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Engineering

Technique de fabrication d’étiquettes de ballons pour la récupération de poissons capteurs et de poissons vivants

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

Un protocole est présenté pour la conception et la fabrication de ballons de récupération de poissons capteurs et de poissons vivants, permettant d’évaluer leur condition physique et leurs performances biologiques dans les structures hydrauliques. La méthode optimise les performances de l’étiquette du ballon en tenant compte de facteurs tels que le volume du ballon, les temps de gonflage/dégonflage, la sélection des composants et les caractéristiques de l’eau injectée.

Abstract

Les poissons peuvent subir des blessures et mourir lorsqu’ils traversent les moyens de transport hydrauliques des barrages hydroélectriques, même si ces moyens de transport sont conçus pour être respectueux des poissons, comme les systèmes de dérivation en aval, les évacuateurs de crues modifiés et les turbines. Les principales méthodes utilisées pour étudier les conditions de passage des poissons dans les structures hydrauliques consistent en des tests directs et in situ à l’aide de la technologie Sensor Fish et de poissons vivants. Les données des poissons capteurs aident à identifier les facteurs de stress physiques et leur emplacement dans l’environnement de passage des poissons, tandis que les poissons vivants sont évalués pour les blessures et la mortalité. Les étiquettes de ballon, qui sont des ballons autogonflants attachés à l’extérieur aux poissons capteurs et aux poissons vivants, aident à leur récupération après avoir traversé des structures hydrauliques.

Cet article se concentre sur le développement d’étiquettes de ballons avec un nombre variable de capsules solubles à base de plantes contenant un mélange d’acide oxalique, de poudres de bicarbonate de sodium et d’eau à deux températures différentes. Nos recherches ont permis de déterminer que les ballons étiquetés avec trois capsules, injectés avec 5 ml d’eau à 18,3 °C, atteignaient systématiquement le volume de ballonnet souhaité. Ces étiquettes avaient un volume de gonflage moyen de 114 cm 3 avec un écart-type de 1,2 cm3. Parmi les ballons à ballons injectés avec de l’eau à 18,3 °C, il a été observé que les ballons à deux capsules mettaient le plus de temps à atteindre leur gonflage complet. De plus, les étiquettes de ballons à quatre capsules ont démontré un temps de début de gonflage plus rapide, tandis que les étiquettes de ballons à trois capsules ont démontré un temps de début de dégonflage plus rapide. Dans l’ensemble, cette approche s’avère efficace pour valider le rendement des nouvelles technologies, améliorer la conception des turbines et prendre des décisions opérationnelles pour améliorer les conditions de passage des poissons. Il s’agit d’un outil précieux pour la recherche et les évaluations sur le terrain, aidant à affiner la conception et l’exploitation des structures hydrauliques.

Introduction

L’hydroélectricité est une ressource d’énergie renouvelable importante dans le monde entier. Aux États-Unis, on estime que l’hydroélectricité contribue à hauteur de 38 %, soit 274 TWh, à l’électricité produite à partir de sources renouvelables1 et qu’elle pourrait ajouter environ 460 TWh par an2. Cependant, à mesure que le développement de l’hydroélectricité augmente, les préoccupations concernant les blessures et la mortalité des poissons lors du passage hydraulique sont devenues primordiales3. Divers mécanismes contribuent aux blessures des poissons pendant le passage, notamment la décompression rapide (barotraumatisme), la contrainte de cisaillement, la turbulence, les frappes, la cavitation et le broyage4. Bien que ces mécanismes de blessure n’aient pas d’impact immédiat sur l’état général des poissons, ils peuvent les rendre plus vulnérables aux maladies, aux infections fongiques, aux parasites et à la prédation5. De plus, les blessures physiques directes résultant de collisions avec des turbines ou d’autres structures hydrauliques peuvent entraîner une mortalité importante, ce qui souligne l’importance d’atténuer ces risques dans le développement de l’hydroélectricité.

