Teoría de la filtración

La filtración es un proceso para la separación de los sólidos y líquidos, en el cual se utilizan diferentes métodos que van de lo más complejo a aquellos que imitan uno más natural; con el propósito de que los fluidos adquieran un estado de purificación para su uso personal sin afectar la salud de las personas que lo utilicen. La filtración depende de características como son las propiedades de los fluidos y el volumen/masa de los sólidos, que están relacionados por la concentración de su integración.

 

De la teoría de la filtración convencional, formulada en 1856 por el geólogo Francés D’Arcy actualmente también conocido como cake filtration, se derivan los estudios de la mecánica de fluidos en medios porosos. Donde es utilizada una fórmula en la cual se calcula: “v = Velocidad superficial del líquido, [L/t] k = Permeabilidad del lecho, [L 2 ] ΔP = Caída de presión a través del lecho, [F/L 2 ] l = Profundidad del lecho filtrante, [L] μ = Viscosidad del fluido” (Huerta.S., s.f. p.4)

 

Los factores que más influyen para que la filtración sea realizada de la forma correcta es la velocidad con la que los fluidos pasan por medio de la filtración, donde influye la presión aplicada por el peso del líquido contra el primer medio filtrante, el área de la superficie en relación a la cantidad, la resistencia de los materiales que filtran y que la cantidad de estos materiales cumplan con su función dando el tiempo requerido para que la filtración sea eficiente. 

 

 

El ciclo hidrológico

También conocido como Ciclo del agua, se ha convertido en una manera de englobar distintos procesos que suceden en la tierra. Para su comprensión, intervienen múltiples áreas con aportes en cada parte de este sistema, en el que se identifican a primera instancia los estados líquido, sólido y gaseoso. Es esencial su mención debido a que emula el proceso natural más básico en el que se lleva a cabo la purificación a través de distintas etapas.

 

El ciclo hidrológico, contribuye a la limpieza de nuestro principal recurso vital: “El ser humano es un agente activo del ciclo. El hombre ha intervenido en el ciclo del agua y lo ha logrado adaptar a sus necesidades” (Toledo, 2006 citado en De Miguel, 2009, p. 78). Lo anterior muestra cómo forma parte de la vida y que un diseño basado en el, brinda un buen referente sobre la interrelación entre procesos físico-químicos.

 

Este ciclo logra conservar el agua de manera que nunca hay pérdidas ni ganancias, solo el movimiento del líquido a través de sus distintas formas. “Un conocimiento profundo de los elementos de este ciclo es esencial, tanto para entender el impacto de las actividades humanas como para planificar el uso racional y eficiente del agua disponible” (Vera, s.f. p. 2). Otros fundamentos teóricos que permiten comprender mejor los elementos del ciclo son: evaporación, precipitación, porosidad, escorrentía y la sedimentación.

 

 

Teoría de la sedimentación 

El primer proyecto para la separación de líquidos y partículas insolubles, se le atribuye al ingeniero sueco Carl Gustaf Patrik DeLaval en el año de 1877, quien consiguió separar  crema de la leche. En el proceso de potabilización de agua para la reducción de partículas indeseadas, el mecanismo centrífugo se encuentra sostenido por la ley de Stokes en la cual se describe que las partícula de mayor peso son más fáciles de sedimentar pero dentro de la mecánica también la viscosidad del líquido debe considerarse. (Folkard, 1998, p.2)

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La Teoría de sedimentación nos habla de un proceso de separación de los sólidos contenidos en un líquido por medio de la fuerza centrífuga. Siendo esta la que da sustento a uno de los procesos actuales más utilizados para filtrar grandes toneladas de agua. Este mecanismo requiere  de tres estaciones: un tanque de aireación, uno de clarificación y un tercero de descomposición.

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En contexto con el desarrollo técnico de la posible propuesta de diseño, se entiende que un proceso de filtrado según su objetivo, puede variar en tamaño y emplearse para algo más que sólo purificar agua. El uso del proceso centrífugo para el aislamiento de materia sólida,  podría ser empleado en un prototipo próximo, en caso contrario es una solución a contemplar como inspiración creativa.

 

 

Teoría de sedimentación discontinua

Fue propuesta por Kynch en 1952. En ella formula una teoría para justificar la evolución de la sedimentación de sólidos incompresibles es decir, en aquellos casos cuando las partículas que entran en contacto unas con otras no sedimentan y, por tanto, la suspensión alcanza la concentración máxima, que es igual a la crítica. Es gracias a esta teoría, que es posible contemplar los casos en que los tipos de deshechos no permitan una filtración adecuada y a su vez generen obstrucciones.

 

La teoría está basada en las siguientes hipótesis: “La concentración es uniforme en una capa horizontal. [...] No hay diferencia en la velocidad de sedimentación de las partículas. La velocidad de sedimentación depende únicamente de la concentración de los sólidos. La concentración inicial es uniforme al comienzo del experimento.” (Kynch, 1952, p. 7.). Lo anterior hace referencia a la forma, debido a que la posición más adecuada para la colocación de los distintos elementos debería ser horizontal para mejorar el flujo de los líquidos dentro del filtro.

