INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

“DISEÑO Y CONSTRUCCION DE ELECTROLIZADOR DE AGUA PARA LA

OBTENCION DE OXIHIDROGENO COMO GAS COMBUSTIBLE”

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO MECANICO

P R E S E N T A

GARCÍA MÉNDEZ JORGE ALEJANDRO

AZCAPOTZALCO, MEXICO DF, 2013

INDICE

INTRODUCCIÓN ……………………………………………………………………………………………………………… i

OBJETIVO …………………………………………………………………………………………………………………………… ii

JUSTIFICACION ……………………………………………………………………………………………………………….... iii

CAPÍTULO I …………………………………………………………………………………………………………….............. 1

1.1 ENERGÍA ……………………………………………………………………………………………………………. 2 1.1.1 Energía como recurso natural ……………………………………………………………. 2 1.1.2 Clasificación de las fuentes de energía ………………………………………………. 2

1.2 ENERGÍAS RENOVABLES …………………………………………………………………………………….. 3 1.2.1 Energía eólica ……………………………………………………………………………………. 3 1.2.2 Energía solar ……………………………………………………………………………………… 4 1.2.3 Energía geotérmica …………………………………………………………………………… 5 1.2.4 Biomasa como energía ………………………………………………………………………. 6 1.2.5 Energía hidráulica ……………………………………………………………………………… 7 1.2.6 Energía mareomotriz ………………………………………………………………………… 8 1.2.7 Hidrogeno H2 ……………………………………………………………………………………… 9 1.2.8 Oxihidrógeno ……………………………………………………………………………………... 10

1.3 ENERGÍAS NO RENOVABLES …………………………………………………………………………...... 11 1.3.1 Combustibles fósiles …………………………………………………………………………… 11 1.3.2 Combustibles nucleares ……………………………………………………………………… 14

CAPÍTULO II …………………………………………………………………………………………………………………………………… 15

2.1 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA ………………………………………………………………………. 16 2.1.1 Contaminantes primarios ……………………………………………………………………. 16 2.1.2 Contaminantes secundarios ………………………………………………………………… 16 2.1.3 Principales tipos de contaminantes atmosféricos ………………………………… 16

2.2 EFECTOS DE LOS GASES DE LA ATMOSFERA EN EL CLIMA Y ECOSISTEMAS ……….. 18 2.2.1 Efectos nocivos para la salud ………………………………………………………………. 19 2.2.2 Degradabilidad ……………………………………………………………………………………. 19

2.3 NORMATIVA ………………………………………………………………………………………………………. 20 2.3.1 Convenio de Vienna …………………………………………………………………………….. 20 2.3.2 Protocolo de Montreal ……………………………………………………………………...... 21 2.3.3 Protocolo de Kioto ………………………………………………………………………………. 21 2.3.4 Norma oficial mexicana NOM-086-ECOL-1994 ….……………………………...... 22

2.4 EL MERCADO DE “BONOS DE CARBONO” ………………………………………………………….. 24 2.4.1 Certificado de reducción de emisiones ………………………………………………… 24 2.4.2 Montos asignados anualmente …………………………………………………………… 24 2.4.3 Unidades de reducción de emisiones …………………………………………………… 24 2.4.4 Unidades de remoción de emisiones ……………………………………………………. 24 2.4.5 Compras spot ………………………………………………………………………………………. 24 2.4.6 Contratos de entrega futura ……………………………………………………………….. 25 2.4.7 Opciones ……………………………………………………………………………………………… 25

CAPÍTULO III ………………………………………………………………………………………………………………...………………. 26

3.1 DEFINICION DE OXIHIDROGENO Y SUS PROPIEDADES …………………………………………………… 27 3.1.1 Propiedades ……………………………………………………………………………………………………. 27 3.1.2 Producción ………………………………………………………………………………………………………. 27 3.1.3 Aplicaciones …………………………………………………………………………………………………… 27

3.2 METODOS DE PRODUCCION DEL OXIGENO ……………………………………………………………………… 28 3.2.1 Reformado del vapor de agua …………………………………………………………………………. 28 3.2.2 Gasificación …………………………………………………………………………………………………….. 29 3.2.3 Energía termal …………………………………………………………………………………….. 30 3.2.4 Electrolisis a alta temperatura ………………………………………………………………………… 30 3.2.5 Biofotolisis ………………………………………………………………………………………………………. 30 3.2.6 Electrólisis ……………………………………………………………………………………………………….. 31

3.3TIPOS DE CELDAS ELECTROLIZADORAS ………………………………………………………………… 32 3.3.1 Celda húmeda sumergible ………………………………………………………………………………. 32 3.3.2 Celda seca …………………………………………………………………………………………… 32

3.4ELEMENTOS QUE POTENCIALIZADORES PARA OBTENCION DE HIDROGENO …………………….. 33 3.4.1 El PWM (Pulse Width Modulator) modulador de ancho de pulso ………… 33 3.4.2 Electrolito ……………………………………………………………………………………………………… 33

3.5MEMORIA DE CÁLCULO ……………………………………………………………………………………………………. 35 3.5.1 Leyes de Faraday …………………………………………………………………………………………… 37 3.5.2 Consideraciones químicas ……………………………………………………………………………….. 38

3.6CONEXIONES Y CONFIGURACIONES ………………………………………………………………………………… 44 3.6.1 Leyes de Kirchhoff …………………………………………………………………………………………… 44 3.6.2 Comparaciones de conexiones en serie y paralelo …………………………………………… 47

CAPÍTULO IV ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 51 4.1 LA CELDA PROPUESTA ……………………………………………………………………………………………………… 52

4.1.1 Breviario …………………………………………………………………………………………………………. 52 4.1.2 Celda propuesta ………………………………………………………………………………………………. 52

4.2 CONSTRUCCION ………………………………………………………………………………………………………………. 53 4.2.1 Componentes de la celda seca …………………………………………………………….. 53 4.2.2 Armado de la celda propuesta ………………………………………………………………………… 59

4.3 CALCULO DE POTENCIA ……………………………………………………………………………………………………. 60 4.3.1 Resultados Conexiones y configuraciones ………………………………………………………… 62 4.3.2 Análisis de resultados ……………………………………………………………………………………… 68

4.4 DURACION Y COSTOS DEL PROYECTO DE LA CELDA PROPUESTA ……………………………………… 69 CONCLUSION ………………………………………………………………………………………………………………………………………. 72 REFERNCIAS BIBLIOGRAFICAS ……………………………………………………………………………………………………………… 73 CONTENIDO ANEXO …………………………………………………………………………………………………………………………… 74 RECOMENDACIONES TECNICAS ……………………………………………………………………………………………. 75 PROPIEDADES DE LOS ELEMENTOS …………………………………………………………………………………….. 77

Agua ……………………………………………………………………………………………………………. 77 Oxigeno ……………………………………………………………………………………………………….. 79 Hidrogeno ……………………………………………………………………………………………………. 80 Acero inoxidable ………………………………………………………………………………………….. 81 Sulfato de magnesio …………………………………………………………………………………….. 83 Hidróxido de potasio ……………………………………………………………………………………. 84 Hidróxido de sodio ………………………………………………………………………………………. 85 Sulfato de sodio …………………………………………………………………………………………… 86 Acido sulfúrico ……………………………………………………………………………………………. 87

TABLAS DE CONVERSIONES ……………………………………………………………………………………………….… 88 APÈNDICE ……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 91 GLOSARIO …………………………………………………………………………………………………………………………….. 96

INDICE DE FIGURAS

Fig. 1.1 Grafico del consumo de energías y proyecciones a 15 años. ………………………………………………………………….. 2 Fig. 1.2 Hélice para recolección de energía eólica. ……………………………………………………………………………………………… 3 Fig. 1.3 Aerogenerador. ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 4 Fig. 1.4 Paneles solares para generar energía solar. ………………………………………………………………………………………….. 5 Fig. 1.5 Ejemplo de aprovechamiento de Energía solar térmica en estufa solar. ………………………………………………… 5 Fig. 1.6 Esquema de una central geotérmica. …………………………………………………………………………………………………….. 6 Fig. 1.7 Ciclo y transformación de la biomasa. ……………………………………………………………………………………………………. 6 Fig. 1.8 Esquema de una central de biomasa. …………………………………………………………………………………………………….. 7 Fig. 1.9 Uso de turbinas en caudales para la generación de la energía hidráulica. ……………………………………………… 7 Fig. 1.10 Esquema de una central hidroeléctrica. ………………………………………………………………………………………………. 8 Fig. 1.11 Energía marte motriz y movimiento de olas. ……………………………………………………………………………………….. 8 Fig. 1.12 Producción, almacenamiento, transporte y utilización del hidrógeno en una economía basada en su uso como vector energético. …………………………………………………………………………

9

Fig. 1.13 Descomposición electrolítica del agua. ………………………………………………………………………………………………… 10 Fig. 1.14 Carbón mineral. …………………………………………………………………………………………………………………………………… 11 Fig. 1.15 Destilación y usos del petróleo. …………………………………………………………………………………………………………… 13 Fig. 1.16 Gas natural. …………………………………………………………………………………………………………………………………………. 14 Fig. 1.17 Principio de operación de una central nuclear. ……………………………………………………………………………………. 14 Fig. 2.1 Tipos de contaminantes. ………………………………………………………………………………………………………………………… 18 Fig. 2.2 Mayor agujero de ozono antártico registrado en septiembre/2006. ……………………………………………………… 20 Fig. 2.3 Posición de los diversos países en 2009 respecto del protocolo de Kioto. ……………………………………………… 22 Fig.2.4 Ejemplo de gráfica de precio y volúmenes de ton de CO2 comerciados en la unión europea. ………………… 25 Fig. 3.1 Proceso de reformado a vapor de agua. ………………………………………………………………………………………………… 28 Fig. 3.2 Proceso de gasificación. …………………………………………………………………………………………………………………………. 29 Fig. 3.3 Tecnologías de generación de hidrógeno. ……………………………………………………………………………………………… 30 Fig. 3.4 Proceso de electrólisis. ………………………………………………………………………………………………………………………….. 31 Fig. 3.5 Ejemplos de celdas húmedas. ………………………………………………………………………………………………………………… 32 Fig. 3.6 Ejemplos de celda seca. …………………………………………………………………………………………………………………………. 32 Fig. 3.7 Una señal de onda cuadrada de un PWM. ……………………………………………………………………………………………… 33 Fig. 3.8 Representación del flujo de electrones. …………………………………………………………………………………………………. 35 Fig. 3.9 Representación de flujo de amperes. …………………………………………………………………………………………………….. 36 Fig. 3.10 Representación de electrolisis y acción y reacción en una solución electrolítica. ……………..………………… 37 Fig. 3.11 Representación de reacciones en el ánodo y cátodo. …………………………………………………………………………… 38 Fig. 3.12 Volumen de los gases desprendidos. …………………………………………………………………………………………………… 43 Fig.3.13 Simulación en cocodryle chemistry. …………………………………………………………………………………………………….. 43 Fig. 3.14 ley de nodos o ley de corrientes de Kirchhoff. ……………………………………………………………………………………… 44 Fig. 3.15 ley de mallas o tensiones. ……………………………………………………………………………………………………………………. 44 Fig. 3.16 Circuito de resistencias en serie. …………………………………………………………………………………………………………. 45 Fig. 3.17 Circuito de resistencias en paralelo. …………………………………………………………………………………………………….. 45 Fig.3.18 Placas conectadas en serie. …………………………………………………………………………………………………………………… 47 Fig.3.19 Simulación en live wire conexiones en paralelo. ………………………………………………………………………………….. 47 Fig. 3.20 configuración +nnnnnn-. ……………………………………………………………………………………………………………………… 48 Fig. 3.21 Simulación en live wire conexión en serie. …………………………………………………………………………………………… 49 Fig. 4.1 Celda seca propuesta. ………………………………………………………………………………………………………………………….... 51 Fig. 4.2 placa de acrílico perforado. ……………………………………………………………………………………………………………………. 52 Fig. 4.3 Lamina de acero previamente lijado y perforado. ………………………………………………………………………………….. 53 Fig. 4.4 Placa de Etileno Vinil Acetato. ……………………………………………………………………………………………………………….. 54 Fig. 4.5 placa de Etileno Vinil Acetato recortada y perforada según los planos. …………………………………………………. 54 Fig. 4.6 placa de Etileno Vinil Acetato con muestra del diámetro de los sellos. ………………………………………………….. 55 Fig. 4.7 sellos o también llamados juntas. ………………………………………………………………………………………………………….. 55 Fig. 4.8 Conexiones rápidas para manguera de nylon. ……………………………………………………………………………………… 56 Fig. 4.9 Tornillería para armado de la celda. ………………………………………………………………………………………………………. 56 Fig. 4.10 tornillos hexagonales. ………………………………………………………………………………………………………………………….. 57 Fig. 4.11 celda seca 70% armada. ………………………………………………………………………………………………………………………. 58 Fig. 4.12 placa de acrílico central con conexiones de mangueras. ………………………………………………………………………. 58 Fig. 4.13 deposito de anticongelante Ford fiesta. ………………………………………………………………………………………………. 59 Fig. 4.14 Grafico de los resultados de las conexiones en serie y paralelo. …………………………………………………………… 67 Fig. 4.15 Diagrama de Gantt. ……………………………………………………………………………………………………………………………… 69 Fig. 4.16 Informe del costo previsto. ………………………………………………………………………………………………………………….. 70

INDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Tipos de contaminantes. …………………………………………………………………………………………………………………….. 18 Tabla 3.1 Los mejores electrolitos utilizados en electrolisis. ………………………………………………………………………………. 34 Tabla 3.2 Comportamiento del gas a distintas temperaturas. ……………………………………………………………………………. 42 Tabla 3.3 Expansión del gas con el incremento de temperatura. ……………………………………………………………………….. 42 Tabla 3.4 Resultados de producción de oxihidrógeno conexión de la celda en paralelo. ……………………………………. 48 Tabla 3.5 Resultados de producción de oxihidrógeno conexión de la celda en serie. …………………………………………. 49 Tabla 4.1 Resultados de conexiones en serie y paralelo. …………………………………………………………………………………… 67 Tabla 4.2 costo total del proyecto. …………………………………………………………………………………………………………………….. 68 Tabla 4.3 duración del proyecto. ……………………………………………………………………………………………………………………….. 69

Introducción

i

Físicamente, la energía es el trabajo acumulado, todo aquello que es susceptible de convertirse en trabajo útil. Se podría decir que la energía es el alimento de toda actividad humana. Desde el advenimiento de la revolución industrial, el consumo energético mundial ha crecido de forma continua. En 1890 el consumo de combustibles fósiles alcanzo al de biomasa utilizada en la industria y en los hogares; durante los últimos siglos se observo un rápido incremento en el uso de los combustibles fósiles. La energía ha llegado a convertirse en una magnitud indicativa del desarrollo tecnológico y económico de los pueblos. Como se ha indicado anteriormente, la energía siempre ha tenido una importancia para el desarrollo de la humanidad, pero en la sociedad actual ha dejado de ser importante para ser imprescindible, siendo una necesidad primaria al igual que la alimentación, la comunicación, etc. El cual ha llegado a un nivel alto en el consumo de energías y por consiguiente el agotamiento de energías no renovables. No solamente se trata de un problema de agotamiento de reservas de petróleo o combustibles fósiles si no también de problemas de salud publica, cambios de comportamiento atmosférico cambios climáticos y destrucción de ecosistemas. Actualmente, están cobrando mayor importancia a causa de del agravamiento del efecto invernadero y el consecuente calentamiento global, por ello se han creado normativas que están enfocadas en castigar y hacer una mayor toma de conciencia a nivel internacional, con respecto a dicho problema. Según la Comisión Ambiental Metropolitana (CAM), “existe evidencia abundante, que indica que los niveles de ozono que mide habitualmente en las áreas metropolitanas mas pobladas, son dañinos para la población en general”. El ozono es el componente mas conocido de la contaminación atmosférica en la capital del país. En la cuenca del valle de México (que incluye el área metropolitana del Distrito Federal y la de municipios conurbados del estado de México), el nivel de ozono mas alto en casi dos veces mayor que lo establecido por la norma federal. Frente a los efectos contaminantes y el agotamiento de los combustibles fósiles como el petróleo o el carbón, las energías renovables son ya una alternativa. Las energías renovables son energías limpias, se reciclan y contribuyen a cuidar el medio ambiente, proceden de fuentes naturales que son inagotables, son energías procedentes de fuentes como el sol, el aire, el agua, biomasa, etc. Y no emiten gases contaminantes y son básicas para frenar el calentamiento global y el cambio climático; Frente a los recursos finitos de las energías fósiles, las energías renovables ofrecen un potencial prácticamente ilimitado. La producción de energías renovables a nivel local, reduce los costes de transportes que tienen las energías fósiles. Potenciar las energías renovables crea puestos de trabajo. Las energías renovables por su disponibilidad estarán sujetas a menos fluctuaciones de precios, al contrario que el petróleo o el gas. El presente trabajo esta enfocado a la construcción de una celda de oxihidrógeno que es muy compacta y puede ser instalada en cualquier lugar que se requiera; es una celda de alto desempeño, el cual fue diseñado para obtener gas altamente explosivo, que podrá sustituir total o parcialmente el consumo de productos contaminantes residuales de la combustión de combustibles fósiles y derivados del petróleo, reduciendo de esta manera residuos altamente tóxicos liberados a la atmosfera.

Objetivo

ii

Éste proyecto tiene como objetivo, diseñar, construir y determinar la cantidad de oxihidrógeno desprendido en celdas en serie o paralelo dentro de un reactor (generador) de oxihidrógeno por medio de formulas químicas y matemáticas a partir de la electrolisis del agua por bajo voltaje y alto amperaje, para fabricar reactores de hidrogeno con las proporciones mas exactas a sus necesidades presentando la celda electroquímica seca o celda electroquímica no sumergible en frio, para comprobar el producto como alternativa para su uso como combustible viable y limpio en todo tipo de vehículos, motores de combustión interna, cocinas, calentadores de agua, calefacción, calderas y para las plantas eléctricas. Este proyecto también fue creado para que el reactor pueda ser:

Compacto para que se pueda instalar en cualquier lugar

Económico para que estén al alcance de cualquier bolsillo o persona, utilizando materiales de los campos de la manufactura plástica, metálica y eléctrica, con los materiales menos sofisticados y a la vez muy económicos.

Eficiente en la generación de hidrogeno para lograr un funcionamiento “sobre demanda” eliminando los

riesgos inherentes al almacenajes de este combustibles, y que puedan lograr un autentico ahorro en el consumo de combustibles fósiles y en consecuencia una disminución en la contaminación de nuestra atmosfera.

Justificación

iii

El consumo de un millón de litros de gasolina comporta la emisión de 2,400 toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera. Son datos que explican la importancia de encontrar un carburante que perjudique menos al entorno y a la salud de los seres humanos. Debido a la necesidad que se tiene actualmente por reducir el nivel de contaminantes presentes en nuestra atmosfera, ya que estos son los principales causantes de problemas como el efecto invernadero, la variación de los regímenes climatológicos, entre otros que están afectando seriamente a la humanidad, surge la necesidad de buscar nuevas soluciones que contribuyan al mejoramiento de estos problemas sin recurrir a limitaciones en la producción de energía, ya que esto implicaría un retraso tanto en el desarrollo económico, cultural como en el tecnológico de nuestro país. Teniendo en cuenta que los beneficios e intereses de las energías alternas con solución energética van mas allá de la reducción de costos únicamente, se presenta además que el mayor uso de estas, brindan la oportunidad de reducir la dependencia con los combustibles fósiles como también de disminuir la contaminación ambiental, debido a que causa un efecto notablemente menor sobre el medio ambiente. De lo expuesto anteriormente se llega a la conclusión de que una buena solución se encuentra en cambiar de base energética utilizando combustible con el cual se puedan eliminar o reducir notablemente las emisiones de contaminantes a la atmosfera y esto es precisamente lo que se lograría con el uso de una fuente alterna de energía. El combustible que se propone como solución es el oxihidrógeno. Se ha seleccionado al oxihidrógeno como el combustible que puede dar solución a dichos problemas debido a que:

El oxihidrógeno cuya base de obtención es el agua, es muy abundante y puede ser utilizado tanto en países energéticamente pobres, como en los países ricos.

El petróleo crudo y el gas natural son abastecedores de energía limitados. El oxihidrógeno puede ser utilizado como recurso energético. El oxihidrógeno puede llegar a sustituir a los combustibles utilizados actualmente. Los productos de la combustión del oxihidrógeno son considerados no contaminantes Este es un proyecto de bajo costo y competitivo. La energía acumulada en una tonelada de carbón convertida a oxihidrógeno hace que un vehículo recorra

1030 km El oxihidrógeno es una fuente energética que puede cumplir con la necesidad de adoptar otras fuentes de

energía además de la electricidad para suplir las deficiencias en el sector del transporte.

1

CAPÍTULO I

En el capítulo I se entenderá el concepto de energía y energía como recurso natural, recopilación de información, que expone, en resumen el concepto de energía y como ha sido utilizada como recurso natural, durante varias décadas, su crecimiento en los últimos años y sus proyecciones a 15 años. En este capitulo también se expone la clasificación de las energías (renovables y no renovables).

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1.1 ENERGÍA La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo. La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica. Desde el punto de vista tecnológico y económico, es un recurso natural primario o derivado, que permite realizar trabajo o servir de subsidiario a actividades económicas independientes de la producción de energía. Como todas las formas de energía una vez convertidas en la forma apropiada son básicamente equivalentes, toda la producción de energía en sus diversas formas puede ser medida en las mismas unidades. Una de las unidades mas comunes es la tonelada equivalente de carbón que equivale a: 29.3 x 10

9 Joules o 8138.9 kWh.

1.1.1 La energía como recurso natural Las Fuentes de energía son los recursos existentes en la naturaleza de los que la humanidad puede obtener energía utilizable en sus actividades.

Fig. 1.1 Grafico del consumo de energías y proyecciones a 15 años.

1.1.2 Clasificación de las fuentes de energía. Es común clasificar las fuentes de energía según incluyan el uso irreversible o no, de ciertas materias primas, como combustibles o minerales radioactivos. Según este criterio se habla de dos grandes grupos de fuentes de energía explotables tecnológicamente

Renovables No renovables

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1.2 ENERGIAS RENOVABLES Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, unas son renovables por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Las energías renovables han constituido una parte importante de la energía utilizada por los humanos desde tiempos remotos, especialmente la solar, la eólica, y la hidráulica. La navegación a vela, los molinos de viento o de agua y las disposiciones constructivas de los edificios para aprovechar la del sol, son buenos ejemplos de ello. Con el invento de la maquina de vapor por James Watt, se van abandonando estas formas de aprovechamiento, por considerarse inestables en el tiempo y caprichosas y se utilizan mas los motores térmicos y eléctricos, en una época en que todavía escaso consumo, no hacia prever un agotamiento de las fuentes, ni otros problemas ambientales que mas tarde se presentaron. Hacia la década de 1970 las energías renovables se consideraron una alternativa a las energías tradicionales, tanto por su disponibilidad presente y futura garantizada (a diferencia de los combustibles fósiles que precisan miles de años para su formación o regeneración) como su menor impacto ambiental en el caso de las energías limpias, y por esa razón fueron llamadas energías alternativas. Actualmente muchas de esas energías son una realidad, no una alternativa, por lo que el nombre de alternativas ya no debería emplearse. Entre estas energías renovables más comunes y más comerciales tenemos:

Eólica: Producida por el movimiento del aire Solar: Utiliza radiación solar. Geotérmica: Uso de vapor de agua que surge bajo presión del subsuelo. Biomasa: Utiliza la descomposición de los residuos orgánicos. Hidráulica: Derivada de la evaporación y flujo del agua. Mareomotriz: Derivada de las corrientes marítimas.

