada fotocatalíticos con énfasis principal en la fotocatálisis de TiO2. Su revisión también analizó el uso de la fotocatálisis de TiO2 para el tratamiento de aguas y desechos, el tratamiento de contaminantes de preocupación emergente (CEC), pesticidas, disruptores endocrinos (ED) y bacterias utilizando irradiaciones de luz UV y visible. También discutieron nuevos fotocatalizadores dopados como ZnS- CuS-CdS, esferas de carbono/CdS, g-C3N4-Au-CdS, ZnS-WS2-CdS, C3N4- CdS y Pd-Cr2O3-CdS. Finalmente, discutieron en detalle los avances en los fotocatalizadores basados en armazones organometálicos activamente estudiados que están surgiendo como una alternativa eficaz para los fotocatalizadores basados en óxidos metálicos. Concluyeron que con una configuración de fotorreactor eficiente y estudios adicionales sobre la regeneración del fotocatalizador, la fotocatálisis de TiO2 es una opción viable para la recuperación de aguas residuales agrícolas/de riego.

(Mehrjouei, Müller, & Möller, 2014) realizaron un estudio cinético sobre la ozonización heterogénea de tres combustibles oxigenados diferentes: metil-t- butil-éter (MTBE), etil-t-butil-éter (ETBE) y t-amil-etil-éter (TAEE) , sobre una capa de TiO2 inmovilizado en oscuridad (ozonización catalítica) y en presencia de irradiación UVA (ozonización fotocatalítica). Utilizaron un reactor de película descendente para manejar los procesos de oxidación en este trabajo. El estudio fue realizado tanto en agua desionizada como en una muestra real de aguas residuales. La descomposición de los tres compuestos modelo elegidos mostró una buena concordancia con la cinética de pseudo primer orden utilizando ozonización tanto catalítica como fotocatalítica en

5 agua y aguas residuales. El aumento de la concentración de ozono y las concentraciones de MTBE, ETBE y TAEE en sus soluciones acuosas condujeron a un aumento lineal en las tasas iniciales de eliminación de estos compuestos por ozonización fotocatalítica. Las tasas de eliminación de MTBE, ETBE y TAEE por ozonización fotocatalítica fueron aproximadamente 10, 2,5 y 2,2 veces mayores que las de la ozonización catalítica, respectivamente.

Las constantes de velocidad de reacción determinadas de MTBE, ETBE y TAEE con ozono fueron 0,231 M⁻¹ s⁻¹, 0,785 M⁻¹ s⁻¹ y 0,960 M⁻¹ s⁻¹, respectivamente. El nivel de adsorción determinado de los compuestos modelo en la superficie del fotocatalizador fue en el siguiente orden: MTBE>

ETBE> TAEE.

(Zhao, Dionysiou, Pillai, Byrne, & O’Shea, 2014) estudiaron las fotocatálisis de TiO2 de 6-hidroximetiluracilo (6-HOMU), un compuesto modelo para la potente cianotoxina, cilindrospermopsina (CYN), fueron llevadas a cabo empleando irradiación visible y UV utilizando diferentes materiales de TiO2

dopados no metálicos, nitrógeno y flúor-TiO2 (NF- TiO2), fósforo y flúor-TiO2

(PF-TiO2) y azufre-TiO2 (S-TiO2). El compuesto modelo se degradó fácilmente bajo fotocatálisis UV TiO2 con constantes de velocidad de pseudo primer orden (k) de 2,1, 1,0 y 0,44h-1 para NF-TiO2, PF-TiO2 y S-TiO2, respectivamente. Bajo luz visible activada (VLA), NF-TiO2 fue el fotocatalizador más activo, PF-TiO2 fue marginalmente activo y S-TiO2

inactivo. VLA NF-TiO2 fue eficaz. La presencia de ácido húmico (HA), Fe³⁺ y Cu²⁺ puede potenciar la degradación. Sin embargo, a 20 ppm de HA se observó una inhibición significativa, probablemente debido al sombreado del catalizador, extinción de ROS o bloqueo de sitios activos de TiO2. Probamos el papel de diferentes especies reactivas de oxígeno (ROS) utilizando captadores específicos y los resultados indican que O2•- juega un papel importante en la fotocatálisis de TiO2 VLA. Obteniendo resultados que demuestran que la fotocatálisis de NF-TiO2 es eficaz bajo radiación UV y visible y en una variedad de calidades de agua. La fotocatálisis VLA NF-TiO2

es una tecnología alternativa atractiva para el tratamiento de agua contaminada con CYN.

6 1.2 Bases te óricas y c onceptuales

1.2.1 Energías re nova bles

El suministro de energía es un factor global importante para el proceso de desarrollo de tecnología global, ya que proporciona el estilo de vida actual y mejora la calidad de vida. La estructura del suministro de energía se basa en la quema de combustibles fósiles. La demanda mundial de suministro de energía limpia empuja los recursos de energía renovable al lado de los combustibles fósiles tradicionales en el suministro de energía. El desarrollo de tecnología permite aprovechar las oportunidades para utilizar fuentes de energía renovables y abordar los problemas ambientales en el suministro de energía (Lehtola & Zahedi, 2019).

