Summary
מוצג פרוטוקול לתכנון וייצור תגי בלון לשחזור דגי חיישן ודגים חיים, המאפשר להעריך את מצבם הפיזי ואת ביצועיהם הביולוגיים במבנים הידראוליים. השיטה ממטבת את ביצועי תג הבלון על ידי התחשבות בגורמים כגון נפח הבלון, זמני ניפוח/דפלציה, בחירת רכיבים ומאפייני המים המוזרקים.
Abstract
דגים עלולים לחוות פציעות ותמותה כאשר הם עוברים דרך מסועים הידראוליים בסכרים הידרואלקטריים, גם אם מסועים אלה מתוכננים להיות ידידותיים לדגים, כגון מערכות מעקפים במורד הזרם, מברצים מותאמים וטורבינות. השיטות העיקריות המשמשות לחקר תנאי מעבר דגים במבנים הידראוליים כוללות בדיקות ישירות באתרן באמצעות טכנולוגיית Sensor Fish ודגים חיים. נתוני דגי חיישן מסייעים לזהות גורמי עקה פיזיים ואת מיקומם בסביבת מעבר הדגים, בעוד שדגים חיים מוערכים עבור פציעות ותמותה. תגי בלון, שהם בלונים המתנפחים מעצמם המחוברים חיצונית לדגי חיישן ולדגים חיים, מסייעים בהתאוששותם לאחר שעברו דרך מבנים הידראוליים.
מאמר זה מתמקד בפיתוח תגי בלון עם מספר משתנה של כמוסות על בסיס ירקות נמסות המכילות תערובת של חומצה אוקסלית, אבקות סודיום ביקרבונט ומים בשתי טמפרטורות שונות. המחקר שלנו קבע כי תגי בלון עם שלוש כמוסות, שהוזרקו להם 5 מ"ל מים בטמפרטורה של 18.3 מעלות צלזיוס, השיגו באופן עקבי את נפח הבלון הרצוי. תגים אלה היו בעלי נפח ניפוח ממוצע של 114 ס"מ 3 עם סטיית תקן של 1.2 ס"מ3. בין תגי הבלון שהוזרקו למים ב -18.3 מעלות צלזיוס, נצפה כי לתגי הבלון של שתי קפסולות לקח את הזמן הארוך ביותר להגיע לאינפלציה מלאה. בנוסף, תגי הבלון בעלי ארבע הקפסולות הדגימו זמן התחלה מהיר יותר של ניפוח, בעוד שתגי הבלון בעלי שלוש הקפסולות הדגימו זמן התחלה מהיר יותר של דפלציה. בסך הכל, גישה זו הוכחה כיעילה לאימות הביצועים של טכנולוגיות חדשות, שיפור תכנון הטורבינות וקבלת החלטות תפעוליות לשיפור תנאי מעבר הדגים. הוא משמש כלי רב ערך למחקר והערכות שטח, ומסייע בחידוד התכנון והתפעול של מבנים הידראוליים.
Introduction
כוח מים הוא משאב אנרגיה מתחדשת משמעותי ברחבי העולם. בארצות הברית, אנרגיה הידרואלקטרית תורמת כ-38% או 274 TWh של חשמל המופק ממקורות מתחדשים1 ויש לה פוטנציאל להוסיף כ-460 TWh בשנה2. עם זאת, ככל שפיתוח כוח המים גדל, חששות לגבי פגיעה ותמותה של דגים במהלך מעבר הידראולי הפכו לחשובים ביותר3. מנגנונים שונים תורמים לפציעות דגים במהלך המעבר, כולל דקומפרסיה מהירה (ברוטראומה), לחץ גזירה, מערבולות, מכות, קוויטציה ושחיקה4. למרות שלמנגנוני פגיעה אלה עשויה שלא להיות השפעה מיידית על מצבם הכללי של הדגים, הם יכולים להפוך אותם לפגיעים יותר למחלות, זיהומים פטרייתיים, טפילים וטריפה5. בנוסף, פגיעות פיזיות ישירות כתוצאה מהתנגשויות עם טורבינות או מבנים הידראוליים אחרים יכולות להוביל לתמותה משמעותית, תוך הדגשת החשיבות של הפחתת סיכונים אלה בפיתוח כוח מים.
