Summary
Sensor Fish 및 활어를 회수하기 위한 풍선 태그를 설계 및 제조하기 위한 프로토콜이 제시되어 유압 구조물에서 물리적 상태와 생물학적 성능을 평가할 수 있습니다. 이 방법은 풍선 부피, 팽창/수축 시간, 성분 선택 및 주입된 물의 특성과 같은 요소를 고려하여 풍선 태그 성능을 최적화합니다.
Abstract
물고기는 수력 발전 댐의 유압 운송 수단을 통과 할 때 부상과 사망을 경험할 수 있으며, 이러한 운송 수단이 하류 우회 시스템, 수정 된 배수로 및 터빈과 같이 물고기 친화적으로 설계된 경우에도 마찬가지입니다. 유압 구조물의 물고기 통과 조건을 연구하는 데 사용되는 주요 방법에는 Sensor Fish 기술과 살아있는 물고기를 사용한 직접 현장 테스트가 포함됩니다. Sensor Fish 데이터는 물리적 스트레스 요인과 물고기 통로 환경에서의 위치를 식별하는 데 도움이 되며, 살아있는 물고기는 부상 및 사망률을 평가합니다. Sensor Fish와 살아있는 물고기에 외부에 부착된 자체 팽창 풍선인 풍선 태그는 유압 구조물을 통과한 후 회복을 돕습니다.
이 기사에서는 두 가지 다른 온도에서 옥살산, 중탄산나트륨 분말 및 물의 혼합물을 포함하는 다양한 수의 용해성 식물성 캡슐이 포함된 풍선 태그의 개발에 중점을 둡니다. 우리의 연구는 18.3 °C에서 5 mL의 물을 주입한 3개의 캡슐이 있는 풍선 태그가 원하는 풍선 부피를 일관되게 달성한다는 것을 확인했습니다. 이 태그의 평균 팽창량은 114 cm3 이고 표준 편차는 1.2 cm3 입니다. 18.3°C에서 물을 주입한 풍선 태그 중 2캡슐 풍선 태그가 전체 팽창에 도달하는 데 가장 오랜 시간이 걸리는 것으로 관찰되었습니다. 또한, 4캡슐 풍선 태그는 더 빠른 인플레이션 시작 시간을 보여주었고, 3캡슐 풍선 태그는 더 빠른 디플레이션 시작 시간을 보여주었습니다. 전반적으로 이 접근 방식은 새로운 기술의 성능을 검증하고, 터빈 설계를 개선하고, 어류 통로 조건을 개선하기 위한 운영 결정을 내리는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다. 연구 및 현장 평가를 위한 귀중한 도구 역할을 하며, 유압 구조물의 설계 및 작동을 개선하는 데 도움이 됩니다.
Introduction
수력 발전은 전 세계적으로 중요한 재생 에너지 자원입니다. 미국에서 수력 발전은 재생 가능한 자원에서 생산되는 전기의 약 38% 또는 274TWh를 차지하며1 연간 약 460TWh를 추가할 수 있는 잠재력이 있습니다2. 그러나 수력 발전이 증가함에 따라 수력 통과 중 물고기 부상 및 폐사에 대한 우려가 가장 중요해졌습니다3. 급속 감압(barotrauma), 전단 응력, 난류, 스트라이크, 캐비테이션 및 연삭을 포함한 다양한 메커니즘이 통과 중 물고기 부상에 기여합니다4. 이러한 부상 메커니즘은 물고기의 전반적인 상태에 즉각적인 영향을 미치지 않을 수 있지만 질병, 곰팡이 감염, 기생충 및 포식에 더 취약하게 만들 수 있습니다5. 또한 터빈 또는 기타 유압 구조물과의 충돌로 인한 직접적인 신체적 부상은 상당한 사망으로 이어질 수 있으므로 수력 발전에서 이러한 위험을 완화하는 것이 중요합니다.