1.2.1.1 Fuentes de energía renovable

Las tecnologías de energía renovable (TER) producen una energía considerable y comercializable mediante la conversión de fenómenos naturales (por ejemplo, la luz solar, los flujos de agua y la energía eólica) en formas de energía útil. Hoy en día, los sistemas de energía solar son la solución más económica para la electrificación en áreas rurales o remotas y comunidades aisladas y también para la expansión de la red en algunos casos de suministro centralizado con excelentes recursos renovables. Según las estadísticas publicadas por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), la demanda mundial de energía renovable siguió aumentando durante 2010-2015, como se muestra en la Tabla 1. El potencial de la energía solar para proporcionar una proporción cada vez mayor del crecimiento energético futuro sin aumentar Las emisiones de gases de efecto invernadero están haciendo que muchos países consideren el papel de las tecnologías de energía solar para satisfacer las necesidades energéticas del futuro. Como se ilustra en la Tabla 1, en los últimos años, el uso de energías

7 renovables, en particular fotovoltaica, ha aumentado muy rápidamente en el mundo (Department of Energy’s National Renewable Energy Laboratory, 2015).

Tabla 1. Electricidad renovable como porcentaje de la capacidad eléctrica mundial instalada total durante 2010-2015

Año Hidroeléctrica% PV% CSP% Viento% Geotérmica Biomasa Todas las energías renovables%

Capacidad renovable (GW)

2010 18.4 0.8 0.0 3.9 0.2 1.3 24.6 1253

2011 18.0 1.3 0.0 4.5 0.2 1.4 25.4 1356

2012 17.8 1.8 0.0 5.1 0.2 1.5 26.5 1470

2013 17.6 2.4 0.1 5.5 0.2 1.5 27.3 1579

2014 17.5 2.9 0.1 6.1 0.2 1.5 28.5 1712

2015 17.0 3.6 0.1 6.9 0.2 1.7 29.5 1848

Fuente: (Department of Energy’s National Renewable Energy Laboratory, 2015)

El rápido crecimiento, especialmente en el sector de la energía, está impulsado por diferentes factores, incluida la mejora de la competitividad de costos de las tecnologías renovables, las iniciativas políticas adecuadas, un acceso más fácil al financiamiento, la seguridad energética y los asuntos ambientales, el aumento de la demanda de energía en las economías emergentes y los países en desarrollo y el requisito de acceso a la energía moderna (Kannan &

Vakeesan, 2016).

Con la nueva adopción del Acuerdo de París para reducir las emisiones de GEI, las tecnologías de energía renovable han aparecido como una parte importante de cualquier solución global para hacer frente a la amenaza del cambio climático y sus impactos. El aumento de la utilización de tecnologías renovables para el suministro de energía reducirá las emisiones de GEI. Cada 1 GW de capacidad adicional de

8 energía renovable tiene un gran potencial para reducir las emisiones de dióxido de carbono, en promedio, en 3.3 millones de toneladas cada año. Por ejemplo, en la India, cerca del 4% al 5% de las emisiones totales relacionadas con la energía se redujeron gracias a la cartera de energías renovables existente. La proporción de empleo en energías renovables (ER) en el futuro dependerá principalmente de los objetivos de mitigación del cambio climático, el nivel de los servicios energéticos solicitados y las necesidades energéticas resultantes, así como su mérito relativo dentro de la cartera de tecnologías con cero o bajas emisiones de carbono (Sharma, Tiwari, & Sood, 2011).

1.2.1.2 Impactos ambientales de las energías renovables La explotación de fuentes de energía (es decir, combustibles fósiles, energías renovables y nuclear) tiene algunos impactos negativos en el medio ambiente. Algunos efectos negativos pueden surgir durante la producción de combustible, otros pueden surgir durante la construcción de la planta y otros pueden surgir como resultado de la producción de energía. Los sistemas de energía de combustión emiten varios tipos de sustancias como dióxido de carbono, monóxido de carbono, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos, aerosoles primarios y secundarios, etc. El nivel y las mezclas de contaminantes dependen del combustible y de la tecnología específica utilizada y de otros factores (Llano-Paz, Calvo-Silvosa, Antelo, & Soares, 2015).

a) Biomasa

La biomasa puede no ser naturalmente neutra en carbono, puede liberar emisiones de calentamiento global como el metano durante la producción de

9 biocombustibles, el cambio del paisaje y el deterioro de la productividad del suelo y también produce desechos peligrosos. Las centrales eléctricas de biomasa tradicionales liberan grandes cantidades de contaminantes atmosféricos como monóxido de carbono (CO), compuestos orgánicos volátiles (COV), óxidos de nitrógeno (NOx) y material particulado (PM). La biomasa tiene un factor de emisión bajo de SO2 pero un factor muy alto de NOx. Por tanto, es una fuente importante de precipitación ácida. Además, los óxidos de nitrógeno son uno de los factores más importantes en el agotamiento del ozono, que se produce a partir de los procesos de combustión de combustibles fósiles y biomasa. La plantación de biomasa es el sistema que necesita más tierra por unidad de producción de energía (Ellabban, Abu-Rub, & Blaabjerg, 2014).

b) Energía hidroeléctrica

Las grandes centrales hidroeléctricas generan electricidad almacenando grandes cantidades de agua en el embalse detrás de un muro de contención o una enorme presa. Los generadores de energía hidroeléctrica no emiten contaminantes atmosféricos gaseosos directamente. Las operaciones de represas hidroeléctricas tienen algunos impactos negativos en el medio ambiente. Un embalse y una presa pueden cambiar las características del flujo del río, la química del agua, las temperaturas naturales del agua y la carga de sedimentos. Además, la construcción de una presa puede afectar el uso de la tierra, las viviendas y los hábitats naturales en el área de la presa. Un embalse y la operación de la presa pueden resultar en la reubicación de personas. Los recursos de energía renovable (por

