Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Ballonmærkefremstillingsteknik til sensorfisk og genopretning af levende fisk

Published: October 13, 2023 doi: 10.3791/65632
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Energy and Environment Directorate, Pacific Northwest National Laboratory

Summary

En protokol præsenteres for design og fremstilling af ballonmærker til genopretning af sensorfisk og levende fisk, hvilket muliggør vurdering af deres fysiske tilstand og biologiske ydeevne i hydrauliske strukturer. Metoden optimerer ballonmærkets ydeevne ved at overveje faktorer som ballonvolumen, inflations-/deflationstider, komponentvalg og egenskaberne ved det injicerede vand.

Abstract

Fisk kan opleve skader og dødelighed, når de passerer gennem hydrauliske transporter ved vandkraftdæmninger, selvom disse transporter er designet til at være fiskevenlige, såsom nedstrøms bypass-systemer, modificerede udslip og turbiner. De vigtigste metoder, der bruges til at studere fiskepassageforhold i hydrauliske strukturer, involverer direkte in situ-test ved hjælp af sensorfiskteknologi og levende fisk. Sensorfiskedata hjælper med at identificere fysiske stressfaktorer og deres placering i fiskepassagemiljøet, mens levende fisk vurderes for skader og dødelighed. Ballonmærker, som er selvoppustelige balloner, der er fastgjort eksternt til sensorfisk og levende fisk, hjælper med deres genopretning efter at have passeret gennem hydrauliske strukturer.

Denne artikel fokuserer på udviklingen af ballonmærker med varierende antal opløselige, grøntsagsbaserede kapsler, der indeholder en blanding af oxalsyre, natriumbicarbonatpulver og vand ved to forskellige temperaturer. Vores forskning fastslog, at ballonmærker med tre kapsler, injiceret med 5 ml vand ved 18,3 °C, konsekvent opnåede det ønskede ballonvolumen. Disse mærker havde et gennemsnitligt inflationsvolumen på 114 cm3 med en standardafvigelse på 1,2cm3. Blandt de ballonmærker, der blev injiceret med vand ved 18,3 °C, blev det observeret, at ballonmærkerne med to kapsler tog længst tid at nå fuld inflation. Derudover viste ballonmærkerne med fire kapsler en hurtigere starttid for inflation, mens de tre kapselballonmærker viste et hurtigere starttidspunkt for deflation. Samlet set viser denne tilgang sig at være effektiv til at validere ydeevnen for nye teknologier, forbedre turbinedesign og træffe operationelle beslutninger for at forbedre fiskepassageforholdene. Det fungerer som et værdifuldt værktøj til forskning og feltevalueringer, der hjælper med at forfine både design og drift af hydrauliske strukturer.

Introduction

Vandkraft er en betydelig vedvarende energiressource på verdensplan. I USA bidrager vandkraft med anslået 38 % eller 274 TWh elektricitet fra vedvarende energikilder1 og har potentiale til at tilføje ca. 460 TWh om året2. Men efterhånden som vandkraftudviklingen stiger, er bekymringer om fiskeskader og dødelighed under hydraulisk passage blevet altafgørende3. Forskellige mekanismer bidrager til fiskeskader under passage, herunder hurtig dekompression (barotrauma), forskydningsspænding, turbulens, strejker, kavitation og slibning4. Selvom disse skademekanismer måske ikke har en umiddelbar indvirkning på fiskens generelle tilstand, kan de gøre dem mere sårbare over for sygdomme, svampeinfektioner, parasitter og prædation5. Derudover kan direkte fysiske skader som følge af kollisioner med turbiner eller andre hydrauliske strukturer føre til betydelig dødelighed, hvilket understreger vigtigheden af at afbøde disse risici i vandkraftudviklingen.