אחת השיטות הנפוצות ביותר להערכת תנאי מעבר דגים היא שחרור דגי חיישן ודגים חיים דרך מבנים הידראוליים 6,7. דג החיישן הוא מכשיר אוטונומי שנועד לחקור את התנאים הפיזיים שדגים חווים במהלך מעבר דרך מבנים הידראוליים, כולל טורבינות, מברצים וחלופות עוקפות סכר 8,9. מצויד במד תאוצה תלת-ממדי, גירוסקופ תלת-ממדי, חיישן טמפרטורה וחיישן לחץ9, דג החיישן מספק נתונים חשובים על תנאי מעבר הדגים.
תגי בלונים, שהם בלונים המתנפחים מעצמם ומחוברים חיצונית לדגי חיישן ולדגים חיים, מסייעים בהתאוששותם לאחר שעברו דרך מבנים הידראוליים. תגי הבלון מורכבים מקפסולות מתמוססות המלאות בכימיקלים מחוללי גז (למשל, חומצה אוקסלית וסודיום ביקרבונט), פקק סיליקון וקו דיג. לפני הפריסה מוזרקים מים דרך פקק הסיליקון לתוך הבלון. המים ממיסים את הקפסולות הצמחיות, ומעוררים תגובה כימית המייצרת גז המנפח את הבלון. בתגובת נטרול זו, נתרן ביקרבונט, בסיס חלש, וחומצה אוקסלית, חומצה חלשה, מגיבים ליצירת פחמן דו חמצני, מים ונתרן אוקסלט10. התגובה הכימית מסופקת להלן:
2NaHCO3+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2O4
הבלון המנופח מגביר את הציפה של דגי החיישן והדגים החיים, ומאפשר להם לצוף על פני המים להתאוששות קלה יותר.
מספר תגי הבלון הנדרשים כדי להשיג הנפקה ולהקל על שליפת דגימה (למשל, דג חיישן או דג חי) עשוי להשתנות בהתאם למאפייני הנפח והמסה של הדגימה. ניתן להתאים את משך ניפוח תג הבלון על ידי הזרקת מים בטמפרטורות שונות. מים קרים יותר יגדילו את זמן הניפוח, בעוד מים חמים יותר יפחיתו אותו. תגי בלונים הופעלו בהצלחה במקומות שונים, כולל מסך האיכרים, מבנה אופקי ייחודי של דגים שטוחים ופסולת בהוד ריבר, אורגון11, וטורבינת פרנסיס בסכר נאם נגום ברפובליקה הדמוקרטית העממיתשל לאוס 12. דוגמה נוספת לתג בלון זמין מסחרית היא Hi-Z Turb'N Tag13,14. תג Hi-Z Turb'N מאפשר לכוונן את זמן הניפוח בין 2 דקות ל-60 דקות, בהתאם לטמפרטורת המים המוזרקת13. טכנולוגיה זו שימשה במחקרי דגים באתרי שדה רבים, כולל מחקרים שכללו סמולט סלמון צ'ינוק ששוחרר בסכר Rocky Reach על נהר קולומביה ושאד אמריקאי צעיר בסכר מפלי האדלי על נהר קונטיקט15,16. שתי הטכנולוגיות משתמשות בתגובות כימיות על בסיס חומצה כדי לנפח את תגי הבלון להתאוששות.
שיטה זו מציעה חסכוניות ופשטות בייצור, עם עלות חומר משוערת של 0.50 דולר בלבד לבלון. כפי שמתואר כאן, תהליך הייצור קל לביצוע, מה שהופך את ייצור תגי הבלון לנגיש לכל אחד.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. אנקפסולציה חומצית/בסיסית
- ערבבו יחס של 1:2 לפי משקל של H 2, C, 2, O4 (חומצה אוקסלית) ו-NaHCO3 (סודיום ביקרבונט) בכוס ערבוב (ראו טבלת חומרים). אם תערובת האבקה על בסיס חומצה מתגבשת, טחנו אותה באמצעות מכתש ומזיק (איור 1A).
- אחזר את הקפסולות הצמחיות בגודל 3 ואת מכונת מילוי הקפסולות החצי-אוטומטית כדי להתחיל בתהליך (ראה טבלת חומרים).
- הניחו את יריעת המכסה שטוחה על משטח נקי ויבש. יישרו את גיליון האנקפסולציה על גבי גיליון המכסה באמצעות היתדות השחורות כדי לקבע אותו כראוי במקומו (איור 1B).