1.2.1 Energía eólica Energía producida por el viento la cual esta ocasionada por las diferencias térmicas en la atmósfera. La energía eólica ha sido siempre ejercida por el hombre en forma secundaria, para la navegación y en 1a utilización local como los molinos de vientos. El viento es una fuente inagotable y no contaminante, pero es irregular y el sistema de almacenaje en baterías ha sido desarrollado, pero necesita mayor perfección.

Fig. 1.2 Hélice para recolección de energía eólica.

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El viento es una manifestación indirecta de la energía del sol, el 0.7 % de esta relación es transmitida en energía cinética de los vientos. La energía del viento se deriva del calentamiento diferencial de la atmósfera por el sol, y las irregularidades de la superficie terrestre. Aunque sólo una pequeña parte de la energía solar que llega a la tierra se convierte en energía cinética del viento, la cantidad total es enorme. La potencia de los sistemas conversores de energía eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento, por lo que la velocidad promedio del viento y su distribución en un sitio dado son factores muy importantes en la economía de los sistemas. El recurso energético eólico es muy variable tanto en el tiempo como en su localización. La variación con el tiempo ocurre en intervalos de segundos y minutos (rachas), horas (ciclos diarios), y meses (variaciones estaciónales).

Fig. 1.3 Aerogenerador.

1.2.2 Energía solar La energía solar es la energía obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol. La radiación solar que alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser humano desde la Antigüedad, mediante diferentes tecnologías que han ido evolucionando con el tiempo desde su concepción. En la actualidad, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de captadores como células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, que pueden transformarla en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias, que puede hacer considerables contribuciones a resolver algunos de los más urgentes problemas que afronta la Humanidad. Energía radiante producida en el sol como resultado de reacciones nucleares de fusión. Llega a la tierra a través del espacio en y la energía llamada fotón, que interactúan con la atmósfera superficie terrestres. En lo que se refiere a aspectos técnicos de la energía solar, podemos observar dos vertientes: Por un lado, tenemos la energía solar fotovoltaica que es un tipo de electricidad renovable obtenida directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor denominado célula fotovoltaica, o una deposición de metales sobre un sustrato llamada célula solar de película fina.

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Este tipo de energía se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas de la red eléctrica y para producir electricidad a gran escala a través de redes de distribución. Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años.

Fig. 1.4 Paneles solares para generar energía solar.

Por otro lado, la energía solar térmica, que es la forma de aprovechar el calor solar directamente (sin transformaciones intermedias) para beneficio y disfrute del ser humano: calefacción, agua caliente, procesos industriales,… también hay que señalar la relevancia que tiene en nuestros días el aprovechamiento pasivo de la radiación que nos llega del sol, que consiste en aprovechar de una forma pasiva las cualidades tanto climáticas como lumínicas de la radiación solar para el acondicionamiento de espacios, con una visión arquitectónica y constructiva más respetuosa con el medio ambiente (y a la vez más inteligente), con la que se logrará ahorrar gran cantidad de energía.

Fig. 1.5 Ejemplo de aprovechamiento de

Energía solar térmica en estufa solar.

1.2.3 Energía geotérmica El termino geotermia se refiere a la energía térmica producida en el interior de la tierra. el calor telúrico es conducido a través del manto hacia la superficie terrestre que asciende con un flujo promedio haciéndose difuso para las aplicaciones practicas, dado que existen zonas anómalas en las cuales la variación de la temperatura es mayor; esto puede ser en las zonas volcánicas, o en contacto entre placas corticales. Los sistemas conectivos de agua subterránea captan dicho calor, alcanzando la superficie a través de rocas porosas o fallas geológicas. Su aplicación práctica principal es la localización de yacimientos naturales de agua caliente, fuente de la energía geotérmica, para su uso en generación de energía eléctrica, en calefacción o en procesos de secado industrial. El calor se produce entre la corteza y el manto superior de la tierra, sobre todo por desintegración de elementos radiactivos.

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Esta energía geotérmica se transfiere a la superficie por difusión, por movimientos de convección en el magma (roca fundida) y por circulación de agua en las profundidades. Sus manifestaciones hidrotérmicas superficiales son, entre otras, los manantiales calientes, los géiseres y las fumarolas. Los primeros han sido usados desde la antigüedad con propósitos Terapéuticos y recreativos. Los colonos escandinavos en Islandia llevaban agua desde las fuentes calientes cercanas hasta sus viviendas a través de conductos de madera.

Fig. 1.6 Esquema de una central geotérmica.

1.2.4 Biomasa como energía La biomasa, al igual que la eólica, proviene en última instancia de la energía solar convertida por la vegetación, por medio de la fotosíntesis en materia orgánica. Dicha conversión puede ser por combustión directa o por la transformación de la materia en otros combustibles.

Fig. 1.7 Ciclo y transformación de la biomasa

La biomasa es materia viva que ha estado viva recientemente. Pueden ser un conjunto de materia biológicamente renovable, (madera, células, resto de comida), por extensión, la energía que proviene de la fermentación o la combustión, o sea del quemado de los desechos o por la fermentación de los desechos orgánicos que están sepultados. De las dos formas se puede obtener gas o electricidad.

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El término es utilizado con mayor frecuencia en las discusiones relativas a la energía de biomasa, es decir, al combustible energético que se obtiene directa o indirectamente de recursos biológicos. La energía de biomasa que procede de la madera, residuos agrícolas y estiércol, continúa siendo la fuente principal de energía de las zonas en desarrollo. Ejemplo en la provincia de Sichuan, en china, donde se obtiene gas a partir de estiércol. Los combustibles derivados de la biomasa abarcan varias formas diferentes, entre ellas los combustibles de alcohol el estiércol y la leña. El proceso de fermentación, tiene dos grupos esenciales de bacteria: El primer grupo licua y transforma los compuestos en ácidos. El segundo grupo fermenta los ácidos convirtiéndolos en gas metano.

Fig.1.8 Esquema de una central de biomasa.

1.2.5 Energía hidráulica La energía hidráulica es una energía limpia, y autosuficiente, es la que se obtiene del aprovechamiento del movimiento del agua. En otras palabras, es la transformación de la energía potencial y cinética de un curso de agua en energía eléctrica disponible. Esta obtiene de la caída del agua desde cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas. La hidroelectricidad es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua. Su desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivación, y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad.

Fig. 1.9 Uso de turbinas en caudales para la generación de la energía hidráulica.

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La energía hidroeléctrica se encuentra en un punto muy avanzado respecto al desarrollo tecnológico Energía eléctrica obtenida por la fuerza hidráulica y funciona de la siguiente manera: El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas y turbinas para adecuar el flujo de agua con respecto a la demanda de electricidad. El agua que entra en la turbina sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y conectados con árboles verticales.

El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales.

1.2.6 Energía mareomotriz El mar es una enorme reserva energética, por ocupar gran parte de la superficie del planeta. La energía de las mareas puede emplearse para producir electricidad. En el verano de 1966 se puso en marcha una planta de energía mareomotriz de 240.000 kW. En el río Rance, un estuario del canal de la mancha, en el noroeste de Francia. La marea ascendente del río fluye a través de un dique, mueve unas turbinas y luego queda retenida tras él. Cuando la marea desciende, el agua atrapada se libera, atraviesa el dique y mueve de nuevo las turbinas. Estas plantas de energía mareomotriz desarrollan su máxima eficiencia cuando la diferencia entre las mareas alta y baja es grande, como en el estuario de Rance, donde es de 8,5 metros. Las mareas altas mayores del mundo se producen en la bahía de Fundy en Canadá, donde hay una diferencia de unos 18 metros.

Fig. 1.11 Energía marte motriz y movimiento de olas

Fig.1.10 Esquema de una central hidroeléctrica.

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1.2.7 Hidrogeno H2 En el panorama actual, una fuente de energía, realmente esperanzadora, resulta ser el hidrógeno, el elemento más abundante en el universo. Sin embargo, en nuestro planeta difícilmente encontraremos el hidrógeno en su forma elemental, sino en compuestos y unido a otros elementos, por lo cual se recurre a diversos procesos para su obtención. Hoy en día se utilizan celdas electrolizadoras o celdas electroquímicas para la obtención de hidrogeno (H2). El hidrógeno (H2) es un gas en condiciones normales de presión y temperatura, que está formado por dos átomos de hidrógeno, el átomo más sencillo que se conoce y el más abundante de la naturaleza pues es el principal elemento en las estrellas, aun nuestro Sol. El hidrógeno es el compuesto que almacena la mayor cantidad de energía por unidad de peso (33,3 Wh/g, comparado con 11,4 Wh/g del gas natural o 12,0 Wh/g de la nafta, todos los valores expresados en Watt-hora/gramo). Su combustión con el oxígeno del aire produce agua, es decir que no es contaminante.

2H2 + O2 = 2H2O. …………………………………………………….……………………Formula (1.1)

En la Tierra se encuentra mayormente como agua (líquida, vapor, hielo) o combinado con otros elementos formando compuestos como metano o gas natural (CH4), metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH) o hidrocarburos (CnHm). Por ello debe gastarse energía en producirlo a partir de estos compuestos. El H2 se utiliza principalmente en la industria química para la obtención de fertilizantes, amoníaco y metanol, en la industria petroquímica para procesos de hidrogenación y en menor medida en metalurgia, como reductor en la obtención del hierro esponja, en la industria electrónica y en la aeroespacial. El H2 es un gas más liviano que el aire, fácilmente inflamable, que difunde rápidamente y arde con llama invisible. Tiene un amplio ámbito de inflamabilidad en sus mezclas con aire (4 a 75%) y los límites de detonación en aire van de 18 a 59%. Esto indica que es un gas peligroso de utilizar y si bien fue muy utilizado a principios del siglo XX en dirigibles. Sin embargo, cuando se lo compara con otros combustibles utilizados comúnmente, tales como el gas natural o la nafta, se observa que su temperatura de auto ignición (585°C) no es mucho menor que la del gas natural (630°C) y es muy superior a la de la nafta (215°C), mientras que su límite inferior de detonación en aire es 18% v/v (esto es, el volumen de la sustancia es el 18% del volumen total de la mezcla), mientras que la del gas y la nafta son sensiblemente menores (6,3 y 1,1% respectivamente). Si además se considera que es el gas más liviano y que difunde fácilmente, por lo que es difícil de acumular en ambientes ventilados, se concluye que su uso no implica una peligrosidad mayor a la de otros combustibles ampliamente empleados por el público.

Fig. 1.12 Producción, almacenamiento, transporte y utilización del hidrógeno en una economía basada

en su uso como vector energético.

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1.2.8 Oxihidrógeno

El oxihidrógeno (HHO) es una mezcla de hidrógeno diatómico y oxígeno en proporción que se asume de 2:1, misma proporción del agua. Cuando esta mezcla se enciende, la combustión produce agua así como 142,35 kJ (34.116 calorías) de calor por cada gramo de hidrógeno quemado. El oxihidrógeno se produce habitualmente a partir de la electrólisis del agua. Descubierto por el búlgaro Yull Brown. En la actualidad, la electrólisis del agua es una tecnología conocida. La electrólisis del agua es la descomposición de agua (H2O) en los gases oxígeno(O2) e hidrógeno (H2) por medio de una corriente eléctrica a través del agua. Este proceso electrolítico se usa raramente en aplicaciones industriales debido a que el hidrógeno puede ser producido a menor costo por medio de combustibles fósiles. Una fuente de energía eléctrica se conecta a dos electrodos, o dos platos (típicamente hechos de algún metal inerte como el platino o el acero inoxidable), los cuales son puestos en el agua. En una celda propiamente diseñada, el hidrógeno aparecerá en el cátodo (el electrodo negativamente cargado, donde los electrones son bombeados al agua), y el oxígeno aparecerá en el ánodo (el electrodo positivamente cargado). El volumen de hidrógeno generado es el doble que el de oxígeno, y ambos son proporcionales al total de carga eléctrica que fue enviada por el agua. Sin embargo, en varias celdas las reacciones del lado competidor dominan, resultando en diferentes productos. La electrolisis de agua pura requiere una gran cantidad de energía extra en forma de sobre potencial para romper varias barreras de activación. Sin esa energía extra la electrólisis de agua pura ocurre muy lentamente si es que logra suceder. Esto es en parte debido a la limitada autoionización del agua. El agua pura tiene una conductividad eléctrica alrededor de una millonésima parte de la del agua de mar. Varias celdas electrolíticas pueden no tener los electrocatalizadores requeridos. La eficacia de la electrólisis aumenta con la adición de un electrolito (como la sal, un ácido o una base) y el uso de electrocatalizadores.

Fig. 1.13 Descomposición electrolítica del agua

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1.3 ENERGÍAS NO RENOVABLES Las Fuentes de energía no renovables se refieren a aquellas fuentes de energía que se encuentra en la naturaleza en una cantidad limitada y una vez consumidas en su totalidad, no pueden sustituirse, ya que no existe sistema de producción o extracción viable. Dentro de las energías no renovables existen dos tipos de combustibles: o Combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). o Combustibles nucleares.

1.3.1 Combustibles fósiles. Son combustibles fósiles el carbón, el petróleo y el gas natural. Provienen de restos de seres vivos enterrados hace millones de años, que se transformaron bajo condiciones adecuadas de presión y temperatura. El combustible fósil puede utilizarse directamente, quemándolo para obtener calor y movimiento en hornos, estufas, calderas, y motores. También puede usarse para generar electricidad en las centrales térmicas o termoeléctrica, en las cuales, con el calor generado al quemar estos combustibles se obtiene vapor de agua que, conducido a presión, es capaz de poner en funcionamiento un generador eléctrico, normalmente una turbina. Las principales desventajas del uso de los combustibles fósiles se anuncian a continuación:

Su uso produce la emisión de gases que resultan tóxicos para la vida.

Se produce un agotamiento de las reservas a corto o mediano plazo.

Su extracción es peligrosa.

Su combustión genera problemas ambiéntales, especialmente si contiene un índice elevado de azufre. Contribuye al efecto invernadero y la lluvia ácida.

Carbón El carbón o carbón mineral es una roca sedimentaria de color negro, muy rica en carbono, utilizada como combustible fósil. Suele localizarse bajo una capa de pizarra y sobre una capa de arena y arcilla. Se cree que la mayor parte del carbón se formó durante el período Carbonífero (hace 359 a 299 millones de años).

Fig. 1.14 carbón mineral

El carbón se origina por la descomposición de vegetales terrestres que se acumulan en zonas pantanosas, lagunares o marinas, de poca profundidad. Los vegetales muertos se van acumulando en el fondo de una cuenca. Quedan cubiertos de agua y, por lo tanto, protegidos del aire que los destruiría. Comienza una lenta transformación por la acción de bacterias anaerobias, un tipo de microrganismos que no pueden vivir en presencia de oxígeno. Con el tiempo se produce un progresivo enriquecimiento en carbono.

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Posteriormente pueden cubrirse con depósitos arcillosos, lo que contribuirá al mantenimiento del ambiente anaerobio, adecuado para que continúe el proceso de carbonificación. El carbón suministra el 25% de la energía primaria consumida en el mundo, sólo por detrás del petróleo. Además es de las primeras fuentes de energía eléctrica, con 40% de la producción mundial (datos de 2006). Las aplicaciones principales del carbón son:

1. Generación de energía eléctrica. Las centrales térmicas de carbón pulverizado constituyen la principal fuente mundial de energía eléctrica.

2. Coque. El coque es el producto de la pirolisis del carbón en ausencia de aire. Es utilizado como

combustible y reductor en distintas industrias, principalmente en los altos hornos (coque siderúrgico). Dos tercios del acero mundial se producen utilizando coque de carbón, consumiendo en ello 12% de la producción mundial de carbón

3. Siderurgia. Mezclando minerales de hierro con carbón se obtiene una aleación en la que el hierro se

enriquece en carbono, obteniendo mayor resistencia y elasticidad. Dependiendo de la cantidad de carbono, se obtiene:

Hierro dulce: menos del 0,2 % de carbono. Acero: entre 0,2 % y 1,2 % de carbono. Fundición: más del 1,2 % de carbono.

4. Industrias varias. Se utiliza en las fábricas que necesitan mucha energía en sus procesos, como las fábricas

de cemento y de ladrillos. 5. Uso doméstico. Históricamente el primer uso del carbón fue como combustible doméstico. Aún hoy sigue

siendo usado para calefacción, principalmente en los países en vías de desarrollo, mientras que en los países desarrollados ha sido desplazados por otras fuentes más limpias de calor (gas natural, propano, butano, energía eléctrica) para rebajar el índice de contaminación.

Petróleo Es un líquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la industria química. el petróleo y sus derivados se emplean para fabricar medicinas, fertilizantes, productos alimenticios, objetos de plástico, materiales de construcción, pinturas o textiles y para generar electricidad. Todos los tipos de petróleo se componen de hidrocarburos, aunque también suelen contener unos pocos compuestos de azufre y de oxígeno. El petróleo contiene elementos gaseosos, líquidos y sólidos. La consistencia varía desde un líquido tan poco viscoso como la gasolina hasta un líquido tan espeso que apenas fluye. El petróleo se forma bajo la superficie terrestre por la descomposición de organismos marinos. Los restos de animales minúsculos que viven en el mar se mezclan con las arenas y limos que caen al fondo en las cuencas marinas tranquilas. Estos depósitos, ricos en materiales orgánicos, se convierten en rocas generadoras de crudo. El proceso comenzó hace muchos millones de años, cuando surgieron los organismos vivos en grandes cantidades, y continúa hasta el presente. Los sedimentos se van haciendo más espesos y se hunden en el suelo marino bajo su propio peso. A medida que van acumulándose depósitos adicionales, la presión sobre los situados más abajo se multiplica por varios miles, y la temperatura aumenta en varios cientos de grados.

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El cieno y la arena se endurecen y se convierten en esquistos y arenisca; los carbonatos precipitados y los restos de caparazones se convierten en caliza, y los tejidos blandos de los organismos muertos se transforman en petróleo y gas natural. Una vez formado el petróleo, éste fluye hacia arriba a través de la corteza terrestre porque su densidad es menor que la de las salmueras que saturan los intersticios de los esquistos, arenas y rocas de carbonato que constituyen dicha corteza. El petróleo y el gas natural ascienden a través de los poros microscópicos de los sedimentos situados por encima. Con frecuencia acaban encontrando un esquisto impermeable o una capa de roca densa: el petróleo queda atrapado, formando un depósito. Sin embargo, una parte significativa del petróleo no se topa con rocas impermeables sino que brota en la superficie terrestre o en el fondo del océano. Entre los depósitos superficiales también figuran los lagos bituminosos y las filtraciones de gas natural.

Fig. 1.15 Destilación y usos del petróleo

Gas natural El gas natural es una de las varias e importantes fuentes de energía no renovables formada por una mezcla de gases ligeros que se encuentra en yacimientos de petróleo, disuelto o asociado con el petróleo (acumulación de plancton marino) o en depósitos de carbón. Aunque su composición varía en función del yacimiento del que se saca, está compuesto principalmente por metano en cantidades que comúnmente pueden superar el 90 ó 95% (p. ej., el gas no-asociado del pozo West Sole en el Mar del Norte), y suele contener otros gases como nitrógeno, Ácido Sulfhídrico, helio y mercaptanos. Como ejemplo de contaminantes cabe mencionar el gas no-asociado de Kapuni (NZ) que contiene hasta 49% de CO2. Como fuentes adicionales de este recurso natural, se están investigando los yacimientos de hidratos que, según estimaciones, pueden suponer una reserva energética muy superiores a las actuales de gas natural. Puede obtenerse también con procesos de descomposición de restos orgánicos (basuras, vegetales - gas de pantanos) en las plantas de tratamiento de estos restos (depuradoras de aguas residuales urbanas, plantas de procesado de basuras, de desechos orgánicos animales, etc.). El gas obtenido así se llama biogás.

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Algunos de los gases que forman parte del gas natural cuando es extraído se separan de la mezcla porque no tienen capacidad energética (nitrógeno o CO2) o porque pueden depositarse en las tuberías usadas para su distribución debido a su alto punto de ebullición. Si el gas fuese criogénicamente licuado para su almacenamiento, el dióxido de carbono (CO2) solidificaría interfiriendo con el proceso criogénico. El CO2 puede ser determinado por los procedimientos ASTM D 1137 o ASTM D 1945. El propano, butano e hidrocarburos más pesados en comparación con el gas natural son extraídos, puesto que su presencia puede causar accidentes durante la combustión del gas natural. El vapor de agua también se elimina por estos motivos y porque a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente y presiones altas forma hidratos de metano que pueden obstruir los gasoductos. Los compuestos de azufre son eliminados hasta niveles muy bajos para evitar corrosión y olores perniciosos, así como para reducir las emisiones de compuestos causantes de lluvia ácida. La detección y la medición de H2S se puede realizar con los métodos ASTM D2385 o ASTM D 2725. Para uso doméstico, al igual que al butano, se le añaden trazas de compuestos de la familia de los mercaptanos entre ellos el metil-mercaptano, para que sea fácil detectar una fuga de gas y evitar su ignición espontánea.

Fig. 1.16 Gas natural

1.3.2 Combustibles nucleares. Pueden ser combustibles nucleares como el uranio y el plutonio, en general todos aquellos elementos fisibles adecuados al reactor. Son elementos químicos capaces de producir energía por fisión nuclear. La energía nuclear se utiliza para producir electricidad en las centrales nucleares. La forma de producción es muy parecida a la de las centrales termoeléctricas, aunque el calor no se produce por combustión, sino mediante la fisión de materiales fisibles.

Fig. 1.17 Principio de operación de una central nuclear.

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CAPÍTULO II

En este capitulo se hablara de la contaminación atmosférica y contaminantes primarios y secundarios, también se hablara de su clasificación, producido por el consumo excesivo de productos o materiales no biodegradables como material Vegetal, agrícola, grasa, brea, papel, hule, plásticos, madera y metales; la quema de hidrocarburos y combustibles fósiles teniendo como resultado gases contaminantes y venenosos como el dióxido de azufre (SO2), monóxido de nitrógeno (NO), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO). Por otra parte se verán los contaminantes líquidos, como descargas de desechos domésticos, agrícolas, e industriales, drenajes de minas, fugas de fosas sépticas, minerales disueltos, desechos humanos y de animales, compuestos químicos sintéticos, y material coloidal y en suspensión; para ello, se han creado normativas o leyes de prevención y control de consumo de productos que contaminan el ambiente, sancionando a toda aquella persona que atente contra la salud de la vida humana, la flora y la fauna. También se ha implementado en varios países un sistema llamados bonos de carbono el cual se utilizara como herramienta para la reducción de emisiones contaminantes.

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2.1 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA Se entiende por contaminación atmosférica a la presencia en la atmósfera de sustancias en una cantidad que implique molestias o riesgo para la salud de las personas y de los demás seres vivos, bienes de cualquier naturaleza, así como que puedan atacar a distintos materiales, reducir la visibilidad o producir olores desagradables. El nombre de la contaminación atmosférica se aplica por lo general a las alteraciones que tienen efectos perniciosos en los seres vivos y los elementos materiales, y no a otras alteraciones inocuas. Los principales mecanismos de contaminación atmosférica son los procesos industriales que implican combustión, tanto en industrias como en automóviles y calefacciones, que generan dióxido y monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y azufre, entre otros contaminantes. Igualmente, algunas industrias emiten gases nocivos en sus procesos productivos, como cloro o hidrocarburos que no han realizado combustión completa; dentro de la contaminación atmosférica existen dos tipos de contaminantes, los contaminantes primarios y los contaminantes secundarios.

2.1.1 Contaminantes primarios Primarios son los que se emiten directamente a la atmósfera como el dióxido de azufre SO2, que daña directamente la vegetación y es irritante para los pulmones.

2.1.2 Contaminantes secundarios Son aquellos que se forman mediante procesos químicos atmosféricos que actúan sobre los contaminantes primarios o sobre especies no contaminantes en la atmósfera. son importantes contaminantes secundarios el ácido sulfúrico (H2SO4), que se forma por la oxidación del azufre (S), el dióxido de nitrógeno (NO2), que se forma al oxidarse el contaminante primario nitrógeno (N) y el ozono(O3), que se forma a partir del oxígeno O2. Ambos contaminantes, primarios y secundarios pueden depositarse en la superficie de la tierra por deposición seca o húmeda e impactar en determinados receptores, como personas, animales, ecosistemas acuáticos, bosques, cosechas y materiales. En todos los países existen unos límites impuestos a determinados contaminantes que pueden incidir sobre la salud de la población y su bienestar.

