Summary
Er wordt een protocol gepresenteerd voor het ontwerpen en vervaardigen van ballontags om sensorvissen en levende vissen te herstellen, waardoor hun fysieke conditie en biologische prestaties in hydraulische constructies kunnen worden beoordeeld. De methode optimaliseert de prestaties van ballontags door rekening te houden met factoren zoals ballonvolume, opblaas-/leeglooptijden, componentselectie en de kenmerken van het geïnjecteerde water.
Abstract
Vissen kunnen verwondingen en sterfte oplopen wanneer ze hydraulische transportmiddelen passeren bij waterkrachtdammen, zelfs als deze transportmiddelen zijn ontworpen om visvriendelijk te zijn, zoals stroomafwaartse bypass-systemen, gemodificeerde overlaten en turbines. De belangrijkste methoden die worden gebruikt om de omstandigheden van vispassages in waterbouwkundige constructies te bestuderen, zijn directe, in situ testen met behulp van Sensor Fish-technologie en levende vissen. Sensorvisgegevens helpen bij het identificeren van fysieke stressoren en hun locaties in de vispassageomgeving, terwijl levende vissen worden beoordeeld op verwondingen en sterfte. Ballonlabels, dit zijn zelfopblazende ballonnen die extern aan sensorvissen en levende vissen zijn bevestigd, helpen bij hun herstel na het passeren van hydraulische constructies.
Dit artikel richt zich op de ontwikkeling van ballonlabels met verschillende aantallen oplosbare, plantaardige capsules die een mengsel van oxaalzuur, natriumbicarbonaatpoeders en water bij twee verschillende temperaturen bevatten. Uit ons onderzoek bleek dat ballonlabels met drie capsules, geïnjecteerd met 5 ml water van 18,3 °C, consequent het gewenste ballonvolume bereikten. Deze tags hadden een gemiddeld opblaasvolume van 114 cm3 met een standaarddeviatie van 1,2cm3. Van de ballonlabels die werden geïnjecteerd met water van 18,3 °C, werd waargenomen dat de ballontags met twee capsules er het langst over deden om volledig op te blazen. Bovendien vertoonden de ballontags met vier capsules een snellere starttijd voor het opblazen, terwijl de ballontags met drie capsules een snellere starttijd voor het leeglopen vertoonden. Over het algemeen blijkt deze aanpak effectief te zijn voor het valideren van de prestaties van nieuwe technologieën, het verbeteren van het turbineontwerp en het nemen van operationele beslissingen om de omstandigheden van vispassages te verbeteren. Het dient als een waardevol hulpmiddel voor onderzoek en veldevaluaties en helpt bij de verfijning van zowel het ontwerp als de werking van hydraulische constructies.
Introduction
Waterkracht is wereldwijd een belangrijke hernieuwbare energiebron. In de Verenigde Staten draagt waterkracht naar schatting 38% of 274 TWh bij aan elektriciteit die wordt opgewekt uit hernieuwbare bronnen1 en heeft het potentieel om ongeveer 460 TWh per jaar toe te voegen2. Naarmate de ontwikkeling van waterkracht toeneemt, zijn zorgen over visletsel en sterfte tijdens hydraulische passage echter van het grootste belang geworden3. Verschillende mechanismen dragen bij aan verwondingen van vissen tijdens de passage, waaronder snelle decompressie (barotrauma), schuifspanning, turbulentie, stakingen, cavitatie en slijpen4. Hoewel deze verwondingsmechanismen misschien geen onmiddellijke invloed hebben op de algehele conditie van de vissen, kunnen ze ze kwetsbaarder maken voor ziekten, schimmelinfecties, parasieten en predatie5. Bovendien kan direct lichamelijk letsel als gevolg van botsingen met turbines of andere hydraulische constructies leiden tot aanzienlijke sterfte, wat het belang benadrukt van het beperken van deze risico's bij de ontwikkeling van waterkracht.