10 ejemplo, energía hidroeléctrica, eólica y solar) tienen altos requisitos de tierra, que pueden variar considerablemente según las condiciones específicas del lugar. Los datos sobre energía hidroeléctrica se basan en el área total de los embalses, no en las áreas inundadas que serían esencialmente más pequeñas (Gagnona, Belanger, &

Uchiyama, 2002).

c) Solar

La utilización de la energía solar como otras fuentes de energía (es decir, energías renovables y fuentes de combustibles fósiles) tiene algunas preocupaciones ambientales. Las energías solar y eólica son renovables no térmicas, que no utilizan agua para sistemas de refrigeración en seco, por lo que tienen intensidades de uso de agua operativas muy bajas. Algunos sistemas fotovoltaicos necesitan una cantidad relativamente pequeña de agua para lavar los paneles. Las instalaciones de CSP pueden utilizar sistemas de enfriamiento en seco para reducir el uso de agua; El enfriamiento húmedo e híbrido requiere una mayor cantidad de agua (Wiser, y otros, 2016).

Las granjas solares requieren enormes cantidades de tierra. Esto no es un problema para los sistemas fotovoltaicos montados en el techo y la energía solar térmica, pero puede ser un problema para la energía fotovoltaica y CSP a gran escala. Para las plantas de CSP, las tierras sensibles pueden ser un desafío específico. Los impactos del uso de la tierra de los sistemas fotovoltaicos instalados variarán para aplicaciones centralizadas y descentralizadas. Los módulos fotovoltaicos como dispositivos descentralizados

11 residenciales o comerciales pequeños o intermedios se pueden utilizar como revestimiento en las paredes orientadas al sur o en techos de edificios residenciales y comerciales también. Por lo tanto, no se requieren terrenos adicionales. Los requisitos del terreno de los sistemas fotovoltaicos para una gran generación de energía eléctrica central dependen de varios factores identificados, incluida la eficiencia energética del sistema y la insolación. Proporcionar gran parte de la electricidad de la sociedad mediante energía solar fotovoltaica requeriría una cantidad considerable de espacio.

Para plantas de energía fotovoltaica pequeñas y grandes, el área necesaria varía de 2,2 a 12,2 acres por megavatio (MW), con un promedio ponderado de capacidad de 6,9 acres por megavatio (MW), mientras que las plantas de energía solar de concentración (CSP) necesitan tierra de 2.0 a 13,9 acres por megavatio (MW), con un promedio ponderado de capacidad de 7,7 acres por megavatio (MW). La intensidad del uso de la tierra disminuirá con el aumento de la eficiencia de los paneles solares. Las grandes matrices fotovoltaicas ciertamente podrían tener impactos visuales negativos si se instalan dentro de un ecosistema sensible o en áreas de belleza natural u otros sitios de interés científico. Como impactos del uso de la tierra, los impactos visuales también diferirán según el tipo de aplicación (sistemas fotovoltaicos centralizados y descentralizados). Dado que los sistemas solares fotovoltaicos no producen gases de efecto invernadero (GEI) durante la operación y no emiten otros contaminantes como óxidos de azufre y nitrógeno, por lo tanto, 4600 GW de capacidad fotovoltaica instalada evitarían más de 4 gigatoneladas (Gt) de dióxido de

12 carbono. emisiones anuales para 2050. La energía solar como energía renovable proporciona múltiples beneficios ambientales en comparación con las fuentes de combustibles fósiles (Shahsavari & Morteza, 2018).

d) Viento

Un parque eólico es un grupo de turbinas eólicas para generar electricidad. Estas turbinas pueden ubicarse en campo abierto, en cadenas montañosas o también en cuerpos de agua, típicamente en lagos o océanos. Los principales impactos ambientales de las turbinas eólicas son los impactos sobre la biodiversidad y el paisaje y el ruido producido por las palas del rotor durante el trabajo operativo. Las palas de los rotores de las turbinas eólicas matan a las aves que vuelan hacia los rotores de la zona.

El impacto del uso de la tierra de las turbinas de energía eólica varía sustancialmente según el sitio: en las áreas planas, las turbinas eólicas generalmente usan más tierra que las ubicadas en áreas montañosas. En promedio, usan entre 30 y 141 acres de tierra por cada MW de capacidad de energía. Sin embargo, las turbinas eólicas pueden ocupar solo una fracción de este terreno, por lo general deben estar espaciadas entre 5 y 10 diámetros de rotor. El resto de la tierra se puede utilizar para una variedad de otros fines productivos, como la agricultura y el pastoreo [108]. Además, las turbinas eólicas modernas son máquinas grandes y tienen un impacto visual en el paisaje (Shahsavari & Morteza, 2018).

Los combustibles fósiles tienen varias externalidades que no se consideran en el precio de venta al público, incluidos los problemas de salud humana desfavorables asociados, los costos futuros debidos al cambio climático

13 y otros impactos ambientales negativos. Se estima que el rango indicativo de costos externos asociados con los impactos en la salud humana es de $ 325 a $ 825 mil millones por año en el mundo. Esto incluye los efectos de las emisiones de material particulado (PM2.5), óxidos de mono-nitrógeno y dióxido de azufre de la generación de energía fósil, así como las emisiones de PM2.5 y NOx de los vehículos ligeros y la contaminación del aire interior asociada con el uso doméstico de energía convencional.

carbón y biomasa tradicional (Shahsavari & Morteza, 2018).

1.2.2 Energía s olar

La energía solar es la mejor solución percibida de la crisis energética que prolifera sin cesar. Se ha empleado una amplia gama de sistemas de conversión de energía solar para convertir la energía solar en la forma útil deseada (Shah & Hafiz, 2019).