2.1.3 Principales tipos de contaminantes atmosféricos Contaminantes solidos En la actualidad, el volumen de desechos ha aumentado de manera crítica por el desmedido consumo de productos que vienen en los envases llamados no retornables que proliferan día a día; el público en general, no se percata de éstos residuos agravan el problema de la manipulación y disposición de los desechos sólidos. Aunque la composición de la basura es heterogénea, sus componentes se pueden agrupar en función de la posibilidad de degradación biológica. Así, existen materiales de fácil degradación, constituida por materia orgánica putrescible, generalmente, por restos de alimentos; materiales de degradación lenta como los aceites, huesos, papel, trapo y algunos plásticos y otros materiales; y otros que no pueden ser degradados como el vidrio y la mayoría de los plásticos. Los tiraderos de basura también contaminan las aguas; cuando las lluvias o sus escurrimientos atraviesan lentamente los depósitos de basura que está fermentando, arrastran sustancias tóxicas y gérmenes patógenos al subsuelo hasta que llegan a las aguas freáticas (subterráneas) u otros acuíferos por escorrentía. Como la basura contiene cantidades variables de materia susceptible de ser putrefacta, las bacterias aerobias inician su proceso de descomposición en los tiraderos; cuando el aire atrapado se consume, son los organismos anaerobios los que entran en acción, produciendo gases altamente tóxicos y de mal olor como el metano, el ácido sulfhídrico, el amoniaco, entre otros.

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Por otra parte, cuando sube la temperatura, la presencia de los gases inflamables pueden originar combustiones espontáneas, de las que surgen grandes cantidades de humos que, junto con los polvos, partículas y olores que arrastra el viento, contaminando la atmósfera. Como se puede observar los tiraderos de basura son fuentes de contaminación del aire, agua y suelo. Contaminantes gaseosos En ambientes exteriores e interiores los vapores y contaminantes gaseosos aparece en diferentes concentraciones. Los contaminantes gaseosos más comunes son el dióxido de carbono (CO2), el monóxido de carbono (CO), los hidrocarburos, los óxidos de nitrógeno (NO), los óxidos de azufre (SO) y el ozono (O3). Diferentes fuentes producen estos compuestos químicos pero la principal fuente artificial es la quema de combustible fósil. La contaminación del aire interior es producida por el consumo de tabaco, el uso de ciertos materiales de construcción, productos de limpieza y muebles del hogar. Los contaminantes gaseosos del aire provienen de volcanes, e industrias. El tipo más comúnmente reconocido de contaminación del aire es la niebla tóxica (smog). La niebla tóxica generalmente se refiere a una condición producida por la acción de la luz solar sobre los gases de escape de automotores y fábricas. Monóxido de carbono (CO) Es uno de los productos de la combustión incompleta. Es peligroso para las personas y los animales, puesto que se fija en la hemoglobina de la sangre, impidiendo el transporte de oxígeno en el organismo. Además, es inodoro, y a la hora de sentir un ligero dolor de cabeza ya es demasiado tarde. Se diluye muy fácilmente en el aire ambiental, pero en un medio cerrado, su concentración lo hace muy tóxico, incluso mortal. Cada año, aparecen varios casos de intoxicación mortal, a causa de aparatos de combustión puestos en funcionamiento en una habitación mal ventilada. Los motores de combustión interna de los automóviles emiten monóxido de carbono a la atmósfera por lo que en las áreas muy urbanizadas tiende a haber una concentración excesiva de este gas hasta llegar a concentraciones de 50-100 ppm, tasas que son peligrosas para la salud de las personas. Dióxido de carbono (CO2) La concentración de co2 en la atmósfera está aumentando de forma constante debido al uso de carburantes fósiles como fuente de energía y es teóricamente posible demostrar que este hecho es el causante de producir un incremento de la temperatura de la tierra - efecto invernadero- la amplitud con que este efecto puede cambiar el clima mundial depende de los datos empleados en un modelo teórico, de manera que hay modelos que predicen cambios rápidos y desastrosos del clima y otros que señalan efectos climáticos limitados. La reducción de las emisiones de co2 a la atmósfera permitiría que el ciclo total del carbono alcanzara el equilibrio a través de los grandes sumideros de carbono como son el océano profundo y los sedimentos. Monóxido de nitrógeno (NO) También llamado óxido de nitrógeno (NO) es un gas incoloro y poco soluble en agua que se produce por la quema de combustibles fósiles en el transporte y la industria. Se oxida muy rápidamente convirtiéndose en dióxido de nitrógeno, no2, y posteriormente en ácido nítrico, hno3, produciendo así lluvia ácida. Dióxido de azufre (SO2) La principal fuente de emisión de dióxido de azufre a la atmósfera es la combustión del carbón que contiene azufre. El SO2 resultante de la combustión del azufre se oxida y forma ácido sulfúrico, H2SO4 un componente de la llamada lluvia ácida que es nocivo para las plantas, provocando manchas allí donde las gotitas del ácido han contactado con las hojas.

SO2 + H2O = H2SO4 …………………….……………………………………………..………Formula(2.1)

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A continuación se muestra una tabla en la cual se expone los tipos de contaminantes y su clasificación

Fig. 2.1 Tipos de contaminantes

2.2 EFECTOS DE LOS GASES DE LA ATMOSFERA EN EL CLIMA Y ECOSISTEMAS La lluvia ácida se forma cuando la humedad en el aire se combina con el óxido de nitrógeno (NO) o el dióxido de azufre (SO2) emitido por fábricas, centrales eléctricas y automotores que queman carbón o aceite. Esta combinación química de gases con el vapor de agua forma el ácido sulfúrico y los ácidos nítricos, sustancias que caen en el suelo en forma de precipitación o lluvia ácida. Los contaminantes que pueden formar la lluvia ácida pueden recorrer grandes distancias, y los vientos los trasladan miles de kilómetros antes de precipitarse con el rocío, la llovizna, o lluvia, el granizo, la nieve o la niebla normales del lugar, que se vuelven ácidos al combinarse con dichos gases residuales. El dióxido de azufre (SO2) también ataca a los materiales de construcción que suelen estar formados por minerales carbonatados, como la piedra caliza o el mármol, formando sustancias solubles en el agua y afectando a la integridad y la vida de los edificios o esculturas. Metano El metano (CH4), es un gas que se forma cuando la materia orgánica se descompone en condiciones en que hay escasez de oxígeno; esto es lo que ocurre en las ciénagas, en los pantanos y en los arrozales de los países húmedos tropicales. También se produce en los procesos de la digestión y defecación de los animales herbívoros. El metano es un gas de efecto invernadero que contribuye al calentamiento global del planeta tierra ya que aumenta la capacidad de retención del calor por la atmósfera.

Contaminación

Atmosférica

Contaminantes

Gaseosos

Contaminantes

Solidos

Contaminantes

Líquidos

Dióxido de azufre (SO2)

Monóxido de nitrógeno (NO)

Dióxido de carbono (CO2)

Monóxido de carbono (CO)

Arena

Arcillas

Tierra

Cenizas

materia vegetal agrícola

grasas

brea

papel

hule, plásticos

madera y metales.

descargas de desechos

domésticos, agrícolas e industriales

drenajes de minas

fugas de fosas sépticas

minerales disueltos

desechos humanos y de animales

compuestos químicos sintéticos y

materia coloidal y en suspensión.

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Ozono El ozono (O3) es un constituyente natural de la atmósfera, pero cuando su concentración es superior a la normal se considera como un gas contaminante. Su concentración a nivel del mar, puede oscilar alrededor de 0,01 mg kg

-1.

Cuando la contaminación debida a los gases de escape de los automóviles es Elevada y la radiación solar es intensa, el nivel de ozono aumenta y puede llegar hasta 0,1 kg

-1. Las plantas pueden ser afectadas en su desarrollo

por concentraciones pequeñas de ozono. El hombre también resulta afectado por el ozono a concentraciones entre 0,05 y 0,1 mg kg

-1, causándole irritación de las fosas nasales y garganta, así como sequedad de las mucosas

de las vías respiratorias superiores. Efectos climáticos: generalmente los contaminantes se elevan o flotan lejos de sus fuentes sin acumularse hasta niveles peligrosos. Los patrones de vientos, las nubes, la lluvia y la temperatura pueden afectar la rapidez con que los contaminantes se alejan de una zona. Los patrones climáticos que atrapan la contaminación atmosférica en valles o la desplacen por la tierra pueden, dañar ambientes limpios distantes de las fuentes originales. La contaminación del aire se produce por toda sustancia no deseada que llega a la atmósfera. Es un problema principal en la sociedad moderna. A pesar de que la contaminación del aire es generalmente un problema peor en las ciudades, los contaminantes afectan el aire en todos lugares. Estas sustancias incluyen varios gases y partículas minúsculas o materia de partículas que pueden ser perjudiciales para la salud humana y el ambiente. La contaminación puede ser en forma de gases, líquidos o sólidos. Muchos contaminantes se liberan al aire como resultado del comportamiento humano. El efecto invernadero evita que una parte del calor recibido desde el sol deje la atmósfera y vuelva al espacio. Esto calienta la superficie de la tierra. Existe una cierta cantidad de gases de efecto de invernadero en la atmósfera que son absolutamente necesarios para calentar la tierra, pero en la debida proporción. Actividades como la quema de combustibles derivados del petróleo aumentan esa proporción y el efecto invernadero aumenta. Muchos científicos consideran que como consecuencia se está produciendo el calentamiento global. Otros gases que contribuyen al problema incluyen los clorofluorocarbonos (CFCs), el metano, los óxidos nitrosos y el ozono. Daño a la capa de ozono: el ozono es una forma de oxígeno O3 que se encuentra en la atmósfera superior de la tierra. El daño a la capa de ozono se produce principalmente por el uso de clorofluorocarbonos (CFCs). La capa fina de moléculas de ozono en la atmósfera absorbe algunos de los rayos ultravioletas (uv) antes de que lleguen a la superficie de la tierra, con lo cual se hace posible la vida en la tierra. El agotamiento del ozono produce niveles más altos de radiación uv en la tierra, con lo cual se pone en peligro tanto a plantas como a animales.

2.2.1 Efectos nocivos para la salud Muchos estudios han demostrado enlaces entre la contaminación y los efectos para la salud. Los aumentos en la contaminación del aire se han ligado a quebranto en la función pulmonar y aumentos en los ataques cardíacos. Niveles altos de contaminación atmosférica según el índice de calidad del aire de la agencia de protección ambiental de los estados unidos (epa, por sus siglas en inglés) perjudican directamente a personas que padecen asma y otros tipos de enfermedad pulmonar o cardíaca. La calidad general del aire ha mejorado en los últimos 20 años pero las zonas urbanas son aún motivo de preocupación. Los ancianos y los niños son especialmente vulnerables a los efectos de la contaminación del aire.

2.2.2 Degradabilidad Contaminantes no degradables Son aquellos contaminantes que no se descomponen por procesos naturales. Por ejemplo, son no degradables el plomo y el mercurio. La mejor forma de tratar los contaminantes no degradables (y los de degradación lenta) es por una parte evitar que se arrojen al medio ambiente y por otra reciclarlos o volverlos a utilizar. Una vez que se encuentran contaminando el agua, el aire o el suelo, tratarlos o eliminarlos es muy costoso y, a veces, imposible.

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Contaminantes de degradación lenta o persistente Son aquellas sustancias que se introducen en el medio ambiente y que necesitan décadas o incluso a veces más tiempo para degradarse. Ejemplos de contaminantes de degradación lenta o persistente son el DDT y la mayor parte de los plásticos. Contaminantes degradables o no persistentes Los contaminantes degradables o no persistentes se descomponen completamente o se reducen a niveles aceptables mediante procesos naturales físicos, químicos y biológicos. Contaminantes biodegradables Los contaminantes químicos complejos que se descomponen (metabolizan) en compuestos químicos más sencillos por la acción de organismos vivos (generalmente bacterias especializadas) se denominan contaminantes biodegradables. Ejemplo de este tipo de contaminación son las aguas residuales humanas en un río, las que se degradan muy rápidamente por las bacterias, a no ser que los contaminantes se incorporen con mayor rapidez de lo que lleva el proceso de descomposición. 2.3 NORMATIVA

2.3.1 Convenio de Vienna El convenio de vienna para la protección de la capa de ozono, acordado finalmente en vienna en 1985, parece ser irreprochable. Las naciones convinieron en adoptar "medidas apropiadas... para proteger la salud humana y el medio ambiente contra los efectos adversos resultantes o que puedan resultar de las actividades humanas que modifiquen o puedan modificar la capa de ozono;" pero las medidas no se especifican. No se hace mención a sustancias que podrían dañar la capa de ozono, y los cfc solamente aparecen hacia el final del anexo al tratado, donde se mencionan como productos químicos que se deben vigilar. El principal cometido del convenio era alentar la investigación, la cooperación entre los países y el intercambio de información. Aún así, tardó cuatro años prepararlo y acordarlo. Veinte naciones lo firmaron en vienna, pero la mayoría no tuvo prisa para ratificarlo. En el convenio se estipulan futuros protocolos y se determinan procedimientos de enmienda y de solución de controversias. A medida que los expertos comenzaron a explotar la adopción de medidas concretas, en mayo de 1985, la publicación "nature" publicó un documento escrito por científicos británicos - dr. Joe Farman - acerca del agotamiento grave de la capa de ozono en el antártico. Los resultados del documento se vieron confirmados mediante observaciones realizadas desde satélites estadounidenses que ofrecieron la primera prueba de agotamiento grave y confirieron mayor urgencia a la necesidad de adoptar medidas concretas. En consecuencia, en septiembre de 1987 se llegó a un acuerdo sobre la adopción de medidas concretas y se firmó el protocolo de Montreal

Fig.2.2 Mayor agujero de ozono antártico registrado en septiembre/2006

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2.3.2 Protocolo de Montreal El protocolo de Montreal relativo a las sustancias que agotan el ozono es un tratado internacional diseñado para proteger la capa de ozono reduciendo la producción y el consumo de numerosas sustancias que se ha estudiado que reaccionan con el ozono y se cree que son responsables por el agotamiento de la capa de ozono. El acuerdo fue negociado en 1987 y entró en vigor el 1º de enero de 1989. La primera reunión de las partes se celebró en Helsinki en mayo de ese 1989. Desde ese momento, el documento ha sido revisado en varias ocasiones, en 1990 (Londres), en 1991 (Nairobi), en 1992 (Copenhague), en 1993 (Bangkok), en 1995 (Viena), en 1997 (Montreal) y en 1999 (Beijing). Se cree que si todos los países cumplen con los objetivos propuestos dentro del tratado, la capa de ozono podría haberse recuperado para el año 2050. Debido al alto grado de aceptación e implementación que se ha logrado, el tratado ha sido considerado como un ejemplo excepcional de cooperación internacional. Términos y propósitos del tratado El tratado se enfoca en la eliminación de las emisiones mundiales que agotan el ozono (el agotamiento se refiere a la disminución de los niveles de ozono por la destrucción química del mismo). Las sustancias que agotan el ozono son aquellas que contienen cloro y bromo (ya que aquellas halogenadas con flúor únicamente no dañan la capa de ozono). Cada grupo de sustancias tiene establecido un cronograma (llamado calendario en el tratado) de reducción en su producción y consumo hasta llegar a la eliminación parcial. Medidas para la eliminación de los CFCs Según los estados signatarios del acuerdo, el objetivo del tratado es: "reconociendo que la emisión en todo el mundo de ciertas sustancias puede agotar considerablemente y modificar la capa de ozono en una forma que podría tener repercusiones nocivas sobre la salud y el medio ambiente, ... decididas a proteger la capa de ozono adoptando medidas preventivas para controlar equitativamente el total de emisiones mundiales de las sustancias que la agotan, con el objetivo final de eliminarlas, sobre la base de los adelantos en los conocimientos científicos, teniendo en cuenta aspectos técnicos y económicos y teniendo presentes las necesidades que en materia de desarrollo tienen los países en desarrollo" A estos fines aceptaron reducir sus niveles de consumo y producción de clorofluorocarbonos (cfcs) según el nivel de desarrollo de sus economías. A los países en vías de desarrollo, definidos según el artículo 5.1, se les aplicó un nivel básico y un cronograma diferente al de los países desarrollados (conocidos también como países que no están dentro del artículo 5, no-a5) las siguientes tablas presentan los calendarios de reducción para los dos grupos de países y las sao según se agrupan en los anexos del protocolo. Existe una eliminación (reducción a cero para el 2010) de algunas sustancias (halones 1211, 1301, 2402 y los cfcs 13, 111, 112, etc.) como de algunas sustancias que requieren atención especial (tetracloruro de carbono, tricloroetano). La eliminación de los hidroclorofluorocarbonos (hcfcs) que son menos activos, comenzó en 1996 y continuará hasta su eliminación completa en el 2030.

2.3.3 Protocolo de Kioto sobre el cambio climático Es un acuerdo internacional que tiene por objetivo reducir las emisiones de seis gases que causan el calentamiento global: dióxido de carbono (co2), gas metano (ch4) y óxido nitroso (n2o), además de tres gases industriales fluorados: hidrofluorocarbonos (hfc), perfluorocarbonos (pfc) y hexafluoruro de azufre (sf6), en un porcentaje aproximado de al menos un 5%, dentro del periodo que va desde el año 2008 al 2012, en comparación a las emisiones al año 1990. Por ejemplo, si las emisiones de estos gases en el año 1990 alcanzaban el 100%, para el año 2012 deberán de haberse reducido como mínimo al 95%. Es preciso señalar que esto no significa que cada país deba reducir sus emisiones de gases regulados en un 5% como mínimo, sino que este es un porcentaje a nivel global y, por el contrario, cada país obligado por Kioto tiene sus propios porcentajes de emisión que debe disminuir.

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Firmado y ratificado. Firmado pero con ratificación pendiente. Firmado pero con ratificación rechazada. No posicionado.

Fig. 2.3 Posición de los diversos países en 2009 respecto del protocolo de Kioto

El protocolo fue inicialmente adoptado el 11 de diciembre de 1997 en Kioto, Japón pero no entró en vigor hasta el 16 de febrero de 2005. En noviembre de 2009, eran 187 estados los que ratificaron el protocolo. EEUU mayor emisor de gases de invernadero mundial no ha ratificado el protocolo. El 11 de diciembre de 1997 los países industrializados se comprometieron, en la ciudad de Kioto, a ejecutar un conjunto de medidas para reducir los gases de efecto invernadero. Los gobiernos signatarios de dichos países pactaron reducir en al menos un 5% en promedio las emisiones contaminantes entre 2008 y 2012, tomando como referencia los niveles de 1990. El acuerdo entró en vigor el 16 de febrero de 2005, después de la ratificación por parte de Rusia el 18 de noviembre de 2004. El objetivo principal es disminuir el cambio climático antropogénico cuya base es el efecto invernadero. Según las cifras de la ONU, se prevé que la temperatura media de la superficie del planeta aumente entre 1,4 y 5,8 °c de aquí a 2100, a pesar que los inviernos son más fríos y violentos. Esto se conoce como calentamiento global. «Estos cambios repercutirán gravemente en el ecosistema y en nuestras economías», señala la comisión europea sobre Kioto. Una cuestión a tener en cuenta con respecto a los compromisos en la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero es que la energía nuclear queda excluida de los mecanismos financieros de intercambio de tecnología y emisiones asociados al protocolo de Kioto, pero es una de las formas de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en cada país.

6 así, el ipcc en su cuarto informe, recomienda la energía nuclear como una de las

tecnologías clave para la mitigación del calentamiento global.

2.3.4 Norma Oficial Mexicana NOM-086-ECOL-1994 Ley de prevención y control de la contaminación ambiental Capítulo v de la prevención y control de la contaminación del aire Art. 11.- queda prohibido expeler hacia la atmósfera o descargar en ella, sin sujetarse a las correspondientes normas técnicas y regulaciones, contaminantes que, a juicio del ministerio de salud, puedan perjudicar la salud y vida humana, la flora, la fauna y los recursos o bienes del estado o de particulares o constituir una molestia.

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Art. 12.- para los efectos de esta ley, serán considerados como fuentes potenciales de contaminación del aire: a) las artificiales, originadas por el desarrollo tecnológico y la acción del hombre, tales como fábricas, calderas, generadores de vapor, talleres, plantas termoeléctricas, refinerías de petróleo, plantas químicas, aeronaves, automotores y similares, la incineración, quema a cielo abierto de basuras y residuos, la explotación de materiales de construcción y otras actividades que produzcan o puedan producir contaminación; y, b) las naturales, ocasionadas por fenómenos naturales, tales como erupciones, precipitaciones, sismos, sequías, deslizamientos de tierra y otros. Art. 13.- se sujetarán al estudio y control de los organismos determinados en esta ley y sus reglamentos las emanaciones provenientes de fuentes artificiales, móviles o fijas, que produzcan contaminación atmosférica. Inicialmente, los gobiernos municipales se encargaron de aprobar y hacer cumplir la legislación sobre el control de la contaminación del aire. Luego, en la década de 1950, el gobierno federal de los estados unidos inició los esfuerzos para controlar la contaminación del aire con la aprobación de la ley para el control de la contaminación del aire de 1955. Esta fue la primera ley federal de contaminación del aire y estableció programas federales para investigar los efectos de la contaminación del aire sobre la salud y el bienestar. También autorizó al gobierno federal proporcionar asistencia técnica a los gobiernos estatales. En 1963 y 1965 se aprobaron leyes adicionales.

NOM-020-SSA1-1993 Criterios para evaluar la calidad del aire ambiente con respecto al ozono (O3). Valores normados para la concentración de ozono (O3) en el aire ambiente como medida de protección a la salud de la población, para quedar como Norma Oficial Mexicana NOM-020-SSA1-1993, Salud ambiental. Criterio para evaluar el valor límite permisible para la concentración de ozono (O3) de la calidad del aire ambiente. Criterio para evaluar la calidad del aire.

NOM-021-SSA1-1993 Criterios para evaluar la calidad del aire ambiente con respecto al Monóxido de carbono (CO). Valor permisible para la concentración de monóxido de carbono (CO) en el aire ambiente, como medida de protección a la salud de la población. NOM-022-SSA1-1993 Criterios para evaluar la calidad del aire ambiente, con respecto al bióxido de azufre (SO2). Valor normado para la concentración de bióxido de azufre (SO2) en el aire ambiente, como medida de protección a la salud de la población. NOM-023-SSA1-1993 Criterios para evaluar la calidad del aire ambiente, con respecto al bióxido de nitrógeno (NO2). Valor normado para la concentración de bióxido de nitrógeno (NO2) en el aire ambiente, como medida de protección a la salud de la población NOM-025-SSA1-1993 Criterios para evaluar el valor límite permisible para la concentración de material particulado. Valor límite permisible para la concentración de partículas suspendidas totales PST, partículas menores de 10 micrómetros PM10 y partículas menores de 2.5 micrómetros PM2.5 de la calidad del aire ambiente. Criterios para evaluar la calidad del aire

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2.4 EL MERCADO DE "BONOS DE CARBONO" El nombre de “bonos de carbono” se ha dado como un nombre genérico a un conjunto de instrumentos que pueden generarse por diversas actividades de reducción de emisiones. Así, se puede decir que existen “varios tipos” de bonos de carbono, dependiendo de la forma en que éstos fueron generados:

• certificados de reducción de emisiones (cers) • Montos asignados anualmente (aaus) • Unidades de reducción de emisiones (erus) • Unidades de remoción de emisiones (rmus)

2.4.1 Certificados de reducción de emisiones (cer) Los países del anexo i que inviertan en proyectos bajo el mecanismo de desarrollo limpio, pueden obtener certificados de reducción de emisiones por un monto equivalente a la cantidad de bióxido de carbono equivalente que se dejó de emitir a la atmósfera como resultado del proyecto. Para ello, el proyecto debió cumplir con los requisitos establecidos por el consejo ejecutivo del mecanismo de desarrollo limpio.