- יש להפריד בין החלק העליון והתחתון של הקפסולה, אלא אם כן משתמשים בכמוסות מופרדות מראש. גודל #3 כמוסות צמחיות, כאשר סגור, יש ממדים כוללים של 15.9 מ"מ אורך, 5.57 מ"מ בקוטר חיצוני (OD), 0.30 מ"ל בנפח, ולשקול 47 מ"ג.
- שפכו את צמרות הקפסולה לתוך יריעת האנקפסולציה (איור 1C). נערו בעדינות את הצמרות לתוך החורים בתנועה סיבובית. תוך כדי כך, כסו את הרווח בדופן יריעת האנקפסולציה ביד אחת או במפזר אבקה כדי למנוע שפיכת החלק העליון (איור 1D).
- לאחר מילוי החורים, מזגו את עודפי הקפסולה לכוס נקייה (איור 1E). זהו כל קפסולה הפוכה והפכו אותה (איור 1F). ודא שכל הקפסולות פונות לכיוון הנכון בגיליון המכסה. חשוב להקפיד על כיוון נכון, שכן יישור לא נכון עלול לגרום לכך שחלק עליון של הקפסולה לא יתחבר כראוי עם תחתיות הקפסולה.
- הסר את גיליון האנקפסולציה והניחו בצד את גיליון המכסה המלא.
- הוציאו את הגוף או את הסדין "התחתון". הניחו אותו על משטח נקי, יבש ושטוח. קבע את גיליון האנקפסולציה לגיליון התחתון, והבטח יישור נכון על-ידי ניצול היתדות השחורות כדי למקם אותו כראוי במקומו.
- יוצקים את תחתיות הקפסולה לתוך יריעת האנקפסולציה ומנערים כבעבר בתנועה סיבובית כדי למלא את החורים. יוצקים את עודפי תחתיות הקפסולה. זהה תחתיות קפסולה הפוכות והפוך אותן.
- הסר את גיליון האנקפסולציה מהגיליון התחתון והנח אותו בצד.
- שפכו את תערובת אבקת החומצה/הבסיס על היריעה התחתונה המלאה (איור 1G). השתמשו במפזר פלסטיק כדי למלא את תחתית הקפסולה באבקה (איור 1H). בדקו שכל תחתיות הקפסולה מלאות (איור 1I). יש להסיר אבקת חומצה/בסיס שאינה בשימוש.
- הניחו את גיליון המכסה על משטח ישר ומקמו את היריעה האמצעית למעלה, יישרו אותה עם היתדות השחורות כדי להבטיח התאמה נכונה. הקפד ליישר את כל צמרות הקפסולה עם החורים המתאימים בסדין האמצעי.
- הפוך את גיליון המכסה עם הגיליון האמצעי המודבק ויישר אותו עם הגיליון התחתון הממולא (איור 1J).
- לחצו בעדינות כלפי מטה על יריעת המכסה באופן שווה מכל הצדדים כדי לחבר את החלק העליון והתחתון, והתאימו את שני צידי הקפסולה יחד (איור 1K).
- הסר את גיליון המכסה ואת הגיליון האמצעי מהגיליון התחתון. בשלב זה, תחתיות הקפסולה והחלק העליון צריכים להיות מחוברים כראוי יחד.
- ודא שכל קפסולה עליונה ותחתונה מצוידות היטב; אם לא, לחץ ידנית על הקפסולה העליונה והתחתונה יחד כדי ליצור התאמה הדוקה. הסירו את הכמוסות המלאות והניחו אותן בכלי אטום וניתן לאטימה (איור 1L).
הערה: לטיפול בטוח, חיוני שהמשתמשים ילבשו ציוד מגן אישי (PPE) והגנה על הפנים. יש להבטיח אוורור נאות ולנקוט אמצעי זהירות כדי למנוע בליעה, שאיפה ומגע עם החומר על העור, העיניים או הבגדים. בנוסף, חשוב למנוע היווצרות אבק. למידע מפורט בנוגע לבטיחות, עיין בגיליון נתוני הבטיחות (SDS) עבור חומצה אוקסלית וסודיום ביקרבונט. כדי לשמור על שלמות כמוסות החומצה/בסיס, מומלץ לאחסן אותן הרחק מאור שמש ישיר ומלחות גבוהה. יש לאחסן את הכמוסות שאינן בשימוש בכלי אטום ואטום. כל עוד הכמוסות נשמרות יבשות וללא לחות, ניתן להשתמש בהן ביעילות כדי להבטיח פונקציונליות אופטימלית.