L’une des méthodes les plus courantes pour évaluer les conditions de passage des poissons consiste à relâcher des poissons-capteurs et des poissons vivants à travers des structures hydrauliques 6,7. Le Sensor Fish est un dispositif autonome conçu pour étudier les conditions physiques que subissent les poissons lors de leur passage à travers les structures hydrauliques, y compris les turbines, les évacuateurs de crues et les alternatives de contournement des barrages 8,9. Équipé d’un accéléromètre 3D, d’un gyroscope 3D, d’un capteur de température et d’un capteur de pression9, le Sensor Fish fournit des données précieuses sur les conditions de passage des poissons.

Les étiquettes de ballons, qui sont des ballons autogonflants attachés à l’extérieur aux poissons capteurs et aux poissons vivants, aident à leur récupération après avoir traversé des structures hydrauliques. Les étiquettes de ballons sont constituées de capsules solubles remplies de produits chimiques générant des gaz (par exemple, de l’acide oxalique et du bicarbonate de sodium), d’un bouchon en silicone et d’une ligne de pêche. Avant le déploiement, de l’eau est injectée à travers le bouchon en silicone dans le ballon. L’eau dissout les capsules végétales, déclenchant une réaction chimique qui produit du gaz gonflant le ballon. Dans cette réaction de neutralisation, le bicarbonate de sodium, une base faible, et l’acide oxalique, un acide faible, réagissent pour former du dioxyde de carbone, de l’eau et de l’oxalate de sodium10. La réaction chimique est fournie ci-dessous :

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

Le ballon gonflé augmente la flottabilité des poissons capteurs et des poissons vivants, leur permettant de flotter à la surface de l’eau pour une récupération plus facile.

Le nombre d’étiquettes de ballonnet nécessaires pour réaliser la flottaison et faciliter la récupération d’un échantillon (p. ex., poisson capteur ou poisson vivant) peut varier en fonction des caractéristiques du volume et de la masse de l’échantillon. La durée de gonflage de l’étiquette du ballon peut être ajustée en injectant de l’eau à différentes températures. L’eau plus froide augmentera le temps de gonflage, tandis que l’eau plus chaude le diminuera. Des étiquettes de ballons ont été utilisées avec succès dans divers endroits, y compris le Farmers Screen, une structure horizontale unique de criblage de poissons et de débris à Hood River, dans l’Oregon11, et une turbine Francis au barrage de Nam Ngum en République démocratique populaire lao12. Un autre exemple d’étiquette de ballon disponible dans le commerce est le Hi-Z Turb’N Tag13,14. Le Hi-Z Turb’N Tag permet de régler le temps de gonflage entre 2 min et 60 min, en fonction de la température de l’eau injectée13. Cette technologie a été utilisée dans le cadre d’études sur les poissons dans de nombreux sites sur le terrain, y compris des études portant sur des saumoneaux quinnat relâchés au barrage Rocky Reach, sur le fleuve Columbia, et sur des aloses savoureuses juvéniles au barrage Hadley Falls, sur la rivière Connecticut15,16. Les deux technologies utilisent des réactions chimiques acido-basiques pour gonfler les étiquettes des ballons en vue de leur récupération.

Cette méthode offre une rentabilité et une simplicité de fabrication, avec un coût de matériau estimé à seulement 0,50 $ par ballon. Comme décrit ici, le processus de fabrication est facile à suivre, ce qui rend la production d’étiquettes de ballons accessible à tous.