2.4.2 Montos asignados anualmente (aau) Corresponde al monto total de emisiones de gases de efecto invernadero que a un país se le permite emitir a la atmósfera durante el primer período de compromiso (2008-2012) del protocolo de Kioto. Cada país divide y asigna su respectivo monto a empresas localizadas en su territorio a manera de límite de emisión por empresa.

2.4.3 Unidades de reducción de emisiones (eru) Corresponde a un monto específico de emisiones de gases de efecto invernadero que dejaron de ser emitidas por la ejecución de un proyecto de implementación conjunta.

2.4.4 Unidades de remoción de emisiones (rmu) Corresponde a créditos obtenidos por un país durante proyectos de captura de carbono. Estas unidades o créditos solamente pueden ser obtenidas por países del anexo i del protocolo de Kioto y pueden obtenerse también en proyectos de implementación conjunta. Las unidades de remoción de emisiones solamente pueden ser usadas por los países dentro del período de compromiso durante el cual fueron generadas, y son para cumplir con sus compromisos de reducción de emisiones. Estos créditos no pueden ser considerados en períodos de compromiso posteriores. Las transacciones de bonos pueden ser desde una simple compra o venta de una cantidad específica de bonos, hasta una estructura de compra-venta con diversas opciones. Algunas de las opciones son las siguientes:

2.4.5 Compras spot El precio del bono y la cantidad de bonos se acuerdan en la fecha del acuerdo de compra-venta pero la entrega y el Pago del bono se realizan en una fecha futura cercana. Se puede considerar como si la compra-venta ocurriera en el momento, aunque pasen unos días entre el pago y la entrega. Esto se hace para asegurar un precio conveniente para ambas partes y para reducir el riesgo de que el bono no se venda en el futuro.

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2.4.6 Contratos de entrega futura Se acuerda la compra-venta de una cantidad específica de bonos al precio de mercado actual, pero el pago y la entrega se realizarán en fechas futuras, generalmente de acuerdo a un cierto calendario de entregas.

2.4.7 Opciones Las partes compran o venden la opción (el derecho a decidir) sobre si la venta se realizará o no en una fecha y a un precio pactados. De esta manera, el comprador tiene el derecho a comprar la cantidad de bonos ofrecida por el vendedor, pero no tiene la obligación de comprarlos una vez llegada la fecha acordada. Las condiciones de precio, cantidad y fecha de entrega de los bonos se acuerdan el día de elaboración del contrato, y también se acuerda una fecha que marca la fecha límite para que el comprador mantenga su derecho de compra. En este caso, el vendedor está a la expectativa y depende de la decisión del comprador, pero si la compra-venta se realiza, el comprador le pagará una cantidad adicional denominada premium. Todas las operaciones de compra-venta en el comercio de bonos de carbono están regidas por un contrato entre el comprador y el vendedor. No hay un valor “oficial” sobre el precio de una tonelada de co2 reducida o no emitida. Aunque algunas agencias multilaterales han establecido ciertos precios para los proyectos de reducción de emisiones financiados por ellas mismas (por ejemplo, hasta 2005, el banco mundial emplea un precio de $5 dólares por tonelada de co2 equivalente no emitida), el precio de la tonelada está sujeto a oferta y demanda de bonos de carbono en el mercado. Dado que existen diferentes esquemas para el comercio de los bonos y diferentes sitios del mundo donde se pueden comprar y vender, pueden existir precios diferentes por cada tonelada de co2. Por ejemplo: • Chicago climate exchange: en operación desde diciembre del 2003; el precio ha fluctuado desde $0.90 hasta los $2.10 dólares por tonelada de co2 (datos a junio de 2005). • European climate exchange carbon: en operación desde abril del 2005; el precio ha fluctuado entre $6.40 y $19.70 euros por tonelada de co2 (datos a junio de 2005).

Fig.2.4 Ejemplo de gráfica de precio y volúmenes de ton CO2 comerciados en la

unión europea

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CAPÍTULO Iniciaremos con la definición general de oxihidrógeno nuestro combustible que podremos estar utilizando en un futuro no muy lejano, y que podrá sustituir algunos combustibles que contaminan significativamente nuestro planeta tierra; también hablaremos de sus propiedades, de que manera se puede producir y sus aplicaciones mas relevantes en la industria. En este capitulo se entenderá que son los electrolizadores o reactores de oxihidrógeno clasificación de las celdas y cálculos elementales para la obtención de hidrogeno y oxigeno en un electrolizador de agua trabajando con valores ideales y valores reales de presión y temperatura.

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3.1 Definición de oxihidrógeno y sus propiedades. El ooxihidrógeno es una mezcla de hidrógeno (H2) y oxígeno gases (O2), por lo general en una relación molar 2:1, la misma proporción que el agua, o sea combustible mas oxidante juntos, con lo cual no tiene la necesidad de capturar aire de alrededor para explotar. Esta mezcla gaseosa se utiliza para antorchas para el tratamiento de los materiales refractarios y fue la primera mezcla gaseosa utilizada para la soldadura. En la práctica, una proporción de 4:1 o 5:1 del hidrógeno: el oxígeno es necesario para evitar una llama oxidante.

3.1.1 Propiedades

Para una mezcla estequiométrica a presión atmosférica normal, se produce ignición espontánea alrededor de 570 ° C (1065 ° F). La energía mínima necesaria para encender una mezcla con una chispa está a unos 20 microjoules. A temperatura y presión normales, es detonante y puede quemarse cuando está entre un 4% y 95% en volumen de hidrógeno. Cuando se enciende, la mezcla de gas se convierte en vapor de agua y libera energía, que sostiene la reacción: 241.8 kJ de energía (PCI) por cada mol de H2 quemado. La cantidad de energía calorífica liberada es independiente del modo de combustión, pero varía la temperatura de la llama. La temperatura máxima de alrededor de 2800o C se consigue con una mezcla estequiométrica pura, a unos 700 grados más caliente que una llama de hidrógeno en aire.

3.1.2 Producción La mezcla estequiométrica pura puede obtenerse por electrólisis del agua, que utiliza una corriente eléctrica para disociar las moléculas de agua: Electrólisis: 2 H2O → 2 H2 + O2 De combustión: 2 H2 + O2 → 2 H2O William Nicholson fue el primero en descomponer el agua de esta manera en 1800. La energía necesaria para generar el detonante siempre supera a la energía liberada por la combustión de la misma.

3.1.3 Aplicaciones Iluminación Las formas de lámparas detonantes han sido descritas, tales como el centro de atención, que utiliza una llama detonante para calentar un trozo de limón caliente hasta la incandescencia blanca. Debido a la explosividad del detonante, las lámparas han sido reemplazadas por iluminación eléctrica. En fundición Este detonante fue utilizado una vez en trabajos de platino, porque en el momento la antorcha fue el único dispositivo que podría alcanzar la temperatura necesaria para fundir el metal (1.768,3 ° C). Estas técnicas han sido sustituidas por los hornos de arco eléctrico. Soplete oxhídrico El soplete de oxihidrógeno ha sido desarrollado por Inglés mineralogista Edward Daniel Clarke y químico estadounidense Robert Hare, en el siglo XIX. Se produce una llama lo suficientemente caliente como para fundir materiales refractarios, tales como el platino, porcelana, ladrillos y fuego, y fue una herramienta valiosa en diversos campos de la ciencia.

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Antorcha de oxyhidrogeno La antorcha de oxihidrogeno es un soplete de oxigas, que quema hidrógeno (el combustible) con oxígeno (oxidante). Se utiliza para cortar y soldar, metales, vidrio, y termoplásticos. Debido a la competencia de la antorcha de acetileno de corte de combustible y de soldadura por arco, la antorcha de oxyhidrogeno rara vez se utiliza hoy en día, pero sigue siendo la herramienta preferida de corte en muchos procesos y aplicaciones,. También se afirma que puede ser utilizado en los sopletes para soldar y cortar a temperaturas extremas. Otros usos que pueden citarse son:

Producción de ácido clorhídrico, combustible para cohetes, y reducción de minerales metálicos.

El hidrógeno líquido se emplea en aplicaciones criogénicas, incluyendo la investigación de la superconductividad.

Empleado antaño por su ligereza como gas de relleno en globos y zepelines, tras el desastre del dirigible Hindenburg se abandonó su uso por su gran inflamabilidad.

El tritio se produce en las reacciones nucleares y se emplea en la construcción de bombas de hidrógeno.

También se emplea como fuente de radiación en pinturas luminosas y como marcador en las ciencias biológicas.

El deuterio se emplea en aplicaciones nucleares como moderador, como constituyente del agua pesada.

Se han encontrado bastantes aplicaciones como sopletes más eficientes, lámparas de calcio, etc. Pero particularmente lo que más me llama la atención es su posible uso como combustible del automóvil donde se puede ahorrar del 20%, el 50%, incluso se podría sustituir totalmente.

Sin embargo uno de los principales problemas del uso del oxihidrógeno es su difícil almacenamiento llegando a la conclusión que el oxihidrógeno se tiene que producir para ser consumido inmediatamente.

3.2 Métodos de producción de hidrógeno La obtención del hidrógeno puede realizarse de varias formas, los siguientes procesos son los principales métodos de obtención del hidrógeno.

3.2.1 Reformado a vapor de agua Actualmente, el 5% de la producción mundial de hidrógeno se realiza a partir de gas natural y agua mediante un proceso conocido como reformado a vapor de agua. El proceso químico se realiza con la combinación de agua y una base de hidrocarburo, normalmente el gas natural, que está constituido principalmente de metano.

Fig. 3.1 Proceso de reformado a vapor de agua

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Tal y como se observa en la Figura 2.6, el proceso incluye tres etapas, primero se combina el vapor y el metano a alta presión (3MPa) y temperatura (entre 550 y 900°C), para producir una mezcla de hidrógeno, dióxido de carbono y otras impurezas, conocida como gas sintético.

CH4 + H2O → 3H2 + CO ……………………………….………………….………………………………Ec.(3.1)

Seguido a esto, se debe extraer el dióxido de carbono del gas sintético, y por último purificar el hidrógeno obtenido. El rendimiento neto de conversión es típicamente de un 83%; el hidrógeno producido con éste procedimiento puede costar unos 75 centavos de dólar por kilogramo. Una alternativa en el reformado a vapor es utilizar como materia prima un bio-aceite que se obtiene a partir de biomasa por medio de pirolisis. Existen algunos procesos alternativos al proceso de reformado con vapor que están siendo desarrollados actualmente, entre ellos cabe mencionar la oxidación parcial, donde el gas natural es oxidado parcialmente con el fin de obtener directamente gas sintético y el reformado auto térmico, en el cual se combina el proceso de reformado a vapor con el de oxidación parcial. Sin embargo, ambos procesos tienen el inconveniente de que son menos eficientes que el de reformado a vapor.

3.2.2 Gasificación Otras bases de hidrocarburo se pueden transformar con vapor, no obstante, hay sustancias que por sus características, no pueden ser reformadas con vapor debido al daño que provocarían a los catalizadores. El método de gasificación, no requiere el uso de catalizadores, por lo tanto, es posible utilizar una amplia variedad de materia primas que van desde líquidos de alta viscosidad como el fuel oíl, hasta sólidos como el carbón mineral y la biomasa.

Fig. 3.2 Proceso de gasificación

La gasificación se lleva a cabo a temperaturas superiores a los 1300°C para que el carbón mineral o la biomasa reaccionen con el agua y se forme gas sintético.

C + H2O → H2 + CO2 ………………………………….……………………..………….…………….Ec.(3.2)

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Al igual que el método de reformado a vapor de agua, se extrae el dióxido de carbono de la mezcla y se eliminan las impurezas. El rendimiento neto de conversión es típicamente de un 63%; el hidrógeno producido con éste procedimiento puede costar unos 92 centavos de dólar por kilogramo.

3.2.3 Energía termal La energía termal es una tecnología que produce hidrógeno convirtiendo energía térmica en energía eléctrica para realizar la separación de las moléculas del agua en hidrógeno y oxígeno. Las altas temperaturas se pueden obtener en plantas nucleares, paneles solares o alguna fuente de energía fósil.

3.2.4 Electrólisis a alta temperatura El proceso de la electrólisis a alta temperatura es una variación de la electrólisis convencional. Al proceso de descomposición del agua se le agrega calor para así utilizar menos energía eléctrica, y por ende mejorar la eficiencia del proceso. Sin embargo, desde el punto de vista térmico, el proceso es menos eficiente, es por esto que se aprovecha cuando se tienen excedentes de energía térmica.

3.2.5 Biofotólisis La captura de la energía solar basada en fotosíntesis puede realizarse por medio de la biofotólisis, que consiste en la capacidad que algunas algas verdes tienen de poder captar energía luminosa y usarla a través de una cadena de transporte de electrones y unas singulares enzimas (hidrogenasas), para producir hidrógeno por descomposición del agua. La investigación del proceso de biofotólisis ha conocido grandes progresos en la última década, pero falta un largo camino que recorrer para hacer éstas producciones sostenibles y encontrar nuevos organismos.

Fig. 3.3 Tecnologías de generación de hidrógeno.

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3.2.6 Electrólisis El tercer método más utilizado y el que se hablara con mayor detalle es la electrólisis, proceso mediante el cual se hace pasar una corriente eléctrica entre electrodos inertes sumergidos en agua, y así separar sus moléculas en sus elementos constitutivos. La electrólisis un método de separación de los elementos que forman un compuesto aplicando electricidad; el electrodo cargado negativamente se conoce como cátodo, y el cargado positivamente como ánodo. Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones positivos, o cationes, son atraídos al cátodo, mientras que los iones negativos, o aniones, se desplazan hacia el ánodo. La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los electrodos, proviene de una fuente de potencia eléctrica que mantiene la diferencia de potencial en los electrodos. En los electrodos, los electrones son absorbidos o emitidos por los iones, formando concentraciones de los elementos o compuestos deseados. Por ejemplo, en la electrólisis del agua, se forma hidrógeno en el cátodo, y oxígeno en el ánodo. Esto fue descubierto en 1820 por el físico y químico inglés Michael Faraday. La electrólisis no depende de la transferencia de calor, aunque éste puede ser producido en un proceso electrolítico, por tanto, la eficiencia del proceso puede ser cercana al 100%. La electrólisis del agua es la descomposición de agua (H2O) en gas de oxígeno (O2) e hidrógeno (H2). Una fuente de poder eléctrica es conectada a dos electrodos, o dos platos (típicamente hechos de metales inertes como el platino o acero inoxidable), los cuales son puestos en el agua. En una celda propiamente diseñada, el hidrógeno aparecerá en el cátodo, y oxigeno (O2) aparecerá en el ánodo. La cantidad de hidrógeno (H2) generado es el doble que la de oxigeno, y ambas son proporcionales al total de carga eléctrica que fue enviada por el agua La electrolisis de agua pura requiere una gran cantidad de energía extra en forma de sobre potencial para romper varias barreras de activación. Sin esa energía extra la electrólisis de agua pura ocurre muy lentamente si es que logra suceder. Esto es en parte debido a la limitada autoionización del agua. El agua pura tiene una conductividad eléctrica alrededor de una millonésima parte de la del agua de mar. Varias celdas electrolíticas pueden no tener los electrocatalizadores requeridos. La eficacia de la electrólisis aumenta con la adición de un electrolito (como la sal, un ácido o una base) y el uso de electrocatalizadores

Fig. 3.4 Proceso de electrólisis

Dado que el agua es virtualmente un aislante eléctrico, se le agrega un electrolito para hacerla un medio conductor; el hidrógeno se libera en el cátodo y una cantidad equivalente de oxígeno se libera en el ánodo.

2H2O → 2H2 + O2 ………………………….……………………………………………………….Ec.(3.3)

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El rendimiento promedio durante la electrólisis viene siendo de un 65%, sin embargo, los dispositivos más modernos para la electrólisis pueden alcanzar un rendimiento entre el 80 y el 85%. En la actualidad, ésta técnica se utiliza solamente en plantas relativamente pequeñas, a un costo de entre 2,40 y 3,60 dólares por kilogramo de hidrógeno producido.

3.3 Tipos de celdas electrolizadoras Existen 2 tipos de celdas electrolizadoras que tienen el mismo principio de funcionamiento la celda electrolizadora húmeda o que también se le conoce como celda sumergible y la celda electrolizadora seca, que también se le conoce como no sumergible.

3.3.1 Celda húmeda o sumergible Hay muchos sistemas diferentes para producir el oxihidrógeno por el método de ceda húmeda, mediante espirales, placas, tubos. Las celdas húmedas se componen de un contenedor lleno de electrolito en el que los electrodos están total o parcialmente sumergidos. Por lo general son hechos de placas de acero inoxidable, espiral de alambre, tornillos u otros materiales.

Fig. 3.5 Ejemplos de celdas húmedas.

Cuando la energía se aplica los electrodos producen el oxihidrógeno, que se propaga hacia arriba a través del baño electrolítico y escapa a través de un puerto instalado en la parte superior. Este tipo de electrolizador es generalmente menos eficiente, pero presenta algunas ventajas sobre las celdas secas, ya que son fáciles de construir y tienen menos componentes. Aunque pocas celdas húmedas producen más de 1,5 l / min, que se pueden encadenar juntos para aumentar su producción.

3.3.2 Celda seca (Dry cell) La celda seca de es un nuevo tipo de célda de hidrógeno. No es una celda húmeda que significa que no se sumerge en un recipiente, la misma celda es el contenedor.

Fig. 3.6 Ejemplos de celda seca.

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Configuración de la celda seca Las céldas secas de hidrogeno tienen un número de configuraciones diferentes de las placa, varían en función de la célda en particular que se está configurando. Un ejemplo de una configuración de la placa es:

+ NNN – NNN + NNN -

Las conexiones son:

+ = Poder Positivo - = Poder Negativo N = No hay conexión

Muchos se preguntaran que porque en las configuraciones que llevan N (neutrales) no van conectadas a alguna corriente, La razón es que en las celdas secas que no utilizan placas neutras con la configuración + - + - + - + - + es un problema en el consumo de corriente porque mucha energía utilizada de la fuente de alimentación, A menos que un modulador de ancho de pulso sea utilizado.

3.4 Elementos que ayudan a potencializar la obtención de hidrogeno por electrolisis 3.4.1 El PWM (Pulse-Width Modulator) modulador de la anchura de pulso

Fig. 3.7 Una señal de onda cuadrada de un PWM

La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, por sus siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la señal dientes de sierra, y el ciclo de trabajo está en función de la portadora. La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Éstas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación.

3.4.2 El electrolito La electrólisis puede ser definida como el paso de una corriente eléctrica a través de una sustancia iónica dando lugar a reacciones químicas en los electrodos y / o separación de los materiales.

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Como se sabe, el agua pura (H2O) no es un conductor de electricidad. Por lo menos no en el ámbito de este proceso. Simplemente no hay suficientes iones disueltos para permitir que los electrones fluyan libremente a través de la solución. Para que podamos iniciar el proceso electrolítico, debemos hacer que el agua sea un conductor, y lo hacemos mediante la introducción de iones en la solución. Con el fin de hacer eso, se añade un producto químico al agua para introducir iones disueltos. Mediante la adición de iones en el agua, y la aplicación de corriente eléctrica que puede causar que los iones disueltos participen en diversas reacciones químicas. Esas reacciones químicas están directamente relacionadas con las condiciones de la celda (voltaje, amperaje, electrolitos, material de la placa y la temperatura). Estos factores a veces puede permitir la formación de compuestos totalmente diferente dentro de la célula. Los compuestos que no queremos. Por ejemplo, si disolvemos sal (NaCl) en el agua y la electricidad se aplica a la celda, por supuesto, vamos a obtener hidrógeno. Por desgracia, también conseguimos acuosa de hipoclorito de sodio (NaOCl), que es blanqueador. Por no hablar de los gases de cloro que se escapa con el hidrógeno, que es venenoso, debemos ser cuidadosos para introducir iones que no participan en el proceso, pero sólo permiten que el agua sea conductora.

Si el electrolito contiene ciertas sustancias químicas que pueden ser reducidos en el cátodo u oxidado en el ánodo, esto significa un cambio químico. Dicho esto, el voltaje y amperaje determinan directamente lo que se forma en la celda, para evitar esto, debemos elegir un electrolito apropiado. Se debe tener en cuenta que para mantener la salud de tu celda, también se debe limitar el amperaje que le son aplicables. Mayor corriente significa que están pasando más electrones a través de la célula en un momento dado. El exceso de corriente puede provocar las condiciones de la celda cambien y alteren el equilibrio de sustancias químicas.

Tabla 3.1 Los mejores electrolitos utilizados en electrolisis

Químico electrolito Composición Aplicación

Sulfato de magnesio

Se puede adquirir en supermercados locales. Esto es realmente

comestible, y se utiliza por muchos como un baño relajante, o un

laxante.

MgSO4

Alto/bajo voltaje

Bajo amperaje

Temperatura baja

Hidróxido de potasio

potasa caustica

es usado en la fabricación de jabón.

KOH

Alto/bajo voltaje

Alto amperaje

Temperatura alta

Hidróxido de sodio

Sosa caustica

se puede adquirir en tlapalerías locales. es usado para remover

suciedad de coladeras tapadas

NaOH

Alto/bajo voltaje

Alto amperaje

Temperatura media

Sulfato de sodio Na2SO4

Bajo voltaje

Bajo amperaje

Temperatura media

Acido sulfúrico diluido H2SO4

Bajo voltaje

Medio amperaje

Temperatura media

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3.5 Memoria de cálculo Lo primero que se debe conocer es que son los amperes y que son los volts. El voltio o volt (símbolo V), es la unidad derivada del sistema internacional para el potencial eléctrico, fuerza electromotriz y el voltaje. recibe su nombre en honor de Alessandro Volta, quien en 1800 inventó la pila voltaica, la primera batería química el voltio se define como la diferencia de potencial a lo largo de un conductor cuando una corriente con una intensidad de un amperio utiliza un watt de potencia. También se puede definir con la siguiente formula:

V=J/C ………………………………………………………………………….……..Ec.(3.4)

Donde:

V (Volt)

J (Joule)

C (Coulomb)

De esta manera podemos pensar cuántos electrones son necesarios para generar 1 voltio, y deducimos lo siguiente:

Si: 1e = 1.602176462*10-19

J Y: 1e

= 1.602176487*10

-19C

Para generar 1v se necesitan 0,9999999844 electrones. El voltio también puede ser definido como la diferencia de potencial existente entre dos puntos tales que hay que realizar un trabajo de 1 joule para trasladar del uno al otro la carga de 1 Coulomb:

…………………………………………………………………………………Ec.(3.5)

Unidades de medida del Volt

El ampere (símbolo a o amp), es la unidad de intensidad de corriente eléctrica. Forma parte de las unidades básicas en el sistema internacional de unidades y fue nombrado en honor de André-Marie Ampere. El amperio es la intensidad de una corriente constante que manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2×10

-7 Newton por metro de longitud.

El ampere es una unidad básica, junto con el metro, el segundo, y el kilogramo. Es definido sin referencia a la cantidad de carga eléctrica. La unidad de carga, el coulomb, es definido, como una unidad derivada, es la cantidad de carga desplazada por una corriente de un ampere en el tiempo de un segundo. Como resultado, las corrientes eléctricas también son el tiempo promedio de cambio o desplazamiento de cargas eléctricas.

Fig. 3.8 Representación del flujo de electrones

36

Un amperio representa el promedio de un coulomb de carga por segundo.