- ודא שכל קפסולה עליונה ותחתונה מצוידות היטב; אם לא, לחץ ידנית על הקפסולה העליונה והתחתונה יחד כדי ליצור התאמה הדוקה. הסירו את הכמוסות המלאות והניחו אותן בכלי אטום וניתן לאטימה (איור 1L).
2. ייצור פקקי סיליקון
- באמצעות מדפסת תלת-ממד למידול התכה (FDM) (ראה טבלת חומרים), הדפס לוח תבנית באמצעות קובץ STL המסופק בקובץ משלים 1.
- הניחו סרט אריזה שקוף בצד התחתון של צלחת התבנית, כך שכל פתח יהיה אטום (איור 2A).
- ערבבו יחס של 1:1 לפי משקל (למשל, 50 גרם כל אחד מחלק א' וחלק ב') של חומר תבנית הסיליקון הזמין מסחרית לכוס ערבוב (ראו טבלת חומרים). בעזרת כף חד פעמית מערבבים היטב את התרכובת הכימית במשך כ-5 דקות, או עד לקבלת אחידות.
- מניחים את צלחת התבנית עם סרט האריזה על פיסת נייר. הנייר יתפוס כל שפיכת סיליקון פוטנציאלית מצלחת התבנית.
- התחילו לשפוך את תערובת הסיליקון לתוך כל חור פקק, וודאו שכולם מלאים (איור 2B). השתמשו במכבש גומי כדי לפזר את הסיליקון לתוך כל חור פקק (איור 2C). מוציאים את שאריות תערובת הסיליקון מפני השטח של צלחת התבנית.
- תנו לפקקי הגומי להתייבש במשך 4 שעות. אחרי שווידאתם שהפקקים נרפאו לגמרי (למשל, תערובת הסיליקון התייבשה והתקשתה לחלוטין), הסירו את הסרט מהחלק האחורי של צלחת התבנית (איור 2D), ואז התחילו למשוך את הפקקים החוצה מהתבנית (איור 2E).
- הסירו את עודפי הסיליקון המחוברים לפקקים (איור 2F).
3. הרכבת תגי בלון
- הכניסו בזהירות את כלי הפירסינג (למשל, פיק שיניים ישר) לתוך פקק הסיליקון (איור 3A) (ראו טבלת חומרים). הכניסו את כלי הפירסינג למחט מזרק 15G ולאחר מכן הסירו את כלי הפירסינג מפקק הסיליקון, והשאירו רק את מחט 15G בפנים (איור 3B). כלי הפירסינג ייצור חריץ בתוך פקק הסיליקון מבלי לחתוך או להסיר חומר כלשהו.
- חתכו חתיכה של חוט דיג במשקל 50 ליברות (ראו טבלת חומרים) לאורך של 150 מ"מ. הכניסו את חוט הדיג דרך מחט מזרק 15G לתוך פקק הסיליקון (איור 3C).
- בזמן שאתם מחזיקים בזהירות את הפקק ואת חוט הדיג יחד, הסירו את מחט המזרק 15G מגוף הפקק, והשאירו את חוט הדיג בתוך הפקק (איור 3D). ודאו שאורך חוט הדיג אחיד משני צידי הפקק.
- הכניסו שתי כמוסות מלאות חומצה/אבקת בסיס לבלון לטקס (איור 3E) (ראו טבלת חומרים). הרחיבו את פתח הבלון באמצעות כלי הרחבת הגומייה (כלומר, צבת גומייה לסירוס) ולאחר מכן הכניסו בזהירות פקק סיליקון אחד לפתח הבלון (איור 3F), תוך השארת שני הקצוות של חוט הדיג מחוץ לבלון.
- הניחו שני אורינגים (רוחב 1.6 מ"מ, מזהה 8.1 מ"מ, ראו טבלת חומרים) על כלי הרחבת הגומייה והרחיבו אותם. הכניסו את צוואר בלון הלטקס דרך שתי טבעות ה-O המורחבות (איור 3G). משכו בזהירות את שתי טבעות ה-O מכלי הרחבת הגומיות, והשאירו אותן כרוכות בחוזקה סביב צוואר הבלון, במרכז הפקק (איור 3H).