En af de mest almindelige metoder til evaluering af fiskepassagebetingelser er at frigive sensorfisk og levende fisk gennem hydrauliske strukturer 6,7. Sensorfisken er en autonom enhed designet til at studere de fysiske forhold, som fisk oplever under passage gennem hydrauliske strukturer, herunder turbiner, udslip og dæmningsomløbsalternativer 8,9. Udstyret med et 3D-accelerometer, 3D-gyroskop, temperatursensor og tryksensor9 giver sensorfisken værdifulde data om fiskepassageforholdene.

Ballonmærker, som er selvoppustelige balloner, der er fastgjort eksternt til sensorfisk og levende fisk, hjælper med deres genopretning efter at have passeret gennem hydrauliske strukturer. Ballonmærkerne består af opløselige kapsler fyldt med gasgenererende kemikalier (f.eks. oxalsyre og natriumbicarbonat), en silikoneprop og en fiskelinje. Før indsættelse injiceres vand gennem silikoneproppen i ballonen. Vandet opløser de grøntsagsbaserede kapsler og udløser en kemisk reaktion, der producerer gas, der puster ballonen op. I denne neutraliseringsreaktion reagerer natriumbicarbonat, en svag base og oxalsyre, en svag syre, til dannelse af kuldioxid, vand og natriumoxalat10. Den kemiske reaktion er tilvejebragt nedenfor:

2NaHCO3+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2O4

Den oppustede ballon øger opdriften af sensorfisken og levende fisk, så de kan flyde på vandoverfladen for lettere restitution.

Antallet af ballonmærker, der kræves for at opnå flotation og lette udtagningen af en prøve (f.eks. sensorfisk eller levende fisk), kan variere afhængigt af prøvens volumen og masseegenskaber. Varigheden af ballonmærkeoppustning kan justeres ved at injicere vand ved forskellige temperaturer. Koldere vand vil øge inflationstiden, mens varmere vand vil reducere den. Ballonmærker er med succes blevet anvendt forskellige steder, herunder Farmers Screen, en unik vandret, fladplade fisk og snavs skærmstruktur i Hood River, Oregon11, og en Francis turbine ved Nam Ngum Dam i Lao People's Democratic Republic12. Et andet kommercielt tilgængeligt ballonmærkeeksempel er Hi-Z Turb'N Tag13,14. Hi-Z Turb'N Tag gør det muligt at justere oppustningstiden mellem 2 min og 60 min, afhængigt af den indsprøjtede vandtemperatur13. Denne teknologi er blevet brugt i fiskeundersøgelser på mange feltsteder, herunder undersøgelser, der involverer Chinook laksesmolt frigivet ved Rocky Reach Dam på Columbia River og unge amerikanske shad ved Hadley Falls Dam på Connecticut River15,16. Begge teknologier bruger syre-base kemiske reaktioner til at oppuste ballonmærkerne til genopretning.

Denne metode tilbyder omkostningseffektivitet og enkelhed i fremstillingen med en anslået materialeomkostning på kun $ 0.50 pr. Ballon. Som beskrevet her er fremstillingsprocessen let at følge, hvilket gør ballonmærkeproduktion tilgængelig for alle.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Indkapsling af syre / base