Een van de meest gebruikelijke methoden voor het evalueren van de omstandigheden van vispassages is het vrijlaten van sensorvissen en levende vissen via hydraulische constructies 6,7. De Sensor Fish is een autonoom apparaat dat is ontworpen om de fysieke omstandigheden te bestuderen die vissen ervaren tijdens het passeren van hydraulische constructies, waaronder turbines, overlaten en alternatieven voor dambypasses 8,9. Uitgerust met een 3D-versnellingsmeter, 3D-gyroscoop, temperatuursensor en druksensor9, levert de Sensor Fish waardevolle gegevens over de omstandigheden van de vispassage.
Ballonlabels, dit zijn zelfopblazende ballonnen die extern aan sensorvissen en levende vissen zijn bevestigd, helpen bij hun herstel na het passeren van hydraulische constructies. De ballonlabels bestaan uit oplosbare capsules gevuld met gasgenererende chemicaliën (bijv. oxaalzuur en natriumbicarbonaat), een siliconen stop en een vislijn. Voorafgaand aan de inzet wordt water via de siliconen stop in de ballon geïnjecteerd. Het water lost de plantaardige capsules op, waardoor een chemische reactie op gang komt die gas produceert dat de ballon opblaast. Bij deze neutralisatiereactie reageren natriumbicarbonaat, een zwakke base, en oxaalzuur, een zwak zuur, om kooldioxide, water en natriumoxalaat te vormen10. De chemische reactie wordt hieronder weergegeven:
2NaHCO3+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2O4
De opgeblazen ballon verhoogt het drijfvermogen van de sensorvissen en levende vissen, waardoor ze op het wateroppervlak kunnen drijven voor gemakkelijker herstel.
Het aantal ballonlabels dat nodig is om flotatie te bereiken en het ophalen van een monster te vergemakkelijken (bijv. sensorvissen of levende vissen) kan variëren op basis van de volume- en massakenmerken van het monster. De duur van het opblazen van de ballontag kan worden aangepast door water met verschillende temperaturen te injecteren. Kouder water verlengt de opblaastijd, terwijl warmer water deze verkort. Ballontags zijn met succes gebruikt op verschillende locaties, waaronder het Farmers Screen, een unieke horizontale, platte-plaat vis- en puinschermstructuur in Hood River, Oregon11, en een Francis-turbine bij de Nam Ngum-dam in de Democratische Volksrepubliek Laos12. Een ander in de handel verkrijgbaar voorbeeld van een ballontag is de Hi-Z Turb'N Tag13,14. Met de Hi-Z Turb'N Tag kan de opblaastijd worden ingesteld tussen 2 min en 60 min, afhankelijk van de temperatuur van het geïnjecteerde water13. Deze technologie is gebruikt in visstudies op veel veldlocaties, waaronder studies met Chinook-zalmsmolts die zijn vrijgelaten bij de Rocky Reach Dam aan de Columbia-rivier en jonge Amerikaanse elften bij de Hadley Falls Dam aan de Connecticut-rivier15,16. Beide technologieën maken gebruik van zuur-base chemische reacties om de ballonlabels op te blazen voor herstel.
Deze methode biedt kosteneffectiviteit en eenvoud in de productie, met een geschatte materiaalkost van slechts $ 0.50 per ballon. Zoals hier beschreven, is het productieproces gemakkelijk te volgen, waardoor de productie van ballontags voor iedereen toegankelijk is.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Inkapseling van zuur en base
- Meng een verhouding van 1:2 met het gewicht van H2 C2O4 (oxaalzuur) en NaHCO3 (natriumbicarbonaat) in een mengbeker (zie Materiaaltabel). Als het zuur-base poedermengsel gekristalliseerd is, maal het dan fijn met een vijzel en stamper (Figuur 1A).
- Pak de plantaardige capsules van maat 3 en de semi-automatische capsulevulmachine om het proces te starten (zie Materiaaltabel).
- Leg het dopvel plat op een schoon, droog oppervlak. Lijn het inkapselingsvel uit met behulp van de zwarte pinnen om het correct op zijn plaats te bevestigen (Figuur 1B).