4. חיבור תג בלון לכובעי דגים של חיישן
- הכניסו קצה אחד של קו הדיג דרך אחד החורים הקטנים בכובע הדג (ראו טבלת חומרים) והעבירו אותו דרך החור הגדול במרכז הכובע (איור 4A).
- קשרו את שני קצוות קו הדיג זה לזה, והשאירו כ-13 עד 26 מ"מ בין החלק העליון של הכובע לבסיס הבלון. השתמש בארבעה קשרים ידניים זה על גבי זה בעת קשירת חוט הדיג.
- השאירו את חוט הדיג הנוסף מחובר, מאחר שחיתוך קרוב מדי לקשר עלול לגרום לקשר להתפרק (איור 4B).
- בדוק את הקשר על ידי אחיזת חוט הדיג בכל צד של הקשר עם האצבעות ומשיכה חזקה ככל האפשר. היזהרו שלא להתקרב יותר מדי לבלון, מכיוון שהוא עלול לקרוע את חוט הדיג שלא במתכוון דרך פקק הגומי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
נערך מחקר לקביעת השיטות האופטימליות לייצור תגי בלון, תוך התמקדות בנפח ובטמפרטורה של המים המוזרקים לבלון. המחקר בחן פרמטרים שונים של תשומות, לרבות זמן התחלת אינפלציה, זמן אינפלציה מלא, זמן התחלת דפלציה ונפח הבלון באינפלציה מלאה. המחקר נערך ליד שולחן עם טמפרטורת סביבה של 21 מעלות צלזיוס.
בסך הכל הוכנו 360 תגי בלון למחקר. התגים חולקו ל-36 סטים, כאשר כל סט הכיל 10 תגי בלון. הסטים סווגו לפי מספר הכמוסות, כולל שתיים, שלוש או ארבע כמוסות. התגים בכל קבוצה הוזרקו עם 5, 6, 7, 8, 9 או 10 מ"ל מים בטמפרטורות של 18.3 או 12.7 מעלות צלזיוס. הטמפרטורה של 12.7 מעלות צלזיוס נבחרה כטמפרטורה הנמוכה ביותר שעדיין אפשרה המסת קפסולות, בעוד 18.3 מעלות צלזיוס ייצגה את טמפרטורת החדר למעשיות.
התוצאות הראו כי האינפלציה המלאה התרחשה מהר יותר בעת שימוש במים ב -18.3 מעלות צלזיוס בהשוואה ל -12.7 מעלות צלזיוס (איור 5). הפירוק האיטי יותר של הקפסולות הצמחיות בטמפרטורות נמוכות יותר גרם לעיכוב באינפלציה. בין התנאים שנבדקו, תגי הבלון בעלי שלוש הקפסולות שהוזרקו עם 5 מ"ל מים ב-18.3°C הציגו גודל עקבי, עם נפח ממוצע של 114 ס"מ 3 וסטיית תקן של 1.28 ס"מ3 (טבלה 1). בטמפרטורה של 18.3 מעלות צלזיוס, תגי הבלון של ארבע הקפסולות הדגימו זמן התחלה מהיר יותר של אינפלציה, בעוד שתגי הבלון של שלוש הקפסולות הדגימו זמן התחלה מהיר יותר של דפלציה (איור 6). עם זאת, זמני הניפוח המלאים של תגי הבלון של שתי קפסולות וארבע קפסולות היו כמעט זהים. שלוש הקפסולות מתחילות לרדת ראשונות, אחריהן ארבע הקפסולות, ולבסוף שתי הקפסולות.