  1. Bland et forhold på 1:2 i vægtforholdet H2C2O4(oxalsyre) og NaHCO3 (natriumbicarbonat) i en blandekop (se materialetabel). Hvis syre-basepulverblandingen krystalliseres, slibes den ned ved hjælp af en mørtel og støderen (figur 1A).
  2. Hent størrelse 3 grøntsagsbaserede kapsler og den halvautomatiske kapselpåfyldningsmaskine for at starte processen (se materialetabel).
  3. Placer hættepladen fladt på en ren, tør overflade. Juster indkapslingsarket oven på hættearket ved hjælp af de sorte pinde for at fastgøre det korrekt på plads (figur 1B).
  4. Adskil kapseltoppen og -bunden, medmindre du bruger præseparerede kapsler. Størrelse # 3 vegetabilske kapsler, når de lukkes, har overordnede dimensioner på 15.9 mm i længden, 5.57 mm i ydre diameter (OD), 0.30 ml i volumen og vejer 47 mg.
  5. Hæld kapseltoppe i indkapslingsarket (figur 1C). Ryst forsigtigt toppe i hullerne med en cirkulær bevægelse. Mens du gør dette, skal du dække hullet i indkapslingsarkets væg med en hånd eller en pulverspreder for at undgå at spilde toppe (figur 1D).
    1. Når hullerne er fyldt, hældes de overskydende kapseltoppe i en ren kop (figur 1E). Identificer eventuelle kapseltoppe, der vender på hovedet, og vend dem om (figur 1F). Sørg for, at alle kapseltoppe vender i den rigtige retning i hættearket. Det er vigtigt at sikre korrekt orientering, da forkert justering kan resultere i, at kapseltoppe ikke forbindes korrekt med kapselbunden.
  6. Fjern indkapslingsarket, og læg det fyldte hætteark til side.
  7. Tag kroppen eller "bunden" ark ud. Placer den på en ren, tør, flad overflade. Fastgør indkapslingsarket til bundarket, og sørg for korrekt justering ved at bruge de sorte pinde til at placere det korrekt på plads.
  8. Hæld kapselbunden i indkapslingsarket og ryst som før i en cirkulær bevægelse for at fylde hullerne. Hæld overskydende kapselbunde af. Identificer eventuelle kapselbunde, der vender på hovedet, og vend dem om.
  9. Fjern indkapslingsarket fra det nederste ark, og læg det til side.
  10. Hæld syre/basepulverblandingen på den fyldte bundplade (figur 1G). Brug en plastikspreder til at fylde kapselbundene med pulveret (figur 1H). Kontroller, at alle kapselbundene er fyldt (figur 1I). Fjern eventuel ubrugt syre/basepulver.
  11. Placer hættearket på en plan overflade, og placer det midterste ark ovenpå, juster det med de sorte pinde for at sikre en korrekt pasform. Sørg for at stille alle kapseltoppene op med de tilsvarende huller i det midterste ark.
  12. Vend hættearket om med det påsatte midterste ark, og juster det med det fyldte bundark (figur 1J).
  13. Tryk forsigtigt ned på hættearket lige på alle sider for at forbinde toppen og bunden, og monter begge sider af kapslen sammen (figur 1K).
  14. Fjern hættearket og det midterste ark fra det nederste ark. På dette tidspunkt skal kapselbundene og toppe være korrekt sammenføjet.
    1. Kontroller, at hver kapseltop og bund sidder tæt; Hvis ikke, skal du manuelt trykke kapslens top og bund sammen for at skabe en tæt pasform. Fjern de fyldte kapsler og læg dem i en lufttæt, forseglbar beholder (figur 1L).
      BEMÆRK: For sikker håndtering er det vigtigt for brugerne at bære personlige værnemidler (PPE) og ansigtsbeskyttelse. Der skal sikres tilstrækkelig ventilation, og der skal træffes forholdsregler for at undgå indtagelse, indånding og kontakt med stoffet på hud, øjne eller tøj. Derudover er det vigtigt at forhindre dannelse af støv. For detaljerede oplysninger om sikkerhed henvises til sikkerhedsdatabladet (SDS) for oxalsyre og natriumbicarbonat. For at bevare integriteten af syre/base kapslerne anbefales det at opbevare dem væk fra direkte sollys og høj luftfugtighed. Opbevar de ubrugte kapsler i en forseglet, lufttæt beholder. Så længe kapslerne holdes tørre og fri for fugt, kan de bruges effektivt for at sikre optimal funktionalitet.