La energía solar inagotable es un recurso energético imperativo con magnitudes de 1,2 × 105 TW. Debido a su potencial eminente, las principales economías del mundo están prestando atención a utilizar la energía solar tanto como pueden.

La energía solar se puede utilizar de muchas formas, como la generación de electricidad, la conservación de alimentos, la generación de vapor, el aire acondicionado, la refrigeración y los sistemas de calefacción. Además de la ventaja de la generación de energía, la energía solar se evalúa para nivelar los impactos positivos en la ecología de la tierra y minimizar las emisiones peligrosas de las plantas de producción de energía convencionales como las industrias de energía a base de carbón o aceite para hornos. La energía solar y los mecanismos/sistemas de conversión de energía solar se están estudiando intensamente para elaborar

14 perspectivas y perspectivas futuras (positivas o negativas) de la energía solar (Shah & Hafiz, 2019).

La energía solar se convierte en una forma útil mediante varios métodos de conversión, conversión fototérmica, conversión fotoeléctrica, conversión fotoquímica y conversión fototérmica- fotoeléctrica mediante diferentes sistemas de conversión. La conversión fotoeléctrica se logra mediante módulos fotovoltaicos basados en silicio, fotoquímica mediante el proceso de fotosíntesis, fototérmica mediante colectores solares (DASC, placa plana y tubo de vacío), y conversión fotoeléctrica-fototérmica vía sistema fotovoltaico-térmico, ya sea concentrado o no concentrado (Shah &

Hafiz, 2019).

Figura 1. Conversión de energía solar y tipos de sistemas

Fuente: (Shah & Hafiz, 2019)

15 1.2.2.1 El recurso solar

La distribución espectral de la luz solar abarca una amplia gama de longitudes de onda que van desde el ultravioleta al infrarrojo cercano. La relación entre la energía del fotón (E) y su longitud de onda (λ) viene dada por:

𝐸 = ℎ𝑐 𝜆

Donde 𝑐 es la velocidad de la luz en el vacío (aproximadamente 3.00 𝑥 10⁸ 𝑚𝑠⁻¹) y ℎ es la constante de Planck (6.63 𝑥 10⁻³⁴ 𝐽𝑠) (Riverola, Vossier, & Chemisana, 2019).

La distribución espectral de la luz solar puede variar notablemente dependiendo de la posición del sol en el cielo (que es función de la latitud característica del sitio donde se supone que opera, la hora del día y el día del año) y los valores típicos de los parámetros atmosféricos, que probablemente cambiarán notablemente según las condiciones climáticas y atmosféricas.

La masa de aire (AM) es la variable atmosférica a la que el espectro solar es normalmente más sensible. Se define como la distancia, relativa a la longitud de trayectoria más corta (vertical), que atraviesan los rayos solares a través de la atmósfera antes de impactar en la superficie de la Tierra.

AM se puede definir simplemente como:

𝐴𝑀 = 1 cos 𝜃

Donde θ es el llamado ángulo cenital solar, es decir, el ángulo entre el cenit y el centro del disco solar (Riverola, Vossier, & Chemisana, 2019).

16 No obstante, una expresión más precisa que considera la curvatura de la Tierra se usa comúnmente para predecir o definir el espectro solar.

𝐴𝑀 = 1

cos 𝜃 + 0.50572 𝑥 (96.07995 − 𝜃)^−1.6364

La figura 2 muestra dos espectros solares de uso común:

AM0 (espectro solar extraterrestre estándar utilizado principalmente por la comunidad aeroespacial) y AM1.5 Global (donde la superficie receptora se define como un plano inclinado a 37º de inclinación hacia el ecuador, frente al sol).

La distribución espectral correspondiente al espectro solar AM0 se puede aproximar, con una buena precisión, al espectro de un cuerpo negro a 5758K (la distribución espectral de la radiación del cuerpo negro solo está determinada por su temperatura, como lo establece la ley de Planck) (Riverola, Vossier, & Chemisana, 2019).

17 Figura 2. Espectro solar extraterrestre (AM0) y el espectro terrestre estándar (AM1.5 Global)

Fuente: (Riverola, Vossier, & Chemisana, 2019)

El espectro global AM1.5 a menudo sirve como estándar terrestre (referencia) y se mide en una superficie que mira hacia el sol, con un ángulo de inclinación de 37º sobre el plano horizontal, en condiciones atmosféricas específicas (profundidad óptica de aerosol (AOD) de 0,084, agua precipitable (PW) de 1,42 cm y equivalente de ozono de columna total de 0,34 cm). Una AM de 1,5 corresponde a un ángulo cenital solar de aproximadamente 48º. Al pasar a través de la atmósfera, el espectro se atenúa de manera diferente para cada longitud de onda debido a la absorción

37 grados

18 o dispersión por partículas atmosféricas. Por ejemplo, las bandas de absorción de vapor de agua se encuentran principalmente en las regiones del infrarrojo cercano y del infrarrojo del espectro (alrededor de 0,94, 1,10 y 1,40 μm).