…………………………………………………….……………………………Ec…(3.6)

Donde:

A = Amperes

C = Coulomb

s = segundos Un ampere es la cantidad de corriente que existe cuando un número de electrones con una carga total de un coulomb (1 c) se mueve a través de un área de sección transversal determinado, de un cable conductor, en un segundo (1 s). Como es una unidad básica, la definición del ampere no está unida a ninguna otra unidad eléctrica. La unidad de carga eléctrica, el coulomb, es definido en los términos del ampere: un coulomb es la cantidad de carga eléctrica llevada en una corriente de un ampere fluyendo por un segundo. Corriente, entonces, es el promedio por el cual la carga fluye a través de un alambre o una superficie. Un ampere de corriente (I) es igual al flujo de un coulomb de carga (Q) por un segundo de tiempo (t):

………………………………………………………………….………….…….Ec.(3.7)

Donde:

I = corriente en amperes

Q = carga en volts

t = tiempo en segundos. Aunque conceptualmente parecería más lógico tomar la carga como unidad básica, se optó por la corriente porque su patrón puede ser mucho más preciso.

Fig. 3.9 Representación de flujo de amperes

Es muy importante en la descomposición del agua para convertirla en oxihidrógeno, el ahorro de energía, la energía esta en función de los amperes y volts empleados para la descomposición del agua y su unidad de medida es el watt, que es la multiplicación o producto de volts y amperes. Por ejemplo:

12 volts x 10 amperes = 120 watts. Pero antes de entrar en materia recordemos que existen varios tipos de descomposición del agua pero bien la que nosotros estaremos calculando es la que se efectúa por bajo voltaje y alto amperaje.

37

3.5.1 Leyes de Faraday. Las reacciones químicas que se llevan a cabo en los electrodos pueden producir sustancias solidas, el desprendimiento de un gas, la oxidación o reducción de un ion que permanece en la solución, la conversión de un metal en un ion y la producción de un liquido, así como otros cambios. pero cualquiera que sea el cambio, la cantidad producida de la sustancia mantiene una relación simple con la cantidad de electricidad que causa el cambio. Esta relación fue descubierta por primera vez por Michael Faraday, y por esta razón lleva su nombre. Sus conclusiones están dadas en las leyes de la electrolisis de Faraday. Su primera ley dice que “La masa de la sustancia producida en un electrodo mediante electrolisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que pasa a través de la solución”. su segunda ley dice que “La masa de las distintas sustancias producidas durante la electrolisis es directamente proporcional a los pesos equivalentes de las sustancias”. esta ley se puede resumir cuantitativamente diciendo que 96,500 Coulomb de electricidad producen 1 equivalente en gramos del producto primario, cualquiera que sea su naturaleza, en un electrodo. Esta cantidad de electricidad se conoce como un Faraday. Como hay un numero de Avogadro de carga en un equivalente gramo de hidrogeno, podemos deducir que hay

electrones asociados con un faraday de electricidad. Los productos primarios son los que se forman primero en la electrolisis. Las leyes no se aplican a reacciones secundarias. Para determinar el equivalente gramo debemos considerar que tiene lugar un proceso de oxidación-reducción. Si escribimos la reacción en el electrodo y anotamos el numero de Faraday que acompañan la formación de un mol del producto y dividimos este numero por el peso atómico o molecular, según sea el caso, de la mol del producto, podemos considerar el numero de Faraday intercambiados como el equivalente redox. No se conoce excepción alguna de las leyes de Faraday, siempre que el paso de la electricidad lleve a cabo enteramente por conductancia iónica. Las leyes se aplican tanto a electrolitos fundidos como a sus soluciones, y son independientes de la temperatura y de la presión. En las soluciones, la naturaleza del disolvente no tiene ningún efecto, siempre y cuando soporte la ionización. Las leyes son independientes del voltaje usado para producir la electrolisis, aunque hay que considerar el voltaje para el cálculo de energía consumida en el proceso.

Fig. 3.10 Representación de electrolisis y acción y

reacción en una solución electrolítica.

Entrando en materia hay diversas formas de calcular el oxyhidrogeno desprendido en un reactor pero para todas se aplica la siguiente formula:

…………………………………………………………………………..Ec.(3.8)

La formula nos da como resultado una constante o numero de Faraday. Pero antes debemos conocer las proporciones estequiometricas del agua.

38

3.5.2 Consideraciones químicas.

Una reacción química ajustada nos indica la proporción de moléculas que reaccionan de cada reactivo y la proporción de moléculas que se forman de cada producto. Hasta ahora hemos considerado el coeficiente estequiométrico como número de moléculas que reaccionan o se forman pero también podríamos considerarlo como número de moles que reaccionan o se forman. Por ejemplo, si tenemos la reacción ajustada:

2 H2O 2 H2 + O2 …………………………………………………………..……………………….Ec.(3.9)

Los coeficientes estequiométricos nos indicarían que por cada molécula de agua (h2o) se formarán dos moléculas de hidrógeno (2H2) y una molécula de oxígeno (O2), recordando la experiencia de la electrólisis del agua. Por lo tanto dos moléculas de agua puede decir un múltiplo de lo mismo como puede ser dos moles (dos veces el número de Avogadro de moléculas de agua); es decir, dos moles de agua darán dos moles de hidrógeno y un mol de oxígeno. Considerar los coeficientes estequiométricos como moles en lugar de moléculas nos sirve para hacer cálculos. Según vimos, la masa de cualquier mol es la masa molecular expresada en gramos. Siguiendo con la reacción anterior, la masa molecular de cada compuesto implicado es la siguiente:

magua = 18 u; mhidrógeno= 2 u; moxígeno = 32 u . Si consideramos los coeficientes estequiométricos como moles, tendremos que

2 h2o = 2 h2 + o2

2 moles de agua = 2 moles de hidrógeno + 1 mol de oxígeno

2 moles·18 g / mol = 36 g de agua

= 2 moles·2 g / mol = 4 g de hidrógeno

+ 1 mol·32 g / mol = 32 g de oxígeno

…………….Ec.(3.10)

Como puedes observar, al aplicar estos cálculos también se cumplirá la ley de Lavoisier o de conservación de la masa: antes de la reacción tenemos 36 g, después de la reacción tenemos también 36 g ( 4 + 32 = 36). Si ahora nos dan una masa de cualquiera de las sustancias, por una simple proporcionalidad directa (regla de tres) podemos conocer las demás. No obstante, el método que vamos a seguir es el uso de factores de conversión. Primero debemos saber que esta sucediendo en nuestras celdas para lo cual las ecuaciones químicas en las celdas son las siguientes:

Fig.3.11 Representación de reacciones en el ánodo y cátodo.

39

La reacción global seria:

2 mol H₂O(liquido)= 2 mol h₂(gas) + 1 mol o₂(gas) ………………………………………..…………………………………….…Ec.(3.11)

Reduciéndola o dividiendo entre 2 quedaría:

1mol H₂O(liquido)= 1mol h₂(gas) + ½ mol o₂(gas) …………………………………………………..……………………….……Ec.(3.12)

Sustituyendo:

18 gr (liquido)= 2 gr (gas)+16 gr (gas) 18 gr = 18 gr

“El peso de los productos es igual al peso de los reactivos o viceversa”

La anterior Fig. 3.4 nos indica el comportamiento de los elementos en el ánodo y cátodo de la celda, es estequiometria simple se recomienda aprender a hacer ese calculo sencillo que nos dice tanto sobre los fenómenos que se llevan a cabo en las reacciones. Ahora que hemos visto la parte lógica y que como todo problema existen varios caminos para llegar a la misma solución aquí se planteara algunas soluciones para calcular la cantidad de oxyhidrogeno desprendido. Ejemplo 3.1 Si tenemos un generador de oxyhidrogeno con 7 placas en serie que consume 10 amperes se desea conocer cuanto oxyhidrogeno esta produciendo por minuto, y cuantos watts emplea, si sabemos que esta conectado a un suministro de 12volts de C.D. con las reacciones anteriores procedemos a la siguiente formula:

Donde 1 coulomb = 1amp x seg

No. de faradays = 0.006217616

…………………………………………………Ec.(3.8)

Ya con el número de Faraday solo resta saber el peso equivalente o gramos equivalentes para el hidrogeno y para el oxigeno:

Eq. quimico (oxigeno)= 8 gr

………….……………….…………….………Ec.(3.13)

Ahora calcularemos el peso de los productos para este caso el oxigeno, donde la formula nos dice:

Peso pdctos. (oxigeno) = no. faradays x eq. Quimico

Peso pdctos. (oxigeno) = 0.006217616 x 8 gr

Peso pdctos. (oxigeno) = 0.049740932 gr

..................................................Ec.(3.14)

40

Esto quiere decir que para 0.5 mol de oxigeno a 10 amperes en 1 minuto tenemos 0.049740932 gramos de oxigeno depositados en el ánodo. Pero 1 mol de hidrogeno u oxigeno ocupa 22.4 litros bajo condiciones normales, deducimos que 1 mol es igual a 22.4 lts. Por lo tanto ½ mol es igual a 11.2 lts.

1mol H₂O(liquido)= 1mol h₂(gas) + ½ mol o₂(gas)

18 gr (liquido)= 2 gr (gas)+16 gr (gas)

………………………………….……….…..Ec.(3.15)

Deduciremos que 1mol es igual a 22.4 lt por lo tanto ½ mol es igual a 11.2 lt Aplicando la ecuación

Donde: Xo es una constante para el oxigeno

Tenemos que Xo =1.4 lt/gr

…………………..………………….……….Ec.(3.16)

Ahora nuestro resultado de nuestra constante será multiplicado por el peso de productos y dividido entre el

producto del balanceo estequiometrico (2) para así obtener el oxigeno producido en gas.

…..…………………………………….…….Ec.(3.17)

Sustituyendo los valores obtendremos la cantidad de oxigeno producido en litros / min

Oxigeno producido= 0.034818652 lt / min

Oxigeno producido= 34.818 cm³ / min Oxigeno producido= 34.818 mililitros / min

Ahora calcularemos para el hidrogeno, si la relación es de 2:1 ó de 1 mol a 0.5 mol entonces:

1 mol de hidrogeno = 0.069637304 lt/ min

Hidrogeno producido=0.069637304 lt/ min

Hidrogeno producido= 69.637304 cm³ / min Hidrogeno producido= 69.637304 mililitros / min

Vol. total de HHO: oxigeno prod. + hidrogeno prod.

Vol. total de HHO= 0.034818652 lt / min + 0.069637304 lt / min Vol. total de HHO= 0.104455956 lt / min

Vol. total de HHO= 104.455956 cm³ / min

……………………………………….….…..Ec.(3.18)

41

Recordemos que los valores anteriores son para cuando se tiene 0° centígrados a 1 atm (atmosfera) es decir que para valores reales la producción de oxihidrógeno varia según la temperatura y la presión atmosférica. Si para 25 grados centígrados y 1 atm presión atmosférica a nivel del mar a) cual seria la producción de oxihidrógeno. Solo hay que utilizar la ecuación general de los gases para los gramos producidos para oxigeno e hidrogeno la ecuación es la siguiente:

Donde:

P = presión

V = volumen

n = moles de gas.

R = constante universal de los gases ideales.

T = temperatura absoluta

…………………...............................Ec.(3.19)

Despejando esta ecuación para obtener el volumen quedaría de la siguiente manera:

Para el oxigeno: n = 0.5 mol R = 0.08205746 (constante de los gases ideales) T= 273.15°k + °C (25) P = 1 atm V = 12.23

………………………………….……….…….Ec.(3.20)

Nuestra ecuación nos arroja como resultado 12.23lts. Aplicando la ecuación.

Tenemos que Xo = 1.5 lts/grm

……………………………………………….Ec.(3.16)

Aplicando la ecuación (3.17) :

…..…………………………………….Ec.(3.17)

…..……………….………………………….Ec.(3.17)

El oxigeno producido es igual a 0.038020724 lt/min.

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Ahora calcularemos para el hidrogeno, si la relación es de 2:1 ó de 1 mol a 0.5 mol entonces obtendremos el hidrogeno producido por regla de tres:

……………………….………………...……Ec.(3.21)

Hidrogeno producido= 0.0760411449 lt/ min a 25° grados centígrados y presión a nivel del mar

Vol. total de HHO = oxigeno prod. + hidrogeno prod. Vol. total de HHO = 0.038020724 lt / min + 0.0760411449 lt/ min

Vol. total de HHO= 0.114068 lt / min Vol. total de HHO= 114.068 cm³ / min

A 25° grados centígrados y presión a nivel del mar

…………………………..…………………..Ec.(3.22)

En definitiva podemos apreciar que en cuanto la temperatura a aumentando el volumen del oxihidrógeno aumenta; mucho cuidado aquí ya que el echo de que haya mas volumen solo quiere decir que el gas se expandió mas; como podemos apreciar en la siguiente tabla:

Tabla 3.2 Comportamiento del gas a distintas temperaturas.

cálculos

°c Amperes Gramos oxigeno hidrogeno vol. Total

1 0° 10 0.1492 .03481 .06963 .1044

2 25 10 0.1492 .03802 .07604 .1140

Observemos que el volumen se expandió mas pero el poder calorífico del oxihidrógeno es el mismo ya que depende de los gramos vueltos gas en función de los amperes y como podemos apreciar son los mismos para los 2 casos con esto quiero decir que es el mismo poder calorífico en ambos casos aunque en apariencia haya mas volumen en el calculo numero 2. Para efectos prácticos tomaremos siempre el volumen de oxihidrógeno en litros por minuto para 25° centígrados y 1 atmosfera.

Tabla 3.3 Expansión del gas con el incremento de temperatura.

cálculos °c Amperes gramos oxigeno hidrogeno vol. Total

1 0° 10 0.1492 0.03481 0.06963 0.1044

2 25° 10 0.1492 0.03802 0.07604 0.1140

3 35° 10 0.1492 0.03928 0.07860 0.1178

4 45° 10 0.1492 0.04056 0.08116 0.1217

5 55° 10 0.1492 0.04183 0.08371 0.1255

6 65° 10 0.1492 0.04311 0.08626 0.1293

7 75° 10 0.1492 0.04438 0.08881 0.1331

8 85° 10 0.1492 0.04566 0.09136 0.1370

9 95° 10 0.1492 0.04693 0.09391 0.1408

10 105° 10 0.1492 0.04821 0.09646 0.1467

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Fig. 3.12 Volumen de los gases desprendidos

En la Figura 3.10 apreciamos de una manera mas visual lo anteriormente señalado recordemos que aunque el volumen es mayor conforme aumenta la temperatura el poder calorífico será el mismo. Antes de entrar mas afondo recordemos que debemos corroborar nuestros datos para hacerlo mas lógico se utiliza un simulador. Croco dile chemistry es un laboratorio de química virtual en el que se pueden simular experimentos de forma fácil y segura, representar resultados en gráficos y observar reacciones en tiempo real.

En esta simulación podemos observar un matraz por el cual circula una corriente de 4.92 amperios con 2 electrodos de platino y una jeringa colectora de gas, cabe mencionar que se utilizo como electrolito hidróxido de potasio a 1 m. Corremos el programa y observamos en la grafica como aumenta el volumen de hidrogeno mientras el tiempo corre, el resultado debe ser lo mas cercano a nuestros cálculos que es para 5 amp. 57.034 cm³/min de oxihidrógeno.

Fig.3.13 Simulación en cocodryle chemistry

Apreciamos en la figura 3.7, que para 1 min. Tenemos un volumen de 52.91 cm³/min vol. de oxihidrógeno muy cercano a nuestro calculo considerando que nuestra simulación es a 4.92 amp. Los cálculos son muy cercanos. Recordemos que estos cálculos son para una sola celda aun no resolvemos el problema si fuesen 7 celdas en serie o paralelo, además el volumen cambia si es en serie o paralelo, lo ideal es ahorrar energía con mayor producción de oxihidrógeno. Finalmente antes de determinar los cálculos de oxihidrógeno en nuestras celdas pasaremos a explicar como se comporta la producción de oxihidrógeno si las celdas están en serie o si están en paralelo en el siguiente capitulo; y también podrá ver cual es el arreglo de celdas que mas le convendría y debido a que factores.

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0° 25° 35° 45° 55° 65° 75° 85° 95° 105°

OXIGENOHIDROGENOVOL. TOTAL

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3.6 Conexiones y configuraciones En este capitulo debemos tener claro que son amperes, volts y watts, también que la producción del oxihidrógeno para estos cálculos no tienen que ver (directamente) ni los volts, ni la temperatura; así que vamos a analizar como se comportarían los volts, amperes y producción de oxihidrógeno, en nuestros arreglos de celdas en serie o paralelo con un programa llamado live wire. todo esto para saber que arreglo de celdas nos conviene mas, es decir que produzca mas oxihidrógeno con menos energía y menos calentamiento.

3.6.1 leyes de Kirchhoff Ley de nodos o corrientes de Kirchhoff “En todo nodo, donde la densidad de la carga no varíe en un instante de tiempo, la suma de corrientes entrantes es igual a la suma de corrientes salientes”

Fig. 3.14 ley de nodos o ley de

corrientes de Kirchhoff

Ley de mallas o ley de tensiones de Kirchhoff “En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la suma de todas las subidas de tensión.”

Fig. 3.15 ley de mallas o tensiones

La ley de ohm se aplica a cualquier parte del circuito tanto como al circuito completo. Puesto que la corriente es la misma en las tres resistencias de la figura 2.6.3, la tensión total se divide entre ellas.

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La tensión que aparece a través de cada resistencia (la caída de tensión) puede obtenerse de la ley de ohm. Ejemplo: si la tensión a través de R1 la llamamos E1, a través de R2, E2, y a través de R3, E3, entonces

Fig. 3.16 Circuito de resistencias en serie

E = I x R

E1 = I x R1 = 0,00758 x 5000 = 37,9 v E2 = I x R2 = 0,00758 x 20.000 = 151,5 v

E3 = I x R3 = 0,00758 x 8000 = 60,6 v

…………………………………….….…..…Ec.(3.23)

La primera ley de Kirchhoff Describe con precisión la situación del circuito: la suma de las tensiones en un bucle de corriente cerrado es cero. Las resistencias son sumideros de potencia, mientras que la batería es una fuente de potencia, por lo que la convención de signos descrita anteriormente hace que las caídas de potencial a través de las resistencias sean de signo opuesto a la tensión de la batería. La suma de todas las tensiones da cero. En el caso sencillo de una única fuente de tensión, una sencilla operación algebraica indica que la suma de las caídas de tensión individuales debe ser igual a la tensión aplicada.

E= El + E2 + E3 E= 37,9 + 151,5 + 60,6

E= 250 v

……………………………………………….Ec.(3.24)

Segunda ley de Kirchhoff Hay otra solución para el problema. Suponga que las tres resistencias del ejemplo anterior se conectan en paralelo como se muestra en la Figura 3.11.

Fig. 3.17 Circuito de resistencias en paralelo

La misma fuente de 250 v, se aplica a todas las resistencias.

46

La corriente en cada una puede obtenerse de la ley de ohm como se muestra más abajo, siendo I1 la corriente a través de R1, I2 la corriente a través de R2, e I3 la corriente a través de R3. Por conveniencia, la resistencia se expresará en kilohms, por tanto la corriente estará en miliamperios.

I = E/RI1 = E / R1 =250 / 5 = 50ma I2 = E / R2 = 250 / 20 =12,5ma

I3 = E / R3 = 250 / 8 = 31,25 ma

..................................................Ec.(3.25)

La corriente total es:

It=I1+I2+...+In I total =I1 + I2 + I3 = 50 + 12.5 + 31.25 = 93.75 mA

………………………………………………..Ec.(3.26)

Este ejemplo ilustra la ley de corriente de Kirchhoff. "La corriente que circula hacia un nodo o punto de derivación es igual a la suma de las corrientes que abandonan el nodo o derivación." Por tanto, la resistencia total del circuito es:

R Total= R / I R Total = 250 / 93,75

= 2,667 kohms

..……………………………………………..Ec.(3.27)

Resistencias en paralelo En un circuito con resistencias en paralelo, la resistencia total es menor que la menor de las resistencias presentes. Esto se debe a que la corriente total es siempre mayor que la corriente en cualquier resistencia individual. La fórmula para obtener la resistencia total de resistencias en paralelo es:

..................................................Ec.(3.27)

Donde los puntos suspensivos indican que cualquier número de resistencias pueden ser combinadas por el mismo método. En el caso de dos resistencias en paralelo, la fórmula se convierte en:

..................................................Ec.(3.28)

Ejemplo: si una resistencia de 500 ohms está en paralelo con una de 1200 ohms, la resistencia total es:

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3.6.2 Comparaciones de conexiones en serie y paralelo. Celdas en paralelo Procederemos a analizar para nuestro ejemplo anterior 7 celdas conectadas en paralelo a 12 volts y que nos consumen 10 amperes para lo cual se simbolizaría así:

Fig.3.18 Placas conectadas en serie

Como podemos observar en la figura 2.6.5; las placas están interconectadas entre ellas y forman un circuito en paralelo vamos a representarlo el programa live wire para que se pueda apreciar como se distribuye el consumo de amperes y así mismo los volts, a simple vista parece en serie pero si observamos bien y hacemos un diagrama a mano, podemos deducir que es un circuito en paralelo.

Fig.3.19 Simulación en live wire conexiones en paralelo.

Si vemos el circuito de la simulación la figura 10; analizando detenidamente, simbolizamos cada celda como una resistencia, podremos apreciar que la corriente total de 10.69 amp. Se divide en cada celda siendo de apenas 1.53 amp. y el voltaje se mantiene alto (10.7 volt) y constante, con esto tendríamos menos producción de oxyhidrogeno a altos watts lo que nos daría una baja eficiencia de nuestro generador.

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Los resultados serian los siguientes:

Tabla 3.4 Resultados de producción de oxihidrógeno conexión de la celda en paralelo

celda Volts amperes watts HHO

1 10.7 1.53 16.3 17.452

2 10.7 1.53 16.3 17.452

3 10.7 1.53 16.3 17.452

4 10.7 1.53 16.3 17.452

5 10.7 1.53 16.3 17.452

6 10.7 1.53 16.3 17.452

7 10.7 1.53 16.3 17.452

total 10.7 10.69 114.38 122.167

Como comentamos si calculamos para 1.53 amp. nos daremos cuenta que solo produciremos 17.452 cm³/min por celda ya que recordaremos que para este tipo de electrolisis esta en función directa de los amperes consumidos. veamos que ocurre con nuestro modelo de generador en serie y analicemos o comparemos las mismas variables o situaciones que se presentan contra el modelo de generador en paralelo. Celdas en serie Procederemos a analizar para nuestro ejemplo anterior 7 celdas conectadas en serie a 12 volts y que nos consumen 10 amperes para lo cual se simbolizaría de la siguiente manera:

Fig. 3.20 configuración +nnnnnn-.

Como podemos observar las placas intermedias o neutras forman un circuito ya que entre ellas se conduce la corriente aun no estén cargadas esto lo podremos apreciar físicamente si conectamos un multímetro y analizamos el voltaje y corriente entre cada placa.

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Gracias al programa o simulador, live wire podremos mostrarlo de la siguiente manera con una detallada simulación del circuito en tiempo real.

Fig. 3.21 Simulación en live wire conexión en serie.

Analizando detenidamente el circuito siendo pues lógicamente 7 resistencias en serie y a cada celda le tomamos el voltaje siendo de 1.5 volts (circulo rosado), es decir los 12 volts se dividieron en las 7 celdas, siendo que nuestro circuito consume 10 amperes pero recordamos algo de electricidad según las leyes de Kirchhoff, nos dicen básicamente que en un circuito en serie la intensidad es la misma en todos los puntos; con esto me refiero a que entre cada celda habrá:

Tabla 3.5 Resultados de producción de oxihidrógeno conexión de la celda en serie.

celda Volts amperes Watts HHO

1 1.53 10.19 15.6 114.068

2 1.54 10.19 15.6 114.068

3 1.54 10.19 15.6 114.068

4 1.54 10.19 15.6 114.068

5 1.54 10.19 15.6 114.068

6 1.54 10.19 15.6 114.068

7 1.54 10.19 15.6 114.068

total 10.78 10.19 109.84 798.476

Como podrá apreciar este modelo de celda nos ofrecerá una buena cantidad de oxihidrógeno por minuto 798.476 cm³/min, 0.798476 lt/min; mayor a la ofrecida por el modelo en paralelo y como recordara ya habíamos calculado para una celda la producción de oxihidrógeno en este caso solo basta sumar la producción de cada ya que los amperes se mantienen constantes para cada celda siendo el factor principal de producción de oxihidrógeno y el voltaje repartido en cada celda, eso nos generara un calor(watts) distribuido uniformemente en el generador de oxihidrógeno para una disipación mas rápida, sin embargo los watts se mantienen altos, es decir ya que estamos utilizando una fuente de 12 volts los watts siempre serán un inconveniente(120 watts); otra cuestión es que nuestro primer modelo de celdas en paralelo necesitara menos KOH o electrolito para producir los 10 amp. Y en el modelo de celdas en serie se necesitara más KOH para alcanzar los 10 amp.