 

En el experimento de Kynch que explica que esta teoría se efectúa en un cilindro de vidrio con el propósito de visibilizar en las paredes del recipiente los cambios generados por la suspensión. En ella es posible observar cómo las partículas no forman flóculos, floculenta o compresible, cuando las partículas forman flóculos, con líquido en su interior, la suspensión no es floculenta, es decir, es incomprensible. El hacer visible el proceso a través de ventanas permitirá una mejor visualización del funcionamiento para detectar que este sea el correcto.

 

 

Teoría de densidad

De acuerdo a la Real Academia Española, la densidad es “f. Fís. Magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo, y cuya unidad en el sistema internacional es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3)”. (Real Academia Española, 2020, parr. 2). Sus propiedades hacen que sea medible la pesadez o ligereza de una sustancia, en los tipos que se conocen la densidad absoluta es las más utilizada para medir la relación entre la masa y el volumen.

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Las teorías de la densidad en la actualidad están basadas en el Principio de Arquímedes el cual afirmaba que «Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja” (EcuRed, s.f, párr. 1) su principio está sustentado por dos parte las cuales son: “El estudio de las fuerzas sobre una porción de fluido en equilibrio con el resto del fluido. La sustitución de dicha porción de fluido por un cuerpo sólido de la misma forma y dimensiones”. (Franco, 2016, parr. 1)

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Para hacer práctica de la teoría son necesarias medidas directas las cuales son la masa y el volumen, una vez obtenidos estos dos datos se puede hacer un cálculo detallado de la densidad utilizando la fórmula física masa sobre volumen, “la densidad nos da una idea de cómo están agrupados los átomos lo cual influirá en que tan denso será el cuerpo. Si la densidad del cuerpo es igual o mayor que la del líquido el cuerpo quedará totalmente sumergido”. (Díaz, 2020, parr. 2).

 

 

Teorías de máquinas

La Teoría de máquinas nos dice que la dinámica de un mecanismo depende de las características de los elementos que lo constituyen. Para el desarrollo de estas, es necesario contemplar la trayectoria vectorial entre dos puntos para tomar en cuenta los fenómenos de fuerza y velocidad que puede haber entre aquellos dos conceptos. Esto dará como resultado que un objeto sólido pueda pasar o dar origen a la configuración de otro objeto.

 

Para  lograr entender que un mecanismo cumpla cierto grado de aproximación con respecto a las funciones para las que se le está diseñando, es necesario evaluar que cumpla o que tienda a cumplir, con las exigencias que le están siendo conferidas, por lo que someterlo a pruebas para determinar sus fallos y/o alcances siempre es necesario. Los errores más pequeños en la cadena de una estructura pueden traer o problemáticas de mayor importancia en sistemas posteriores 

 

Bajo el entendimiento de una máquina como un conjunto de piezas integradas que facilitan el desarrollo de un movimiento o trabajo, es indispensable evaluar cada prototipo presentado frente a modelos ya existentes para determinar que los procesos integrados sinteticen a los de su predecesor, tengan beneficios adicionales o mitiguen problemas a los que no se le haya presentado una solución.

 

 

Teoría del campo

La forma es un elemento crucial para que un diseño se adapte, sea parte de un espacio de la manera correcta y que no sea incoherente con lo que se encuentra en su entorno, ya que la forma es descrita principalmente como todas las características de un conjunto de líneas y  superficies que determinan el contorno o el volumen de un objeto.

 

Para el estudio de las formas en un contexto determinado existe la Teoría del campo por Kurt Lewin quien decía que para entender un sistema, hay que cambiarlo. El enfoque de su teoría es que existen dos fuerzas y factores dentro del entorno psicológico de un individuo o de un grupo que determinan la situación. “Por un lado existen las fuerzas motivadoras hacia los objetivos y por otro lado las fuerzas inhibidoras que paralizan la progresión hacia las metas objetivo”. (Pico. I. 2016, parr. 2)

 

En cuanto a los factores de los cuales depende la actitud del ser humano:  “Su comportamiento se deriva [...] de los eventos presentes [...], y segundo [...] cada hecho se interrelaciona de modo dinámico con los demás para influir o dejarse influenciar por ellos. Denominado patrón organizado de las percepciones de un individuo”. (Guerri. M. 2020, parr.2) estos factores hacen que las personas adapten al contexto en donde se encuentran, pero todo desde desde una perspectiva individual.

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La variable de los procesos de filtración es esencial para establecer los mecanismos, materiales y el funcionamiento del filtro. Estas teorías nos permiten acercarnos a una mayor viabilidad debido a que obedecerán a parámetros, tomando en cuenta distintos factores y conceptos antes mencionados.

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