- Scheid de boven- en onderkant van de capsules, tenzij u vooraf gescheiden capsules gebruikt. De maat #3 plantaardige capsules hebben, wanneer ze gesloten zijn, totale afmetingen van 15.9 mm lang, 5.57 mm in buitendiameter (OD), 0.30 ml in volume en wegen 47 mg.
- Giet de doppen van de capsules in het inkapselingsvel (Figuur 1C). Schud de bovenkant voorzichtig in de gaten met een cirkelvormige beweging. Bedek hierbij de opening in de wand van het inkapselingsvel met één hand of een poederstrooier om te voorkomen dat de bovenkanten worden gemorst (Figuur 1D).
- Zodra de gaatjes zijn gevuld, giet u de overtollige capsuledoppen in een schone beker (Figuur 1E). Identificeer eventuele omgekeerde capsuletoppen en draai ze om (Figuur 1F). Zorg ervoor dat alle doppen van de capsules in de juiste richting in het dopvel wijzen. Het is belangrijk om te zorgen voor een goede oriëntatie, omdat een onjuiste uitlijning ertoe kan leiden dat de bovenkant van de capsule niet goed aansluit op de onderkant van de capsule.
- Verwijder het inkapselingsvel en leg het gevulde dopvel opzij.
- Haal het lichaam of het "onderste" vel eruit. Plaats het op een schone, droge, vlakke ondergrond. Bevestig het inkapselingsvel aan het onderste vel en zorg voor een goede uitlijning door de zwarte pinnen te gebruiken om het correct op zijn plaats te plaatsen.
- Giet de capsulebodems in het inkapselingsvel en schud zoals voorheen in een cirkelvormige beweging om de gaten te vullen. Giet overtollige capsulebodems af. Identificeer eventuele omgekeerde capsulebodems en draai ze om.
- Verwijder het inkapselingsvel van het onderste vel en leg het opzij.
- Giet het zuur/base-poedermengsel op het gevulde bodemvel (Figuur 1G). Gebruik een plastic strooier om de capsulebodems met het poeder te vullen (Figuur 1H). Controleer of alle capsulebodems gevuld zijn (Figuur 1I). Verwijder eventueel ongebruikt zuur/basepoeder.
- Plaats het dopvel op een vlakke ondergrond en plaats het middelste vel erop, waarbij u het uitlijnt met de zwarte pinnen om een juiste pasvorm te garanderen. Zorg ervoor dat alle bovenkant van de capsule is uitgelijnd met de overeenkomstige gaten in het middelste vel.
- Keer het dopvel om met het aangebrachte middelste vel en lijn het uit met het gevulde onderste vel (Figuur 1J).
- Druk voorzichtig aan alle kanten gelijkmatig op het dopvel om de boven- en onderkant met elkaar te verbinden, waarbij beide zijden van de capsule in elkaar passen (Figuur 1K).
- Verwijder het dopvel en het middelste vel van het onderste vel. Op dit punt moeten de onder- en bovenkant van de capsule goed met elkaar worden verbonden.
- Controleer of de boven- en onderkant van elke capsule goed vastzitten; Als dit niet het geval is, drukt u de boven- en onderkant van de capsule handmatig tegen elkaar om een strakke pasvorm te creëren. Verwijder de gevulde capsules en plaats ze in een luchtdichte, afsluitbare container (Figuur 1L).
NOTITIE: Voor een veilige hantering is het essentieel dat gebruikers persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) en gelaatsbescherming dragen. Er moet voor voldoende ventilatie worden gezorgd en er moeten voorzorgsmaatregelen worden genomen om inslikken, inademen en contact met de stof op de huid, ogen of kleding te voorkomen. Daarnaast is het belangrijk om stofvorming te voorkomen. Gedetailleerde informatie over de veiligheid vindt u in het veiligheidsinformatieblad (SDS) voor oxaalzuur en natriumbicarbonaat. Om de integriteit van de zuur/base-capsules te behouden, wordt geadviseerd om ze uit de buurt van direct zonlicht en hoge luchtvochtigheid te bewaren. Bewaar de ongebruikte capsules in een afgesloten, luchtdichte verpakking. Zolang de capsules droog en vrij van vocht worden bewaard, kunnen ze effectief worden gebruikt om een optimale functionaliteit te garanderen.
