Summary
يتم تقديم بروتوكول لتصميم وتصنيع علامات البالون لاستعادة أسماك الاستشعار والأسماك الحية ، مما يسمح بتقييم حالتها الفيزيائية وأدائها البيولوجي في الهياكل الهيدروليكية. تعمل الطريقة على تحسين أداء علامة البالون من خلال مراعاة عوامل مثل حجم البالون وأوقات التضخم / الانكماش واختيار المكونات وخصائص الماء المحقون.
Abstract
قد تتعرض الأسماك للإصابات والوفيات عندما تمر عبر وسائل النقل الهيدروليكية في سدود الطاقة الكهرومائية ، حتى لو كانت هذه وسائل النقل مصممة لتكون صديقة للأسماك ، مثل أنظمة تجاوز المصب ، والممرات والتوربينات المعدلة. تتضمن الطرق الرئيسية المستخدمة لدراسة ظروف مرور الأسماك في الهياكل الهيدروليكية الاختبار المباشر في الموقع باستخدام تقنية Sensor Fish والأسماك الحية. تساعد بيانات الأسماك المستشعرة في تحديد الضغوطات الجسدية ومواقعها في بيئة مرور الأسماك ، بينما يتم تقييم الأسماك الحية بحثا عن الإصابات والوفيات. تساعد علامات البالونات ، وهي بالونات ذاتية النفخ متصلة خارجيا بأسماك الاستشعار والأسماك الحية ، في استعادتها بعد مرورها عبر الهياكل الهيدروليكية.
تركز هذه المقالة على تطوير علامات البالون بأعداد متفاوتة من الكبسولات النباتية القابلة للذوبان التي تحتوي على خليط من حمض الأكساليك ومساحيق بيكربونات الصوديوم والماء عند درجتي حرارة مختلفتين. حدد بحثنا أن علامات البالون التي تحتوي على ثلاث كبسولات ، والتي يتم حقنها ب 5 مل من الماء عند 18.3 درجة مئوية ، حققت باستمرار حجم البالون المطلوب. كان متوسط حجم التضخم لهذه العلامات 114 سم 3 مع انحراف معياري قدره 1.2 سم3. من بين علامات البالون المحقونة بالماء عند 18.3 درجة مئوية ، لوحظ أن علامات البالون المكونة من كبسولتين استغرقت أطول وقت للوصول إلى التضخم الكامل. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت علامات البالون المكونة من أربع كبسولات وقت بدء تضخم أسرع ، بينما أظهرت علامات البالون ثلاثية الكبسولات وقت بدء انكماش أسرع. بشكل عام ، يثبت هذا النهج فعاليته في التحقق من أداء التقنيات الجديدة ، وتحسين تصميم التوربينات ، واتخاذ القرارات التشغيلية لتعزيز ظروف مرور الأسماك. إنه بمثابة أداة قيمة للبحث والتقييمات الميدانية ، مما يساعد في تحسين كل من تصميم وتشغيل الهياكل الهيدروليكية.
Introduction
الطاقة الكهرومائية هي مورد كبير للطاقة المتجددة في جميع أنحاء العالم. في الولايات المتحدة ، تساهم الطاقة الكهرومائية بما يقدر بنحو 38٪ أو 274 تيراواط ساعة من الكهرباء المولدة من مصادر متجددة1 ولديها القدرة على إضافة ما يقرب من 460 تيراواط ساعة سنويا2. ومع ذلك ، مع زيادة تطوير الطاقة الكهرومائية ، أصبحت المخاوف بشأن إصابة الأسماك ونفوقها أثناء المرور الهيدروليكي ذات أهمية قصوى3. تساهم آليات مختلفة في إصابات الأسماك أثناء المرور ، بما في ذلك تخفيف الضغط السريع (الرضح الضغطي) ، وإجهاد القص ، والاضطراب ، والضربات ، والتجويف ، والطحن4. على الرغم من أن آليات الإصابة هذه قد لا يكون لها تأثير فوري على الحالة العامة للأسماك ، إلا أنها يمكن أن تجعلها أكثر عرضة للأمراض والالتهابات الفطرية والطفيليات والافتراس5. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤدي الإصابات الجسدية المباشرة الناتجة عن الاصطدامات مع التوربينات أو الهياكل الهيدروليكية الأخرى إلى وفيات كبيرة ، مما يؤكد أهمية التخفيف من هذه المخاطر في تطوير الطاقة الكهرومائية.
واحدة من أكثر الطرق شيوعا لتقييم ظروف مرور الأسماك هي إطلاق أسماك الاستشعار والأسماك الحية من خلال الهياكل الهيدروليكية 6,7. Sensor Fish هو جهاز مستقل مصمم لدراسة الظروف المادية التي تواجهها الأسماك أثناء المرور عبر الهياكل الهيدروليكية ، بما في ذلك التوربينات والممرات وبدائل تجاوز السدود 8,9. مجهزة بمقياس تسارع ثلاثي الأبعاد ، جيروسكوب ثلاثي الأبعاد ، مستشعر درجة الحرارة ، ومستشعر ضغط9 ، توفر Sensor Fish بيانات قيمة عن ظروف مرور الأسماك.