איור 1: תמונות שלב אחר שלב הממחישות את תהליך מילוי קפסולות מגיב ניפוח תגי בלון . (A) ערבוב וטחינה של חומצה אוקסלית וסודיום ביקרבונט. (B) יישור גיליון האנקפסולציה על גבי גיליון המכסה. (C) יוצקים את צמרות הקפסולה לתוך יריעת הכימוס. (D) ניעור צמרות לתוך החורים של יריעת הכימוס. (E) מזיגה של עודפי צמרות לכוס נקייה. (F) זיהוי קפסולות הפוכות והפיכתן. (G) יוצקים את תערובת אבקת החומצה/הבסיס על היריעה התחתונה. (H) לפזר את האבקה כדי למלא את תחתית הקפסולה. (I) וידוא שכל תחתיות הקפסולה מלאות. (J) היפוך גיליון המכסה עם הגיליון האמצעי המודבק ויישורו עם הגיליון התחתון המלא. (K) לחיצה כלפי מטה על גיליון המכסה כדי לחבר את הקפסולות העליונות והתחתונות. (L) הבטחת התאמה הדוקה של כל קפסולה למעלה ולמטה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תמונות שלב אחר שלב המדגימות את התהליך של יצירת פקקי סיליקון עם תגי בלון . (A) איטום כל פתח בסרט אריזה שקוף בצד התחתון של צלחת התבנית. (B) יציקת תערובת הסיליקון לכל חור פקק. (C) פיזור הסיליקון לכל חור פקק באמצעות סחיטה מגומי. (ד) הוצאת הסרט מגב פלטת התבנית לאחר שהפקקים החלימו. (ה) הוצאת הפקקים מהתבנית. (ו) הסרת עודפי סיליקון המחוברים לפקקים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: תמונות שלב אחר שלב המדגימות הרכבה של תג בלון . (A) הכנסת כלי פירסינג לפקק הסיליקון. (B) החדרת כלי פירסינג למחט מזרק 15 גרם. (C) חיתוך חתיכה בקוטר 6 אינץ' של 50 ליברות והשחלתה דרך מחט מזרק 15 גרם לתוך פקק הסיליקון. (ד) הוצאת מחט מזרק 15 גרם מהפקק, השארת חוט הדיג בפנים. (E) החדרת שתי כמוסות מלאות חומצה/בסיס לבלון הלטקס. (ו) הרחבת פתח הבלון באמצעות כלי להרחבת גומייה והכנסת פקק סיליקון אחד. (G) הנחת שני אורינגים על כלי הרחבת הגומייה, הרחבתם והחדרת צוואר בלון הלטקס דרך טבעות ה-O המורחבות. (H) משכו בזהירות שתי טבעות O מכלי הרחבת הגומייה, כרכו אותן בחוזקה סביב צוואר הבלון, במרכזו הפקק. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: תמונות שלב אחר שלב המדגימות את התהליך של קשירת תג בלון לכובע דג חיישן. (A) חפירת קצה אחד של קו הדיג דרך חור קטן בכובע הדג החיישן, העברתו דרך החור המרכזי הגדול וקשירת שני הקצוות יחד, תוך השארת רווח של 13 עד 26 מ"מ בין ראש הכובע לבסיס הבלון. (B) תג בלון המחובר לכובע דג חיישן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
תרשים 5: אינפלציה של תגי בלונים. זמן ניפוח ממוצע עבור תגי בלון עם מים ב- (A) 12.7 ° C ו- (B) 18.3 ° C באמצעות 5 עד 10 מ"ל מים עבור תגי בלון של שתי כמוסות (ירוק), שלוש כמוסות (כחול) וארבע כמוסות (אפור). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: נפח וזמן ניפוח של תגי בלון. (A) נפחים של בלונים בזמן אינפלציה מלא, ו-(B) זמנים ממוצעים לתחילת אינפלציה, אינפלציה מלאה ותחילת דפלציה עבור תגי בלון של שתי קפסולות (ריבועים), שלוש קפסולות (משולשים) וארבע קפסולות (כוכבים) עם 5 מ"ל מים ב-18.3°C. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
| טמפרטורת המים | 18.3 °C | 12.7 °C | ||||
| כמות כמוסות | 2 | 3 | 4 | 2 | 3 | 4 |
| מחזור ממוצע | 76.1 | 114 | 120 | 72.1 | 103 | 117 |
| סטיית תקן | 6.53 | 1.28 | 7.53 | 6.82 | 5.07 | 6.14 |
טבלה 1: נפח ממוצע וסטיית תקן (ס"מ 3) של תגי בלון של שתי כמוסות, שלוש קפסולות וארבע קפסולות לאחר הזרקת 5 מ"ל מים ב-18.3°C וב-12.7°C.