물고기 통과 조건을 평가하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 유압 구조물 6,7을 통해 센서 물고기와 살아있는 물고기를 방출하는 것입니다. Sensor Fish는 터빈, 배수로 및 댐 우회 대안 8,9을 포함한 유압 구조물을 통과하는 동안 물고기가 경험하는 물리적 조건을 연구하도록 설계된 자율 장치입니다. 3D 가속도계, 3D 자이로스코프, 온도 센서 및 압력 센서9가 장착된 Sensor Fish는 물고기 통과 조건에 대한 귀중한 데이터를 제공합니다.
Sensor Fish와 살아있는 물고기에 외부에 부착된 자체 팽창 풍선인 풍선 태그는 유압 구조물을 통과한 후 회복을 돕습니다. 풍선 태그는 가스 발생 화학 물질(예: 옥살산 및 중탄산나트륨)로 채워진 용해성 캡슐, 실리콘 마개 및 낚싯줄로 구성됩니다. 배치하기 전에 실리콘 마개를 통해 풍선에 물을 주입합니다. 물은 식물성 캡슐을 녹여 풍선을 팽창시키는 가스를 생성하는 화학 반응을 일으킵니다. 이 중화 반응에서 약염기인 중탄산나트륨과 약산인 옥살산이 반응하여 이산화탄소, 물 및 옥살산나트륨10을 형성합니다. 화학 반응은 다음과 같습니다.
2NaHCO3+ H2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2 O4
부풀어 오른 풍선은 센서 피쉬와 살아있는 물고기의 부력을 증가시켜 수면에 떠 더 쉽게 회복할 수 있도록 합니다.
부유선을 달성하고 샘플(예: Sensor Fish 또는 살아있는 물고기)의 회수를 용이하게 하는 데 필요한 풍선 태그의 수는 샘플의 부피 및 질량 특성에 따라 달라질 수 있습니다. 풍선 태그 팽창 시간은 다른 온도에서 물을 주입하여 조정할 수 있습니다. 물이 차가우면 팽창 시간이 증가하고 따뜻한 물은 팽창 시간을 줄입니다. 풍선 태그는 오레곤 주 후드 강(Hood River)에 있는 독특한 수평 평판 물고기 및 잔해 스크린 구조물인 파머스 스크린(Farmers Screen)과 라오스 인민 민주 공화국(Lao People's Democratic Republic)의 남 응움 댐(Nam Ngum Dam)에 있는 프랜시스 터빈(Francis turbine)을 포함한 다양한 위치에서 성공적으로 사용되었습니다12. 또 다른 상업적으로 이용 가능한 풍선 태그의 예는 Hi-Z Turb'N Tag13,14이다. Hi-Z Turb'N Tag를 사용하면 주입된수온에 따라 팽창 시간을 2분에서 60분 사이로 조정할 수 있습니다. 이 기술은 컬럼비아 강의 록키 리치 댐 (Rocky Reach Dam)에서 방류 된 치누크 연어 스몰트 (Chinook salmon smolts)와 코네티컷 강 (Connecticut River)의 해들리 폴스 댐 (Hadley Falls Dam)에서 어린 미국 청어와 관련된 연구를 포함하여 많은 현장 현장의 어류 연구에 사용되었습니다15,16. 두 기술 모두 산-염기 화학 반응을 활용하여 풍선 태그를 부풀려 회수합니다.
이 방법은 풍선당 $0.50에 불과한 예상 재료 비용으로 제조의 비용 효율성과 단순성을 제공합니다. 여기에 설명된 대로 제조 공정은 따르기 쉽기 때문에 누구나 풍선 태그 생산에 액세스할 수 있습니다.
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Protocol
1. 산/염기 캡슐화
- 혼합 컵에 H 2 C 2 O4 (옥살산) 및 NaHCO3 (중탄산 나트륨)의 중량으로 1 :2비율로 혼합합니다 (재료 표 참조). 산-염기 분말 혼합물이 결정화되면 모르타르와 유봉을 사용하여 분쇄합니다(그림 1A).
- 크기 3 식물성 캡슐과 반자동 캡슐 충전 기계를 회수하여 프로세스를 시작합니다( 재료 표 참조).
- 캡 시트를 깨끗하고 건조한 표면에 평평하게 놓습니다. 검은색 못을 사용하여 캡 시트 위에 캡슐화 시트를 정렬하여 제자리에 올바르게 고정합니다(그림 1B).
