Sistema de Control Automático para Purificación de Agua

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