La amplitud de la dispersión de la luz en la atmósfera se correlaciona con el valor de AM: cuanto mayor es la AM, mayor es la dispersión de la luz por las moléculas atmosféricas (como el nitrógeno y el oxígeno). En consecuencia, la irradiancia terrestre (que normalmente se normaliza a 1000 Wm^-2) es menor que la irradiancia extraterrestre (alrededor de 1353 Wm^-2). La irradiancia solar máxima, que corresponde a longitudes de onda típicamente comprendidas entre 0,4 y 0,8 μm, está asociada con la luz

"visible" en el sentido de que la visión humana evolucionó para ser particularmente sensible a este rango espectral. Se deben distinguir diferentes definiciones de irradiancia solar:

la irradiancia normal directa (IND) se refiere a los fotones que provienen directamente del sol. Cabe señalar que la definición de IND no es unívoca. Esta ambigüedad se debe al hecho de que la distancia angular desde el centro del sol y la función de la penumbra no están bien limitadas. Se pueden encontrar varias definiciones de IND en la literatura, refiriéndose explícita o implícitamente a diferentes ángulos límite y funciones de penumbra, que inherentemente conducen a cantidades variables de radiación integrada en la vecindad del sol. La irradiancia horizontal global se refiere a la irradiancia total recibida desde arriba por una superficie horizontal e incluye tanto las contribuciones de IND como la radiación difusa, asociada a los fotones dispersos en la atmósfera. La cantidad de radiación difusa cambia según el clima (y especialmente la cobertura de nubes) y la latitud, y generalmente representa el 15% de la radiación total. El

19 espectro solar AM1.5D se utiliza comúnmente como espectro de referencia para la caracterización de células solares concentradoras (debido a la incapacidad fundamental de estas células para concentrar la luz difusa).

Las otras variables atmosféricas que afectan significativamente las características del espectro solar son AOD y PW. AOD caracteriza la fuerza radiactiva de los aerosoles (neblina urbana, partículas de humo, polvo del desierto, sal marina, e.t.c.) en la dirección vertical, mientras que PW es la cantidad de agua condensada correspondiente al vapor de agua total contenido en una columna atmosférica vertical arriba cualquier ubicación. El vapor de agua tiene fuertes bandas de absorción en el infrarrojo cercano, lo que impacta directamente en el espectro (Riverola, Vossier, &

Chemisana, 2019).

1.2.2.2 Beneficios de la utilización de la energía solar en los países en desarrollo

Aunque las fuentes de combustibles fósiles todavía controlan el equilibrio energético de la economía mundial, todavía existen varias razones para el despliegue y uso de tecnologías de energía solar. Su sostenibilidad significa que se encuentra entre las fuentes de energía más seguras disponibles para cualquier nación, en comparación con otras fuentes de energía renovable. También produce poca o ninguna contaminación y la menor contribución a las emisiones del calentamiento global. Junto con otras energías renovables, puede reducir las emisiones de GEI relacionadas con la energía en las próximas décadas para ayudar a mitigar los efectos del cambio climático. La energía solar es infinita y sostenible y tiene un gran potencial para apoyar a las comunidades contra la volatilidad de los precios

20 de los combustibles fósiles. La ausencia de un suministro eléctrico y de energía confiable es un desafío establecido para la calidad de vida de los seres humanos. Esto se debe a que la mayoría de las actividades dependen de una energía asequible y suficiente para los procesos productivos. Las tecnologías de energía solar, como las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica, la electrificación fuera de la red y el calentamiento solar de agua, son competitivas en cuanto a costos con las fuentes de energía tradicionales. Debido a la escasez de energía global y al control de los impactos ambientales negativos, la utilización de la energía solar ha recibido mucha atención en todo el mundo. Las tecnologías de energía solar pueden aportar muchos beneficios a la sociedad de muchas formas (Shahsavari & Morteza, 2018).

a) Energía solar para la producción de electricidad Las aplicaciones de la energía solar se están desarrollando gradualmente en varios campos. Una de las aplicaciones más destacadas es la producción de electricidad. La energía eléctrica es el tipo de energía más popular porque se puede utilizar para una variedad de aplicaciones. También es muy fácil de transformar en una variedad de formas de energía que son beneficiosas para la vida humana. La electricidad y otras fuentes modernas de energía desempeñan un papel fundamental en el desarrollo económico y social de todos los países. Su importancia relativa aumenta en relación con el avance técnico, la industrialización y la necesidad de medios modernos de comodidades. La electricidad también ha traído información, educación, entretenimiento y otros beneficios a las comunidades. El aumento de su producción se traduce en una mejor

21 calidad de vida y creación de riqueza. Sin embargo, casi 1.300 millones de personas no tienen acceso a la energía eléctrica y aproximadamente el 85% vive en zonas rurales, remotas o de bajos ingresos de los países en desarrollo. Por ejemplo, el 40% de la población nigeriana no tiene acceso a energía eléctrica y utiliza lámparas de queroseno o velas para encenderse. Una lámpara de queroseno produce entre 3 y aproximadamente 40 veces más emisiones de dióxido de carbono (CO2) que una lámpara fluorescente compacta conectada a la red (según la combinación de potencias). Se estima que solo la India produce casi 6,5 millones de toneladas de CO2 al año debido al uso de queroseno en los hogares rurales. Proporcionar acceso a la electricidad para sustituir las lámparas de queroseno podría ahorrar unas 35 Mt de CO2 al año. La electricidad aumenta el acceso a los servicios de información, comunicación y entretenimiento, como teléfonos móviles, Internet, televisión y radio, que no pueden cuantificarse mediante una evaluación (Shahsavari &

Morteza, 2018).

b) Electrificación solar fuera de la red

Las instalaciones solares fotovoltaicas en pleno funcionamiento operan en entornos construidos o en lugares aislados donde la conexión a la red es muy difícil o no hay infraestructura energética. Tiene un gran potencial para mejorar notablemente la calidad de vida de la población rural. Los sistemas solares fuera de la red pueden proporcionar una mejor forma de vida en las zonas rurales al proporcionar iluminación y electricidad a los centros de atención médica básica y las instituciones educativas. Por ejemplo, en la India, 3600