- 미리 분리된 캡슐을 사용하지 않는 한 캡슐 상단과 하단을 분리하십시오. 크기 #3 식물성 캡슐은 닫았을 때 길이 15.9mm, 외경(OD) 5.57mm, 부피 0.30mL, 무게 47mg의 전체 치수를 갖습니다.
- 캡슐 상판을 캡슐화 시트에 붓습니다(그림 1C). 원을 그리며 구멍에 윗부분을 부드럽게 흔듭니다. 이 작업을 수행하는 동안 캡슐화 시트 벽의 틈을 한 손이나 분말 살포기로 덮어 상단이 쏟아지지 않도록 합니다(그림 1D).
- 구멍이 채워지면 여분의 캡슐 뚜껑을 깨끗한 컵에 붓습니다(그림 1E). 거꾸로 된 캡슐 상단을 확인하고 뒤집습니다(그림 1F). 모든 캡슐 상단이 캡 시트에서 올바른 방향을 향하고 있는지 확인하십시오. 잘못된 정렬로 인해 캡슐 상단이 캡슐 하단과 제대로 결합되지 않을 수 있으므로 올바른 방향을 유지하는 것이 중요합니다.
- 캡슐화 시트를 제거하고 채워진 캡 시트를 따로 보관하십시오.
- 본체 또는 "하단" 시트를 꺼냅니다. 깨끗하고 건조하며 평평한 표면에 놓으십시오. 캡슐화 시트를 하단 시트에 고정하고 검은색 못을 사용하여 제자리에 올바르게 배치하여 적절한 정렬을 보장합니다.
- 캡슐 바닥을 캡슐화 시트에 붓고 이전과 같이 원을 그리며 흔들어 구멍을 채웁니다. 여분의 캡슐 바닥을 붓습니다. 거꾸로 된 캡슐 바닥을 확인하고 뒤집습니다.
- 하단 시트에서 캡슐화 시트를 제거하고 따로 보관하십시오.
- 산성/염기 분말 혼합물을 채워진 바닥 시트에 붓습니다(그림 1G). 플라스틱 스프레더를 사용하여 캡슐 바닥을 분말로 채웁니다(그림 1H). 캡슐 바닥이 모두 채워졌는지 확인합니다(그림 1I). 사용하지 않은 산/염기 분말을 제거합니다.
- 캡 시트를 평평한 표면에 놓고 중간 시트를 그 위에 놓고 검은색 못에 맞춰 올바르게 맞도록 합니다. 모든 캡슐 상단을 중간 시트의 해당 구멍과 정렬해야 합니다.
- 캡 시트를 부착된 중간 시트로 뒤집고 채워진 바닥 시트에 맞춥니다(그림 1J).
- 캡 시트를 모든 면에서 균등하게 눌러 상단과 하단을 결합하고 캡슐의 양쪽을 함께 맞춥니다(그림 1K).
- 하단 시트에서 캡 시트와 중간 시트를 제거합니다. 이 시점에서 캡슐 바닥과 상단이 제대로 결합되어야 합니다.
- 각 캡슐 상단과 하단이 단단히 고정되었는지 확인하십시오. 그렇지 않은 경우 캡슐 상단과 하단을 함께 수동으로 눌러 꽉 끼도록 합니다. 채워진 캡슐을 제거하고 밀폐되고 밀봉 가능한 용기에 넣습니다(그림 1L).
알림: 안전한 취급을 위해 사용자는 개인 보호 장비(PPE)와 안면 보호구를 착용해야 합니다. 적절한 환기가 보장되어야 하며 삼키기, 흡입 및 피부, 눈 또는 의복에 묻은 물질과의 접촉을 피하기 위해 예방 조치를 취해야 합니다. 또한 먼지 발생을 방지하는 것이 중요합니다. 안전에 대한 자세한 내용은 옥살산 및 중탄산나트륨에 대한 안전보건자료(SDS)를 참조하십시오. 산성/염기 캡슐의 무결성을 유지하려면 직사광선과 높은 습도를 피해 보관하는 것이 좋습니다. 사용하지 않은 캡슐은 밀봉된 밀폐 용기에 보관하십시오. 캡슐을 건조하고 습기가 없는 상태로 유지하면 최적의 기능을 보장하기 위해 효과적으로 사용할 수 있습니다.