تساعد علامات البالون ، وهي بالونات ذاتية النفخ متصلة خارجيا بأسماك الاستشعار والأسماك الحية ، في استعادتها بعد المرور عبر الهياكل الهيدروليكية. تتكون علامات البالون من كبسولات قابلة للذوبان مملوءة بمواد كيميائية مولدة للغاز (مثل حمض الأكساليك وبيكربونات الصوديوم) ، وسدادة سيليكون ، وخيط صيد. قبل النشر ، يتم حقن الماء من خلال سدادة السيليكون في البالون. يذيب الماء الكبسولات النباتية ، مما يؤدي إلى تفاعل كيميائي ينتج عنه غاز ينفخ البالون. في تفاعل التعادل هذا، تتفاعل بيكربونات الصوديوم، وهي قاعدة ضعيفة، وحمض الأكساليك، وهو حمض ضعيف، لتكوين ثاني أكسيد الكربون والماء وأكسالات الصوديوم10. يتم توفير التفاعل الكيميائي أدناه:
2NaHCO3+ H 2C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2 O4
يزيد البالون المنفوخ من طفو أسماك الاستشعار والأسماك الحية ، مما يمكنها من الطفو على سطح الماء لتسهيل الاسترداد.
قد يختلف عدد علامات البالون المطلوبة لتحقيق التعويم وتسهيل استرجاع العينة (على سبيل المثال ، أسماك الاستشعار أو الأسماك الحية) بناء على حجم وخصائص كتلة العينة. يمكن تعديل مدة تضخم علامة البالون عن طريق حقن الماء في درجات حرارة مختلفة. سيزيد الماء البارد من وقت التضخم ، بينما يقلل الماء الأكثر دفئا من ذلك. تم استخدام علامات البالون بنجاح في مواقع مختلفة ، بما في ذلك شاشة المزارعين ، وهي عبارة عن هيكل أفقي فريد من نوعه للأسماك والحطام في نهر هود ، أوريغون11 ، وتوربينات فرانسيس في سد نام نغوم في جمهورية لاو الديمقراطيةالشعبية 12. مثال آخر على علامة البالون المتاحة تجاريا هو Hi-Z Turb'N Tag13,14. تسمح علامة Hi-Z Turb'N Tag بتعديل وقت النفخ بين 2 دقيقة و 60 دقيقة ، اعتمادا على درجة حرارة الماء المحقون13. تم استخدام هذه التقنية في دراسات الأسماك في العديد من المواقع الميدانية ، بما في ذلك الدراسات التي شملت أسماك السلمون من طراز شينوك التي تم إطلاقها في سد روكي ريتش على نهر كولومبيا والشاد الأمريكي اليافع في سد هادلي فولز على نهر كونيتيكت15،16. تستخدم كلتا التقنيتين التفاعلات الكيميائية الحمضية القاعدية لتضخيم علامات البالون للتعافي.
توفر هذه الطريقة فعالية من حيث التكلفة وبساطة في التصنيع ، مع تكلفة مادية تقديرية تبلغ 0.50 دولار فقط لكل بالون. كما هو موضح هنا ، من السهل متابعة عملية التصنيع ، مما يجعل إنتاج علامة البالون في متناول أي شخص.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. تغليف الحمض / القاعدة
- امزج نسبة 1: 2 بوزن H 2 C2O4 (حمض الأكساليك) و NaHCO3 (بيكربونات الصوديوم) في كوب خلط (انظر جدول المواد). إذا تبلور مزيج المسحوق الحمضي القاعدي ، فقم بطحنه باستخدام ملاط ومدقة (الشكل 1 أ).
- استرجع كبسولات الخضروات بحجم 3 وآلة تعبئة الكبسولات شبه الأوتوماتيكية لبدء العملية (انظر جدول المواد).
- ضع ورقة الغطاء بشكل مسطح على سطح نظيف وجاف. قم بمحاذاة ورقة التغليف أعلى ورقة الغطاء باستخدام الأوتاد السوداء لتثبيتها بشكل صحيح في مكانها (الشكل 1 ب).
- افصل قمم الكبسولات وقيعانها ، ما لم تستخدم كبسولات منفصلة مسبقا. حجم كبسولات الخضار #3 ، عند إغلاقها ، لها أبعاد كلية يبلغ طولها 15.9 مم ، وقطرها الخارجي 5.57 مم (OD) ، وحجمها 0.30 مل ، وتزن 47 مجم.
- صب قمم الكبسولة في ورقة التغليف (الشكل 1C). هز بلطف قمم في الثقوب بحركة دائرية. أثناء القيام بذلك ، قم بتغطية الفجوة الموجودة في جدار ورقة التغليف بيد واحدة أو مفرشة مسحوق لتجنب انسكاب القمم (الشكل 1 د).
- بمجرد ملء الثقوب ، صب قمم الكبسولات الزائدة في كوب نظيف (الشكل 1E). حدد أي قمم كبسولة مقلوبة وقلبها (الشكل 1F). تأكد من أن جميع قمم الكبسولات تواجه الاتجاه الصحيح في ورقة الغطاء. من المهم ضمان التوجيه الصحيح ، حيث قد تؤدي المحاذاة غير الصحيحة إلى عدم ارتباط قمم الكبسولات بشكل صحيح مع قيعان الكبسولة.