קובץ משלים 1: קובץ STL להדפסת לוח התבנית. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 2: חומצת לימון. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
מחקר זה הגיע למסקנה כי תגי בלון של שלוש קפסולות שהוזרקו עם 5 מ"ל מים בטמפרטורה של 18.3 מעלות צלזיוס היו בעלי זמן ניפוח התחלה איטי יותר ונפח גדול יותר באופן עקבי בהשוואה לתגי בלון של שתי קפסולות וארבע קפסולות. כאשר הוזרקו לתגי הבלון מים בטמפרטורה של 12.7 מעלות צלזיוס, הנפח הממוצע היה קטן יותר, וזמן הניפוח היה ארוך יותר. שלוש הקפסולות מתחילות לרדת ראשונות, אחריהן ארבע הקפסולות, ולבסוף שתי הקפסולות. תקופות האינפלציה והדפלציה הקשורות לכל טמפרטורת מים יכולות להועיל בשטח. עבור מחקרים הדורשים זמן ניפוח ארוך יותר, מים קרים יותר עלולים לגרום לניפוח איטי יותר של תגי הבלון, מה שמאפשר בדיקה במתקנים גדולים שבהם דגים או דגי חיישן עשויים להיות מפוזרים יותר ולדרוש זמן שליפה ארוך יותר, בדומה למחקרי שדה שנערכו על ידי Martinez et al.7,12. ניתן להשתמש במים חמים יותר כדי להגדיל את שיעור האינפלציה לבדיקת מודלים בקנה מידה מופחת ומבנים הידראוליים קטנים, כגון מסכי חקלאים והידרוטורבינות בקנה מידה11,17.
השלבים הקריטיים ביותר בייצור תגי הבלון כוללים הקפדה על ערבוב יסודי של אבקות הנתרן ביקרבונט והחומצה האוקסלית באמצעות מכתש ומזיק לפני הכימוס. זה ייצור תרכובת כימית טחונה דק ללא גושים שאחרת יכולים לשנות את היחס הכימי. לאחר הייצור, יש להרחיק את הקפסולות מאור שמש ישיר ולאטום אותן בכלי אטום כדי למנוע ספיגת לחות מהאוויר, שעלולה לפגוע בקפסולות הצמחיות18.
היתרון העיקרי של שיטה זו הוא עלות-תועלת שלה תהליך הייצור הפשוט. עלות החומר המשוערת לייצור בלון אחד היא 0.5 דולר בלבד. זה יתרון למחקרים עם תקציבים מוגבלים הדורשים מדגם גדול. תגי הבלון יתמכו בפריסות דגי חיישן ובהערכות הישרדות ופציעה של דגים בסכרים הידרואלקטריים ובמבנים הידראוליים אחרים. שיטה זו עונה על הצורך הגובר באנרגיה בת קיימא והמשך החלפת טורבינות בארצות הברית19. לאחר הפריסה של טכנולוגיה חדשה, יש צורך בהערכת שטח כדי לאמת את שיפורי התכנון של הטכנולוגיה20. תוצאות ההערכה יכולות גם לספק תובנות לשיפור תכנון הטורבינות וליידע החלטות ניהוליות בנוגע להפעלת טורבינות לשיפור תנאי מעבר הדגים21.
לייצור ושימוש בתגי בלון יש מגבלות מסוימות שיש לקחת בחשבון. תהליך הערבוב הידני באמצעות מכתש ומזיק כדי להבטיח ערבוב יסודי של סודיום ביקרבונט ואבקות חומצה אוקסלית לפני האנקפסולציה יכול לגזול זמן רב ולעבוד הרבה, ולהגביל את המדרגיות. יתר על כן, הקפסולות על בסיס ירקות המשמשות בתגים דורשות אחסון זהיר הרחק מאור שמש ישיר במיכל אטום כדי למנוע התפרקות, מה שמוסיף מורכבות לטיפול ולהובלה, במיוחד בסביבות שטח. בנוסף, הביצועים של תגי הבלון תלויים בטמפרטורה, כאשר מים קרים יותר גורמים לנפח ממוצע קטן יותר וזמן ניפוח ארוך יותר, מה שמגביל את התאמתם למחקרים הדורשים תקופות ניפוח קצרות יותר או לבדיקות במבנים הידראוליים קטנים יותר. לעומת זאת, מים חמים יותר יכולים להגביר את שיעור האינפלציה אך עשויים להגביל את התחולה בסביבות קרות יותר או במתקנים גדולים יותר הדורשים זמני אחזור ארוכים יותר. יש לשקול בזהירות מגבלות אלו ולהתייחס אליהן לשימוש מיטבי בתגי בלון בתרחישי מחקר שונים.