- 각 캡슐 상단과 하단이 단단히 고정되었는지 확인하십시오. 그렇지 않은 경우 캡슐 상단과 하단을 함께 수동으로 눌러 꽉 끼도록 합니다. 채워진 캡슐을 제거하고 밀폐되고 밀봉 가능한 용기에 넣습니다(그림 1L).
2. 실리콘 마개 제조
- FDM(Fused Deposition Modeling) 3D 프린터( 재료 표 참조)를 사용하여 보충 파일 1에 제공된 STL 파일을 사용하여 몰드 플레이트를 인쇄합니다.
- 각 구멍이 밀봉되도록 몰드 플레이트의 바닥면에 투명 포장 테이프를 붙입니다(그림 2A).
- 시판되는 실리콘 몰드 재료의 중량 비율(예: 파트 A 및 파트 B 각각 50g)을 믹싱 컵에 혼합합니다( 재료 표 참조). 일회용 숟가락을 사용하여 약 5분 동안 또는 균일해질 때까지 화합물을 완전히 혼합합니다.
- 종이 위에 포장 테이프가 있는 몰드 플레이트를 놓습니다. 종이는 몰드 플레이트에서 잠재적인 실리콘 유출을 포착합니다.
- 실리콘 혼합물을 각 스토퍼 구멍에 붓기 시작하여 모두 채워졌는지 확인합니다(그림 2B). 고무 스퀴지를 사용하여 실리콘을 각 스토퍼 구멍에 펴 바릅니다(그림 2C). 몰드 플레이트 표면에서 남은 실리콘 혼합물을 제거합니다.
- 고무 마개를 4시간 동안 말리십시오. 스토퍼가 완전히 경화되었는지 확인한 후(예: 실리콘 혼합물이 완전히 건조되고 경화됨) 몰드 플레이트 뒷면에서 테이프를 제거한 다음(그림 2D) 몰드에서 스토퍼를 당겨 빼내기 시작합니다(그림 2E).
- 스토퍼에 부착된 여분의 실리콘을 제거합니다(그림 2F).
3. 풍선 태그 어셈블리
- 피어싱 도구(예: 직선 덴탈 픽)를 실리콘 스토퍼(그림 3A)에 조심스럽게 삽입합니다( 재료 표 참조). 피어싱 도구를 15G 주사기 바늘에 삽입한 다음 실리콘 마개에서 피어싱 도구를 제거하고 내부에 15G 바늘만 남깁니다(그림 3B). 피어싱 도구는 재료를 자르거나 제거하지 않고 실리콘 마개 내부에 슬릿을 만듭니다.
- 50파운드 낚싯줄( 재료 표 참조)을 150mm 길이로 자릅니다. 15G 주사기 바늘을 통해 실리콘 마개에 낚싯줄을 삽입합니다(그림 3C).
- 스토퍼와 낚싯줄을 조심스럽게 잡으면서 낚싯줄을 스토퍼 내부에 남겨 두고 스토퍼 본체에서 15G 주사기 바늘을 제거합니다(그림 3D). 낚싯줄 길이가 스토퍼의 양쪽에 고르게 있는지 확인하십시오.
- 두 개의 산성/염기 분말로 채워진 캡슐을 라텍스 풍선에 삽입합니다(그림 3E)( 재료 표 참조). 고무 밴드 확장 도구(예: 거세 밴드 플라이어)를 사용하여 풍선 구멍을 확장한 다음 낚싯줄의 두 끝이 풍선 바깥쪽에 있도록 하나의 실리콘 마개를 풍선 구멍에 조심스럽게 삽입합니다(그림 3F).
- 두 개의 O-링(너비 1.6mm, ID 8.1mm, 재료 표 참조)을 고무 밴드 확장 도구에 놓고 확장합니다. 두 개의 확장된 O-링을 통해 라텍스 풍선의 목을 삽입합니다(그림 3G). 고무 밴드 확장 도구에서 두 개의 O-링을 조심스럽게 당겨 빼내고 스토퍼 중앙에 있는 풍선의 목에 단단히 감겨 둡니다(그림 3H).