- قم بإزالة ورقة التغليف وتوضع جانبا ورقة الغطاء المملوءة.
- أخرج الجسم أو الورقة "السفلية". ضعه على سطح نظيف وجاف ومستو. ثبت ورقة التغليف على الورقة السفلية ، مما يضمن المحاذاة المناسبة من خلال استخدام الأوتاد السوداء لوضعها بشكل صحيح في مكانها.
- صب قيعان الكبسولة في ورقة التغليف ورجها كما كان من قبل بحركة دائرية لملء الثقوب. صب قيعان الكبسولة الزائدة. حدد أي قيعان كبسولة مقلوبة رأسا على عقب واقلبها.
- قم بإزالة ورقة التغليف من الورقة السفلية وضعها جانبا.
- صب خليط مسحوق الحمض / القاعدة على الورقة السفلية المملوءة (الشكل 1 ج). استخدم مفرشة بلاستيكية لملء قيعان الكبسولة بالمسحوق (الشكل 1H). تأكد من ملء جميع قيعان الكبسولة (الشكل 1I). قم بإزالة أي مسحوق حمضي / أساسي غير مستخدم.
- ضع ورقة الغطاء على سطح مستو وضع الورقة الوسطى في الأعلى ، وقم بمحاذاتها مع الأوتاد السوداء لضمان الملاءمة الصحيحة. تأكد من محاذاة جميع قمم الكبسولة مع الثقوب المقابلة في الورقة الوسطى.
- اقلب ورقة الغطاء بالورقة الوسطى الملصقة وقم بمحاذاتها مع الورقة السفلية المملوءة (الشكل 1J).
- اضغط برفق على ورقة الغطاء بالتساوي من جميع الجوانب لربط القمم والقيعان ، مع تركيب جانبي الكبسولة معا (الشكل 1K).
- قم بإزالة ورقة الغطاء والورقة الوسطى من الورقة السفلية. في هذه المرحلة ، يجب ربط قيعان وقمم الكبسولة معا بشكل صحيح.
- تحقق من أن كل كبسولة أعلى وأسفل مثبتة بإحكام ؛ إذا لم يكن الأمر كذلك ، فاضغط يدويا على أعلى وأسفل الكبسولة معا لإنشاء نوبة ضيقة. قم بإزالة الكبسولات المملوءة ووضعها في حاوية محكمة الإغلاق وقابلة للغلق (الشكل 1L).
ملاحظة: للتعامل الآمن ، من الضروري للمستخدمين ارتداء معدات الحماية الشخصية (PPE) وحماية الوجه. يجب ضمان التهوية الكافية ، ويجب اتخاذ الاحتياطات اللازمة لتجنب الابتلاع والاستنشاق والتلامس مع المادة على الجلد أو العينين أو الملابس. بالإضافة إلى ذلك ، من المهم منع توليد الغبار. للحصول على معلومات مفصلة بشأن السلامة ، يرجى الرجوع إلى صحيفة بيانات السلامة (SDS) لحمض الأكساليك وبيكربونات الصوديوم. للحفاظ على سلامة الكبسولات الحمضية / القاعدية ، ينصح بتخزينها بعيدا عن أشعة الشمس المباشرة والرطوبة العالية. قم بتخزين الكبسولات غير المستخدمة في حاوية محكمة الإغلاق. طالما أن الكبسولات تبقى جافة وخالية من الرطوبة ، يمكن استخدامها بفعالية لضمان الأداء الوظيفي الأمثل.
- تحقق من أن كل كبسولة أعلى وأسفل مثبتة بإحكام ؛ إذا لم يكن الأمر كذلك ، فاضغط يدويا على أعلى وأسفل الكبسولة معا لإنشاء نوبة ضيقة. قم بإزالة الكبسولات المملوءة ووضعها في حاوية محكمة الإغلاق وقابلة للغلق (الشكل 1L).
2. تصنيع سدادة السيليكون
- باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد لنمذجة الترسيب المنصهر (FDM) (انظر جدول المواد) ، اطبع لوحة قالب باستخدام ملف STL المقدم في الملف التكميلي 1.
- ضع شريط تغليف شفاف على الجانب السفلي من لوحة القالب بحيث يتم إغلاق كل فتحة (الشكل 2 أ).
- امزج نسبة 1: 1 بالوزن (على سبيل المثال ، 50 جم لكل من الجزء أ والجزء ب) من مادة قالب السيليكون المتاحة تجاريا في كوب خلط (انظر جدول المواد). باستخدام ملعقة يمكن التخلص منها ، اخلطي المركب الكيميائي جيدا لمدة 5 دقائق تقريبا ، أو حتى يصبح موحدا.
- ضع لوحة القالب مع شريط التعبئة فوق قطعة من الورق. سوف يلتقط الورق أي انسكاب سيليكون محتمل من لوحة القالب.
- ابدأ في صب خليط السيليكون في كل فتحة سدادة ، مع التأكد من ملئها جميعا (الشكل 2 ب). استخدم ممسحة مطاطية لنشر السيليكون في كل فتحة سدادة (الشكل 2C). قم بإزالة خليط السيليكون المتبقي من سطح لوحة القالب.