- Controleer of de boven- en onderkant van elke capsule goed vastzitten; Als dit niet het geval is, drukt u de boven- en onderkant van de capsule handmatig tegen elkaar om een strakke pasvorm te creëren. Verwijder de gevulde capsules en plaats ze in een luchtdichte, afsluitbare container (Figuur 1L).
2. Vervaardiging van siliconenstoppers
- Gebruik een FDM-printer (Fused Deposition Modeling) (zie Materiaaltabel) om een vormplaat af te drukken met behulp van het STL-bestand in aanvullend bestand 1.
- Plaats een doorzichtige verpakkingstape aan de onderkant van de vormplaat zodat elke opening is afgedicht (Figuur 2A).
- Meng een gewichtsverhouding van 1:1 (bijv. 50 g elk van deel A en deel B) van het in de handel verkrijgbare siliconen malmateriaal in een mengbeker (zie Materiaaltabel). Gebruik een wegwerplepel om de chemische verbinding grondig te mengen gedurende ongeveer 5 minuten, of totdat deze uniform is geworden.
- Plaats de vormplaat met de verpakkingstape over een stuk papier. Het papier vangt eventuele siliconen op die van de vormplaat worden gemorst.
- Begin met het gieten van het siliconenmengsel in elk stopgat en zorg ervoor dat ze allemaal gevuld zijn (Figuur 2B). Gebruik een rubberen wisser om de siliconen in elk stopgat te verspreiden (Figuur 2C). Verwijder het overgebleven siliconenmengsel van het oppervlak van de vormplaat.
- Laat de rubberen stoppers 4 uur drogen. Nadat u ervoor hebt gezorgd dat de stoppers volledig zijn uitgehard (bijv. het siliconenmengsel is volledig opgedroogd en uitgehard), verwijdert u de tape van de achterkant van de malplaat (Figuur 2D) en begint u de stoppers uit de mal te trekken (Figuur 2E).
- Verwijder overtollige siliconen die aan de stoppers zijn bevestigd (Figuur 2F).
3. De assemblage van de ballonmarkering
- Steek het piercinggereedschap (bijv. rechte tandenprikker) voorzichtig in de siliconen stop (Figuur 3A) (zie Materiaaltabel). Steek het piercing gereedschap in een 15 G spuitnaald en verwijder vervolgens het piercing gereedschap van de siliconen stop, waarbij alleen de 15 G naald erin blijft (Figuur 3B). De piercing tool maakt een spleet in de siliconen stopper zonder materiaal te snijden of te verwijderen.
- Knip een stuk vislijn van 50 pond (zie Materiaaltabel) af tot een lengte van 150 mm. Steek de vislijn door de naald van de spuit van 15 G en in de siliconen stop (Figuur 3C).
- Terwijl u de stop en de vislijn voorzichtig bij elkaar houdt, verwijdert u de injectienaald van de spuit van 15 G uit het lichaam van de stopper en laat u de vislijn in de stop (Figuur 3D). Zorg ervoor dat de lengte van de vislijn aan beide zijden van de stop gelijk is.
- Steek twee met zuur/basepoeder gevulde capsules in een latexballon (Figuur 3E) (zie Materiaaltabel). Vouw de ballonopening uit met behulp van het elastiekjesexpansiegereedschap (dwz een castratiebandtang) en steek vervolgens voorzichtig een siliconenstop in de ballonopening (Figuur 3F), waarbij u de twee uiteinden van de vislijn buiten de ballon laat.
- Plaats twee O-ringen (1,6 mm breed, 8,1 mm binnendiameter, zie Materiaaltabel) op het elastiekje expansiegereedschap en vouw ze uit. Steek de hals van de latexballon door de twee geëxpandeerde O-ringen (Figuur 3G). Trek de twee O-ringen voorzichtig weg van het elastiekje expansiegereedschap en laat ze strak om de nek van de ballon gewikkeld, gecentreerd op de stop (Figuur 3H).