4. Sensor Fish caps에 풍선 태그 부착
- 낚싯줄의 한쪽 끝을 Sensor Fish cap의 작은 구멍 중 하나에 넣고 ( 재료 표 참조) 캡 중앙의 큰 구멍을 통해 가져옵니다 (그림 4A).
- 낚싯줄의 양쪽 끝을 함께 묶고 캡 상단과 풍선 바닥 사이에 약 13-26mm를 남겨 둡니다. 낚싯줄을 묶을 때 4개의 오버핸드 매듭을 서로 겹쳐서 사용하십시오.
- 매듭에 너무 가깝게 자르면 매듭이 풀릴 수 있으므로 여분의 낚싯줄을 부착된 상태로 둡니다(그림 4B).
- 손가락으로 매듭의 양쪽에 있는 낚싯줄을 잡고 최대한 세게 당겨 매듭을 테스트합니다. 풍선에 너무 가까이 당기면 고무 마개를 통해 낚싯줄이 의도치 않게 찢어질 수 있으므로 주의하십시오.
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Representative Results
풍선에 주입되는 물의 양과 온도에 초점을 맞춰 풍선 태그 제조를 위한 최적의 방법을 결정하기 위한 연구가 수행되었습니다. 이 연구는 인플레이션 시작 시간, 전체 인플레이션 시간, 디플레이션 시작 시간 및 최대 인플레이션 시 풍선의 부피를 포함한 다양한 입력 매개변수를 조사했습니다. 이 연구는 주변 온도가 21°C인 책상에서 수행되었습니다.
연구를 위해 총 360개의 풍선 태그가 준비되었습니다. 태그는 36개의 세트로 나뉘며 각 세트에는 10개의 풍선 태그가 포함되어 있습니다. 세트는 캡슐 수에 따라 2개, 3개 또는 4개의 캡슐을 포함하여 분류되었습니다. 각 세트의 태그에 18.3 또는 12.7°C의 온도에서 5, 6, 7, 8, 9 또는 10mL의 물을 주입했습니다. 12.7°C의 온도는 캡슐 용해가 가능한 최저 온도로 선택되었으며, 18.3°C는 실용성을 위해 실온을 나타냅니다.
그 결과, 물을 사용할 때 12.7°C에 비해 18.3°C에서 물을 사용할 때 전체 팽창이 더 빨리 발생하는 것으로 나타났습니다(그림 5). 더 낮은 온도에서 식물성 캡슐의 느린 용해는 팽창을 지연시켰습니다. 테스트된 조건 중에서, 18.3°C에서 5mL의 물을 주입한 3캡슐 풍선 태그는 114cm3의 평균 부피와 1.28cm3의 표준편차로 일관된 크기를 나타냈다(표 1). 18.3°C에서 4캡슐 풍선 태그는 더 빠른 인플레이션 시작 시간을 보여주었고, 3캡슐 풍선 태그는 더 빠른 디플레이션 시작 시간을 보여주었습니다(그림 6). 그러나 2 캡슐 및 4 캡슐 풍선 태그의 전체 팽창 시간은 거의 동일했습니다. 3 캡슐이 먼저 수축되기 시작하고, 4 캡슐이 그 뒤를 따르고, 마지막으로 2 캡슐이 수축되기 시작합니다.