2. Fremstilling af silikoneprop

  1. Brug en FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-printer (se Materialetabel) til at udskrive en formplade ved hjælp af STL-filen, der findes i supplerende fil 1.
  2. Anbring en klar pakketape på undersiden af formpladen, så hver åbning er forseglet (figur 2A).
  3. Bland et forhold på 1:1 efter vægt (f.eks. 50 g hver af del A og del B) af det kommercielt tilgængelige silikoneformmateriale i en blandekop (se materialetabel). Bland den kemiske forbindelse grundigt med en engangsske i ca. 5 minutter, eller indtil den er blevet ensartet.
  4. Læg formpladen med pakkebåndet over et stykke papir. Papiret vil fange ethvert potentielt silikoneudslip fra formpladen.
  5. Begynd at hælde silikoneblandingen i hvert prophul, og sørg for, at de alle er fyldt (figur 2B). Brug en gummiskraber til at sprede silikonen i hvert prophul (figur 2C). Fjern den resterende silikoneblanding fra overfladen af formpladen.
  6. Lad gummipropperne tørre i 4 timer. Når du har kontrolleret, at propperne er hærdet helt (f.eks. silikoneblandingen er tørret og hærdet helt), skal du fjerne tapen fra bagsiden af formpladen (figur 2D) og derefter begynde at trække propperne ud af formen (figur 2E).
  7. Fjern overskydende silikone, der er fastgjort til propperne (figur 2F).

3. Samling af ballonmærker

  1. Sæt forsigtigt piercingværktøjet (f.eks. lige tandstik) ind i silikoneproppen (figur 3A) (se materialetabellen). Sæt piercingværktøjet i en 15 G kanyle, og fjern derefter piercingværktøjet fra silikoneproppen, så kun 15 G-kanylen indeni er tilbage (figur 3B). Piercingværktøjet skaber en slids inde i silikoneproppen uden at skære eller fjerne noget materiale.
  2. Skær et stykke 50 lb. fiskeline (se materialetabel) til en længde på 150 mm. Stik fiskesnøren gennem 15 G kanylen og ind i silikoneproppen (figur 3C).
    1. Mens du forsigtigt holder proppen og fiskesnøren sammen, fjernes kanylen på 15 G fra proppens krop, så fiskesnøren efterlades inde i proppen (figur 3D). Sørg for, at fiskesnørelængderne er lige på begge sider af proppen.
  3. Indsæt to kapsler fyldt med syre/basepulver i en latexballon (figur 3E) (se materialetabellen). Udvid ballonåbningen ved hjælp af gummibåndets ekspansionsværktøj (dvs. kastreringsbåndtang), og indsæt derefter forsigtigt en silikoneprop i ballonåbningen (figur 3F), så fiskelinjens to ender efterlades uden for ballonen.
  4. Placer to O-ringe (1,6 mm brede, 8,1 mm ID, se materialetabel) på gummibåndets udvidelsesværktøj, og udvid dem. Indsæt latexballonens hals gennem de to udvidede O-ringe (figur 3G). Træk forsigtigt de to O-ringe væk fra gummibåndets udvidelsesværktøj, og lad dem være tæt viklet rundt om ballonens hals, centreret på proppen (figur 3H).

4. Fastgørelse af ballonmærke til sensorfiskehætter

  1. Sæt den ene ende af fiskelinen gennem et af de små huller i sensorfiskehætten (se materialetabellen), og før den gennem det store hul i midten af hætten (figur 4A).
  2. Bind de to ender af fiskelinen sammen, så der er ca. 13 til 26 mm mellem toppen af hætten og ballonens bund. Brug fire overhåndsknuder oven på hinanden, når du binder fiskelinjen.
  3. Lad den ekstra fiskeline sidde fast, da det kan medføre, at knuden løsnes ved at blive skåret for tæt på en knude (figur 4B).
  4. Test knuden ved at gribe fat i fiskelinen på hver side af knuden med fingrene og trække så hårdt som muligt. Vær forsigtig med ikke at trække for tæt på ballonen, da den utilsigtet kan rive fiskelinen gennem gummiproppen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En undersøgelse blev udført for at bestemme de optimale metoder til fremstilling af ballonmærker med fokus på volumen og temperatur af vand, der injiceres i ballonen. Undersøgelsen undersøgte forskellige inputparametre, herunder inflationens starttidspunkt, fuld inflationstid, deflationsstarttidspunkt og ballonens volumen ved fuld inflation. Undersøgelsen blev udført ved et skrivebord med en omgivelsestemperatur på 21 °C.