- دع السدادات المطاطية تجف لمدة 4 ساعات. بعد التأكد من أن السدادات قد شفيت تماما (على سبيل المثال ، جف خليط السيليكون تماما وتصلب) ، قم بإزالة الشريط من الجزء الخلفي من لوحة القالب (الشكل 2 د) ، ثم ابدأ في سحب السدادات من القالب (الشكل 2 ه).
- قم بإزالة أي سيليكون زائد متصل بالسدادات (الشكل 2F).
3. تجميع علامة البالون
- أدخل أداة الثقب بعناية (على سبيل المثال ، معول الأسنان المستقيم) في سدادة السيليكون (الشكل 3 أ) (انظر جدول المواد). أدخل أداة الثقب في إبرة حقنة 15 جم ثم قم بإزالة أداة الثقب من سدادة السيليكون ، مع ترك إبرة 15 جم فقط بالداخل (الشكل 3 ب). ستقوم أداة الثقب بإنشاء شق داخل سدادة السيليكون دون قطع أو إزالة أي مادة.
- قطع قطعة من خط الصيد 50 رطلا (انظر جدول المواد) بطول 150 مم. أدخل خط الصيد من خلال إبرة حقنة 15 G وفي سدادة السيليكون (الشكل 3C).
- أثناء إمساك السدادة وخط الصيد معا بعناية ، قم بإزالة إبرة المحقنة 15 جم من جسم السدادة ، وترك خط الصيد داخل السدادة (الشكل 3 د). تأكد من أن أطوال خط الصيد متساوية على جانبي السدادة.
- أدخل كبسولتين مملوءتين بالحمض / مسحوق القاعدة في بالون لاتكس (الشكل 3E) (انظر جدول المواد). قم بتوسيع فتحة البالون باستخدام أداة توسيع الشريط المطاطي (أي كماشة شريط الإخصاء) ثم أدخل سدادة سيليكون واحدة بعناية في فتحة البالون (الشكل 3F) ، تاركا طرفي خط الصيد خارج البالون.
- ضع حلقتين على شكل حرف O (عرض 1.6 مم ، معرف 8.1 مم ، انظر جدول المواد) على أداة توسيع الشريط المطاطي وقم بتوسيعهما. أدخل عنق بالون اللاتكس من خلال حلقتي O الموسعتين (الشكل 3G). اسحب الحلقتين O بعناية بعيدا عن أداة توسيع الشريط المطاطي ، واتركهما ملفوفين بإحكام حول عنق البالون ، في منتصف السدادة (الشكل 3H).
4. مرفق علامة البالون بأغطية الأسماك المستشعر
- ضع أحد طرفي خط الصيد من خلال أحد الثقوب الصغيرة في غطاء Sensor Fish (انظر جدول المواد) وقم بإحضاره من خلال الفتحة الكبيرة في وسط الغطاء (الشكل 4 أ).
- اربط طرفي خط الصيد معا ، تاركا حوالي 13 إلى 26 مم بين الجزء العلوي من الغطاء وقاعدة البالون. استخدم أربع عقد علوية فوق بعضها البعض عند ربط خط الصيد.
- اترك خيط الصيد الإضافي متصلا ، لأن قطعه قريبا جدا من العقدة قد يتسبب في فك العقدة (الشكل 4 ب).
- اختبر العقدة عن طريق الإمساك بخط الصيد على كل جانب من جوانب العقدة بالأصابع وسحبها بأقصى قوة ممكنة. كن حذرا حتى لا تقترب كثيرا من البالون ، لأنه قد يمزق خيط الصيد عن غير قصد من خلال السدادة المطاطية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تم إجراء دراسة لتحديد الطرق المثلى لتصنيع بطاقات البالون ، مع التركيز على حجم ودرجة حرارة الماء المحقون في البالون. فحصت الدراسة معايير المدخلات المختلفة ، بما في ذلك وقت بدء التضخم ، ووقت التضخم الكامل ، ووقت بدء الانكماش ، وحجم البالون عند التضخم الكامل. أجريت الدراسة في مكتب مع درجة حرارة محيطة تبلغ 21 درجة مئوية.
تم إعداد ما مجموعه 360 علامة بالون للدراسة. تم تقسيم العلامات إلى 36 مجموعة ، تحتوي كل مجموعة على 10 علامات بالون. تم تصنيف المجموعات بناء على عدد الكبسولات ، بما في ذلك كبسولتان أو ثلاث أو أربع كبسولات. تم حقن العلامات في كل مجموعة ب 5 أو 6 أو 7 أو 8 أو 9 أو 10 مل من الماء عند درجات حرارة 18.3 أو 12.7 درجة مئوية. تم اختيار درجة حرارة 12.7 درجة مئوية كأدنى درجة حرارة لا تزال تسمح بإذابة الكبسولة ، بينما تمثل 18.3 درجة مئوية درجة حرارة الغرفة للتطبيق العملي.