그림 1: 풍선 태그 팽창 시약 캡슐을 채우는 과정을 보여주는 단계별 이미지 . (A) 옥살산과 중탄산나트륨을 혼합하고 분쇄합니다. (B) 캡 시트 위에 캡슐화 시트를 정렬합니다. (C) 캡슐 상판을 캡슐화 시트에 붓습니다. (D) 캡슐화 시트의 구멍에 상단을 흔듭니다. (E) 깨끗한 컵에 여분의 뚜껑을 붓습니다. (F) 거꾸로 된 캡슐 상단을 식별하고 뒤집습니다. (G) 산/염기 분말 혼합물을 바닥 시트에 붓습니다. (H) 분말을 펴서 캡슐 바닥을 채웁니다. (I) 모든 캡슐 바닥이 채워졌는지 확인합니다. (J) 캡 시트를 부착된 중간 시트로 뒤집고 채워진 바닥 시트에 맞춥니다. (K) 캡 시트를 아래로 눌러 상단 및 하단 캡슐을 결합합니다. (L) 각 캡슐 상단과 하단이 단단히 고정되도록 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 풍선 태그 실리콘 마개를 만드는 과정을 보여주는 단계별 이미지 . (A) 몰드 플레이트의 바닥면에 투명 포장 테이프로 각 개구부를 밀봉합니다. (B) 실리콘 혼합물을 각 스토퍼 구멍에 붓습니다. (C) 고무 스퀴지를 사용하여 각 스토퍼 구멍에 실리콘을 펴 바릅니다. (D) 스토퍼가 경화된 후 몰드 플레이트 뒷면에서 테이프를 제거합니다. (E) 금형에서 스토퍼를 제거합니다. (F) 스토퍼에 부착된 여분의 실리콘을 제거합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 풍선 태그의 조립을 보여주는 단계별 사진. (A) 실리콘 스토퍼에 피어싱 도구 삽입. (B) 15G 주사기 바늘에 피어싱 도구를 삽입합니다. (C) 6파운드 낚싯줄의 50인치 조각을 자르고 15G 주사기 바늘을 통해 실리콘 마개에 끼웁니다. (D) 스토퍼에서 15G 주사기 바늘을 제거하고 낚싯줄은 내부에 둡니다. (E) 두 개의 산성/염기 충전 캡슐을 라텍스 풍선에 삽입합니다. (F) 고무줄 확장 도구로 풍선 개구부를 확장하고 실리콘 마개 1개를 삽입합니다. (G) 고무줄 확장 도구에 두 개의 O-링을 배치하고 확장한 후 확장된 O-링을 통해 라텍스 풍선 넥을 삽입합니다. (H) 고무 밴드 확장 도구에서 두 개의 O-링을 조심스럽게 당겨 스토퍼 중앙의 풍선 목에 단단히 감습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 풍선 태그를 Sensor Fish cap에 묶는 과정을 보여주는 단계별 사진 . (A) 낚싯줄의 한쪽 끝을 센서 피쉬 캡의 작은 구멍에 끼우고 큰 중앙 구멍을 통해 가져온 다음 양쪽 끝을 함께 묶어 캡의 상단과 풍선 바닥 사이에 13-26mm의 간격을 둡니다. (B) 풍선 tag 센서 물고기 모자에 부착되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 풍선 태그의 팽창. 2캡슐(녹색), 3캡슐(파란색) 및 4캡슐(회색) 풍선 태그에 대해 5-10mL의 물을 사용하여 (A) 12.7°C 및 (B) 18.3°C에서 물을 사용하는 풍선 태그의 평균 팽창 시간. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 풍선 태그의 부피 및 팽창 시간. (A) 전체 인플레이션 시간에 풍선의 부피, (B) 18.3°C에서 5mL의 물을 사용한 2캡슐(사각형), 3캡슐(삼각형) 및 4캡슐(별) 풍선 태그에 대한 인플레이션, 전체 인플레이션 및 디플레이션 시작까지의 평균 시간. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 수온 | 18.3 기음 | 12.7 캜 | ||||
| 캡슐의 양 | 2 | 3 | 4 | 2 | 3 | 4 |
| 평균 볼륨 | 76.1 | 114 | 120 | 72.1 | 103 | 117 |
| 표준 편차 | 6.53 | 1.28 | 7.53 | 6.82 | 5.07 | 6.14 |
표 1: 18.3°C 및 12.7°C에서 물 5mL를 주입한 후 2캡슐, 3캡슐 및 4캡슐 풍선 태그의 평균 부피 및 표준 편차(cm3).