I alt 360 ballonmærker blev forberedt til undersøgelsen. Mærkerne blev opdelt i 36 sæt, hvor hvert sæt indeholdt 10 ballonmærker. Sættene blev kategoriseret baseret på antallet af kapsler, herunder to, tre eller fire kapsler. Mærkerne i hvert sæt blev injiceret med 5, 6, 7, 8, 9 eller 10 ml vand ved temperaturer på enten 18,3 eller 12,7 °C. Temperaturen på 12,7 °C blev valgt som den laveste temperatur, der stadig tillod kapselopløsning, mens 18,3 °C repræsenterede stuetemperatur for praktisk.

Resultaterne viste, at fuld inflation skete hurtigere ved brug af vand ved 18,3 °C sammenlignet med 12,7 °C (figur 5). Den langsommere opløsning af de grøntsagsbaserede kapsler ved lavere temperaturer forårsagede en forsinkelse i inflationen. Blandt de testede betingelser udviste ballonmærkerne med tre kapsler injiceret med 5 ml vand ved 18,3 °C ensartet størrelse med et gennemsnitligt volumen på 114 cm3 og en standardafvigelse på 1,28cm3 (tabel 1). Ved 18,3 °C viste ballonmærkerne med fire kapsler et hurtigere starttidspunkt for oppustning, mens ballonmærkerne med tre kapsler viste et hurtigere starttidspunkt for deflation (figur 6). De fulde inflationstider for ballonmærkerne med to kapsler og fire kapsler var dog næsten identiske. Tre-kapslen begynder først at tømme sig, efterfulgt af fire-kapslen og til sidst to-kapslen.

Figure 1
Figur 1: Trinvise billeder, der illustrerer processen med påfyldning af ballonmærkeoppustningsreagenskapsler . (A) Blanding og formaling af oxalsyre og natriumbicarbonat. (B) Justering af indkapslingsarket oven på hættearket. (C) Hældning af kapseltoppe i indkapslingsarket. (D) Ryster toppe i hullerne i indkapslingsarket. (E) Hæld overskydende toppe i en ren kop. (F) Identifikation af kapseltoppe på hovedet og vending af dem. (G) Hæld syre/basepulverblandingen på bundpladen. (H) Spred pulveret for at fylde kapselbundene. (I) Kontrol af, at alle kapselbunde er fyldt. J) Vend dækarket om med det påsatte midterste ark og juster det med det fyldte bundark. (K) Tryk ned på hættearket for at forbinde de øverste og nederste kapsler. (L) Sørg for en tæt pasform af hver kapsels top og bund. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Trinvise billeder, der viser processen med at fremstille silikonepropper med ballonmærke . (A) Forsegling af hver åbning med klar pakketape på undersiden af formpladen. (B) Hæld silikoneblandingen i hvert prophul. (C) Spredning af silikonen i hvert prophul ved hjælp af en gummigummiskraber. (D) Fjernelse af tapen fra bagsiden af formpladen, efter at propperne er hærdet. (E) Fjernelse af propperne fra formen. (F) Fjernelse af overskydende silikone, der er fastgjort til propperne. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Trinvise fotos, der illustrerer samlingen af et ballonmærke . (A) Isætning af et piercingværktøj i silikoneproppen. (B) Indsættelse af et piercingværktøj i en 15 G kanyle. (C) Skær et 6-tommers stykke 50 lb. fiskeline og træk det gennem 15 G sprøjtekanylen og ind i silikoneproppen. (D) Fjern kanylen på 15 G sprøjten fra proppen, og lad fiskesnøren blive indeni. (E) Isætning af to syre/basefyldte kapsler i latexballonen. (F) Udvidelse af ballonåbningen med et gummibåndsudvidelsesværktøj og indsættelse af en silikoneprop. (G) Anbring to O-ringe på gummibåndets ekspansionsværktøj, udvid dem og indsæt latexballonhalsen gennem de ekspanderede O-ringe. (H) Træk forsigtigt to O-ringe væk fra gummibåndets ekspansionsværktøj, og vikl dem tæt rundt om ballonhalsen, centreret på proppen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Trinvise fotos, der viser processen med at binde et ballonmærke til en sensorfiskehætte . (A) Træk den ene ende af fiskelinen gennem et lille hul i sensorfiskehætten, før den gennem det store midterhul og bind begge ender sammen, så der er et mellemrum på 13 til 26 mm mellem hættens top og ballonens base. (B) Ballonmærke fastgjort til en sensor fiskehætte. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Inflation af ballonmærker. Gennemsnitlig oppustningstid for ballonmærker med vand ved (A) 12,7 °C og (B) 18,3 °C ved brug af 5 til 10 ml vand til ballonmærker med to kapsler (grøn), tre kapsler (blå) og fire kapsler (grå). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Volumen og inflationstid for ballonmærker. (A) Mængder balloner ved fuld inflationstid, og (B) gennemsnitlige tider til start af inflation, fuld inflation og start af deflation for ballonmærker med to kapsler (firkanter), tre kapsler (trekanter) og fire kapsler (stjerner) med 5 ml vand ved 18,3 °C. Klik her for at se en større version af dette tal.