أظهرت النتائج أن التضخم الكامل حدث بشكل أسرع عند استخدام المياه عند 18.3 درجة مئوية مقارنة ب 12.7 درجة مئوية (الشكل 5). تسبب الذوبان البطيء للكبسولات النباتية في درجات حرارة منخفضة في تأخير التضخم. من بين الظروف المختبرة، أظهرت علامات البالون ثلاثية الكبسولات المحقونة ب 5 مل من الماء عند 18.3 درجة مئوية حجما ثابتا، بمتوسط حجم 114 سم 3 وانحراف معياري قدره 1.28 سم3 (الجدول 1). عند 18.3 درجة مئوية ، أظهرت علامات البالون المكونة من أربع كبسولات وقت بدء تضخم أسرع ، بينما أظهرت علامات البالون ثلاثية الكبسولات وقت بدء انكماش أسرع (الشكل 6). ومع ذلك ، كانت أوقات التضخم الكاملة لعلامات البالون المكونة من كبسولتين وأربع كبسولات متطابقة تقريبا. تبدأ الكبسولات الثلاث في الانكماش أولا ، تليها الكبسولات الأربع ، وأخيرا الكبسولتان.
الشكل 1: صور خطوة بخطوة توضح عملية ملء كبسولات كاشف التضخم لعلامة البالون. أ: خلط وطحن حمض الأكساليك وبيكربونات الصوديوم. (ب) محاذاة ورقة التغليف أعلى ورقة الغطاء. (ج) صب قمم الكبسولات في ورقة التغليف. د: هز القمم في فتحات ورقة التغليف. ه: صب القمم الزائدة في كوب نظيف. (و) تحديد قمم الكبسولات المقلوبة وقلبها. (ز) صب خليط مسحوق الحمض / القاعدة على الورقة السفلية. (H) نشر المسحوق لملء قيعان الكبسولة. (ط) التحقق من امتلاء جميع قيعان الكبسولة. (ي) قلب ورقة الغطاء بالورقة الوسطى الملصقة ومواءمتها مع الورقة السفلية المملوءة. (ك) الضغط لأسفل على ورقة الغطاء لربط الكبسولات العلوية والسفلية. (L) ضمان ملاءمة محكمة لكل كبسولة أعلى وأسفل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: صور خطوة بخطوة توضح عملية صنع سدادات سيليكون لعلامة البالون . (أ) ختم كل فتحة بشريط تغليف شفاف على الجانب السفلي من لوحة القالب. ب: صب خليط السيليكون في كل فتحة سدادة. (ج) نشر السيليكون في كل فتحة سدادة باستخدام ممسحة مطاطية. (د) إزالة الشريط من الجزء الخلفي من لوحة القالب بعد معالجة السدادات. ه: إزالة السدادات من القالب. (و) إزالة أي سيليكون زائد متصل بالسدادات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: صور خطوة بخطوة توضح تجميع علامة البالون. أ: إدخال أداة ثقب في سدادة السيليكون. ب: إدخال أداة ثقب في إبرة حقنة 15 جم. (ج) قطع قطعة 6 بوصات من خيط الصيد 50 رطلا وخيوطها عبر إبرة حقنة 15 جم وفي سدادة السيليكون. د: إزالة إبرة المحقنة 15 جم من السدادة، وترك خيط الصيد بالداخل. ه: إدخال كبسولتين مملوءتين بالحمض/القاعدة في بالون اللاتكس. (و) توسيع فتحة البالون باستخدام أداة تمدد الشريط المطاطي وإدخال سدادة سيليكون واحدة. (ز) وضع حلقتين على شكل حرف O على أداة توسيع الشريط المطاطي ، وتوسيعها ، وإدخال عنق بالون اللاتكس من خلال الحلقات O الموسعة. (H) سحب حلقتين على شكل حرف O بعناية بعيدا عن أداة توسيع الشريط المطاطي ، ولفهما بإحكام حول عنق البالون ، في منتصف السدادة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: صور خطوة بخطوة توضح عملية ربط علامة بالون بغطاء سمكة المستشعر . (أ) خيط أحد طرفي خيط الصيد من خلال ثقب صغير في غطاء السمكة المستشعرة، وإحضاره عبر الفتحة المركزية الكبيرة، وربط الطرفين معا، تاركا فجوة من 13 إلى 26 مم بين قمة الغطاء وقاعدة البالون. (ب) علامة بالون متصلة بغطاء سمكة مستشعر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: تضخم علامات البالون. متوسط وقت النفخ لعلامات البالون بالماء عند (أ) 12.7 درجة مئوية و (ب) 18.3 درجة مئوية باستخدام 5 إلى 10 مل من الماء لعلامات البالون ثنائية الكبسولة (الخضراء) وثلاث كبسولات (زرقاء) وأربع كبسولات (رمادية). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: حجم ووقت تضخم علامات البالون . (أ) أحجام البالونات عند وقت التضخم الكامل، و (ب) متوسط أوقات بدء التضخم، والتضخم الكامل، وبدء الانكماش لعلامات البالونات المكونة من كبسولتين (مربعات)، وثلاث كبسولات (مثلثات)، وأربع كبسولات (نجوم) تحتوي على 5 مل من الماء عند 18.3 درجة مئوية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| درجة حرارة الماء | 18.3 درجة مئوية | 12.7 درجة مئوية | ||||
| كمية الكبسولات | 2 | 3 | 4 | 2 | 3 | 4 |
| متوسط الحجم | 76.1 | 114 | 120 | 72.1 | 103 | 117 |
| الانحراف المعياري | 6.53 | 1.28 | 7.53 | 6.82 | 5.07 | 6.14 |
الجدول 1: متوسط الحجم والانحراف المعياري (سم 3) لعلامات البالون ثنائية الكبسولة وثلاث كبسولات وأربع كبسولات بعد حقن 5 مل من الماء عند 18.3 درجة مئوية و 12.7 درجة مئوية.