22 aldeas remotas fueron electrificadas con tecnologías de energía solar. Para el año 2050, aunque la gran mayoría de la gente vivirá en ciudades, millones de personas seguirán viviendo en áreas remotas y rurales donde los sistemas solares fuera de la red probablemente serían la solución más apropiada para una electrificación mínima. En el África subsahariana, la iluminación solar fuera de la red está creciendo a un ritmo vertiginoso. A finales de 2012, se vendieron aproximadamente 4,4 millones de productos de iluminación solar acumulados, con un crecimiento anual de las ventas del 90 al 95%

desde el año 2009 (Shahsavari & Morteza, 2018).

c) Energía solar para cocinar

La cocción solar ayuda a disminuir el uso de combustibles fósiles y es la forma más directa y útil de aplicación de la energía solar. Un horno solar típico tipo caja caliente ahorraría aproximadamente 16,8 millones de toneladas de leña y también reduciría 38,4 millones de toneladas de emisiones de CO2 al año. La difusión de las cocinas solares, por ejemplo, a pesar de todos sus beneficios potenciales, indudablemente requiere que la población local modifique sus hábitos tradicionales de cocina. Por lo tanto, el uso de combustible tradicional ineficiente para cocinar es un problema generalizado, que requiere soluciones esenciales para evitar implicaciones graves para la salud y el medio ambiente (es decir, contaminación del aire interior y deforestación). Las soluciones basadas en energías renovables para mejorar las prácticas de cocina son beneficiosas para reducir los humos contaminantes (Shahsavari & Morteza, 2018).

23 d) Sistema de refrigeración fotovoltaica

Los sistemas de refrigeración alimentados por energía solar aprovechan un recurso ya disponible (luz solar) y lo utilizan para hacer funcionar un sistema de refrigeración sin depender de la red eléctrica local. La energía fotovoltaica proporciona la energía necesaria para el frigorífico. Los sistemas de refrigeración fotovoltaica aumentan la frescura de los alimentos y evitan el desperdicio. Las clínicas con electricidad pueden esterilizar instrumentos y guardar medicamentos de forma segura mediante refrigeración.

Los sistemas de refrigeración que funcionan con energía solar no tienen impactos negativos en el medio ambiente. La utilización de sistemas de frigoríficos fotovoltaicos es adecuada para un solo sistema que se puede utilizar adecuadamente en muchas áreas remotas sin un suministro eléctrico fiable, sin embargo, la refrigeración es continuamente crucial (Aktacir, 2011).

e) Calentador de agua solar

Los calentadores solares de agua (CSA) utilizan la energía solar del sol para generar calor, que puede proporcionar agua caliente a temperaturas que oscilan entre 40 y 80°C para uso doméstico (ducha, calefacción de espacios) o industrial. Un sistema de agua caliente tradicional funciona mediante un cilindro de agua caliente alimentado ya sea por electricidad o por gasoil a través de la caldera de calefacción central, que produce emisiones de CO2, mientras que el agua caliente solar es un método muy fiable y práctico. Un sistema de agua caliente solar de 50 colectores puede reducir más de 50 t de dióxido de carbono cada año y también un sistema de calefacción de piscinas de 100

24 colectores puede reducir más de 80 t de CO2 cada año o 5000 t durante la vida útil del sistema. En promedio, se pueden ahorrar alrededor de 3,74 TgCO2 (teragramos de CO2 equivalente) por año, en base a 2010 con la aplicación de calentadores de agua solares, lo que representa una notable reducción de las emisiones liberadas al medio ambiente (Rosas-Flores, Rosas- Flores, & Zayas, 2016).

f) Colectores solares de aire

Los colectores solares de aire se han desarrollado especialmente en la India para los sectores de secado de cultivos, procesamiento de alimentos y fabricación de textiles. El secado de cultivos es una alternativa útil al enfriamiento para la conservación, especialmente en un país donde se pierden grandes cantidades de productos agrícolas debido a la ausencia de técnicas de conservación (Shahsavari & Morteza, 2018).

g) Bomba de agua con energía solar

Las bombas sumergibles de energía solar se utilizan para pozos, perforaciones, trasvase de agua y riego y para el abrevadero del ganado en particular. Hoy en día, el precio de los módulos solares fotovoltaicos ha disminuido drásticamente en todo el mundo, lo que hace que los sistemas de bombeo alimentados por energía solar sean cada vez más asequibles. Los sistemas de bombeo solar permiten acceder a los recursos hídricos esenciales en las zonas rurales remotas. Las bombas de agua solares no necesitan combustible y su mantenimiento es mínimo. La bomba de energía solar es una tecnología que ahorra mano de obra y puede reducir las horas de trabajo diario en áreas rurales fuera

25 de la red, donde las mujeres y los niños tienen la responsabilidad de transportar el agua. Estas bombas son duraderas y resistentes a la escasez de combustible. A medio plazo, no son tan caros como los generadores diésel. En comparación con el uso de bombas alimentadas por combustibles fósiles, las bombas de agua alimentadas por energía solar no emiten gases asociados con la contaminación atmosférica o el calentamiento global y tampoco hay combustible ni aceite que derramar (Shahsavari &

Morteza, 2018).