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Protocol

1. Encapsulation acide/base

  1. Mélanger un rapport de 1 :2 en poids de H 2 C2O4 (acide oxalique) et NaHCO3 (bicarbonate de sodium) dans un gobelet à mélanger (voir le tableau des matériaux). Si le mélange de poudre acide-base est cristallisé, broyez-le à l’aide d’un mortier et d’un pilon (Figure 1A).
  2. Récupérez les capsules végétales de taille 3 et la remplisseuse de capsules semi-automatique pour commencer le processus (voir le tableau des matériaux).
  3. Placez la feuille de finition à plat sur une surface propre et sèche. Alignez la feuille d’encapsulation sur le dessus de la feuille de finition à l’aide des chevilles noires pour la fixer correctement en place (Figure 1B).
  4. Séparez le haut et le bas des capsules, sauf si vous utilisez des capsules pré-séparées. Les capsules végétales de taille #3, lorsqu’elles sont fermées, ont des dimensions globales de 15,9 mm de longueur, 5,57 mm de diamètre extérieur (OD), 0,30 mL de volume et pèsent 47 mg.
  5. Versez les bouchons des capsules dans la feuille d’encapsulation (Figure 1C). Secouez doucement les sommets dans les trous avec un mouvement circulaire. Ce faisant, couvrez l’espace dans la paroi de la feuille d’encapsulation d’une main ou d’un épandeur de poudre pour éviter de renverser les sommets (Figure 1D).
    1. Une fois les trous remplis, versez l’excédent de capsules dans un gobelet propre (Figure 1E). Identifiez tous les couvercles de capsules à l’envers et retournez-les (Figure 1F). Assurez-vous que tous les couvercles des capsules sont orientés dans la bonne direction dans la feuille de finition. Il est important de s’assurer d’une bonne orientation, car un mauvais alignement peut empêcher le haut de la capsule de se joindre correctement au fond de la capsule.
  6. Retirez la feuille d’encapsulation et mettez de côté la feuille de finition remplie.
  7. Sortez le corps ou la feuille « inférieure ». Placez-le sur une surface propre, sèche et plane. Fixez la feuille d’encapsulation à la feuille inférieure, en assurant un bon alignement en utilisant les chevilles noires pour la positionner correctement en place.
  8. Versez le fond de la capsule dans la feuille d’encapsulation et secouez comme précédemment dans un mouvement circulaire pour remplir les trous. Videz l’excédent de fonds de capsule. Identifiez les fonds de capsules à l’envers et retournez-les.
  9. Retirez la feuille d’encapsulation de la feuille inférieure et mettez-la de côté.
  10. Versez le mélange acide/poudre de base sur la feuille inférieure remplie (Figure 1G). Utilisez un épandeur en plastique pour remplir le fond de la capsule avec la poudre (Figure 1H). Vérifiez que tous les fonds de capsule sont remplis (Figure 1I). Retirez toute poudre acide/base inutilisée.
  11. Placez la feuille de finition sur une surface plane et positionnez la feuille centrale sur le dessus, en l’alignant avec les chevilles noires pour assurer un ajustement correct. Assurez-vous d’aligner tous les sommets des capsules avec les trous correspondants dans la feuille centrale.
  12. Retournez la feuille de finition avec la feuille centrale apposée et alignez-la avec la feuille inférieure remplie (Figure 1J).
  13. Appuyez doucement sur la feuille de finition de manière égale de tous les côtés pour joindre le haut et le bas, en ajustant les deux côtés de la capsule ensemble (Figure 1K).
  14. Retirez la feuille de finition et la feuille du milieu de la feuille inférieure. À ce stade, le fond et le dessus de la capsule doivent être correctement assemblés.
    1. Vérifiez que le haut et le bas de chaque capsule sont bien ajustés ; Si ce n’est pas le cas, pressez manuellement le haut et le bas de la capsule ensemble pour créer un ajustement serré. Retirez les capsules remplies et placez-les dans un contenant hermétique et refermable (figure 1L).
      REMARQUE : Pour une manipulation en toute sécurité, il est essentiel que les utilisateurs portent un équipement de protection individuelle (EPI) et une protection faciale. Une ventilation adéquate doit être assurée et des précautions doivent être prises pour éviter l’ingestion, l’inhalation et le contact avec la substance sur la peau, les yeux ou les vêtements. De plus, il est important d’éviter la génération de poussière. Pour des informations détaillées sur la sécurité, veuillez vous référer à la fiche de données de sécurité (FDS) pour l’acide oxalique et le bicarbonate de sodium. Pour maintenir l’intégrité des capsules acides/basiques, il est conseillé de les stocker à l’abri de la lumière directe du soleil et d’une humidité élevée. Conservez les capsules inutilisées dans un récipient hermétique hermétique. Tant que les capsules sont maintenues au sec et à l’abri de l’humidité, elles peuvent être utilisées efficacement pour assurer une fonctionnalité optimale.