Vandtemperaturen 18,3 °C 12,7 °C
Mængde af kapsler 2 3 4 2 3 4
Gennemsnitlig volumen 76.1 114 120 72.1 103 117
Standardafvigelse 6.53 1.28 7.53 6.82 5.07 6.14

Tabel 1: Gennemsnitligt volumen og standardafvigelse (cm 3) for ballonmærker med to kapsler, tre kapsler og fire kapsler efter injektion af 5 ml vand ved 18,3 °C og 12,7 °C.

Supplerende fil 1: STL-fil til udskrivning af formpladen. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende fil 2: citronsyre. Klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne undersøgelse konkluderede, at ballonmærker med tre kapsler injiceret med 5 ml vand ved 18,3 °C havde en langsommere startinflationstid og konsekvent større volumen sammenlignet med ballonmærker med to kapsler og fire kapsler. Når ballonmærkerne blev injiceret med vand ved 12,7 °C, var den gennemsnitlige volumen mindre, og inflationstiden var længere. Tre-kapslen begynder først at tømme sig, efterfulgt af fire-kapslen og til sidst to-kapslen. Inflations- og deflationsperioderne forbundet med hver vandtemperatur kan være nyttige i marken. For undersøgelser, der kræver længere inflationstid, kan koldere vand resultere i en langsommere inflation af ballonmærkerne, hvilket giver mulighed for test på store faciliteter, hvor fisk eller sensorfisk kan være mere udbredt og kræve en længere hentningstid, svarende til feltundersøgelserne udført af Martinez et al.7,12. Varmere vand kunne bruges til at øge inflationen til test af modeller i reduceret skala og små hydrauliske strukturer, såsom landmandsskærme og skalerede hydroturbiner11,17.

De mest kritiske trin i fremstillingen af ballonmærkerne inkluderer at sikre, at natriumbicarbonat- og oxalsyrepulverne blandes grundigt ved hjælp af en mørtel og støder, inden de indkapsles. Dette vil producere en finmalet kemisk forbindelse uden klumper, der ellers kunne ændre det kemiske forhold. Efter fremstillingen skal kapslerne holdes væk fra direkte sollys og forsegles i en lufttæt beholder for at forhindre fugtabsorption fra luften, hvilket kan nedbryde de grøntsagsbaserede kapsler18.