h) Unidades de desalación solar

La introducción de la desalinización impulsada por energías renovables sería una solución respetuosa con el medio ambiente utilizada para resolver la escasez de recursos de agua dulce. Además, la desalinización con energía renovable es principalmente la única posibilidad de un suministro seguro de agua dulce en los países en desarrollo, especialmente en las zonas rurales y remotas donde no hay una red eléctrica disponible. Por ejemplo, la destilación solar de aguas salobres se utiliza para suministrar agua potable a muchos habitantes de las remotas tierras áridas del sur de Argelia. Sin embargo, las unidades de desalinización solar se utilizan para producir agua dulce a partir de agua salobre mediante el uso directo de la luz solar. Estos alambiques parecen ser la mejor solución técnica para suministrar agua dulce a las zonas rurales remotas del sur de Argelia sin depender de la alta tecnología y las competencias. La desalinización impulsada por energía solar es atractiva como método para conservar los recursos de combustibles fósiles y reducir la huella de

26 carbono de la desalinización (Shahsavari & Morteza, 2018).

i) Calefacción de invernadero

Los invernaderos solares dependen naturalmente de la energía solar para la calefacción y también la iluminación. Se puede utilizar un invernadero solar equipado con masa térmica para recolectar y almacenar energía térmica solar para mantener las temperaturas necesarias para cultivar plantas en las condiciones más frías. Además, el invernadero se puede aislar para mantener este calor y utilizarlo durante la noche y en días nublados. Esto reducirá enormemente la necesidad de utilizar combustibles convencionales para calefacción. (Llano-Paz, Calvo-Silvosa, Antelo, &

Soares, 2015)

j) Sistemas de secado y deshidratación solar

Los sistemas de secado y deshidratación solar utilizan la irradiación solar como fuente de energía sostenible para calentar el aire y como fuente de energía complementaria. Los secadores solares se pueden utilizar ampliamente en la industria alimentaria y agrícola para aumentar la calidad y cantidad de productos al tiempo que se reducen los desechos y los problemas ambientales. Un sistema de secado tradicional utiliza combustibles fósiles para su rendimiento, mientras que un secador solar aprovecha la irradiación solar para procesos de secado y deshidratación en industrias como frutas, ladrillos, plantas, café, madera, malta verde, textiles, cuero y lodos de depuradora. Un sistema de secado con energía solar es una posible aplicación térmica descentralizada de la energía solar en el mundo,

27 especialmente en los países en desarrollo. Los secadores solares reducen significativamente el tiempo de secado y básicamente proporcionan una mejor calidad del producto en comparación con los sistemas tradicionales de secado al sol. El período de amortización del secador solar integrado en el techo es de aproximadamente 5 años. Además, el uso de sistemas de secado solar para secar productos agrícolas tiene un enorme potencial para la conservación de energía en los países en desarrollo.

Como resultado, la energía solar es la mejor opción para generar electricidad, cocinar, calentar y aplicaciones a gran y pequeña escala. Es la fuente de energía con la que la humanidad puede continuar con sus tareas diarias en el planeta sin depender de los combustibles convencionales (Shahsavari & Morteza, 2018).

1.2.3 Contaminación del agua

Dado que el agua es fundamental para la vida, los problemas de contaminación del agua han sido de gran importancia. El agua es el punto central de la vida en la Tierra. El efecto de la contaminación del agua sobre el medio ambiente y la salud humana destaca varios problemas importantes relacionados con el agua y existe una necesidad urgente de algunas posibles respuestas relacionadas con la contaminación del agua (Ameta & Ameta, 2018).

El cambio más leve en las propiedades biológicas, físicas o químicas del agua se denomina contaminación del agua.

La contaminación del agua puede ser de dos tipos:

 Agua superficial

 Agua subterránea

28 Las fuentes de agua superficial se pueden dividir en dos fuentes:

fuentes puntuales y fuentes difusas. Todos los medios de transporte discernibles, confinados y discretos de los cuales se descargan o pueden descargar contaminantes son fuentes puntuales. La contaminación de fuentes difusas es comúnmente el resultado aditivo de pequeñas cantidades de contaminantes recolectados de un gran espacio, lo que se refiere a la contaminación difusa que no se origina en un solo suministro distinto. Cuando los contaminantes presentes en el suelo ingresan a los cuerpos de agua debajo de la tierra, se convierte en la causa de la contaminación del agua subterránea (Ameta & Ameta, 2018).

A escala mundial, la contaminación ambiental y la escasez de suficientes fuentes de energía limpia han atraído la atención de los científicos para desarrollar un enfoque químico ecológico y ecológico para diferentes materiales y procesos. Las aguas residuales de diversas industrias son cuestiones importantes y de gran preocupación para el ecosistema de la Tierra. Estos desechos vertidos consisten en contaminantes orgánicos, que en su mayoría son tóxicos para diversos microorganismos, la vida acuática y los seres humanos; y, por lo tanto, la destrucción de estas propiedades nocivas de los productos químicos es motivo de verdadera preocupación. Varios productos químicos como colorantes azoicos, herbicidas y pesticidas se encuentran en los ríos y lagos y se consideran dañinos; algunos de estos también son químicos disruptores endocrinos (Ameta & Ameta, 2018).

Los tintes textiles y otros tintes industriales incorporan uno de los principales grupos de contaminantes orgánicos que imponen un peligro ambiental creciente. Casi el 1%, el 20% de la producción mundial total de tintes se pierde durante el proceso de teñido y se descarga en los efluentes textiles. Este efluente es el origen de la contaminación no estética y la eutrofización en el medio ambiente,

29 que genera subproductos tóxicos como resultado de la oxidación, hidrólisis u otras reacciones químicas que tienen lugar en la fase de aguas residuales. Los tintes tienen algunos efectos tóxicos y estos también dificultan la penetración de la luz en aguas contaminadas.