الملف التكميلي 1: ملف STL لطباعة لوحة القالب. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 2: حامض الستريك. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
وخلصت هذه الدراسة إلى أن علامات البالون ثلاثية الكبسولات المحقونة ب 5 مل من الماء عند 18.3 درجة مئوية كان لها وقت تضخم بداية أبطأ وحجم أكبر باستمرار مقارنة بعلامات البالون ثنائية الكبسولة وأربع كبسولات. عندما تم حقن علامات البالون بالماء عند 12.7 درجة مئوية ، كان متوسط الحجم أصغر ، وكان وقت النفخ أطول. تبدأ الكبسولات الثلاث في الانكماش أولا ، تليها الكبسولات الأربع ، وأخيرا الكبسولتان. يمكن أن تكون فترات التضخم والانكماش المرتبطة بكل درجة حرارة ماء مفيدة في هذا المجال. بالنسبة للدراسات التي تتطلب وقتا أطول للتضخم ، قد يؤدي الماء البارد إلى تضخم أبطأ لعلامات البالون ، مما يسمح بالاختبار في المنشآت الكبيرة حيث قد يتم توزيع الأسماك أو أسماك الاستشعار على نطاق أوسع وتتطلب وقتا أطول للاسترجاع ، على غرار الدراسات الميدانية التي أجراها Martinez et al.7،12. يمكن استخدام المياه الأكثر دفئا لزيادة معدل التضخم لاختبار النماذج ذات الحجم المنخفض والهياكل الهيدروليكية الصغيرة ، مثل شاشات المزارعين والتوربينات المائيةالمتدرجة 11,17.
تشمل أهم الخطوات في تصنيع علامات البالون التأكد من خلط بيكربونات الصوديوم ومساحيق حمض الأكساليك جيدا باستخدام ملاط ومدقة قبل التغليف. سيؤدي ذلك إلى إنتاج مركب كيميائي مطحون بدقة بدون كتل يمكن أن تغير النسبة الكيميائية. بعد التصنيع ، يجب أن تبقى الكبسولات بعيدا عن أشعة الشمس المباشرة ومختومة في حاوية محكمة الإغلاق لمنع امتصاص الرطوبة من الهواء ، مما قد يؤدي إلى تدهور الكبسولات النباتية18.
الميزة الرئيسية لهذه الطريقة هي فعاليتها من حيث التكلفة وعملية التصنيع البسيطة. التكلفة المادية المقدرة لإنتاج بالون واحد هي 0.50 دولار فقط. هذا مفيد للدراسات ذات الميزانيات المحدودة التي تتطلب حجم عينة كبير. ستدعم علامات البالون عمليات نشر الأسماك الاستشعار وتقييم بقاء الأسماك والإصابات في السدود الكهرومائية والهياكل الهيدروليكية الأخرى. تعالج هذه الطريقة الحاجة المتزايدة للطاقة المستدامة واستمرار استبدال التوربينات في الولايات المتحدة19. بعد نشر التكنولوجيا الجديدة ، يعد التقييم الميداني ضروريا للتحقق من صحة تحسينات تصميم التكنولوجيا20. يمكن أن توفر نتائج التقييم أيضا رؤى لتحسين تصميم التوربينات وإبلاغ قرارات الإدارة المتعلقة بتشغيل التوربينات لتعزيز ظروف مرور الأسماك21.
إن تصنيع واستخدام علامات البالون له قيود معينة يجب مراعاتها. يمكن أن تستغرق عملية الخلط اليدوي باستخدام الملاط والمدقة لضمان الخلط الشامل لبيكربونات الصوديوم ومساحيق حمض الأكساليك قبل التغليف وقتا طويلا وتتطلب عمالة مكثفة ، مما يحد من قابلية التوسع. علاوة على ذلك ، تتطلب الكبسولات النباتية المستخدمة في العلامات تخزينا دقيقا بعيدا عن أشعة الشمس المباشرة في حاوية محكمة الإغلاق لمنع التدهور ، مما يضيف تعقيدا إلى المناولة والنقل ، خاصة في الإعدادات الميدانية. بالإضافة إلى ذلك ، يعتمد أداء علامات البالون على درجة الحرارة ، حيث يؤدي الماء البارد إلى متوسط حجم أصغر ووقت نفخ أطول ، مما يحد من ملاءمتها للدراسات التي تتطلب فترات نفخ أقصر أو اختبارا في هياكل هيدروليكية أصغر. على العكس من ذلك ، يمكن أن تزيد المياه الأكثر دفئا من معدل التضخم ولكنها قد تحد من إمكانية التطبيق في البيئات الباردة أو المرافق الأكبر التي تتطلب أوقات استرجاع أطول. يجب النظر بعناية في هذه القيود ومعالجتها من أجل الاستخدام الأمثل لعلامات البالون في سيناريوهات البحث المختلفة.