4. Ballon tag bevestiging aan Sensor Fish caps
- Steek het ene uiteinde van de vislijn door een van de kleine gaatjes in de sensorvisdop (zie Materiaaltabel) en steek deze door het grote gat in het midden van de dop (Figuur 4A).
- Bind de twee uiteinden van de vislijn aan elkaar en laat ongeveer 13 tot 26 mm tussen de bovenkant van de dop en de basis van de ballon. Gebruik vier platte knopen op elkaar bij het knopen van de vislijn.
- Laat de extra vislijn eraan zitten, want als u deze te dicht bij een knoop afsnijdt, kan de knoop mogelijk losraken (Figuur 4B).
- Test de knoop door de vislijn aan weerszijden van de knoop met de vingers vast te pakken en zo hard mogelijk te trekken. Pas op dat u niet te dicht bij de ballon komt, omdat deze onbedoeld de vislijn door de rubberen stop kan scheuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Er werd een studie uitgevoerd om de optimale methoden te bepalen voor het vervaardigen van ballontags, waarbij de nadruk lag op het volume en de temperatuur van het water dat in de ballon werd geïnjecteerd. De studie onderzocht verschillende invoerparameters, waaronder de starttijd van het opblazen, de volledige opblaastijd, de starttijd van het leeglopen en het volume van de ballon bij volledig opblazen. Het onderzoek werd uitgevoerd aan een bureau met een omgevingstemperatuur van 21 °C.
In totaal werden 360 ballontags voorbereid voor het onderzoek. De tags waren verdeeld in 36 sets, waarbij elke set 10 ballontags bevatte. De sets werden gecategoriseerd op basis van het aantal capsules, waaronder twee, drie of vier capsules. De tags in elke set werden geïnjecteerd met 5, 6, 7, 8, 9 of 10 ml water bij temperaturen van 18,3 of 12,7 °C. De temperatuur van 12,7 °C werd gekozen als de laagste temperatuur die het oplossen van de capsule nog mogelijk maakte, terwijl 18,3 °C de kamertemperatuur vertegenwoordigde voor praktische bruikbaarheid.
De resultaten toonden aan dat volledige inflatie sneller optrad bij gebruik van water bij 18,3 °C in vergelijking met 12,7 °C (figuur 5). Het langzamere oplossen van de plantaardige capsules bij lagere temperaturen zorgde voor een vertraging in het opblazen. Onder de geteste omstandigheden vertoonden de ballonlabels met drie capsules, geïnjecteerd met 5 ml water bij 18,3 °C, een consistente grootte, met een gemiddeld volume van 114 cm3 en een standaarddeviatie van 1,28cm3 (tabel 1). Bij 18,3 °C vertoonden de ballonlabels met vier capsules een snellere starttijd voor het opblazen, terwijl de ballontags met drie capsules een snellere starttijd voor het leeglopen vertoonden (figuur 6). De volledige opblaastijden voor de ballontags met twee capsules en vier capsules waren echter bijna identiek. De drie-capsule begint eerst leeg te lopen, gevolgd door de vier-capsule en als laatste de twee-capsule.
Figuur 1: Stap-voor-stap afbeeldingen die het proces illustreren van het vullen van ballonlabel opblaas reagenscapsules . (A) Mengen en malen van oxaalzuur en natriumbicarbonaat. (B) Lijn het inkapselingsvel uit met het dopvel. (C) Giet de bovenkant van de capsule in het inkapselingsvel. (D) Schud de toppen in de gaten van het inkapselingsvel. (E) Giet overtollige toppen in een schoon kopje. (F) Ondersteboven geplaatste capsuletoppen identificeren en omdraaien. (G) Giet het zuur/base-poedermengsel op het onderste vel. (H) Verspreiden van het poeder om de capsulebodems te vullen. (I) Controleren of alle capsulebodems gevuld zijn. (J) Keer het dopvel om met het aangebrachte middelste vel en lijn het uit met het gevulde bodemvel. (K) Druk op het dopvel om de bovenste en onderste capsules met elkaar te verbinden. (L) Zorgen voor een goede pasvorm van elke boven- en onderkant van de capsule. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Afbeelding 2: Stap-voor-stap afbeeldingen die het proces van het maken van siliconen stoppen met ballonlabel demonstreren . (A) Elke opening afdichten met doorzichtige verpakkingstape aan de onderkant van de vormplaat. (B) Giet het siliconenmengsel in elk stopgat. (C) Verspreid de siliconen in elk stopgat met behulp van een rubberen wisser. (D) Verwijder de tape van de achterkant van de vormplaat nadat de stoppers zijn uitgehard. (E) De stoppen uit de mal verwijderen. (F) Verwijder overtollige siliconen die aan de stoppers zijn bevestigd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Stap-voor-stap foto's die de montage van een ballonlabel illustreren . (A) Een piercing tool in de siliconen stop steken. (B) Het inbrengen van een piercing tool in een 15 G spuitnaald. (C) Knip een stuk vislijn van 50 inch van 6 inch af en rijg het door de spuitnaald van 15 G en in de siliconenstop. (D) Verwijder de naald van de spuit van 15 G uit de stop en laat de vislijn erin. (E) Het inbrengen van twee met zuur/base gevulde capsules in de latexballon. (F) Vouw de ballonopening uit met een elastiekje expansiegereedschap en plaats een siliconen stop. (G) Plaats twee O-ringen op het expansiegereedschap van de rubberen band, vouw ze uit en steek de latex ballonhals door de geëxpandeerde O-ringen. (H) Trek voorzichtig twee O-ringen weg van het elastiekje expansiegereedschap en wikkel ze strak om de ballonhals, gecentreerd op de stop. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Afbeelding 4: Stap-voor-stap foto's die het proces demonstreren van het vastbinden van een ballontag aan een Sensor Fish-pet . (A) Rijg het ene uiteinde van de vislijn door een klein gaatje in de Sensor Fish-dop, breng het door het grote middelste gat en bind beide uiteinden aan elkaar, met een opening van 13 tot 26 mm tussen de bovenkant van de dop en de basis van de ballon. (B) Ballonlabel bevestigd aan een Sensor Fish-dop. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Opblazen van ballonlabels. Gemiddelde opblaastijd voor ballonlabels met water van (A) 12,7 °C en (B) 18,3 °C met 5 tot 10 ml water voor ballonlabels met twee capsules (groen), drie capsules (blauw) en vier capsules (grijs). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Volume en opblaastijd van ballonlabels. (A) Volumes van ballonnen bij volledige opblaastijd, en (B) gemiddelde tijd tot het begin van het opblazen, volledig opblazen en het begin van het leeglopen voor ballonlabels met twee capsules (vierkanten), drie capsules (driehoeken) en vier capsules (sterren) met 5 ml water bij 18,3 °C. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
| Watertemperatuur | 18.3 °C | 12.7 °C | ||||
| Hoeveelheid capsules | 2 | 3 | 4 | 2 | 3 | 4 |
| Gemiddeld volume | 76.1 | 114 | 120 | 72.1 | 103 | 117 |
| Standaarddeviatie | 6.53 | 1.28 | 7.53 | 6.82 | 5.07 | 6.14 |
Tabel 1: Gemiddeld volume en standaarddeviatie (cm 3) van ballonlabels met twee capsules, drie capsules en vier capsules na injectie van 5 ml water bij 18,3 °C en 12,7 °C.
Aanvullend bestand 1: STL-bestand voor het bedrukken van de matrijsplaat. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend bestand 2: Citroenzuur. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Deze studie concludeerde dat ballontags met drie capsules, geïnjecteerd met 5 ml water bij 18,3 °C, een langzamere startopblaastijd en een consistent groter volume hadden in vergelijking met ballontags met twee capsules en vier capsules. Wanneer de ballonlabels werden geïnjecteerd met water van 12,7 °C, was het gemiddelde volume kleiner en was de opblaastijd langer. De drie-capsule begint eerst leeg te lopen, gevolgd door de vier-capsule en als laatste de twee-capsule. De inflatie- en deflatieperioden die bij elke watertemperatuur horen, kunnen nuttig zijn in het veld. Voor studies die een langere opblaastijd vereisen, kan kouder water resulteren in een langzamere opblaas van de ballonlabels, waardoor testen mogelijk zijn in grote faciliteiten waar vissen of sensorvissen op grotere schaal verspreid kunnen zijn en een langere ophaaltijd nodig hebben, vergelijkbaar met de veldstudies uitgevoerd door Martinez et al.7,12. Warmer water kan worden gebruikt om het inflatiepercentage te verhogen voor het testen van modellen op kleinere schaal en kleine hydraulische constructies, zoals boerenschermen en geschaalde hydroturbines11,17.
De meest kritische stappen bij het vervaardigen van de ballontags zijn onder meer ervoor zorgen dat de natriumbicarbonaat- en oxaalzuurpoeders grondig worden gemengd met een vijzel en stamper voordat ze worden ingekapseld. Dit levert een fijngemalen chemische verbinding op zonder klonten die anders de chemische verhouding zouden kunnen veranderen. Na productie moeten de capsules uit de buurt van direct zonlicht worden gehouden en in een luchtdichte verpakking worden verzegeld om vochtopname uit de lucht te voorkomen, waardoor de plantaardige capsules kunnen worden afgebroken18.
Het belangrijkste voordeel van deze methode is de kosteneffectiviteit en het eenvoudige productieproces. De geschatte materiaalkosten om één ballon te produceren bedragen slechts $ 0.50. Dit is voordelig voor onderzoeken met beperkte budgetten die een grote steekproefomvang vereisen. De ballontags ondersteunen de inzet van sensorvissen en de beoordeling van de overleving en verwonding van vissen bij hydro-elektrische dammen en andere hydraulische constructies. Deze methode komt tegemoet aan de groeiende behoefte aan duurzame energie en de voortdurende vervanging van turbines in de Verenigde Staten19. Na de inzet van nieuwe technologie is veldevaluatie nodig om de ontwerpverbeteringen van de technologie te valideren20. De evaluatieresultaten kunnen ook inzichten opleveren voor een verbeterd turbineontwerp en managementbeslissingen onderbouwen met betrekking tot de werking van turbines om de vispassageomstandigheden te verbeteren21.
De productie en het gebruik van ballonlabels hebben bepaalde beperkingen waarmee rekening moet worden gehouden. Het handmatige mengproces met behulp van een vijzel en stamper om een grondige menging van natriumbicarbonaat- en oxaalzuurpoeders vóór inkapseling te garanderen, kan tijdrovend en arbeidsintensief zijn, waardoor de schaalbaarheid wordt beperkt. Bovendien moeten de op groenten gebaseerde capsules die in de tags worden gebruikt, zorgvuldig worden bewaard, uit de buurt van direct zonlicht in een luchtdichte verpakking om degradatie te voorkomen, wat de hantering en het transport complexer maakt, vooral in veldomgevingen. Bovendien zijn de prestaties van de ballontags temperatuurafhankelijk, waarbij kouder water resulteert in een kleiner gemiddeld volume en een langere opblaastijd, waardoor ze niet geschikt zijn voor onderzoeken die kortere opblaasperioden vereisen of testen bij kleinere hydraulische constructies. Omgekeerd kan warmer water de inflatie verhogen, maar kan het de toepasbaarheid beperken in koudere omgevingen of grotere faciliteiten die langere ophaaltijden vereisen. Deze beperkingen moeten zorgvuldig worden overwogen en aangepakt voor een optimaal gebruik van ballontags in verschillende onderzoeksscenario's.
Om uw veiligheid te garanderen bij het werken met gevaarlijke chemicaliën, zoals die in dit manuscript worden beschreven, is het absoluut noodzakelijk om het veiligheidsinformatieblad te raadplegen voor uitgebreide richtlijnen over de juiste behandeling en opslag ervan. In het bijzonder vormt oxaalzuur een risico voor de menselijke gezondheid als het in contact komt met de huid of wordt ingeslikt. Bovendien vertoont het gevoeligheid voor hitte en kan het heftig reageren met oxidatiemiddelen, zoals nitraten, wat kan leiden tot brand en explosies22. Daarom is het bij het hanteren van oxaalzuur essentieel om in een goed geventileerde zuurkast te werken en persoonlijke beschermingsmiddelen te dragen, zoals oogbescherming, een masker en handschoenen, om letsel of irritatie te voorkomen.