Ellos colorean las fuentes de agua y dañan los organismos vivos al cesar la capacidad de reoxigenación del agua, detener la luz solar y, por lo tanto, se altera la actividad de crecimiento natural de la vida acuática (Ameta & Ameta, 2018).

La industria textil es el mayor consumidor de agua dulce de alta calidad por kg de material tratado. Estas aguas residuales también contienen sustancias químicas tóxicas, cancerígenas y persistentes como formaldehído, colorantes azoicos, dioxinas y metales pesados.

Los tintes, pesticidas, etc. son estructuras complejas y se degradan naturalmente bajo altas temperaturas, condiciones alcalinas, radiación ultravioleta (UV) y otros iniciadores de radicales, formando subproductos tóxicos, que pueden ser muchas veces más tóxicos para el medio ambiente que el original. compuesto que causa perturbaciones a la vida acuática y la alimentación. Estos son resistentes a la degradación microbiana, química, térmica y fotolítica ya que muchos de ellos son productos recalcitrantes. Por tanto, existe la necesidad de una técnica eficaz, ecológica y económica para eliminarlos de las aguas residuales. Hasta la fecha se utilizan varios métodos convencionales para el tratamiento de aguas residuales de diferentes industrias, como fotodegradación, adsorción, filtración, coagulación, tratamientos biológicos, etc. Sin embargo, algunas de estas técnicas no son completamente efectivas y/o viables, debido a la estabilidad del contaminante. moléculas; así, se han reportado procesos de oxidación avanzados (AOP) para degradar dichas moléculas, para reducir la carga de contaminantes orgánicos en las aguas residuales. Las técnicas convencionales no son eficaces para reducir metales pesados, nitrógeno, fósforo, etc. y no existe un método único para tratar la mayoría de los compuestos

30 en un solo paso. Las fuentes de aparición de contaminantes en el agua y los suelos incluyen escorrentías agrícolas, efluentes hospitalarios, alcantarillado municipal, lixiviación de vertederos, etc.

(Ameta & Ameta, 2018).

1.2.3.1 Aguas residuales oleosas

Las aguas residuales oleosas son un subproducto generado por muchas industrias, incluidas las de petróleo y gas, alimentos y bebidas, transporte marítimo y marítimo, curtido, textiles y metal y mecanizado. Las aguas residuales oleosas no solo afectan negativamente al medio ambiente si no se tratan adecuadamente, sino que también representan una pérdida económica sustancial si el petróleo no se recupera (Tanudjaja, Hejase, Tarabara, Fane, & Chew, 2019).

Además del aceite, los componentes complejos del agua producida incluyen muchos tipos de productos químicos, como hidrocarburos de cadena lineal, hidrocarburos aromáticos (benceno, tolueno y xileno), metales, material radiactivo natural (NORM) y productos químicos aditivos como inhibidores de corrosión y desestabilizadores de emulsión. La composición del agua producida, así como sus propiedades físicas y químicas, son generalmente específicas del lugar (Tanudjaja, Hejase, Tarabara, Fane, &

Chew, 2019).

El consumo de diversos tipos de aceites en los procesos industriales y las actividades domésticas diarias está aumentando con el próspero desarrollo industrial y la población en constante crecimiento. La inevitable generación de grandes volúmenes de aguas residuales oleosas a partir de diversos procesos industriales y aguas residuales domésticas suscita una preocupación cada vez

31 mayor sobre los peligros ambientales y la contaminación relacionados con el petróleo. Para minimizar el impacto negativo de las aguas residuales oleosas en nuestro medio ambiente y maximizar la utilización de los recursos petroleros limitados, la remoción / recuperación de petróleo de las aguas residuales oleosas es, por lo tanto, de gran importancia ambiental y socioeconómica (He, Liu, & Xu, 2020).

En la industria de alimentos, bebidas y leche, el agua es un componente importante en la mayoría de los productos, y también participa en muchos pasos y procesos, como el lavado, enjuague, mezcla, pasteurización, etc. Debido a que la cantidad de aguas residuales oleosas producidas también es grande, la implementación de medios para la reutilización es rentable debido a las economías de escala. La mayoría de los desechos de aceite provienen de carne, aves, mariscos y productos lácteos, por lo que las aguas residuales generalmente tienen un contenido muy alto de carbono orgánico (Tanudjaja, Hejase, Tarabara, Fane, &

Chew, 2019).

Otro productor importante de aguas residuales aceitosas es la industria de procesamiento de metales, donde el aceite de corte se utiliza como refrigerante y fluido de lavado. Los aceites de corte son emulsiones que consisten en aceite, agua y aditivos como ácidos grasos, surfactantes, metales pesados y biocidas. El contenido de aceite en tales corrientes de desechos es demasiado bajo para incinerarlo, pero son demasiado tóxicos para ser tratados biológicamente (Tanudjaja, Hejase, Tarabara, Fane, &

Chew, 2019).

32 Las aguas residuales aceitosas de diversas industrias tienden a ser de composiciones muy complejas y variadas, lo que complica la selección de una tecnología de tratamiento adecuada y requiere soluciones de tratamiento específicas para cada contexto (Tanudjaja, Hejase, Tarabara, Fane, & Chew, 2019)

1.2.4 Tratamiento de aguas contaminadas

Tanto la alta aparición de contaminantes del agua como los desafíos que enfrentan su descomposición natural han llevado al desarrollo de muchas técnicas de plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) que se dividen en métodos químicos, físicos y biológicos como se indica en la Figura 3.

Figura 3. Diferentes métodos de tratamientos de aguas residuales químicos, físicos y biológicos

Fuente: (Saleh, Zouari, & Al-Ghout, 2020)