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Capitulo IV

Este capitulo esta enfocado a la fabricación y calculo de una celda propuesta con dimensiones de 14 x 28 centímetros que será conectada de dos maneras, en serie y en paralelo obteniendo resultados comparables, estos cálculos están basados en la ley de ohm y en la ley de Kirchhoff; estas comparaciones nos ayudaran a saber que cual de estas conexiones nos conviene mas utilizar, cual es la mas eficiente y cual satisface nuestras necesidades en cuanto a demanda del gas que se desea utilizar; en esta parte de la tesis se expone cada uno de los materiales a utilizar, sus características y procesos que se deberán aplicar a cada material para su optimo desempeño de la celda. Se calculara la duración y costos del proyecto, desde que empieza la cotización de los materiales hasta el armado total de las celda , en esta ultima parte, nos daremos cuenta que la inversión inicial del proyecto es una parte insignificante comparado al tiempo de uso y ahorro de energía, por tanto el análisis costo/beneficio, nos dará un satisfacción total en el uso de energías alternativas no contaminantes y renovables.

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4.1 Diseño de la celda

4.1.1 Breviario La Celda Seca , es un electrolizador, es decir, es un dispositivo utilizado para generar Gas oxhídrico mediante el principio de electrólisis del agua, este contiene la solución dentro de si. Al contrario de la Wet Cell o Celda Húmeda, también electrolizador, que es una cuba electrolítica y contiene tanto la solución como el electrodo múltiple dentro de si. La principal diferencia es que la Celda Seca puede soportar una mayor cantidad de corriente eléctrica que se transforma en calor pero que es disipado por las placas externas del electrodo al medio ambiente usando el aire que llega del exterior, la cual no acontece así con la Celda Húmeda, pues esta, por su diseño, no posee una capacidad de disipación de calor tan efectiva. Así, a mayor corriente en la celda, mayor generación de Gas oxhídrico. 4.1.2 Celda propuesta La celda propuesta será una celda seca, doble, con dimensiones de 14cm de alto 28cm de ancho y 4cm de espesor que contendrá 8 placas de acero (316L) entre las cuales circulara agua (H2O) con un electrolito de hidróxido de potasio (KOH) y una corriente de 12 V.

Fig.4.1 Celda seca propuesta.

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4.2 Construcción 4.2.1 Componentes de la celda seca El acrílico La celda propuesta esta compuesta de acrílico el cual será la base que sostendrá la mayor parte de la celda, además de ser transparente para hacer notar el flujo de agua y gas es utilizado también como un aislante externo; nuestra placa de acrílico será cortada según los planos; esta placa de acrílico tendrá una película protectora la que se deberá de quitar después de terminar todos los procesos de maquinado al cual será sujeta dicha placa, pero, antes del armado de la celda.

Fig. 4.2 placa de acrílico perforado.

La lámina de acrílico se obtiene de la polimerización del metacrilato de metilo y la presentación más frecuente que se encuentra en la industria del plástico es en gránulos o en láminas. Los gránulos son para el proceso de inyección o extrusión y las láminas para termo formado o para mecanizado. Compite en cuanto a aplicaciones con otros plásticos como el policarbonato (PC) o el poli estireno (PS), pero el acrílico se destaca frente a otros plásticos transparentes en cuanto a resistencia a la intemperie, transparencia y resistencia al rayado. Por estas cualidades es utilizado en la industria del automóvil, iluminación, cosméticos, espectáculos, construcción y óptica, entre muchas otras. En el mundo de la medicina se utiliza la resina de polimetilmetacrilato para la fabricación de prótesis óseas y dentales y como aditivo en polvo en la formulación de muchas de las pastillas que podemos tomar por vía oral. En este caso actúa como retardante a la acción del medicamento para que esta sea progresiva. En gránulos el acrílico es un material higroscópico, razón por la cual es necesario secarlo antes de procesarlo. Distinguiríamos el metacrilato como nombre común para las planchas o láminas de polimetilmetacrilato, siendo el nombre químico mucho más genérico a todo tipo de elemento (no sólo láminas) formulado con este material (resinas, pastas, gránulos, adhesivos, emulsiones...) Algunas marcas comerciales: Policril, Plexiglás, Vitroflex, Lucite, PerClax. Aunque también es llamado simplemente Acrílico. Las aplicaciones del acrílico son múltiples, entre otra señalización, cartelería o expositores. Las ventajas de este material son muchas. Últimamente encontramos muchos diseños, colores y acabados en las planchas que abren un mundo de posibilidades para su uso en arquitectura y decoración.

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Entre sus propiedades destacan:

Transparencia de alrededor del 93%. El más transparente de los plásticos.

Alta resistencia al impacto, de unas diez a veinte veces la del vidrio.

Resistente a la intemperie y a los rayos ultravioleta. No hay un envejecimiento apreciable en diez años de exposición exterior.

Excelente aislante térmico y acústico.

Ligero en comparación con el vidrio (aproximadamente la mitad), con una densidad de unos 1190 kg/m3

es sólo un poco más pesado que el agua.

De dureza similar a la del aluminio: se raya fácilmente con cualquier objeto metálico, como un clip.

De fácil combustión, no se apaga al ser retirado del fuego. Sus gases tienen olor afrutado y crepita al arder. No produce ningún gas tóxico al arder por lo que lo podemos considerar un producto muy seguro para elementos próximos a las personas al igual que la madera.

Gran facilidad de mecanización y moldeo.

Se comercializa en planchas rectangulares de entre 2 y 120 mm de espesor. Existe con varios grados de resistencia (en unas doce calidades diferentes) y numerosos colores. Se protege su superficie con un film de polietileno para evitar que se raye al manipularlo.

Se puede mecanizar en frío pero no doblar. (serrado, esmerilado, acuchillado pulido, etc.). Para doblarlo hay que aplicar calor local o calentar toda la pieza. Esto último es un proceso industrial complejo que requiere moldes y maquinaria especializada.

El metacrilato presenta gran resistencia al ataque de muchos compuestos pero es atacado por otros, entre ellos: Acetato de etilo, acetona, ácido acético, ácido sulfúrico, alcohol amílico, benzol, butanol, diclorometano, triclorometano (cloroformo), tolueno.

El acero inoxidable El proceso al cual será sometido el acero inoxidable antes del armado es el lijado de cada placa por ambos lados esto ayudara a que se formen mas rápidamente burbujas de gas en cada electrodo.

Fig. 4.3 Lamina de acero previamente lijado y

perforado

El acero inoxidable es un material sólido y no un revestimiento especial aplicado al acero común para darle características "inoxidables". Aceros comunes, e incluso otros metales, son a menudo cubiertos o “bañados” con metales blancos como el cromo, níquel o zinc para proteger sus superficies o darles otras características superficiales. Mientras que estos baños tienen sus propias ventajas y son muy utilizados, el peligro radica en que la capa puede ser dañada o deteriorarse de algún modo, lo que anularía su efecto protector. La apariencia del acero inoxidable puede, sin embargo, variar y dependerá en la manera que esté fabricado y en su acabado superficial.

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Su resistencia a la corrosión es lo que da al acero inoxidable su nombre. Sin embargo, justo después de su descubrimiento se apreció que el material tenía otras muchas valiosas propiedades que lo hacen idóneo para una amplia gama de usos diversos. Las posibles aplicaciones del acero inoxidable son casi ilimitadas, hecho que puede comprobarse con tan solo unos ejemplos:

En el hogar: cubertería y menaje, fregaderos, sartenes y baterías de cocina, hornos y barbacoas, equipamiento de jardín y mobiliario.

En la ciudad: paradas de autobús, cabinas telefónicas y resto de mobiliario urbano, fachadas de edificios, ascensores y escaleras, vagones de metro e infraestructuras de las estaciones.

En la industria: equipamiento para la fabricación de productos alimentarios y farmacéuticos, plantas para el tratamiento de aguas potables y residuales, plantas químicas y electroquímicas, componentes para la automoción y aeronáutica, depósitos de combustible y productos químicos.

El aislante El aislante es simplemente una placa de Etileno Vinil Acetato, que es un polímero termoplástico conformado por unidades repetitivas de Etileno y Acetato de Vinilo. La goma de Etileno Vinil Acetato es un material que combina con cualquier accesorio o producto de aplicación directa o superpuesta. Es un material que no sustituye a ninguno conocido, sino que por el contrario, lo complementa. Esta placa de Etileno Vinil Acetato también nos servirá de centradores para los sellos de las cámaras, las cuales nos ayudaran a que no existan fugas entre electrodo y electrodo.

Fig. 4.4 Placa de Etileno Vinil Acetato

En la figura 4.5 se muestra la placa de Etileno Vinil Acetato ya cortado y perforado para su montaje; los círculos de en medio se utilizaran para centrar los sellos entre cada placa y serán recortados del mismo diámetro de la junta

Fig. 4.5 placa de Etileno Vinil Acetato recortada y

perforada según los planos

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Fig.4.6 placa de Etileno Vinil Acetato con muestra del

diámetro de los sellos

El sello o junta Se denomina junta tórica u O-Ring a una junta de forma toroide, habitualmente de goma, cuya función es la de asegurar la estanqueidad de fluidos, por ejemplo en cilindros hidráulicos y cilindros neumáticos, como también en equipamiento de submarinismo acuático. Por lo general, se encuentra en equipos para impedir el intercambio de líquidos o gases en las uniones entre piezas desmontables.

Fig.4.7 sellos o también llamados juntas

Las juntas tóricas se colocan en ranuras diseñadas para tal efecto en los elementos de cierre, comúnmente ejes y tapas. Existen diversas juntas tóricas para diversas aplicaciones, como por ejemplo según el material del que está constituida. En ese caso, se observa principalmente la presión y temperatura de trabajo a la cual será sometida. Nosotros la utilizaremos como sello para asegurar la estanqueidad del fluido mientras el agua se encuentre en proceso de separación de átomos o electrolisis.

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Conexiones Las conexiones son de alta presión para control neumático pero también pueden ser usadas como conexiones para transporte de líquido a bajas presiones y lo cual las utilizaremos para conectar las mangueras de nylon que serán conectadas del bubbler o burbujeador hasta la celda.

Fig. 4.8 Conexiones rápidas para manguera de nylon

Las conexiones utilizadas en esta celda propuesta son de la serie KQ2 Numero 6 de ¼” o 6.35 mm según el catalogo de smc. Tornillería Se denomina tornillo a un elemento u operador mecánico cilíndrico dotado de cabeza, generalmente metálico, aunque pueden ser de madera o plástico, utilizado en la fijación temporal de unas piezas con otras, que está dotado de una caña roscada, que mediante una fuerza de torsión ejercida en su cabeza con una llave adecuada o con un destornillador, se puede introducir en un agujero roscado a su medida o atravesar las piezas y acoplarse a una tuerca.

El tornillo deriva directamente de la máquina simple conocida como plano inclinado y siempre trabaja asociado a un orificio roscado. Los tornillos permiten que las piezas sujetas con los mismos puedan ser desmontadas cuando la ocasión lo requiera.

Fig. 4.9 Tornillería para armado de la celda.

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Los tornillos los definen las siguientes características:

Diámetro exterior de la caña: en el sistema métrico se expresa en mm y en el sistema inglés en fracciones de pulgada.

Tipo de rosca: métrica, Whitworth, trapecial, redonda, en diente de sierra, eléctrica, etc. Las roscas pueden ser exteriores o machos (tornillos) o bien interiores o hembras (tuercas), debiendo ser sus magnitudes coherentes para que ambos elementos puedan enroscarse.

Paso de la rosca: Distancia que hay entre dos crestas sucesivas, en el sistema métrico se expresa en mm y en el sistema inglés por el número de hilos que hay en una pulgada.

Sentido de la hélice de la rosca: a derechas o a izquierdas. Prácticamente casi toda la tornillería tiene rosca a derechas, pero algunos ejes de máquinas tienen alguna vez rosca a izquierda. Los tornillos de las ruedas de los vehículos industriales tienen roscas de diferente sentido en los tornillos de las ruedas de la derecha (a derechas) que en los de la izquierda (a izquierdas). Esto se debe a que de esta forma los tornillos tienden a apretarse cuando las ruedas giran en el sentido de la marcha. Asimismo, la combinación de roscas a derechas y a izquierdas es utilizada en tensores roscados.

Material constituyente y resistencia mecánica que tienen: salvo excepciones la mayor parte de tornillos son de acero de diferentes aleaciones y resistencia mecánica. Para madera se utilizan mucho los tornillos de latón.

Longitud de la caña: es variable.

Tipo de cabeza: en estrella o Phillips, Bristol, de pala y algunos otros especiales.

Tolerancia y calidad de la rosca

TORNILLOS HEXAGONALES

DIN-931

Tornillo cabeza hexagonal, rosca parcial

DIN-933

Tornillo cabeza hexagonal, rosca total

DIN-960

Tornillo cabeza hexagonal, rosca parcial, paso fino

DIN-961

Tornillo cabeza hexagonal, rosca total, paso fino

DIN-6914

Tornillo cabeza hexagonal para estructura

DIN-6921

Tornillo cabeza hexagonal con base (con y sin grafilado)

DIN-571

Tirafondo para madera cabeza hexagonal

Fig. 4.10 tornillos hexagonales

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Los tornillo que se utilizaran en nuestro proyecto son tornillos de cabeza hexagonal DIN-6914 de una longitud de 55mm y de 6.35mm o ¼ “ de diámetro. Se utilizaran 12 tornillos con 2 arandelas para cada tornillo y sus respectivas tuercas.

4.2.2 Armado de la celda propuesta. El armado es muy sencillo la primer capa es la placa de acrílico de la lamina 3004 que será la parte posterior de la celda donde estarán montados los tornillos con la arandela trasera, después se montara una lamina de etileno vinil acetato ya recortada y perforada como lo muestra la lamina 3003, después se montara la placa de acero ya cortada y perforada como lo muestra la figura 3001 y así se intercalaran las laminas de acero y etileno vinil acetato, de esta manera se terminara colocando una lamina de etileno vinil acetato, después se colocara la ultima placa de acrílico la parte delantera del diseño de la lamina 3002, presionando la celda, se colocaran las segundas arandelas a cada tornillo y por ultimo las respectivas tuercas. dentro de las perforaciones centrales de nuestra placa delantera de acrílico se harán roscas con machuelos milimétricos para así finalizar con la colocación de las conexiones de mangueras.

Fig. 4.11 celda seca 70% armada

Fig. 4.12 placa de acrílico central con conexiones de

mangueras

El bubbler Un bubbler es una parte muy importante del sistema de oxihidrógeno. Esta tiene dos importantes propósitos. El primero y el más importante propósito es crear una barrera entre el electrolizador y el contenedor de una posible explosión. El concepto general es simple. El oxihidrógeno se introduce en una columna de líquido a través de una conexión en la parte inferior.

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La columna de fluido usualmente consiste de agua. Esto hace que las moléculas de hidrogeno y oxigeno se dividan en burbujas y donde pasa a través de la columna de fluido a la parte superior donde se recoge este gas. Este mecanismo crea una barrera de agua entre cada burbuja de gas oxhídrico que proporciona un mayor nivel de seguridad. Aunque este dispositivo detendrá la mayoría de las explosiones, uno debe ser cuidadoso con el tamaño de la columna de fluido y la cantidad de oxihidrógeno que es introducido en el líquido. Si el oxihidrógeno se introduce demasiado rápido en una columna de líquido que es demasiado pequeño, grandes burbujas se forman, lo que reduce la barrera de agua entre cada burbuja. El segundo propósito del bubbler es proveer una acción de limpieza o depuración. Introduciendo oxihidrógeno en la columna de fluido, en pequeñas burbujas, se provee mayor área de limpieza del oxihidrógeno. Esto significa que el agua o la columna de fluido ayuda absorber cualquier molécula condensada de químicos o escoria que este suspendida en el electrolito. Esto ocurre porque el gas de oxihidrógeno ligero es impulsado hacia la superficie. Con el aumento burbujas, el electrolito condensado se reducirá con los bordes de la burbuja, y será absorbido en el líquido. Este mecanismo ayuda a proveer gas oxihidrógeno limpio

El depósito de anticongelante de cualquier carro puede ser muy útil para nuestro proyecto; acontinuacion se muestran algunas imágenes de depósitos de anticongelante para nuestro proyecto.

Fig. 4.13 deposito de

anticongelante Ford fiesta

4.3 Calculo de potencia Antes de hacer una decisión de que tipo de configuración es la más conveniente para la producción de oxyhidrogeno, ya sea en serie o paralelo primero se empezara conociendo el total de voltaje y amperaje en la celda. Se desea conocer la cantidad de oxyhidrogeno en un tiempo de 60 segundos con solo 2 electrodos de acero inoxidable y 15 amperes de corriente por lo tanto Empezaremos con la ecuación (3.8) que nos dice:

……………………………………………..Ec.(3.8)

Sustituyendo nuestros datos de nuestros amperes en un tiempo de 60 seg. o 1 minuto tenemos que:

Donde 1 coulomb = 1amp x seg

Teniendo como resultado:

60

Ahora procederemos a calcular el equivalente químico del O2 con la ecuación (3.13) que tiene una masa atómica de 15.9994gr y su valencia es 2 por lo tanto:

………….……………….…………….………Ec.(3.13)

Ya con el equivalente químico podemos calcular el peso de productos; sustituiremos los valores obtenidos en la siguiente ecuación (3.14).

Peso pdctos. (oxigeno) = no. faradays x eq. Quimico

Peso pdctos. (oxigeno) = 0.009326 x 7.9997 gr

Peso pdctos. (oxigeno) = 0.0746052022

..................................................Ec.(3.14)

El peso de productos nos indica cuanta cantidad de O2 en gramos en un minuto teóricamente tendríamos. Ahora calcularemos la producción de oxihidrógeno para la ciudad de México con una temperatura promedio de 23° C a una presión de 0.769737atm calculando el volumen de O2 en litros de la ecuación (3.20).

………………………………………...…….Ec.(3.20)

Según la definición de mol 1 mol de gas corresponde a 31.5709 litros Entonces deducimos lo siguiente ½ mol de

gas es igual a 15.7854 litros.

…………………..………………….……….Ec.(3.16)

61

Con estos datos calculados se puede obtener la cantidad de oxigeno producido en litros por minuto.

…..…………………………………….…….Ec.(3.17)

Ahora deduciremos lo siguiente : Si la relación de Hidrogeno: Oxigeno según los cálculos estequiometricos es 2:1 entonces el cálculo del gas producido será multiplicado por 2

Ahora solo resta sumar los cálculos de gas producido para obtener la cantidad de gas total producido.

…………………………………...............Ec.(3.22)

Este resultado es el gas total obtenido a presión y temperatura promedio de la ciudad de México, pero solo utilizando 2 electrodos a 15 amperes de corriente.

4.3.1 Resultados Conexiones y configuraciones

En este tema estudiaremos el comportamiento de la celda, conectada en serie y paralelo y la producción total de oxihidrógeno según la ley de Kirchhoff. Comencemos estudiando la celda si es conectada en paralelo; deduciendo según las leyes de Ohm y Kirchhoff, nos dicen básicamente que en un circuito en paralelo la intensidad de corriente depende de la resistencia de cada sección o sea que el consumo total de corriente en amperes es dividida entre todos los puntos o nodos.

62

Ahora calcularemos la producción de oxihidrógeno de la celda propuesta conectada en paralelo; recordando que la intensidad de corriente en un arreglo en paralelo es dividida entre cada sección del circuito; si tenemos un potencial eléctrico de 12 volts y una intensidad de corriente de 15 amperes, que serán administrados a una celda de 8 electrodos dobles con una resistencia casi nula entonces:

…………………………………………..……Ec. (4.1)

Ya teniendo cuantos amperes consume por electro de calcularemos el numero de Faraday.

………………………………………..………Ec. (3.8)

Ahora se calculara el equivalente en gramos del oxigeno (O2 ), para posterior mente para calcular el peso del oxigeno por minuto producido.

……………………………………………….Ec.(3.13)

El siguiente paso es calcular el peso del oxigeno por minuto.

Peso pdctos. (oxigeno) = no. faradays x eq. Quimico

Peso pdctos. (oxigeno) = 0.00116580 x 7.9997 gr

Peso pdctos. (oxigeno) = 0.009326

……………………………………………….Ec.(3.14)

63

Nuestros resultados obtenidos son de 0.009326 gramos en un minuto por celda; dejando atrás estos datos, nuestro siguiente cálculo es el volumen que se obtiene de oxigeno a presión y temperatura de la ciudad de México habiendo que el numero de moles (n) del oxigeno es 0.5 por que la relación H : O es de 1 : 0.5, la temperatura promedio es de 23

o C y 0.769737 atmosferas de presión.

O sea que :

…….1/2 mol

……….…..1 mol

………………………………….……………Ec.(3.20)

Ahora calcularemos el volumen por cada gramo de oxigeno, o sea cuantos litros de oxigeno caben en un gramo del mismo.

……………………………………………….Ec.(3.16)

Teniendo estos cálculos en cuenta calcularemos el oxigeno producido.

…………………………………………..…..Ec.(3.17)

Sabiendo que la relación de hidrogeno : oxigeno es 1:2 entonces multiplicaremos el oxigeno total producido por 2, para así, obtener el hidrogeno total producido en nuestra celda.

…………………………………………..…..Ec.(3.21)

64

Ahora queda sumar el oxigeno total producido mas el hidrogeno total producido para calcular el gas que se genero en cada sección de la celda.

……………………………………………..Ec.(3.22)

Nuestra produccion total de oxihidrógeno seria 0.02761245 litros por minuto por celda si se desea conocer la produccion total de oxihidrógeno producido tendremos que multiplicar el gas total producido por el numero de electrodos que tenemos por el numero de celdas conectadas.

…………………………………….…………..Ec.(4.2)

Como nuestra celda es doble entonces se multiplicara el resultado del gas total producido de las ocho celdaspor dos.

……………………………………….……….Ec. (4.3)

Ahora nuestro resultado es:

Ahora calcularemos la produccion de oxihidrógeno de nuestra celda propuesta configurada en serie con los mismos datos recordando algo de electricidad según las leyes de Kirchhoff, nos dicen básicamente que en un circuito en serie la intensidad es la misma en todos los puntos

Sabiendo que son 15 amperes de corriente por cada sección de la celda, calcularemos el número de Faraday.

………………………………………..………Ec. (3.8)

65

Ahora calcularemos el equivalente químico del oxigeno.

……………………………………………….Ec.(3.13)

Utilizando la ecuación (3.14) calcularemos el peso del oxigeno en gramos.

Peso pdctos. (oxigeno) = no. faradays x eq. quimico

Peso pdctos. (oxigeno) = 0.009326 x 7.9997 gr

Peso pdctos. (oxigeno) = 0.074609

……………………………………………….Ec.(3.14)

Por la ecuación General de los gases obtendremos el volumen del oxigeno.

O sea que:

…….1/2 mol

…………..1 mol

………………………………….……………Ec.(3.20)

Con la ecuación (3.16) calcularemos cuantos litros obtendremos de oxigeno por gramo.

……………………………………………….Ec.(3.16)

66

A continuación calcularemos el oxigeno obtenido .