Citroenzuur kan dienen als een alternatieve chemische stof voor de ballonlabels in plaats van oxaalzuur, voornamelijk vanwege de erkenning door de Food and Drug Administration als een veilige stof voor gebruik in zowel voedsel- als huidproducten23. In tegenstelling tot oxaalzuur vertoont citroenzuur een verminderde gevoeligheid voor warmte en is het onverenigbaar met oxidatiemiddelen, sterke basen of zuren. Net als bij oxaalzuur vereist het hanteren van citroenzuur het gebruik van een goed geventileerde zuurkast en geschikte PBM's.
Bij de reactie met citroenzuur (C6H8O7) en natriumbicarbonaat (NaHCO3) in water ontstaat ook kooldioxide (CO2) voor het opblazen van de ballonlabels. Dit chemische proces resulteert in de vorming van natriumcitraat (Na3C6H5O7), water en kooldioxide, zoals geïllustreerd in de volgende vergelijking:
C 6 H8O 7 + 3NaHCO 3 → Na 3C6H5O 7 + 3H 2 O +3CO2
De beperking van het gebruik van citroenzuur is dat, voor dezelfde massa materiaal (zuur + natriumbicarbonaat) die in de ballontag is opgeslagen, de hoeveelheid CO2 die wordt gegenereerd ongeveer 81% is van wat wordt geproduceerd door oxaalzuur. Dit is een cruciale overweging omdat het de grootte van het ballonlabel verkleint en de volledige opblaasduur van het ballonlabel langer is. Als citroenzuur wordt gebruikt in plaats van oxaalzuur, wordt aanbevolen om een massaverhouding van 1:2 (natriumbicarbonaat tot citroenzuur) te gebruiken om een ballonvolume van 46cm3 en een volledige opblaastijd van 15 minuten te bereiken. Voor meer informatie verwijzen wij u naar Aanvullend dossier 2: Citroenzuur.
Dit onderzoek richt zich op het ontwikkelen en gebruiken van ballontag-technologie, een hulpmiddel dat is ontworpen om sensorvissen en levende vissen te lokaliseren en te helpen herstellen nadat ze door hydraulische constructies zijn genavigeerd. Het primaire doel is om beter te begrijpen hoe deze structuren waterdieren beïnvloeden, wat uiteindelijk de creatie van visvriendelijkere turbines mogelijk maakt. Deze aanpak biedt niet alleen kosteneffectiviteit, maar omvat ook een eenvoudig productieproces, dat, wanneer het wordt geoptimaliseerd, grootschalige productie van deze tags mogelijk zou kunnen maken. Bovendien kunnen deze tags worden aangepast aan verschillende soorten en aquatische omgevingen. Toekomstig onderzoek zal zich verdiepen in het optimaliseren van de prestaties van ballonlabels onder verschillende omstandigheden, het onderzoeken van hun effecten op het gedrag van vissen en het aanpakken van milieuproblemen. Hoewel onze voorlopige resultaten veelbelovend zijn, zijn uitgebreide veldtests nodig voor validatie in de praktijk en duurzaamheidsbeoordeling op lange termijn. Over het algemeen heeft dit onderzoek tot doel duurzame en verantwoorde ontwikkeling van waterkracht te bevorderen door een instrument te bieden dat helpt bij het beoordelen en verminderen van de effecten van hydraulische constructies op vissen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben geen belangenconflicten.
Acknowledgments
Deze studie werd gefinancierd door het Water Power Technologies Office van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE). De laboratoriumstudies werden uitgevoerd in het Pacific Northwest National Laboratory, dat wordt geëxploiteerd door Battelle voor de DOE onder contract 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).