보충 파일 1: 몰드 플레이트 인쇄를 위한 STL 파일. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 2: 구연산. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
이 연구는 18.3°C에서 5mL의 물을 주입한 3캡슐 풍선 태그가 2캡슐 및 4캡슐 풍선 태그에 비해 시작 팽창 시간이 더 느리고 지속적으로 더 큰 부피를 가졌다는 결론을 내렸습니다. 풍선 태그에 12.7 °C에서 물을 주입했을 때 평균 부피가 작았고 팽창 시간이 길었습니다. 3 캡슐이 먼저 수축되기 시작하고, 4 캡슐이 그 뒤를 따르고, 마지막으로 2 캡슐이 수축되기 시작합니다. 각 수온과 관련된 인플레이션 및 디플레이션 기간은 현장에서 도움이 될 수 있습니다. 더 긴 팽창 시간이 필요한 연구의 경우, 물이 차가울수록 풍선 태그의 팽창이 느려질 수 있으므로 Martinez et al.7,12이 수행한 현장 연구와 유사하게 물고기 또는 센서 물고기가 더 널리 분포하고 더 긴 회수 시간이 필요할 수 있는 대규모 시설에서 테스트할 수 있습니다. 따뜻한 물은 축소 된 모델 및 농부 스크린 및 확장 된 수력 터빈과 같은 작은 유압 구조물을 테스트하기 위해 팽창률을 증가시키는 데 사용될 수 있습니다11,17.
풍선 태그 제조의 가장 중요한 단계는 중탄산 나트륨과 옥살산 분말이 캡슐화 전에 박격포와 유봉을 사용하여 완전히 혼합되도록 하는 것입니다. 이것은 화학적 비율을 변경할 수 있는 덩어리 없이 미세하게 분쇄된 화합물을 생성합니다. 제조 후 캡슐은 직사광선을 피하고 밀폐 용기에 밀봉하여 식물성 캡슐을 열화시킬 수 있는 공기 중의 수분 흡수를 방지해야 합니다(18).
이 방법의 가장 큰 장점은 비용 효율성과 간단한 제조 공정입니다. 풍선 하나를 생산하는 데 드는 예상 재료비는 $0.50에 불과합니다. 이는 큰 표본 크기가 필요한 제한된 예산의 연구에 유리합니다. 풍선 태그는 수력 발전 댐 및 기타 유압 구조물에서 Sensor Fish 배치와 물고기 생존 및 부상 평가를 지원합니다. 이 방법은 미국에서 지속 가능한 에너지와 지속적인 터빈 교체에 대한 증가하는 요구를 해결합니다19. 신기술 전개 후, 기술(20)의 설계 개선을 검증하기 위해 현장 평가가 필요하다. 평가 결과는 또한 터빈 설계 개선을 위한 통찰력을 제공하고 어류 통로 조건을 개선하기 위한 터빈 작동에 관한 관리 결정을 알릴 수 있다21.
풍선 태그의 제조 및 사용에는 고려해야 할 특정 제한 사항이 있습니다. 캡슐화 전에 중탄산나트륨과 옥살산 분말을 철저히 혼합하기 위해 모르타르와 유봉을 사용하는 수동 혼합 공정은 시간이 많이 걸리고 노동 집약적이어서 확장성이 제한될 수 있습니다. 또한 태그에 사용된 식물성 캡슐은 열화를 방지하기 위해 밀폐 용기에 직사광선을 피해 조심스럽게 보관해야 하므로 특히 현장 환경에서 취급 및 운송이 복잡해집니다. 또한 풍선 태그의 성능은 온도에 따라 달라지며, 물이 차가울수록 평균 부피가 작아지고 팽창 시간이 길어지므로 팽창 기간이 짧거나 더 작은 유압 구조물에서 테스트해야 하는 연구에 대한 적합성이 제한됩니다. 반대로, 따뜻한 물은 팽창률을 증가시킬 수 있지만 더 추운 환경이나 더 긴 회수 시간이 필요한 대규모 시설에서는 적용이 제한될 수 있습니다. 이러한 제한 사항은 다양한 연구 시나리오에서 풍선 태그를 최적으로 사용하기 위해 신중하게 고려하고 해결해야 합니다.