…………………………………………..…..Ec.(3.17)

Nuestra producción total de oxigeno es de 0.0736011 litros en un minuto; si la relación de hidrogeno : oxígeno es 2:1 entonces se multiplica el oxigeno producido por 2.

…………………………………………..…..Ec.(3.21)

Nuestra producción total de hidrogeno es de 0.147222 litros en un minuto; y para calcular la producción total de oxihidrógeno solo basta sumar el hidrogeno producido mas el oxigeno producido.

……………………………………………..Ec.(3.22)

Nuestra produccion total de oxihidrógeno seria 0.220832 litros por minuto por celda si se desea conocer la produccion total de oxihidrógeno producido tendremos que multiplicar el gas total producido por el numero de electrodos que tenemos

…………………………………………….….Ec. (4.2)

…………………………………………………Ec.(4.3)

67

4.3.2 análisis de resultados Ahora haremos algunos cálculos en una hoja de Excel solamente para graficar y saber que resultados nos muestra la tabla y así comparar la eficiencia de nuestra celda, y saber cual de nuestras configuraciones es la más eficiente.

configuración volts amperes watts tiempo Volumen GpT * sección Total celda doble

serie 12 15 180 60 15.7854675 0.220832965 1.76666372 3.533327438

12 15 180 120 15.7854675 0.44166593 3.53332744 7.066654876

12 15 180 180 15.7854675 0.662498895 5.29999116 10.59998231

12 15 180 240 15.7854675 0.88333186 7.06665488 14.13330975

12 15 180 300 15.7854675 1.104164824 8.8333186 17.66663719

12 15 180 360 15.7854675 1.324997789 10.5999823 21.19996463

paralelo 12 1.875 22.5 60 15.7854675 0.027604121 0.22083296 0.44166593

12 1.875 22.5 120 15.7854675 0.055208241 0.44166593 0.88333186

12 1.875 22.5 180 15.7854675 0.082812362 0.66249889 1.324997789

12 1.875 22.5 240 15.7854675 0.110416482 0.88333186 1.766663719

12 1.875 22.5 300 15.7854675 0.138020603 1.10416482 2.208329649

12 1.875 22.5 360 15.7854675 0.165624724 1.32499779 2.649995579

Fig. 4.14 Grafico de los resultados de las conexiones en serie y paralelo.

En esta grafica podemos observar que la producción de nuestra celda conectada en paralelo será menos eficiente que la conectada en serie a lo largo de 360 segundos

0

5000

10000

15000

20000

25000

0 50 100 150 200 250 300 350 400

serie

paralelo

Tabla 4.1 Resultados de conexiones en serie y paralelo

68

4.4 Duración y Costos del proyecto de la celda propuesta En la siguiente tabla nos muestra en la primera columna cada materia prima y proceso al que serán expuestos dichos materiales que serán utilizados dentro de la fabricación del proyecto.

Tabla 4.2 costo total del proyecto

Nombre de tarea Costo total

HHO $2,014.00

cotización de acero $25.00

cotización de acrílico $25.00

cotización de juntas $25.00

cotización de foamy $25.00

cotización de mangueras y conexiones $25.00

cotización de cable, zapatas, y aislante $25.00

compra de acrílico y acero $345.00

compra de juntas y foamy $115.00

compra de mangueras conexiones y material eléctrico $185.00

corte del acero $105.00

perforación del acero $200.00

corte del acrílico $35.00

perforación del acrílico $10.00

cuerda del acrílico $20.00

compra de material de sujeción $79.00

compra de bubbler $225.00

selección y compra de pwm $490.00

armado $55.00

Según la tabla 4.2 la cotización del proyecto completo nos saldría en $2014 pesos teniendo en cuenta que para cada tarea se otorgo varios recursos para completar todas las tareas, como por ejemplo para la cotización la materia prima se utilizo cierta cantidad de dinero para el transporte.

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Tabla 4.3 duración del proyecto

Nombre de tarea Duración Predecesoras Comienzo Fin

HHO 18 días?

jue 11/08/11 lun 05/09/11

cotización de acero 3 horas?

jue 11/08/11 jue 11/08/11

cotización de acrílico 4 horas 10 jue 11/08/11 jue 11/08/11

cotización de juntas 3 horas 2,1 jue 11/08/11 vie 12/08/11

cotización de foamy 3 horas 3,2,1 vie 12/08/11 vie 12/08/11

cotización de mangueras y conexiones 4 horas 4,3,2,1 vie 12/08/11 lun 15/08/11

cotización de cable, zapatas, y aislante 3 horas 5,4,3,2,1 lun 15/08/11 lun 15/08/11

compra de acrílico y acero 3 horas 2,1 jue 11/08/11 vie 12/08/11

compra de juntas y foamy 3 horas 3,4 vie 12/08/11 vie 12/08/11

compra de mangueras conexiones y material eléctrico 4 horas 5,6 lun 15/08/11 lun 15/08/11

corte del acero 2 horas 7 vie 12/08/11 vie 12/08/11

perforación del acero 3 horas 10 vie 12/08/11 vie 12/08/11

corte del acrílico 2 horas 7 vie 12/08/11 vie 12/08/11

perforación del acrílico 2 horas 12 vie 12/08/11 vie 12/08/11

cuerda del acrílico 2 horas 13 vie 12/08/11 vie 12/08/11

compra de material de sujeción 1 hora 10,11,12,13 vie 12/08/11 vie 12/08/11

compra de bubbler 3 horas 15 lun 15/08/11 lun 15/08/11

selección y compra de pwm 15 días 16 lun 15/08/11 lun 05/09/11

armado 5 horas 17 lun 05/09/11 lun 05/09/11

La tabla 4.3 nos muestra la duración de cada tarea todas las tareas duran horas excepto la selección y compra del elemento PWM, este elemento no hay existencias en México .por lo tanto la duración será de 15 días por que es un elemento que se pedirá al extranjero y su tiempo desde la compra hasta la entrega ya esta tabulado o establecido, la duración del proyecto es de 18 días siempre y cuando no exista ningún retraso.

Fig. 4.15 diagrama de Gantt

70

El diagrama de Gantt, es una popular herramienta gráfica cuyo objetivo es mostrar el tiempo de dedicación previsto para diferentes tareas o actividades a lo largo de un tiempo total determinado. La posición de cada tarea a lo largo del tiempo hace que se puedan identificar dichas relaciones e interdependencias, por ejemplo no se puede comprar sin antes haber una cotización de dicho material. . En gestión de proyectos, el diagrama de Gantt muestra el origen y el final de las diferentes unidades mínimas de trabajo y los grupos de tareas o las dependencias entre unidades mínimas de trabajo.

Fig. 4.16 Informe del costo previsto

En el informe del costo previsto podemos comparar los costos de cada tarea por ejemplo la compra del acrílico y el acero, y la selección y compra del elemento PWM son las tareas en donde se va a invertir más dinero que las otras tareas. El costo total del proyecto es de $2,014.00 el costo de ingeniería se calcula sumando el 20% del valor total del proyecto más el costo del proyecto O sea:

En nuestro caso

Por lo tanto el costo total de igenieria es de $402.00

………………………...……………………..Ec. (4.4)

$2,014.00 = $2,416.00

………………………………….…………..Ec. (4.5)

Entonces concluimos que el costo real total de nuestro proyecto es de $2,416.00. Relativamente este es un costo sumamente bajo en relación con tiempo que se desee utilizar.

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100

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71

Conclusión Se llego a la conclusión que podemos obtener un gas de escape inodoro, altamente explosivo. Con un contenido de CO2 reducido de manera drástica, cerca de un 60 %, las emisiones de NO2 venenoso bajan casi a cero. Este generador de oxihidrógeno solo produce el gas a demanda, o sea que este gas no se debe almacenar en depósitos a alta presión ya que la explosividad de este gas lo hace alta mente riesgoso y demasiado peligroso. Se hicieron sus respectivos cálculos para saber la eficiencia de una celda propuesta comparando así los datos y las configuraciones en cuanto a conexiones eléctricas y condiciones de presión y temperatura teniendo como resultado datos muy significativos los cuales al hacer una comparativa se puede observar que la configuración mas eficiente es cuando la celda se conecta en serie. Esta celda fue diseñada con materiales muy comerciales, menos sofisticados y fáciles de conseguir es un proyecto realmente de muy bajo costo en cuanto a inversión y funcionalidad.

72

Referencias bibliográficas 1. Mantell, C.L. Ingeniería Electroquímica 2003 Edición: 1ª. 2. Octave Levertspiel 1995 Ingeniería de las Reacciones Químicas. 3. Robert B. Northrop, Introducción a Instrumentación y a las Medidas CRC Press, 1997 4. Kuzman, Cantidades físicas y las unidades del sistema internacional (S.I.), Begell House Publishers, 1995 5. http://cienciaytecnología.Mforos.com/1615729/8122328-historia-del-hidrogeno. 6. http://en.wikipedia.org/wiki/Oxhydrogen 7. http://en.wikipedia.org/wiki/Acero_inoxidable 8. http://en.wikipedia.org/wiki/agua 9. http://en.wikipedia.org/wiki/oxigeno 10. http://en.wikipedia.org/wiki/hidrogeno 11. http://en.wikipedia.org/wiki/sulfato_de_ magnesio 12. http://en.wikipedia.org/wiki/hidroxido_de_sodio 13. http://en.wikipedia.org/wiki/hidroxido_de_potasio 14. http://en.wikipedia.org/wiki/sulfato_de_sodio 15. http://en.wikipedia.org/wiki/acido_sulfurico 16. http://en.wikipedia.org/wiki/electrolito 17. Enrique Troncoso Muñoz, Generación de Hidrogeno por Electrolisis a partir de energías Renovables. 18. Estequiometria, Estructuras, Termoquímica, Equilibrios y Química Orgánica 19. Fundamentos de Química/ 5ª edición 20. Enríquez Harper, Gilberto, ABC de las instalaciones Eléctricas industriales, Limusa noriega editores. 21. Aguer Hortal, Mario Miranda. Hidrogeno, El fundamento de un futuro equilibrado, Ediciones Díaz de santos 22. Jenkins David, Química del agua, Limusa Noriega Editores. 23. Havre K, Borg P., Tommerberg K (1995). Hydrogen and fuel cells for Energy Storage. E-books 24. Helsinki university of technology. Finlandia, Hydrogen Energy Sistems. Ph.D. 25. Kreuter W. Hofman H. “Electrolysis: the important energy transformer in a wold of sustainable energy”, Int. J. 23(8).

73

Contenido anexo

74

RECOMENDACIONES TECNICAS. 1) La producción de gas es directamente proporcional a la corriente consumida solamente. En condiciones estándar (0° c, 1 atm) necesita aproximadamente 1.594 amperios de cada lph por celda, mientras que necesitará menos si se mide el volumen de gas a temperatura ambiente. 2) El voltaje de la celda ideal sería de alrededor de 1.48v, y cualquier cosa por encima de ella pierde eficiencia. El voltaje más bajo de celdas en la práctica parece estar alrededor de 1.8v-2.0v. La tensión o voltaje sólo es necesario para circular la corriente a través de la celda, no tiene relación con de la cantidad de gas producido. La sobretensión de la celdas (por encima de 1.48v) se determina por; los materiales de los electrodos, la densidad de corriente, la distancia entre electrodos y la conductividad del electrolito. 3) Potencia o eficiencia total se define como la cantidad de vatios necesarios para producir un lph. Los diseños de celdas en serie parecen tener la máxima eficiencia en el rango de 2.5-3 vatios por cada lph. El electrolizador más eficaz tendría un gran número de las celdas en serie con espaciado cercano entre celdas (3 mm) y una baja corriente (10a). 4) Mucha gente construye celdas simples para electrolizadores tipo booster y controlan el amperaje con un electrolito débil. El voltaje de la celda es a menudo alrededor de 13v, y ponen el suficiente electrolito para pasar 5a más o menos. 5a crea sólo el 3,5 lph de gas, por lo que la eficiencia es muy mala en los 18,5 watts por lph. Los electrolizadores en serie de 7 celdas bien diseñados producen 7 veces esa cantidad de gas o 24,5 lph con la misma potencia, es decir son mucho más eficientes! 5) El voltaje de la celda también depende de la densidad de corriente (corriente / área total del electrodo). Celdas con áreas pequeñas son menos eficientes, ya que requiere un voltaje más alto para pasar la misma cantidad de amperios. Buenas prácticas de densidad de corriente son de alrededor de 0.5a/sq.inch o 0.1a/cm^2. Un electrolizador debe tener un área de al menos unos 170 cm^2, para soportar alrededor de 20a. 6) Cuanto mayor sea la corriente a través de la celda (mayor densidad de corriente), más alto es el voltaje de la celda. La eficiencia energética disminuye a medida que aumenta la corriente si la superficie de las placas se mantiene igual. Para mantener la eficiencia energética, el mismo incremento de la superficie de la placa debe ser en proporción con la corriente (mantener la misma densidad de corriente). 7) Cuanto mas pequeña es la distancia entre electrodos más bajo será el voltaje de la celda. En la práctica 3 mm distancia entre electrodos es bueno hasta cerca de 10a. a mayores corrientes el electrolito inicia la formación de espuma que subirá sobre las placas (reduce la eficiencia) y el electrolizador comienza a escupir espuma de electrolito. Para usar 10-40a use una separación de 5-8 mm. 8) El mejor electrolito es NaOH (1 parte de NaOH por 4 partes de agua por peso) o KOH (28% por peso). En la practica, estos dan el voltaje más bajo a la celda. Ambos son cáusticos, usen guantes para trabajar con ellos. 9) El mejor material para elaborar electrodos sería el níquel, pero las placas son muy caras. Acero con chapa niquelada también funcionaría. El material para electrodo más práctico es el acero inoxidable (inox 316-l). El acondicionamiento de la superficie del electrodo es muy importante para reducir al mínimo el voltaje de la celda. Lo mejor es lijar las placas del electrodo (patrón cruzado a 90 grados) para formar un montón de montes microscópicos. Las placas no deberán tocarse con los dedos desnudos pues la grasa de estos constituye un excelente aislante para la formación de gas oxihidrógeno.

75

10) El burbujeador (bubbler) es absolutamente esencial para evitar que las explosiones dañen el electrolizador. El burbujeo del gas oxihidrógeno a través de un baño de agua es la única manera segura de evitar estas explosiones, siempre que el contenedor sea lo suficientemente fuerte como para contener cualquier explosión, y que el nivel del agua de burbujeador este suficientemente alta. Como alternativa, el burbujeador puede tener una tapa de seguridad tipo "pop-off" o una válvula de seguridad. 11) El electrolizador como el que se muestra no podrá generar alguna presión si existe fuga. Para operaciones a presión debe utilizar tanque a prueba de presión (metálico). Si es necesario almacenar gas oxihidrógeno para un corto período de tiempo, ponga un globo grande en la salida del burbujeador. 12) La mezcla explosiva ideal de este gas a presión atmosférica es extremadamente peligrosa!, almacenarla bajo presión será esperar que ocurra un desastre. La única forma segura de almacenar hidrógeno es sin el oxigeno. La forma más segura de utilizar gas oxihidrógeno es bajo demanda.

76

PROPIEDAES DE LOS ELEMENTOS.

Agua. El agua (del latín aqua) es una sustancia cuya molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). Es esencial para la supervivencia de todas las formas conocidas de vida. El término agua generalmente se refiere a la sustancia en su estado líquido, pero la misma puede hallarse en su forma sólida llamada hielo, y en forma gaseosa denominada vapor Fue Henry Cavendish quien descubrió en 1781 que el agua es una sustancia compuesta y no un elemento, como se pensaba desde la Antigüedad. Los resultados de dicho descubrimiento fueron desarrollados por Antoine Laurent de Lavoisier dando a conocer que el agua estaba formada por oxígeno e hidrógeno. En 1804, el químico francés Joseph Louis Gay-Lussac y el naturalista y geógrafo alemán Alexander von Humboldt demostraron que el agua estaba formada por dos volúmenes de hidrógeno por cada volumen de oxígeno (H2O).

Las propiedades fisicoquímicas más notables del agua son:

El agua es insípida e inodora en condiciones normales de presión y temperatura. El color del agua varía según su estado: como líquido, puede parecer incolora en pequeñas cantidades, aunque en el espectrógrafo se prueba que tiene un ligero tono azul verdoso. El hielo también tiende al azul y en estado gaseoso (vapor de agua) es incolora.

El agua bloquea sólo ligeramente la radiación solar UV fuerte, permitiendo que las plantas acuáticas absorban su energía.

Ya que el oxígeno tiene una electronegatividad superior a la del hidrógeno, el agua es una molécula polar. El oxígeno tiene una ligera carga negativa, mientras que los átomos de hidrógenos tienen una carga ligeramente positiva del que resulta un fuerte momento dipolar eléctrico. La interacción entre los diferentes dipolos eléctricos de una molécula causa una atracción en red que explica el elevado índice de tensión superficial del agua.

La capilaridad se refiere a la tendencia del agua de moverse por un tubo estrecho en contra de la fuerza de la gravedad. Esta propiedad es aprovechada por todas las plantas vasculares, como los árboles.

El punto de ebullición del agua (y de cualquier otro líquido) está directamente relacionado con la presión atmosférica. Por ejemplo, en la cima del Everest, el agua hierve a unos 68º C, mientras que al nivel del mar este valor sube hasta 100º. Del mismo modo, el agua cercana a fuentes geotérmicas puede alcanzar temperaturas de cientos de grados centígrados y seguir siendo líquida.

14 Su temperatura crítica es de

373,85 °C (647,14 K), su valor específico de fusión es de 0,334 kJ/g y su índice específico de vaporización es de 2,23kJ/g.

El agua pura tiene una conductividad eléctrica relativamente baja, pero ese valor se incrementa significativamente con la disolución de una pequeña cantidad de material iónico, como el cloruro de sodio.

El agua tiene el segundo índice más alto de capacidad calorífica específica —sólo por detrás del amoníaco— así como una elevada entalpía de vaporización (40,65 kJ mol

-1); ambos factores se deben

al enlace de hidrógeno entre moléculas. Estas dos inusuales propiedades son las que hacen que el agua "modere" las temperaturas terrestres, reconduciendo grandes variaciones de energía.

77

La densidad del agua líquida es muy estable y varía poco con los cambios de temperatura y presión. A la presión normal (1 atmósfera), el agua líquida tiene una mínima densidad (0,958 kg/l) a los 100 °C. Al bajar la temperatura, aumenta la densidad (por ejemplo, a 90 °C tiene 0,965 kg/l) y ese aumento es constante hasta llegar a los 3,8 °C donde alcanza una densidad de 1 kg/litro. A partir de ese punto, al bajar la temperatura, la densidad comienza a disminuir, aunque muy lentamente, hasta que a los 0 °C disminuye hasta 0,9999 kg/litro. Cuando pasa al estado sólido (a 0 °C), ocurre una brusca disminución de la densidad pasando de 0,9999 kg/l a 0,917 kg/l.

El agua puede descomponerse en partículas de hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis.

Los elementos que tienen mayor electropositividad que el hidrógeno como el litio, el sodio, el calcio, el potasio y el cesio desplazan el hidrógeno del agua, formando hidróxidos. Dada su naturaleza de gas inflamable, el hidrógeno liberado es peligroso y la reacción del agua combinada con los más electropositivos de estos elementos es una violenta explosión.

Tabla de Propiedades Físicas y Químicas

Agua

Otros nombres

Oxido de hidrogeno Dihidruro de oxigeno

Acido hídrico Hidrato

Nombre/Símbolo Agua/ H2O

Grupo/Periodo/Bloque 16/ 2/ p

Densidad 1000 kg/m3

Apariencia Incoloro

Masa Molar 18.01528 g/mol

Estado Ordinario Liquido

Punto de Fusión 273.15 Kelvin

Punto de Ebullición 373.15 Kelvin

Entalpia de Vaporización kJ/mol

Entalpia de Fusión kJ/mol

Electronegatividad (Paulig) 3.44

Calor Especifico 1 cal/g

nota: unidades según el SI y en Cnpt, salvo indicación contraria.

78

Oxigeno El oxigeno es un elemento químico de numero atómico 8 y masa atomica15.9994 su símbolo es la letra O. en su forma molecular mas frecuente O2, es un gas a temperatura ambiente. Representa aproximadamente el 20.9% en volumen de la composición de la atmosfera terrestre. Es uno de los elementos más importantes de la química orgánica y participa de forma muy importante en el ciclo energético de los seres vivos, esencial en la respiración celular de los organismos aeróbicos. Es un gas incoloro inodoro (sin olor), e insípido. Existe una forma molecular formada por tres átomos de oxigeno O3, denominada ozono cuya presencia en la atmosfera protege la tierra de la incidencia de radiación ultravioleta procedente del sol.

Tabla de Propiedades Físicas y Químicas

Oxigeno

Otros nombres Oxigeno

Nombre/Símbolo/Numero Oxigeno/ O/ 8

Serie Química No Metales

Grupo/Periodo/Bloque 16/ 2/ p

Densidad 1.429 kg/m3

Apariencia Incoloro

Masa Atómica 15.9994 u

Configuración Electrónica 60(48) pm radio de Bohr

Estado Ordinario Gas paramagnético

Punto de Fusión 50.35 Kelvin

Punto de Ebullición 90.18 Kelvin

Entalpia de Vaporización 3.4099 kJ/mol

Entalpia de Fusión 0.22259 kJ/mol

Volumen Molar 17.36X10-3

Velocidad del Sonido 317.5m/s a 293.15 k(20 ° C)

Electronegatividad (Paulig) 3.44

Calor Especifico 920J/Kelvin·kg

Conductividad Térmica 0.02674 w/(Kelvin·m)

Energía de Ionización 1313.9 kJ/mol

nota: unidades según el SI y en Cnpt, salvo indicación contraria.

79

Hidrogeno El hidrógeno es un elemento químico representado por el símbolo H y con un número atómico de 1. En condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico (H2) incoloro, inodoro, insípido, no metálico y altamente inflamable. Con una masa atómica de 1,00794(7) u, el hidrógeno es el elemento químico más ligero y es, también, el elemento más abundante, constituyendo aproximadamente el 73,9% de la materia visible del universo. En su ciclo principal, las estrellas están compuestas por hidrógeno en estado de plasma. El hidrógeno elemental es muy escaso en la Tierra y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La mayor parte del hidrógeno elemental se obtiene "in situ", es decir, en el lugar y en el momento en el que se necesita. El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural. Sus principales aplicaciones industriales son el refinado de combustibles fósiles (por ejemplo, el hidrocracking) y la producción de amoníaco (usado principalmente para fertilizantes). El hidrógeno puede formar compuestos con la mayoría de los elementos y está presente en el agua y en la mayoría de los compuestos orgánicos. Desempeña un papel particularmente importante en la química ácido - base, en la que muchas reacciones conllevan el intercambio de protones (iones hidrógeno, H

+) entre moléculas solubles.

Puesto que es el único átomo neutro para el cual la ecuación de Schrödinger puede ser resuelta analíticamente, el estudio de la energía y del enlace del átomo de hidrógeno ha sido fundamental para el desarrollo de la mecánica cuántica.

Tabla de Propiedades Físicas y Químicas

Hidrogeno

Otros nombres Hidrogeno

Nombre/Símbolo/Numero Hidrogeno/ H/ 1

Serie Química No Metales

Grupo/Periodo/Bloque 1/ 1/ s

Densidad 0.0899 kg/m3

Apariencia Incoloro

Masa Atómica 1.0079 u

Configuración Electrónica 1s1

Estado Ordinario Gas

Punto de Fusión 14.025 Kelvin

Punto de Ebullición 20.268 Kelvin

Entalpia de Vaporización 0.44936 kJ/mol

Entalpia de Fusión 0.05868 kJ/mol

Volumen Molar 22.42X10-3

m3/mol

Velocidad del Sonido 1270 m/s a 293.15 k (20° C)

Electronegatividad (Pauling) 2.2

Calor Especifico 1.4304X104J/Kelvin·kg

Conductividad Térmica 0.1815 w/(Kelvin·m)

Energía de Ionización 1312 kJ/mol

nota: unidades según el SI y en Cnpt, salvo indicación contraria.

80

Acero inoxidable En metalurgia, el acero inoxidable se define como una aleación de acero con un mínimo de 10 % de cromo contenido en masa. Otros metales que puede contener por ejemplo son el molibdeno y el níquel. El acero inoxidable es un acero de elevada resistencia a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales aleantes que contiene, poseen gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro (los metales puramente inoxidables, que no reaccionan con oxígeno son oro y platino, y de menor pureza se llaman resistentes a la corrosión, como los que contienen fósforo). Sin embargo, esta capa puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras generalizadas. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes; los principales son el níquel y el molibdeno. Como todos los tipos de aceros, el acero inoxidable es un material simple. Lo que tienen en común todos los aceros es que el principal componente (elemento que forma la aleación) es el hierro, al que se añade una pequeña cantidad de carbono. El acero inoxidable fue inventado a principios del siglo XX cuando se descubrió que una pequeña cantidad de cromo (el mínimo para conseguir propiedades inoxidables es del 12 %) añadido al acero común, le daba un aspecto brillante y lo hacía altamente resistente a la suciedad y a la oxidación. Esta resistencia a la oxidación, denominada «resistencia a la corrosión», es lo que hace al acero inoxidable diferente de otros tipos de acero. Su resistencia a la corrosión es lo que da al acero inoxidable su nombre. Sin embargo, justo después de su descubrimiento se apreció que el material tenía otras muchas valiosas propiedades que lo hacen idóneo para una amplia gama de usos diversos. Las posibles aplicaciones del acero inoxidable son casi ilimitadas, hecho que puede comprobarse con tan solo unos ejemplos: En el hogar: cubertería y menaje, fregaderos, sartenes y baterías de cocina, hornos y barbacoas, equipamiento de jardín y mobiliario. En la ciudad: paradas de autobús, cabinas telefónicas y resto de mobiliario urbano, fachadas de edificios, ascensores y escaleras, vagones de metro e infraestructuras de las estaciones. En la industria: equipamiento para la fabricación de productos alimentarios y farmacéuticos, plantas para el tratamiento de aguas potables y residuales, plantas químicas y electroquímicas, componentes para la automoción y aeronáutica, depósitos de combustible y productos químicos. Su resistencia a la corrosión es lo que da al acero inoxidable su nombre. Sin embargo, justo después de su descubrimiento se apreció que el material tenía otras muchas valiosas propiedades que lo hacen idóneo para una amplia gama de usos diversos. Las posibles aplicaciones del acero inoxidable son casi ilimitadas, hecho que puede comprobarse con tan solo unos ejemplos: En el hogar: cubertería y menaje, fregaderos, sartenes y baterías de cocina, hornos y barbacoas, equipamiento de jardín y mobiliario. En la ciudad: paradas de autobús, cabinas telefónicas y resto de mobiliario urbano, fachadas de edificios, ascensores y escaleras, vagones de metro e infraestructuras de las estaciones. En la industria: equipamiento para la fabricación de productos alimentarios y farmacéuticos, plantas para el tratamiento de aguas potables y residuales, plantas químicas y electroquímicas, componentes para la automoción y aeronáutica, depósitos de combustible y productos químicos. Aleaciones de acero inoxidable comerciales más comunes: Acero inoxidable extrasuave: contiene un 13 % de Cr y un 0,15 % de C. Se utiliza en la fabricación de: elementos de máquinas, álabes de turbinas, válvulas, etc. Tiene una resistencia mecánica de 80 kg/mm² y una dureza de 175-205 HB.

81

Acero inoxidable 16Cr-2Ni: tiene de 0,20 % de C, 16 % de Cr y 2 % de Ni; resistencia mecánica de 95 kg/mm² y una dureza de 275-300 HB. Se suelda con dificultad, y se utiliza para la construcción de álabes de turbinas, ejes de bombas, utensilios de cocina, cuchillería, etc. Acero inoxidable al cromo níquel 18-8: tiene un 0,18 % de C, un 18 % de Cr y un 8 % de Ni Tiene una resistencia mecánica de 60 kg/mm² y una dureza de 175-200Hb, Es un acero inoxidable muy utilizado porque resiste bien el calor hasta 400 °C Acero inoxidable al Cr- Mn: tiene un 0,14 % de C, un 11 % de Cr y un 18 % de Mn. Alcanza una resistencia mecánica de 65 kg/mm² y una dureza de 175-200HB. Es soldable y resiste bien altas temperaturas. Es amagnético. Se utiliza en colectores de escape. Los aceros inoxidables se utilizan principalmente en cuatro tipos de mercados:

Electrodomésticos: grandes electrodomésticos y pequeños aparatos para el hogar.

Automoción: especialmente tubos de escape.

Construcción: edificios y mobiliario urbano (fachadas y material).

Industria: alimentación, productos químicos y petróleo.

Su resistencia a la corrosión, sus propiedades higiénicas y sus propiedades estéticas hacen del acero inoxidable un material muy atractivo para satisfacer diversos tipos de demandas, como lo es la industria médica.

82

Sulfato de magnesio El sulfato de magnesio o sulfato magnésico, de nombre común sal de Epsom (o sal inglesa), es un compuesto químico que contiene magnesio, y cuya fórmula es Mg SO4·7H2O. El sulfato de magnesio sin hidratar MgSO4 es muy poco frecuente y se emplea en la industria como agente secante. Por esta razón, cuando se dice «sulfato de magnesio» se entiende implícitamente la sal hidratada. El mismo criterio se aplica a la sal de Epsom. Para las preparaciones medicinales en las que se utilizará como solución acuosa se emplea el hidrato, porque los cristales hidratados de esta sal, que no son delicuescentes, pueden pesarse con escaso error y ser sometidos sin mayores inconvenientes a los procesos de control de calidad en la manufactura. La sal de Epsom fue elaborada originariamente mediante cocido de las aguas minerales de la comarca cercana a Epsom, Inglaterra, y luego preparados a partir del agua marina. En tiempos posteriores las sales se obtuvieron de un mineral denominado epsomita.

Tabla de Propiedades Físicas y Químicas

Sulfato de Magnesio

Otros nombres

Sulfato de magnesio Sulfato magnésico

Sal de Epsom Sal de Higuera Sales amargas

Símbolo MgSO4

Apariencia Solido cristalino blanco

Punto de Fusión 1397 Kelvin (1124° C)

Densidad 2660 kg/m3 2.66g/cm

3

Masa Molar 120.36 g/mol(Anhidroso)

246.48 g/mol(Heptahidratado)

Solubilidad en agua 25.5 g/100ml (20° C)

nota: unidades según el SI y en Cnpt, salvo indicación contraria.

83

Hidróxido de potasio El hidróxido de potasio (también conocido como potasa cáustica) es un compuesto químico inorgánico de fórmula KOH, tanto él como el hidróxido de sodio (NaOH), son bases fuertes de uso común. Tiene muchos usos tanto industriales como comerciales. La mayoría de las aplicaciones explotan su reactividad con ácidos y su corrosividad natural. Se estiman en 700 000 a 800 000 toneladas la producción de hidróxido de potasio en 2005. El KOH es higroscópico absorbiendo agua de la atmosfera, por lo que termina en el aire libre. Por ello, el hidróxido de potasio contiene cantidades variables de agua (así como carbonatos). Su disolución en agua es altamente exotérmica, con lo que la temperatura de la disolución aumenta, llegando incluso, a veces, al punto de ebullición. Su masa molecular es de 56 u.

Riesgos:

Ingestión. Muy peligroso, puede causar daños permanentes, incluso la muerte

Inhalación. Muy peligroso, altas dosis pueden causar daños permanentes. Efectos debido a la exposición a largo plazo desconocidos.

Piel. Causa quemaduras de diversos grados.

Ojos. Causa quemaduras de diversos grados

Dosis semiletal. 273 mg/kg

Tabla de Propiedades Físicas y Químicas

Hidróxido de potasio

Otros nombres

Hidróxido Potásico Potasa caustica

Potasia Potasa lejia

Símbolo KOH

Apariencia Blanco

Punto de Fusión 633.15 Kelvin (1320° C)

Punto de ebullición 1593.15 Kelvin ()360° C)

Densidad 2040 kg/m3 2.04 g/cm

3

Masa Molar 56.1056 g/mol

Solubilidad en agua 119 g/100ml (20° C)

nota: unidades según el SI y en Cnpt, salvo indicación contraria.

84

Hidróxido de sodio El hidróxido de sodio (NaOH) o hidróxido sódico, también conocido como soda cáustica o sosa caústica es un hidróxido cáustico usado en la industria (principalmente como una base química) en la fabricación de papel, tejidos, y detergentes. Además es usado en la Industria Petrolera en la elaboración de Lodos de Perforación base Agua. A temperatura ambiente, el hidróxido de sodio es un sólido blanco cristalino sin olor que absorbe humedad del aire (higroscópico). Es una sustancia manufacturada. Cuando se disuelve en agua o se neutraliza con un ácido libera una gran cantidad de calor que puede ser suficiente como para encender materiales combustibles. El hidróxido de sodio es muy corrosivo. Generalmente se usa en forma sólida o como una solución de 50%. El hidróxido de sodio se usa para fabricar jabones, crayón, papel, explosivos, pinturas y productos de petróleo. también se usa en el procesamiento de textiles de algodón, lavandería y blanqueado, revestimiento de óxidos, galvanoplastia y extracción electrolítica. Se encuentra comúnmente en limpiadores de desagües y hornos.

Riesgos

Ingestión Puede causar daños graves y permanentes al sistema gastrointestinal.

Inhalación Irritación con pequeñas exposiciones, puede ser dañino o mortal en altas dosis.

Piel Peligroso. Los síntomas van desde irritaciones leves hasta úlceras graves.

Ojos Peligroso. Puede causar quemaduras, daños a la córnea o conjuntiva.

Tabla de Propiedades Físicas y Químicas

Hidróxido de sodio

Otros nombres

Hidróxido sódico, Soda cáustica, Sosa cáustica,

Sosa lejía, Jabón de piedra,

E-524, Hidrato de sodio.

Símbolo NaOH

Apariencia Blanco

Punto de Fusión 591 Kelvin (318 °C)

Punto de ebullición 1 663 Kelvin (1 390 °C)

Densidad 2100 kg/m3; 2,1 g/cm

3

Masa Molar 39,99713 g/mol

Solubilidad en agua 111 g/100 ml (20 °C)

nota: unidades según el SI y en Cnpt, salvo indicación contraria.

85

Sulfato de sodio El sulfato de sodio o sulfato sódico (Na2SO4) es una sustancia incolora, cristalina con buena solubilidad en el agua y mala solubilidad en la mayoría de los disolventes orgánicos con excepción de la glicerina. El sulfato de sodio anhidro tiene propiedades higroscópicas y por lo tanto es utilizado como desecante en el laboratorio o la industria química. Se utiliza en la fabricación de la celulosa y como aditivo en la fabricación del vidrio. También añade a los detergentes en polvo para mejorar su comportamiento mecánico y donde puede representar una parte importante del peso total. Este se utiliza como desinfectante pero este causa irritación después de un pequeño periodo de tiempo. Tiene utilidad en toxicología como acelerador del tránsito intestinal (catártico), junto con la administración de carbón activado, para disminuir la absorción de intestinal de tóxicos ingeridos.

Tabla de Propiedades Físicas y Químicas

Sulfato de sodio

Otros nombres Sulfato de sodio Sulfato sódico

Símbolo Na2SO4

Apariencia Sólido cristalino blanco

Punto de Fusión 1 157 (anhidro)

305,4 (decahidro) K

Densidad 2.68 g/cm3 (anhidro)

1.464 g/cm3 (decahidrato)

Masa Molar 142.04 g/mol (anhidro)

322.20 g/mol (decahidro)

Solubilidad en agua 42.7 g/100 ml (100 °C)

nota: unidades según el SI y en Cnpt, salvo indicación contraria.

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Acido sulfúrico

El ácido sulfúrico es un compuesto químico extremadamente corrosivo cuya fórmula es H2SO. Es el compuesto químico que más se produce en el mundo, por eso se utiliza como uno de los tantos medidores de la capacidad industrial de los países. Una gran parte se emplea en la obtención de fertilizantes. También se usa para la síntesis de otros ácidos y sulfatos y en la industria petroquímica. Generalmente se obtiene a partir de dióxido de azufre, por oxidación con óxidos de nitrógeno en disolución acuosa. Normalmente después se llevan a cabo procesos para conseguir una mayor concentración del ácido. Antiguamente se lo denominaba aceite o espíritu de vitriolo, porque se producía a partir de este mineral. Además reacciona violentamente con agua y compuestos orgánicos con desprendimiento de calor. Otras aplicaciones importantes se encuentran en la refinación del petróleo, producción de pigmentos, tratamiento del acero, extracción de metales no ferrosos, manufactura de explosivos, detergentes, plásticos y fibras. Cantidades substanciales de ácido sulfúrico también se utilizan como medio de reacción en procesos químicos orgánicos y petroquímicos involucrando reacciones como nitraciones, condensaciones y deshidrataciones. En la industria petroquímica se utiliza para la refinación, alquilación y purificación de destilados de crudo. En el procesado de metales el ácido sulfúrico se utiliza para el tratamiento del acero, cobre, uranio y vanadio y en la preparación de baños electrolíticos para la purificación y plateado de metales no ferrosos. Algunos procesos en la industria de la Madera y el papel requieren ácido sulfúrico, así como algunos procesos textiles, fibras químicas y tratamiento de pieles y cuero. En cuanto a los usos directos, probablemente el uso más importante es el sulfuro que se incorpora a través de la sulfonación orgánica, particularmente en la producción de detergentes. Un producto común que contiene ácido sulfúrico son las baterías, aunque la cantidad que contienen es muy pequeña.

Tabla de Propiedades Físicas y Químicas

Hidróxido de sodio

Otros nombres

Tetraoxosulfato (VI) de hidrógeno Aceite de vitriolo Licor de vitriolo

Espíritu de vitriolo

Símbolo H2SO4

Apariencia Líquido aceitoso incoloro

Punto de Fusión 283 K (10 °C)

Punto de ebullición 610 K (337 °C)

Densidad 1800 kg/m3; 1.8 g/cm

3

Masa Molar 98,08 g/mol

Solubilidad en agua Miscible

nota: unidades según el SI y en Cnpt, salvo indicación contraria

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TABLAS DE CONVERSION DE UNIDADES

Longitud

Superficie

Volumen

Masa

88

Densidad

Presión

Energía

Energía especifica

89

Capacidad calorífica y Entropía Especifica

Potencia

90

APENDICE

28

14

7

3,5

R6,01R0,48

R0,32

Rosca fina de 3/8 x 4

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

ACOT: CENTIMETROS (cm) PROYECTO: CELDA DE OXIHIDROGENO

DIBUJO: COFR001

NOMBRE: PLACA DE ACRILICO FRONTAL

28

14

7

3,5

R6,01

R0,32

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

ACOT: CENTIMETROS (cm) PROYECTO: CELDA DE OXIHIDROGENO

DIBUJO: COBK001

NOMBRE: PLACA DE ACRILICO TRASERA

14

7 7

R5

R0,32

6,3

7,26

R6,01

33°

34°

35°

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

ACOT: CENTIMETROS (cm)

PROYECTO: CELDA DE OXIHIDROGENO

DIBUJO: COFM001

NOMBRE: PLACA AISLANTE DE ETILENO VINIL ACETATO

28

14

71

0,8

0,2

1,5

45°

R0,32

3,5

R0,69

R0,25

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

ACOT: CENTIMETROS (cm)

PROYECTO: CELDA DE OXIHIDROGENO

DIBUJO: COST001

NOMBRE: PLACA DE ACERO A

28

14

7

R0,32

0,8

1,5

45°

R0,69

R0,25

R6,01

3,5

1

0,2

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO

ACOT: CENTIMETROS (cm)

PROYECTO: CELDA DE OXIHIDROGENO

DIBUJO: COST002

NOMBRE: PLACA DE ACERO B

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Glosario

Advenimiento Venida o llegada de un tiempo determinado o de un acontecimiento importante.

Anión Un anión es un ion con carga eléctrica negativa, es decir, que ha ganado electrones. Los aniones se describen como un estado de oxidación negativo.

Aniones monoatómicos

Suelen corresponder a no metales que han ganado electrones completos en su capa de valencia.

Aniones poliatomicos

Se pueden considerar como procedentes de una molécula que ha perdido protones.

Ánodo El ánodo es un electrodo en el cual se produce la reacción de oxidación.

Ampere El amperio o ampere (símbolo A), es la unidad de intensidad de corriente eléctrica. Forma parte de las unidades básicas en el Sistema Internacional de Unidades y fue nombrado en honor al matemático y físico francés André-Marie Ampere. El amperio es la intensidad de una corriente constante que manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2×10

-7 newton por metro de longitud.

Catión Es un ion (sea átomo o molécula) con carga eléctrica positiva, es decir, ha perdido electrones. Los cationes

se describen con un estado de oxidación positivo.

Cátodo Es un electrodo en el cual se produce la reacción de reducción.

Ciénagas Terreno cenagoso, lleno de barro o cieno, pantanoso.

Coloidal En física y química un coloide, sistema coloidal, suspensión coloidal o dispersión coloidal es un sistema formado por dos o más fases, principalmente: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partículas; por lo general sólidas.

1 La fase dispersa es la que se halla en menor proporción. Normalmente

la fase continua es un líquido, pero pueden encontrarse coloides cuyos componentes se encuentran en otros estados de agregación.

Corriente eléctrica

La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. 1 Se

debe al movimiento de los electrones en el interior del material.

Deuterio El deuterio (del griego Δεύτερος segundo), cuyo símbolo es 2H, es un isótopo estable del hidrógeno que se

encuentra en la naturaleza con una abundancia del 0,015% átomos de hidrógeno.

Electrolisis La electrólisis o electrolisis1 es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de

la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el cátodo (una reducción) y la liberación de electrones por los aniones en el ánodo (una oxidación).

Electrolito Es cualquier sustancia que contiene iones libres, los que se comportan como un medio conductor eléctrico. Debido a que generalmente consisten en iones en solución, los electrólitos también son conocidos como soluciones iónicas, pero también son posibles electrolitos fundidos y electrolitos.

Electrolito fuerte

Que se disuelven muy bien.

Electrolito débil En el caso de las sustancias iónicas, son compuestos que se disuelven muy mal y cuya conducción es de muy mala calidad. Si se trata de sustancias covalentes, se produce una ruptura heterolitica al disolverse, solo en alguna de sus partículas.

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Equiparable Comparable, semejante, casi igual.

Fuente de alimentación

En electrónica, una fuente de alimentación es un dispositivo que convierte la tensión alterna de la red de suministro, en una o varias tensiones, prácticamente continuas, que alimentan los distintos circuitos del aparato electrónico al que se conecta (ordenador, televisor, impresora, router, etc.).

Conductividad La conductividad eléctrica es una medida de la capacidad de un material que deja pasar la corriente eléctrica, su aptitud para dejar circular libremente las cargas eléctricas. La conductividad depende de la estructura atómica y molecular del material, los metales son buenos conductores porque tienen una estructura con muchos electrones con vínculos débiles y esto permite su movimiento. La conductividad también depende de otros factores físicos del propio material y de la temperatura.

Gestión de proyectos

Rama de la ciencia de la administración que trata de la planificación y el control de proyectos.

Higroscopia Higroscopia, palabra que deriva del griego ύγρος hygros 'húmedo, mojado' y σκοπειν skopein 'observar, mirar' es la capacidad de algunas sustancias de absorber o ceder humedad al medioambiente. También es sinónimo de higrometría, siendo esta el estudio de la humedad, sus causas y variaciones (en particular de la humedad atmosférica).

Ion Es una subpartícula cargada eléctricamente constituida por un átomo o molécula que no es eléctricamente neutra. Conceptualmente esto se puede entender como que, a partir de un estado neutro de un átomo o partícula, se han ganado o perdido electrones; este fenómeno se conoce como ionización.

Inexorable Inevitable.

Inocuas Que no daña, que es inofensivo, Que no tiene interés, anodino, inocuo.

In situ Es una expresión latina que significa “en el sitio” o “en el lugar”, y que es generalmente utilizada para designar un fenómeno observado en el lugar, o una manipulación realizada en el lugar.

Isotopo Átomos que contienen el mismo número de protones pero un número diferentes de neutrones.

Lejía Agua que lleva disueltos álcalis o sales alcalinas y se emplea para blanquear y desinfectar la ropa.

Limos El limo o légamo es un material suelto con una granulometría comprendida entre la arena fina y la arcilla. Es un sedimento clástico incoherente transportado en suspensión por los ríos y por el viento, que se deposita en el lecho de los cursos de agua o sobre los terrenos que han sido inundados. Para que se clasifique como tal, el diámetro de las partículas de limo varía de 0,002 mm a 0,06 mm.

Oxihidrógeno Es una mezcla de hidrógeno diatómico y oxígeno en proporción que se asume de 2:1, misma proporción del agua. Cuando esta mezcla se enciende, la combustión produce agua así como 142,35 kJ (34.116 calorías) de calor por cada gramo de hidrógeno quemado. El oxihidrógeno se produce habitualmente a partir de la electrólisis del agua.

Perniciosos Afectar, causar daño a, causar perjuicio a, dañar, perjudicar a, ser nocivo para.

Pirolisis Es la descomposición química de materia orgánica y todo tipo de materiales excepto metales y vidrios causada por el calentamiento en ausencia de dioxigeno.

Planificación Planear la ejecución de un proyecto.

Proceso Haber

En química, el proceso de Haber - Bosch es la reacción de nitrógeno e hidrógeno gaseosos para producir amoníaco. La importancia de la reacción radica en la dificultad de producir amoníaco a un nivel industrial.

Propiedades Son aquellas que pueden ser observadas sin cambiar la naturaleza de las sustancias.

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Físicas

Propiedades químicas

Una propiedad química es cualquier propiedad evidente durante una reacción química. Cuando se enfrenta una sustancia química a distintos reactivos o condiciones experimentales puede o no reaccionar con ellos. Se determinan por ensayos químicos y están relacionadas con la reactividad de las sustancias químicas. Si no experimentan reacciones de descomposición son elementos químicos y si lo hacen son compuestos químicos.

Química Es la ciencia que estudia tanto la composición, estructura y propiedades de la materia como los cambios que ésta experimenta durante las reacciones químicas y su relación con la energía.

Radioisótopo A aquel isótopo que es radiactivo

Joule El julio también es igual a 1 vatio-segundo (W·s), por lo que eléctricamente es el trabajo realizado por una diferencia de potencial de 1voltio y con una intensidad de 1 amperio durante un tiempo de 1 segundo.

Redox Se denomina reacción de reducción-oxidación, de óxido-reducción o, simplemente, reacción redox, a toda reacción química en la que uno o más electrones se transfieren entre los reactivos, provocando un cambio en sus estados de oxidación.

Reformado Es un proceso químico utilizado en el refino del petróleo. Es fundamental en la producción de gasolina. Su objetivo es aumentar el número de octano de la nafta pesada obtenida en la destilación atmosférica del crudo.

Seguimiento Medir progresivamente algún proyecto.

Tritio El Tritio es un isótopo natural del hidrógeno; es radiactivo. Su símbolo es 3H. Su núcleo consta de un protón y dos neutrones. Tiene una semivida de 12,3 años.

Valencia La valencia, también conocida como número de valencia, es una medida de la cantidad de enlaces químicos formados por los átomos de un elemento químico.

Volt es la unidad derivada del Sistema Internacional para el potencial eléctrico, la fuerza electromotriz y la tensión eléctrica. Recibe su nombre en honor a Alessandro Volta, quien en 1800 inventó la pila voltaica, la primera batería química.

Watt Es el equivalente a 1 julio por segundo (1 J/s) y es una de las unidades derivadas. Expresado en unidades utilizadas en electricidad, un vatio es la potencia eléctrica producida por una diferencia de potencial de 1 voltio y una corriente eléctrica de 1amperio (1 voltamperio).