لضمان سلامتك عند العمل مع المواد الكيميائية الخطرة ، مثل تلك المفصلة في هذه المخطوطة ، من الضروري استشارة SDS للحصول على إرشادات شاملة حول التعامل معها وتخزينها بشكل صحيح. على وجه التحديد ، يشكل حمض الأكساليك خطرا على صحة الإنسان إذا لامس الجلد أو تم تناوله. علاوة على ذلك ، فإنه يظهر حساسية للحرارة ويمكن أن يتفاعل بعنف مع العوامل المؤكسدة ، مثل النترات ، مما قد يؤدي إلى حرائق وانفجارات22. لذلك ، عند التعامل مع حمض الأكساليك ، من الضروري العمل في غطاء دخان جيد التهوية وارتداء معدات الوقاية الشخصية ، مثل حماية العين والقناع والقفازات لمنع الإصابة أو التهيج.
يمكن أن يكون حامض الستريك بمثابة مادة كيميائية بديلة لعلامات البالون بدلا من حمض الأكساليك ، ويرجع ذلك أساسا إلى اعتراف إدارة الغذاء والدواء كمادة آمنة للاستخدام في كل من منتجات الغذاء والجلد23. على عكس حمض الأكساليك ، يظهر حمض الستريك حساسية منخفضة للحرارة ولا يتوافق مع العوامل المؤكسدة أو القواعد القوية أو الأحماض. تماما كما هو الحال مع حمض الأكساليك ، يتطلب التعامل مع حامض الستريك استخدام غطاء دخان جيد التهوية ومعدات الوقاية الشخصية المناسبة.
التفاعل الذي يتضمن حامض الستريك (C6H8O7) وبيكربونات الصوديوم (NaHCO3) في الماء يولد أيضا ثاني أكسيد الكربون (CO2) لتضخيم علامات البالون. ينتج عن هذه العملية الكيميائية تكوين سترات الصوديوم (Na3C6H5O7) والماء وثاني أكسيد الكربون ، كما هو موضح في المعادلة التالية:
ج 6 ح8س 7 + 3 هيدروكسي الصوديوم 3 → غير متوفر 3 ج6ح5س 7 +3ساعات 2 س +3CO2
يتمثل الحد من استخدام حامض الستريك في أنه بالنسبة لنفس كتلة المادة (حمض + بيكربونات الصوديوم) المخزنة داخل علامة البالون ، فإن كمية ثاني أكسيد الكربون2 المتولدة تبلغ حوالي 81٪ مما ينتجه حمض الأكساليك. هذا اعتبار حاسم لأنه يقلل من حجم علامة البالون ، ومدة التضخم الكاملة لعلامة البالون أطول. إذا تم استخدام حامض الستريك بدلا من حمض الأكساليك ، فمن المستحسن استخدام نسبة كتلة 1: 2 (بيكربونات الصوديوم إلى حامض الستريك) لتحقيق حجم بالون يبلغ 46 سم3 ووقت تضخم كامل يبلغ 15 دقيقة. لمزيد من المعلومات، يرجى الرجوع إلى الملف التكميلي 2: حامض الستريك.
يركز هذا البحث على تطوير واستخدام تقنية علامة البالون ، وهي أداة مصممة لتحديد موقع أسماك الاستشعار والأسماك الحية والمساعدة في استعادتها بعد تنقلها عبر الهياكل الهيدروليكية. الهدف الأساسي هو تحسين فهم كيفية تأثير هذه الهياكل على الحيوانات المائية ، مما يسهل في نهاية المطاف إنشاء توربينات أكثر ملاءمة للأسماك. لا يوفر هذا النهج فعالية من حيث التكلفة فحسب ، بل يشمل أيضا عملية تصنيع مباشرة ، والتي ، عند تحسينها ، يمكن أن تمكن من إنتاج هذه العلامات على نطاق واسع. علاوة على ذلك ، يمكن تخصيص هذه العلامات لاستيعاب الأنواع المختلفة والبيئات المائية. ستتعمق الأبحاث المستقبلية في تحسين أداء علامة البالون في ظل ظروف مختلفة ، واستكشاف آثارها على سلوك الأسماك ، ومعالجة المخاوف البيئية. في حين أن نتائجنا الأولية تبشر بالخير ، فإن الاختبارات الميدانية المكثفة ضرورية للتحقق من الصحة في العالم الحقيقي وتقييم المتانة على المدى الطويل. بشكل عام ، يهدف هذا البحث إلى تعزيز التنمية المستدامة والمسؤولة للطاقة الكهرومائية من خلال توفير أداة تساعد في تقييم وتخفيف آثار الهياكل الهيدروليكية على الأسماك.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
تم تمويل هذه الدراسة من قبل مكتب تقنيات الطاقة المائية التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE). أجريت الدراسات المختبرية في المختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ ، الذي تديره باتيل لصالح وزارة الطاقة بموجب العقد DE-AC05-76RL01830.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Printed Silicone Stopper Plate | NA | NA | |
| ARC800 Sensor Fish | ATS | NA | |
| FDM 3D printer | NA | NA | |
| Manual Capsule Filler Machine CN-400CL (Size #3) | Capsulcn | NA | |
| Mold Star 15 SLOW | Smooth-On | NA | |
| Oil-Resistant Buna-N O-Ring | McMaster-Carr | SN: 9262K141 | |
| Oxalic Acid, 98%, Anhydrous Powder (C2H2O4) | Thermo Scientific | CAS: 144-62-7 | |
| Rubber Band Expansion Tool | iplusmile | NA | |
| Separated Vegetable Cellulose Capsules (Size #3) | Capsule Connection | NA | |
| Smiley Face YoYo Latex balloon | YoYo Balloons, Etc. | NA | |
| Sodium Bicarbonate Powder (CHNaO3) | Sigma | CAS: 144-55-8 | |
| Spectra Fiber Braided Fishing Line (50 lbs.) | Power Pro | NA |
References
- Uria-Martinez, R., et al.