כדי להבטיח את בטיחותך בעת עבודה עם כימיקלים מסוכנים, כגון אלה המפורטים בכתב יד זה, חובה להתייעץ עם SDS לקבלת הדרכה מקיפה לגבי הטיפול והאחסון הנכונים שלהם. באופן ספציפי, חומצה אוקסלית מהווה סיכון לבריאות האדם אם היא באה במגע עם העור או הוא ingested. יתר על כן, הוא מפגין רגישות לחום ויכול להגיב באלימות עם חומרים מחמצנים, כגון חנקות, מה שעלול לגרום לשריפות ופיצוצים22. לכן, בעת טיפול בחומצה אוקסלית, חיוני לעבוד במכסה אדים מאוורר היטב וללבוש PPE, כגון הגנה על העיניים, מסכה וכפפות, כדי למנוע פציעה או גירוי.
חומצת לימון יכולה לשמש ככימיקל חלופי לתגי הבלון במקום חומצה אוקסלית, בעיקר בשל ההכרה של מנהל המזון והתרופות האמריקאי כחומר בטוח לשימוש הן במוצרי מזון והן במוצרי עור23. בניגוד לחומצה אוקסלית, חומצת לימון מפגינה רגישות מופחתת לחום ואינה תואמת לחומרים מחמצנים, בסיסים חזקים או חומצות. בדיוק כמו עם חומצה אוקסלית, הטיפול בחומצת לימון מחייב שימוש במכסה אדים מאוורר היטב וציוד הגנה אישי מתאים.
התגובה המערבת חומצת לימון (C6H8O7) וסודיום ביקרבונט (NaHCO3) במים מייצרת גם פחמן דו חמצני (CO2) לניפוח תגי הבלון. תהליך כימי זה גורם להיווצרות נתרן ציטראט (Na3C6H5O7), מים ופחמן דו חמצני, כפי שמודגם במשוואה הבאה:
ג6ח8O 7 + 3NaHCO 3 → נה3ג6ח5O 7 + 3H 2 O +3CO 2
המגבלה בשימוש בחומצת לימון היא שעבור אותה מסה של חומר (חומצה + סודיום ביקרבונט) המאוחסנת בתוך תג הבלון, כמות ה-CO2 הנוצרת היא כ-81% ממה שמיוצר על ידי חומצה אוקסלית. זהו שיקול מכריע מכיוון שהוא מקטין את גודל תג הבלון, ומשך הניפוח המלא של תג הבלון ארוך יותר. אם משתמשים בחומצת לימון במקום חומצה אוקסלית, מומלץ להשתמש ביחס מסה של 1:2 (סודיום ביקרבונט לחומצת לימון) כדי להשיג נפח בלון של 46 ס"מ3 וזמן ניפוח מלא של 15 דקות. למידע נוסף, עיין בקובץ משלים 2: חומצת לימון.
מחקר זה מתמקד בפיתוח ושימוש בטכנולוגיית תג בלון, כלי שנועד לאתר ולעזור לשחזר דגי חיישן ודגים חיים לאחר שהם מנווטים דרך מבנים הידראוליים. המטרה העיקרית היא לשפר את ההבנה של האופן שבו מבנים אלה משפיעים על בעלי חיים ימיים, ובסופו של דבר להקל על יצירת טורבינות ידידותיות יותר לדגים. גישה זו לא רק מציעה יחס עלות-תועלת, אלא גם כוללת תהליך ייצור פשוט, אשר, כאשר הוא ממוטב, יכול לאפשר ייצור בקנה מידה גדול של תגים אלה. יתר על כן, תגים אלה יכולים להיות מותאמים אישית כדי להתאים מינים שונים וסביבות ימיות. מחקר עתידי יתעמק באופטימיזציה של ביצועי תגי בלונים בתנאים שונים, יחקור את השפעתם על התנהגות הדגים ויתייחס לדאגות סביבתיות. בעוד שהתוצאות הראשוניות שלנו נראות מבטיחות, בדיקות שטח מקיפות נחוצות לאימות בעולם האמיתי ולהערכת עמידות לטווח ארוך. בסך הכל, מחקר זה נועד לקדם פיתוח בר קיימא ואחראי של אנרגיה הידרואלקטרית על ידי מתן כלי המסייע בהערכה ובמיתון ההשפעות של מבנים הידראוליים על דגים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין ניגודי עניינים.
Acknowledgments
מחקר זה מומן על ידי משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) Water Power Technologies Office. מחקרי המעבדה נערכו במעבדה הלאומית פסיפיק נורת'ווסט (Pacific Northwest National Laboratory), המופעלת על ידי באטל עבור משרד האנרגיה תחת חוזה 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).