2. Fabrication de bouchons en silicone

  1. À l’aide d’une imprimante 3D de modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) (voir la table des matériaux), imprimez une plaque de moulage à l’aide du fichier STL fourni dans le fichier supplémentaire 1.
  2. Placez un ruban d’emballage transparent sur la face inférieure de la plaque de moule de manière à ce que chaque ouverture soit scellée (Figure 2A).
  3. Mélangez un rapport de 1 :1 en poids (par exemple, 50 g chacun de la partie A et de la partie B) du matériau de moule en silicone disponible dans le commerce dans un gobelet à mélanger (voir le tableau des matériaux). À l’aide d’une cuillère jetable, mélangez soigneusement le composé chimique pendant environ 5 minutes, ou jusqu’à ce qu’il soit uniforme.
  4. Placez la plaque de moule avec le ruban d’emballage sur une feuille de papier. Le papier attrapera tout déversement potentiel de silicone de la plaque de moule.
  5. Commencez à verser le mélange de silicone dans chaque trou d’obturation, en vous assurant qu’ils sont tous remplis (Figure 2B). À l’aide d’une raclette en caoutchouc, étalez le silicone dans chaque trou d’arrêt (Figure 2C). Retirez le reste du mélange de silicone de la surface de la plaque de moule.
  6. Laissez sécher les bouchons en caoutchouc pendant 4 h. Après vous être assuré que les bouchons sont complètement durcis (par exemple, le mélange de silicone a complètement séché et durci), retirez le ruban adhésif à l’arrière de la plaque du moule (Figure 2D), puis commencez à retirer les bouchons du moule (Figure 2E).
  7. Retirez tout excès de silicone fixé aux bouchons (Figure 2F).

3. Assemblage de l’étiquette de ballon

  1. Insérez délicatement l’outil de perçage (par exemple, un cure-dent droit) dans le bouchon en silicone (Figure 3A) (voir le tableau des matériaux). Insérez l’outil de perçage dans une aiguille de seringue de 15 G, puis retirez l’outil de perçage du bouchon en silicone, en ne laissant que l’aiguille de 15 G à l’intérieur (Figure 3B). L’outil de perçage créera une fente à l’intérieur du bouchon en silicone sans couper ni enlever de matériau.
  2. Coupez un morceau de fil de pêche de 50 lb (voir le tableau des matériaux) à une longueur de 150 mm. Insérez le fil de pêche dans l’aiguille de la seringue de 15 G et dans le bouchon en silicone (Figure 3C).
    1. Tout en maintenant soigneusement le bouchon et le fil de pêche ensemble, retirez l’aiguille de seringue de 15 G du corps du bouchon, en laissant le fil de pêche à l’intérieur du bouchon (Figure 3D). Assurez-vous que les longueurs de fil de pêche sont égales des deux côtés du bouchon.
  3. Insérez deux capsules remplies d’acide ou de poudre de base dans un ballon en latex (figure 3E) (voir le tableau des matériaux). Élargissez l’ouverture du ballon à l’aide de l’outil d’expansion à élastique (c’est-à-dire une pince à bande de castration), puis insérez soigneusement un bouchon en silicone dans l’ouverture du ballon (Figure 3F), en laissant les deux extrémités du fil de pêche à l’extérieur du ballon.
  4. Placez deux joints toriques (1,6 mm de large, 8,1 mm de diamètre intérieur, voir tableau des matériaux) sur l’outil d’expansion de l’élastique et déployez-les. Insérez le col du ballon en latex à travers les deux joints toriques expansés (Figure 3G). Retirez délicatement les deux joints toriques de l’outil d’expansion de l’élastique, en les laissant étroitement enroulés autour du cou du ballon, centrés sur le bouchon (Figure 3H).