- Kao, S., et al. New stream-reach development: a comprehensive assessment of hydropower energy potential in the United States. Oak Ridge National Laboratory. , (2014).
- Martinez, J. J., Deng, Z. D., Mueller, R., Titzler, S. In situ characterization of the biological performance of a Francis turbine retrofitted with a modular guide vane. Applied Energy. 276, 115492 (2020).
- Čada, G. lenn F. The development of advanced hydroelectric turbines to improve fish passage survival. Fisheries. 26, 14-23 (2001).
- Tuononen, E. I., Cooke, S. J., Timusk, E. R., Smokorowski, K. E. Extent of injury and mortality arising from entrainment of fish through a Very Low Head hydropower turbine in central Ontario, Canada. Hydrobiologia. 849, 407-420 (2020).
- Deng, Z., Carlson, T. J., Duncan, J. P., Richmond, M. C., Dauble, D. D. Use of an autonomous sensor to evaluate the biological performance of the advanced turbine at Wanapum Dam. Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2, 053104 (2010).
- Martinez, J. J., et al. Hydraulic and biological characterization of a large Kaplan turbine. Renewable energy. 131, 240-249 (2019).
- Zhiqun Deng,, et al. Six-degree-of-freedom sensor fish design and instrumentation. 7, 3399-3415 (2007).
- Deng, Z. D., et al. Design and implementation of a new autonomous sensor fish to support advanced hydropower development. Review of Scientific Instruments. 85, 115001 (2014).
- Deng, Y., Jia, Y., Haoran, L. Effects of ionicity and chain structure on the physicochemical properties of protic ionic liquids. AIChE Journal. 66 (10), e16982 (2020).
- Salalila, A., Deng, Z. D., Martinez, J. J., Lu, J., Baumgartner, L. J. Evaluation of a fish-friendly self-cleaning horizontal irrigation screen using autonomous sensors. Marine and Freshwater Research. 70, 1274-1283 (2019).
- Martinez, J., et al. In situ characterization of turbine hydraulic environment to support development of fish-friendly hydropower guidelines in the lower Mekong River region. Ecological engineering. 133, 88-97 (2019).
- Heisey, P. G., Mathur, D., D'Allesandro, L. A new technique for assessing fish passage survival at hydro power stations. International Atomic Energy Agency. , (1993).
- Heisey, P. G., Mathur, D., Rineer, T. A reliable tag-recapture technique for estimating turbine passage survival: application to young-of-the-year American shad (Alosa sapidissima). Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 49 (9), 1826-1834 (1992).
- Mathur, D., Heisey, P. G., Euston, E. T., Skalski, J. R., Hays, S. Turbine passage survival estimation for chinook salmon smolts (Oncorhynchus tshawytscha) at a large dam on the Columbia River. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 53 (3), 542-549 (1996).
- Mathur, D., Heisey, P. G., Robinson, D. A. Turbine-passage mortality of juvenile American shad at a low-head hydroelectric dam. Transactions of the American Fisheries Society. 123 (1), 108-111 (1994).
- Watson, S., et al. Safe passage of American Eels through a novel hydropower turbine. Transactions of the American Fisheries Society. 151, 711-724 (2022).
- Al-Tabakha, M. oawia M., et al. Influence of capsule shell composition on the performance indicators of hypromellose capsule in comparison to hard gelatin capsules. Drug Development and Industrial Pharmacy. 41 (10), 1726-1737 (2015).
- Hydropower Vision. U.S. Department of Energy. , https://www.energy.gov/eere/water/articles/hydropower-vision-report-full-report (2016).
- Duncan, J. oanne P., et al. Physical and ecological evaluation of a fish-friendly surface spillway. Ecological Engineering. 110, 107-116 (2018).
- Trumbo, B. radly A., et al. Improving hydroturbine pressures to enhance salmon passage survival and recovery. Reviews in fish biology and fisheries. 24, 955-965 (2014).
- Pohanish, R. P. Sittig's handbook of toxic and hazardous chemicals and carcinogens. , William Andrew Publishing. (2017).
- U.S. Food and Drug Administration. CFR - Code of Federal Regulations Title 21. , Available from: https://www.accessdata.fda.gov/scripts/cdrh/cfdocs/cfcfr/CFRSearch.cfm?fr=184.1033 (1994).