이 원고에 자세히 설명된 것과 같은 유해 화학 물질로 작업할 때 안전을 보장하려면 SDS에 문의하여 적절한 취급 및 보관에 대한 포괄적인 지침을 받는 것이 중요합니다. 특히, 옥살산은 피부에 닿거나 섭취되면 인체 건강에 위험을 초래합니다. 또한, 열에 민감하고 질산염과 같은 산화제와 격렬하게 반응하여 잠재적으로 화재 및 폭발을 일으킬 수 있습니다22. 따라서 옥살산을 취급할 때는 통풍이 잘 되는 흄 후드에서 작업하고 부상이나 자극을 방지하기 위해 보안경, 마스크, 장갑과 같은 PPE를 착용하는 것이 필수적입니다.
구연산은 옥살산 대신 풍선 태그의 대체 화학 물질로 사용될 수 있으며, 이는 주로 식품 및 피부 제품 모두에 사용하기에 안전한 물질로 식품의약국(FDA)의 인정을 받았기 때문입니다23. 옥살산과 달리 구연산은 열에 대한 민감도가 감소하고 산화제, 강염기 또는 산과 호환되지 않습니다. 옥살산과 마찬가지로 구연산을 취급하려면 통풍이 잘 되는 흄 후드와 적절한 PPE를 사용해야 합니다.
물속의 구연산 (C6H8O7)과 중탄산 나트륨 (NaHCO3 )을 포함하는 반응은 풍선 태그를 팽창시키기 위해 이산화탄소 (CO2 )를 생성합니다. 이 화학 공정은 다음 방정식과 같이 구연산 나트륨 (Na3C6H5O7), 물 및 이산화탄소를 형성합니다.
C 6 H8O 7 + 3NaHCO 3 → Na 3C6H5O 7 + 3H 2 O +3CO2
구연산 사용의 한계는 풍선 태그 내부에 저장된 동일한 질량의 물질 (산 + 중탄산 나트륨)에 대해 생성 된 CO2 의 양이 옥살산에 의해 생성 된 양의 약 81 %라는 것입니다. 이는 풍선 태그의 크기를 줄이고 풍선 태그의 전체 팽창 지속 시간이 더 길어지기 때문에 중요한 고려 사항입니다. 옥살산 대신 구연산을 사용하는 경우 1:2의 질량 비율(중탄산나트륨 대 구연산)을 사용하여46cm3 의 풍선 부피와 15분의 전체 팽창 시간을 달성하는 것이 좋습니다. 자세한 내용은 보충 파일 2: 구연산을 참조하십시오.
이 연구는 센서 물고기와 살아있는 물고기가 유압 구조물을 통과한 후 위치를 찾고 복구하는 데 도움이 되도록 설계된 도구인 풍선 태그 기술을 개발하고 활용하는 데 중점을 둡니다. 주요 목표는 이러한 구조가 수생 동물에 미치는 영향에 대한 이해를 높여 궁극적으로 물고기 친화적인 터빈을 만드는 것입니다. 이 접근 방식은 비용 효율성을 제공할 뿐만 아니라 최적화될 때 이러한 태그의 대규모 생산을 가능하게 할 수 있는 간단한 제조 공정을 포함합니다. 또한 이러한 태그는 다양한 종과 수생 환경을 수용하도록 사용자 정의할 수 있습니다. 향후 연구에서는 다양한 조건에서 풍선 태그 성능을 최적화하고, 물고기 행동에 미치는 영향을 탐구하고, 환경 문제를 해결하는 방법을 탐구할 것입니다. 예비 결과는 가능성을 보여주지만, 실제 검증 및 장기 내구성 평가를 위해서는 광범위한 현장 테스트가 필요합니다. 전반적으로, 이 연구는 수력 구조물이 어류에 미치는 영향을 평가하고 완화하는 데 도움이 되는 도구를 제공함으로써 지속 가능하고 책임 있는 수력 발전을 촉진하는 것을 목표로 합니다.
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Disclosures
저자는 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 미국 에너지부(DOE) 수력 기술 사무소의 자금 지원을 받았습니다. 실험실 연구는 계약 DE-AC05-76RL01830에 따라 DOE를 위해 Battelle이 운영하는 Pacific Northwest National Laboratory에서 수행되었습니다.
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).