Den største fordel ved denne metode er dens omkostningseffektivitet og enkle fremstillingsproces. De anslåede materialeomkostninger til fremstilling af en ballon er kun $ 0.50. Dette er fordelagtigt for undersøgelser med begrænsede budgetter, der kræver en stor stikprøvestørrelse. Ballonmærkerne vil understøtte indsættelser af sensorfisk og vurderinger af fiskeoverlevelse og skader ved vandkraftdæmninger og andre hydrauliske strukturer. Denne metode adresserer det voksende behov for bæredygtig energi og fortsatte turbineudskiftninger i USA19. Efter indførelsen af ny teknologi er det nødvendigt at foretage en evaluering i marken for at validere teknologiens designforbedringer20. Evalueringsresultaterne kan også give indsigt i forbedret turbinedesign og danne grundlag for forvaltningsbeslutninger vedrørende driften af turbiner for at forbedre fiskepassageforholdene21.

Fremstilling og brug af ballonmærker har visse begrænsninger, der skal overvejes. Den manuelle blandingsproces ved hjælp af mørtel og støder, der sikrer grundig blanding af natriumbicarbonat og oxalsyrepulver før indkapsling, kan være tidskrævende og arbejdskrævende, hvilket begrænser skalerbarheden. Desuden kræver de grøntsagsbaserede kapsler, der anvendes i mærkerne, omhyggelig opbevaring væk fra direkte sollys i en lufttæt beholder for at forhindre nedbrydning, hvilket tilføjer kompleksitet til håndtering og transport, især i feltindstillinger. Derudover er ballonmærkernes ydeevne temperaturafhængig, med koldere vand, der resulterer i mindre gennemsnitlig volumen og længere inflationstid, hvilket begrænser deres egnethed til undersøgelser, der kræver kortere inflationsperioder eller test ved mindre hydrauliske strukturer. Omvendt kan varmere vand øge inflationen, men kan begrænse anvendeligheden i koldere omgivelser eller større faciliteter, der kræver længere hentningstider. Disse begrænsninger bør nøje overvejes og behandles for optimal brug af ballonmærker i forskellige forskningsscenarier.

For at sikre din sikkerhed, når du arbejder med farlige kemikalier, såsom dem, der er beskrevet i dette manuskript, er det bydende nødvendigt at konsultere sikkerhedsdatabladet for omfattende vejledning om korrekt håndtering og opbevaring. Specifikt udgør oxalsyre risiko for menneskers sundhed, hvis den kommer i kontakt med huden eller indtages. Desuden udviser det følsomhed over for varme og kan reagere voldsomt med oxidationsmidler, såsom nitrater, hvilket potentielt kan resultere i brande og eksplosioner22. Derfor er det vigtigt at arbejde i en godt ventileret stinkhætte og bære PPE, såsom øjenbeskyttelse, maske og handsker, når du håndterer oxalsyre, for at forhindre skade eller irritation.

Citronsyre kan tjene som et alternativt kemikalie til ballonmærkerne i stedet for oxalsyre, primært på grund af dets Food and Drug Administration anerkendelse som et sikkert stof til brug i både fødevarer og hudprodukter23. I modsætning til oxalsyre udviser citronsyre nedsat følsomhed over for varme og er uforenelig med oxidationsmidler, stærke baser eller syrer. Ligesom med oxalsyre kræver håndtering af citronsyre brug af en godt ventileret stinkhætte og passende PPE.