4. Fixation de l’étiquette de ballon aux capuchons Sensor Fish

  1. Placez une extrémité de la ligne de pêche dans l’un des petits trous du capuchon du Sensor Fish (voir le tableau des matériaux) et amenez-la à travers le grand trou au centre du capuchon (Figure 4A).
  2. Attachez les deux extrémités du fil de pêche ensemble, en laissant environ 13 à 26 mm entre le haut du capuchon et la base du ballon. Utilisez quatre nœuds plats les uns sur les autres lorsque vous attachez la ligne de pêche.
  3. Laissez le fil de pêche supplémentaire attaché, car le couper trop près d’un nœud pourrait potentiellement le défaire (Figure 4B).
  4. Testez le nœud en saisissant la ligne de pêche de chaque côté du nœud avec les doigts et en tirant aussi fort que possible. Veillez à ne pas vous approcher trop près du ballon, car il pourrait involontairement déchirer la ligne de pêche à travers le bouchon en caoutchouc.

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Representative Results

Une étude a été menée pour déterminer les méthodes optimales de fabrication des étiquettes de ballon, en se concentrant sur le volume et la température de l’eau injectée dans le ballon. L’étude a examiné divers paramètres d’entrée, notamment l’heure de début du gonflage, le temps de gonflage complet, l’heure de début du dégonflage et le volume du ballon au gonflage complet. L’étude a été menée sur un bureau avec une température ambiante de 21 °C.

Au total, 360 étiquettes de ballons ont été préparées pour l’étude. Les étiquettes ont été divisées en 36 ensembles, chaque ensemble contenant 10 étiquettes de ballons. Les ensembles ont été classés en fonction du nombre de capsules, y compris deux, trois ou quatre capsules. Les étiquettes de chaque ensemble ont été injectées avec 5, 6, 7, 8, 9 ou 10 ml d’eau à des températures de 18,3 ou 12,7 °C. La température de 12,7 °C a été choisie comme la température la plus basse qui permettait encore la dissolution de la capsule, tandis que 18,3 °C représentait la température ambiante pour des raisons pratiques.

Les résultats ont montré que le gonflage complet se produisait plus rapidement lors de l’utilisation d’eau à 18,3 °C par rapport à 12,7 °C (Figure 5). La dissolution plus lente des capsules végétales à des températures plus basses a entraîné un retard dans le gonflage. Parmi les conditions testées, les ballons à trois capsules injectés avec 5 mL d’eau à 18,3 °C présentaient une taille constante, avec un volume moyen de 114 cm 3 et un écart-type de 1,28 cm3 (tableau 1). À 18,3 °C, les étiquettes de ballons à quatre capsules ont montré un temps de début de gonflage plus rapide, tandis que les étiquettes de ballons à trois capsules ont montré un temps de début de dégonflage plus rapide (figure 6). Cependant, les temps de gonflage complets pour les étiquettes de ballons à deux capsules et à quatre capsules étaient presque identiques. Les trois capsules commencent à se dégonfler en premier, suivies des quatre capsules et enfin des deux capsules.

Figure 1
Figure 1 : Images étape par étape illustrant le processus de remplissage des capsules de réactifs de gonflage à ballonnet. (A) Mélange et broyage de l’acide oxalique et du bicarbonate de sodium. (B) Alignement de la feuille d’encapsulation sur la feuille de finition. (C) Verser les bouchons de la capsule dans la feuille d’encapsulation. (D) Secouer les couvercles dans les trous de la feuille d’encapsulation. (E) Verser l’excédent de dessus dans une tasse propre. (F) Identifier les capsules à l’envers et les retourner. (G) Verser le mélange acide/poudre de base sur la feuille inférieure. (H) Étaler la poudre pour remplir le fond des capsules. (I) Vérifier que tous les fonds de capsules sont remplis. (J) Inverser la feuille de finition avec la feuille centrale apposée et l’aligner avec la feuille inférieure remplie. (K) Appuyez sur la feuille de finition pour joindre les capsules supérieure et inférieure. (L) S’assurer d’un ajustement serré de chaque capsule en haut et en bas. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Images étape par étape démontrant le processus de fabrication des bouchons en silicone pour étiquettes à ballons. (A) Sceller chaque ouverture avec du ruban d’emballage transparent sur la face inférieure de la plaque de moule. (B) Verser le mélange de silicone dans chaque trou de bouchon. (C) Étalez le silicone dans chaque trou d’arrêt à l’aide d’une raclette en caoutchouc. (D) Retirer le ruban adhésif de l’arrière de la plaque de moule après le durcissement des bouchons. (E) Retirer les bouchons du moule. (F) Enlever tout excès de silicone attaché aux bouchons. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Photos étape par étape illustrant l’assemblage d’une étiquette de ballon. (A) Insertion d’un outil de perçage dans le bouchon en silicone. (B) Insertion d’un outil de perçage dans une aiguille de seringue de 15 G. (C) Couper un morceau de fil de pêche de 50 lb de 6 pouces et l’enfiler dans l’aiguille de la seringue de 15 G et dans le bouchon en silicone. (D) Retirer l’aiguille de seringue de 15 G du bouchon, en laissant le fil de pêche à l’intérieur. (E) Insertion de deux capsules remplies d’acide/base dans le ballon en latex. (F) Élargir l’ouverture du ballonnet à l’aide d’un outil d’expansion élastique et insérer un bouchon en silicone. (G) Placer deux joints toriques sur l’outil d’expansion de l’élastique, les étendre et insérer le col du ballon en latex à travers les joints toriques dilatés. (H) Retirer avec précaution deux joints toriques de l’outil d’expansion élastique, en les enroulant fermement autour du col du ballonnet, centré sur le bouchon. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Photos étape par étape illustrant le processus d’attache d’une étiquette de ballon à un capuchon de poisson capteur. (A) Enfiler une extrémité de la ligne de pêche à travers un petit trou dans le capuchon du poisson capteur, l’amener à travers le grand trou central et attacher les deux extrémités ensemble, en laissant un espace de 13 à 26 mm entre le haut du capuchon et la base du ballon. (B) Étiquette de ballon attachée à un capuchon de poisson capteur. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Gonflage des étiquettes de ballons. Temps moyen de gonflage pour les étiquettes de ballons avec de l’eau à (A) 12,7 °C et (B) 18,3 °C en utilisant 5 à 10 mL d’eau pour les étiquettes de ballons à deux capsules (vertes), à trois capsules (bleues) et à quatre capsules (grises). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 : Volume et temps de gonflage des étiquettes de ballons. (A) Volumes de ballons au temps de gonflage complet, et (B) Temps moyens jusqu’au début du gonflage, du gonflage complet et du début du dégonflage pour les étiquettes de ballons à deux capsules (carrés), trois capsules (triangles) et quatre capsules (étoiles) avec 5 mL d’eau à 18,3 °C. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Température de l’eau 18,3 °C 12,7 °C
Quantité de gélules 2 3 4 2 3 4
Volume moyen 76.1 114 120 72.1 103 117
Écart type 6.53 1.28 7.53 6.82 5.07 6.14

Tableau 1 : Volume moyen et écart-type (cm 3) des ballons à deux, trois et quatre capsules après injection de 5 mL d’eau à 18,3 °C et 12,7 °C.

Fichier supplémentaire 1 : Fichier STL pour l’impression de la plaque de moule. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Fichier supplémentaire 2 : Acide citrique. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

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Discussion

Cette étude a conclu que les étiquettes à ballonnet à trois capsules injectées avec 5 mL d’eau à 18,3 °C avaient un temps de gonflage plus lent et un volume systématiquement plus important que les étiquettes à ballons à deux et quatre capsules. Lorsque les étiquettes du ballon ont été injectées avec de l’eau à 12,7 °C, le volume moyen était plus petit et le temps de gonflage était plus long. Les trois capsules commencent à se dégonfler en premier, suivies des quatre capsules et enfin des deux capsules. Les périodes de gonflage et de dégonflage associées à chaque température de l’eau peuvent être utiles sur le terrain. Dans le cas d’études nécessitant un temps de gonflage plus long, une eau plus froide peut entraîner un gonflage plus lent des étiquettes de ballonnet, ce qui permet d’effectuer des essais dans de grandes installations où les poissons ou les poissons-capteurs peuvent être plus largement distribués et nécessiter un temps de récupération plus long, comme dans les études sur le terrain menées par Martinez et al.7,12. De l’eau plus chaude pourrait être utilisée pour augmenter le taux de gonflage afin de tester des modèles à échelle réduite et de petites structures hydrauliques, telles que des cribles agricoles et des turbines hydroélectriques à l’échelle11,17.

Les étapes les plus critiques de la fabrication des étiquettes de ballons consistent à s’assurer que les poudres de bicarbonate de sodium et d’acide oxalique sont soigneusement mélangées à l’aide d’un mortier et d’un pilon avant l’encapsulation. Cela produira un composé chimique finement broyé sans grumeaux qui pourraient autrement altérer le rapport chimique. Après la fabrication, les capsules doivent être conservées à l’abri de la lumière directe du soleil et scellées dans un récipient hermétique pour éviter l’absorption d’humidité de l’air, qui peut dégrader les capsules végétales18.

Le principal avantage de cette méthode est sa rentabilité et son processus de fabrication simple. Le coût estimé des matériaux pour produire un ballon n’est que de 0,50 $. Ceci est avantageux pour les études avec des budgets limités qui nécessitent une grande taille d’échantillon. Les étiquettes de ballons appuieront les déploiements de poissons capteurs et l’évaluation de la survie et des blessures des poissons dans les barrages hydroélectriques et autres structures hydrauliques. Cette méthode répond au besoin croissant d’énergie durable et au remplacement continu des turbines aux États-Unis19. Après le déploiement d’une nouvelle technologie, une évaluation sur le terrain est nécessaire pour valider les améliorations de conception de la technologie20. Les résultats de l’évaluation peuvent également fournir des informations sur l’amélioration de la conception des turbines et éclairer les décisions de gestion concernant le fonctionnement des turbines afin d’améliorer les conditions de passage du poisson21.

La fabrication et l’utilisation d’étiquettes à ballons présentent certaines limites qui doivent être prises en compte. Le processus de mélange manuel à l’aide d’un mortier et d’un pilon pour assurer un mélange complet des poudres de bicarbonate de sodium et d’acide oxalique avant l’encapsulation peut prendre beaucoup de temps et de main-d’œuvre, ce qui limite l’évolutivité. De plus, les capsules végétales utilisées dans les étiquettes doivent être soigneusement stockées à l’abri de la lumière directe du soleil dans un récipient hermétique pour éviter leur dégradation, ce qui ajoute de la complexité à la manipulation et au transport, en particulier sur le terrain. De plus, les performances des étiquettes à ballonnet dépendent de la température, l’eau plus froide entraînant un volume moyen plus petit et un temps de gonflage plus long, ce qui limite leur aptitude aux études nécessitant des périodes de gonflage plus courtes ou des tests sur des structures hydrauliques plus petites. À l’inverse, une eau plus chaude peut augmenter le taux de gonflage, mais peut limiter l’applicabilité dans des environnements plus froids ou des installations plus grandes qui nécessitent des temps de récupération plus longs. Ces limites doivent être soigneusement examinées et prises en compte afin d’optimiser l’utilisation des balises de ballon dans divers scénarios de recherche.

Pour assurer votre sécurité lorsque vous travaillez avec des produits chimiques dangereux, tels que ceux détaillés dans ce manuscrit, il est impératif de consulter la FDS pour obtenir des conseils complets sur leur manipulation et leur stockage appropriés. Plus précisément, l’acide oxalique présente un risque pour la santé humaine s’il entre en contact avec la peau ou s’il est ingéré. De plus, il présente une sensibilité à la chaleur et peut réagir violemment avec des agents oxydants, tels que les nitrates, ce qui peut entraîner des incendies et des explosions22. Par conséquent, lors de la manipulation de l’acide oxalique, il est essentiel de travailler dans une hotte bien ventilée et de porter un EPI, tel qu’une protection oculaire, un masque et des gants, pour éviter les blessures ou les irritations.

L’acide citrique peut servir de produit chimique alternatif pour les étiquettes de ballonnet à la place de l’acide oxalique, principalement en raison de sa reconnaissance par la Food and Drug Administration en tant que substance sûre pour une utilisation dans les produits alimentaires et cutanés23. Contrairement à l’acide oxalique, l’acide citrique présente une sensibilité réduite à la chaleur et est incompatible avec les agents oxydants, les bases fortes ou les acides. Tout comme pour l’acide oxalique, la manipulation de l’acide citrique nécessite l’utilisation d’une hotte bien ventilée et d’un EPI approprié.

La réaction impliquant de l’acide citrique (C6H8O7) et du bicarbonate de sodium (NaHCO3) dans l’eau génère également du dioxyde de carbone (CO2) pour gonfler les étiquettes des ballons. Ce processus chimique entraîne la formation de citrate de sodium (Na3C6H5O7), d’eau et de dioxyde de carbone, comme illustré dans l’équation suivante :

C 6 H8O 7 + 3NaHCO 3 → Na 3C6H5O 7 + 3H 2 O +3CO2

La limite de l’utilisation de l’acide citrique est que, pour la même masse de matériau (acide + bicarbonate de sodium) stockée à l’intérieur de l’étiquette du ballonnet, la quantité de CO2 générée est d’environ 81% de ce qui est produit par l’acide oxalique. Il s’agit d’une considération cruciale car elle réduit la taille de l’étiquette du ballon et la durée de gonflage complète de l’étiquette du ballon est plus longue. Si l’acide citrique est utilisé à la place de l’acide oxalique, il est recommandé d’utiliser un rapport massique de 1 :2 (bicarbonate de sodium à acide citrique) pour obtenir un volume de ballon de 46cm3 et un temps de gonflage complet de 15 minutes. Pour de plus amples renseignements, veuillez consulter le Fichier supplémentaire 2 : Acide citrique.

Cette recherche se concentre sur le développement et l’utilisation de la technologie des étiquettes à ballon, un outil conçu pour localiser et aider à récupérer les poissons capteurs et les poissons vivants après qu’ils aient navigué dans les structures hydrauliques. L’objectif principal est d’améliorer la compréhension de l’impact de ces structures sur les animaux aquatiques, ce qui, à terme, facilitera la création de turbines plus respectueuses des poissons. Cette approche offre non seulement une rentabilité, mais englobe également un processus de fabrication simple qui, une fois optimisé, pourrait permettre la production à grande échelle de ces étiquettes. De plus, ces étiquettes peuvent être personnalisées pour s’adapter à diverses espèces et environnements aquatiques. Les recherches futures se pencheront sur l’optimisation des performances des étiquettes de ballons dans différentes conditions, sur l’exploration de leurs effets sur le comportement des poissons et sur les préoccupations environnementales. Bien que nos résultats préliminaires soient prometteurs, des tests approfondis sur le terrain sont nécessaires pour la validation en conditions réelles et l’évaluation de la durabilité à long terme. Dans l’ensemble, cette recherche vise à promouvoir un développement durable et responsable de l’hydroélectricité en fournissant un outil qui aide à évaluer et à atténuer les impacts des structures hydrauliques sur les poissons.

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Disclosures

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts.

Acknowledgments

Cette étude a été financée par le Bureau des technologies de l’énergie hydraulique du département de l’Énergie des États-Unis (DOE). Les études en laboratoire ont été menées au Pacific Northwest National Laboratory, qui est exploité par Battelle pour le DOE en vertu du contrat 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

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References

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Ingénierie numéro 200
Technique de fabrication d’étiquettes de ballons pour la récupération de poissons capteurs et de poissons vivants
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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).

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