Reaktionen, der involverer citronsyre (C6H8O7) og natriumbicarbonat (NaHCO3) i vand, genererer også kuldioxid (CO2) til oppustning af ballonmærkerne. Denne kemiske proces resulterer i dannelsen af natriumcitrat (Na3C6H5O7),vand og kuldioxid, som illustreret i følgende ligning:

C 6 H8O 7 + 3NaHCO 3 → Na 3 C6H5O 7 +3H2 O +3CO 2

Begrænsningen ved at bruge citronsyre er, at for den samme masse materiale (syre + natriumbicarbonat), der er lagret inde i ballonmærket, er mængden af genereret CO2 ca. 81% af det, der produceres af oxalsyre. Dette er en afgørende overvejelse, fordi det reducerer størrelsen på ballonmærket, og ballonmærkets fulde inflationsvarighed er længere. Hvis citronsyre anvendes i stedet for oxalsyre, anbefales det at anvende et masseforhold på 1: 2 (natriumbicarbonat til citronsyre) for at opnå et ballonvolumen på 46cm3 og en fuld inflationstid på 15 minutter. For yderligere oplysninger henvises til supplerende fil 2: citronsyre.

Denne forskning fokuserer på at udvikle og udnytte ballonmærketeknologi, et værktøj designet til at lokalisere og hjælpe med at genvinde sensorfisk og levende fisk, efter at de navigerer gennem hydrauliske strukturer. Det primære mål er at forbedre forståelsen af, hvordan disse strukturer påvirker vanddyr, hvilket i sidste ende letter oprettelsen af mere fiskevenlige turbiner. Denne tilgang giver ikke kun omkostningseffektivitet, men omfatter også en ligetil fremstillingsproces, som, når den optimeres, kan muliggøre storstilet produktion af disse tags. Desuden kan disse mærker tilpasses til at rumme forskellige arter og vandmiljøer. Fremtidig forskning vil dykke ned i optimering af ballonmærkeydelse under forskellige forhold, udforske deres virkninger på fiskeadfærd og løse miljøproblemer. Selvom vores foreløbige resultater viser lovende, er omfattende feltforsøg nødvendige for validering i den virkelige verden og langsigtet holdbarhedsvurdering. Samlet set sigter denne forskning mod at fremme bæredygtig og ansvarlig vandkraftudvikling ved at levere et værktøj, der hjælper med at vurdere og afbøde virkningerne af hydrauliske strukturer på fisk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Denne undersøgelse blev finansieret af US Department of Energy (DOE) Water Power Technologies Office. Laboratorieundersøgelserne blev udført på Pacific Northwest National Laboratory, som drives af Battelle for DOE under kontrakt 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Uria-Martinez, R., et al. U.S. Hydropower Market Report. Oak Ridge National Laboratory. , (2021).
  2. Kao, S., et al. New stream-reach development: a comprehensive assessment of hydropower energy potential in the United States. Oak Ridge National Laboratory. , (2014).
  3. 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).
  4. Čada, G. lenn F. The development of advanced hydroelectric turbines to improve fish passage survival. Fisheries. 26, 14-23 (2001).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Martinez, J. J., et al. Hydraulic and biological characterization of a large Kaplan turbine. Renewable energy. 131, 240-249 (2019).
  8. Zhiqun Deng,, et al. Six-degree-of-freedom sensor fish design and instrumentation. 7, 3399-3415 (2007).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Watson, S., et al. Safe passage of American Eels through a novel hydropower turbine. Transactions of the American Fisheries Society. 151, 711-724 (2022).
  18. 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).
  19. Hydropower Vision. U.S. Department of Energy. , https://www.energy.gov/eere/water/articles/hydropower-vision-report-full-report (2016).
  20. Duncan, J. oanne P., et al. Physical and ecological evaluation of a fish-friendly surface spillway. Ecological Engineering. 110, 107-116 (2018).
  21. 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).
  22. Pohanish, R. P. Sittig's handbook of toxic and hazardous chemicals and carcinogens. , William Andrew Publishing. (2017).
  23. 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).

Tags

Engineering udgave 200
Ballonmærkefremstillingsteknik til sensorfisk og genopretning af levende fisk
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Salalila, A., Martinez, J., Tate,… More

Salalila, A., Martinez, J., Tate, A., Acevedo, N., Salalila, M., Deng, Z. D. Balloon Tag Manufacturing Technique for Sensor Fish and Live Fish Recovery. J. Vis. Exp. (200), e65632, doi:10.3791/65632 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter