Waiting
Login processing...

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

Engineering

Balloon Tag Manufacturing Technique for Sensor Fish og Live Fish Recovery

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 protokoll presenteres for design og produksjon av ballongmerker for å gjenvinne sensorfisk og levende fisk, noe som gjør det mulig å vurdere deres fysiske tilstand og biologiske ytelse i hydrauliske strukturer. Metoden optimaliserer ballongmerkeytelsen ved å vurdere faktorer som ballongvolum, inflasjons- / deflasjonstider, komponentvalg og egenskapene til det injiserte vannet.

Abstract

Fisk kan oppleve skader og dødelighet når de passerer hydrauliske transportmidler ved vannkraftdammer, selv om disse transportmidlene er designet for å være fiskevennlige, for eksempel nedstrøms bypass-systemer, modifiserte spillways og turbiner. De viktigste metodene som brukes for å studere fiskepassasjeforhold i hydrauliske konstruksjoner er direkte, in situ testing ved hjelp av Sensor Fish-teknologi og levende fisk. Sensor Fish-data bidrar til å identifisere fysiske stressfaktorer og deres plassering i fiskepassasjemiljøet, mens levende fisk vurderes for skader og dødelighet. Ballongmerker, som er selvoppblåsende ballonger festet eksternt til sensorfisk og levende fisk, hjelper til med utvinning etter å ha passert gjennom hydrauliske strukturer.

Denne artikkelen fokuserer på utvikling av ballongmerker med varierende antall oppløselige, vegetabilske kapsler som inneholder en blanding av oksalsyre, natriumbikarbonatpulver og vann ved to forskjellige temperaturer. Vår forskning fastslo at ballongmerker med tre kapsler, injisert med 5 ml vann ved 18,3 ° C, konsekvent oppnådde ønsket ballongvolum. Disse merkene hadde et gjennomsnittlig inflasjonsvolum på 114 cm 3 med et standardavvik på 1,2 cm3. Blant ballongmerkene som ble injisert med vann ved 18,3 °C, ble det observert at ballongmerkene med to kapsler brukte lengst tid på å nå full inflasjon. I tillegg viste ballongmerkene med fire kapseler en raskere starttid for inflasjonen, mens ballongmerkene med tre kapsler viste en raskere starttid for deflasjon. Samlet sett viser denne tilnærmingen seg å være effektiv for å validere ytelsen til ny teknologi, forbedre turbindesign og ta operasjonelle beslutninger for å forbedre fiskepassasjeforholdene. Det fungerer som et verdifullt verktøy for forskning og feltevalueringer, og hjelper til med forbedring av både design og drift av hydrauliske konstruksjoner.

Introduction

Vannkraft er en betydelig fornybar energiressurs på verdensbasis. I USA bidrar vannkraft med anslagsvis 38% eller 274 TWh elektrisitet generert fra fornybare kilder1 og har potensial til å legge til ca 460 TWh per år2. Men etter hvert som vannkraftutbyggingen øker, har bekymringer for fiskeskader og dødelighet under hydraulisk passasje blitt avgjørende3. Ulike mekanismer bidrar til fiskeskader under passasje, blant annet rask dekompresjon (barotraume), skjærspenning, turbulens, slag, kavitasjon og sliping4. Selv om disse skademekanismene kanskje ikke har en umiddelbar innvirkning på fiskens generelle tilstand, kan de gjøre dem mer utsatt for sykdommer, soppinfeksjoner, parasitter og predasjon5. I tillegg kan direkte fysiske skader som følge av kollisjoner med turbiner eller andre hydrauliske konstruksjoner føre til betydelig dødelighet, noe som understreker viktigheten av å redusere disse risikoene i vannkraftutbygging.

En av de vanligste metodene for å evaluere fiskepassasjeforhold er å slippe ut sensorfisk og levende fisk gjennom hydrauliske strukturer 6,7. Sensor Fish er en autonom enhet designet for å studere de fysiske forholdene som fisk opplever under passasje gjennom hydrauliske strukturer, inkludert turbiner, spillways og dam bypass alternativer 8,9. Utstyrt med et 3D-akselerometer, 3D-gyroskop, temperatursensor og trykksensor9, gir sensorfisken verdifulle data om fiskepassasjeforhold.

Ballongmerker, som er selvoppblåsende ballonger festet eksternt til sensorfisk og levende fisk, hjelper til med utvinning etter å ha passert gjennom hydrauliske strukturer. Ballongmerkene består av oppløselige kapsler fylt med gassgenererende kjemikalier (f.eks. Oksalsyre og natriumbikarbonat), en silikonpropp og et fiskelinje. Før utplassering injiseres vann gjennom silikonproppen inn i ballongen. Vannet løser opp de vegetabilske kapslene, og utløser en kjemisk reaksjon som produserer gass som blåser opp ballongen. I denne nøytraliseringsreaksjonen reagerer natriumbikarbonat, en svak base og oksalsyre, en svak syre, for å danne karbondioksid, vann og natriumoksalat10. Den kjemiske reaksjonen er gitt nedenfor:

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

Den oppblåste ballongen øker oppdriften til sensorfiskene og levende fisk, slik at de kan flyte på vannoverflaten for lettere utvinning.

Antall ballongmerker som kreves for å oppnå flotasjon og lette uthenting av en prøve (f.eks. sensorfisk eller levende fisk) kan variere basert på prøvens volum og masseegenskaper. Varigheten av ballongmerkeinflasjonen kan justeres ved å injisere vann ved forskjellige temperaturer. Kaldere vann vil øke inflasjonstiden, mens varmere vann vil redusere den. Ballongmerker har blitt brukt på forskjellige steder, inkludert Farmers Screen, en unik horisontal, flatplate fisk og rusk skjermstruktur i Hood, Oregon11, og en Francis-turbin ved Nam Ngum Dam i Lao People's Democratic Republic12. Et annet kommersielt tilgjengelig ballongmerkeeksempel er Hi-Z Turb'N Tag13,14. Hi-Z Turb'N Tag gjør at oppblåsingstiden kan justeres mellom 2 min og 60 min, avhengig av injisert vanntemperatur13. Denne teknologien har blitt brukt i fiskestudier på mange feltlokaliteter, inkludert studier som involverer Chinook laksesmolt utgitt ved Rocky Reach Dam på Columbia og ung amerikansk shad ved Hadley Falls Dam på Connecticut15,16. Begge teknologiene benytter syrebaserte kjemiske reaksjoner for å blåse opp ballongmerkene for gjenoppretting.

Denne metoden gir kostnadseffektivitet og enkelhet i produksjonen, med en estimert materialkostnad på bare $ 0,50 per ballong. Som beskrevet her, er produksjonsprosessen enkel å følge, noe som gjør ballongmerkeproduksjon tilgjengelig for alle.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Syre / base innkapsling

  1. Bland forholdet 1:2 ved vekten av H 2 C2O4 (oksalsyre) og NaHCO3 (natriumbikarbonat) i en blandekopp (se Materialfortegnelse). Hvis syrebasepulverblandingen krystalliseres, slip den ned med en mørtel og pistill (figur 1A).
  2. Hent størrelse 3 vegetabilske kapsler og den halvautomatiske kapselfyllingsmaskinen for å starte prosessen (se materialtabellen).
  3. Legg lokket flatt på et rent, tørt underlag. Juster innkapslingsarket på toppen av hettearket med de svarte pinnene for å feste det riktig på plass (figur 1B).
  4. Skill kapseltoppene og bunnene, med mindre du bruker forhåndsseparerte kapsler. Størrelsen #3 vegetabilske kapsler, når de er lukket, har generelle dimensjoner på 15,9 mm i lengde, 5,57 mm i ytre diameter (OD), 0,30 ml i volum og veier 47 mg.
  5. Hell kapseltoppene i innkapslingsarket (figur 1C). Rist toppene forsiktig inn i hullene med en sirkulær bevegelse. Mens du gjør dette, må du dekke gapet i veggen på innkapslingsarket med en hånd eller en pulverspreder for å unngå å søle toppene (figur 1D).
    1. Når hullene er fylt, hell de overflødige kapseltoppene i en ren kopp (figur 1E). Identifiser eventuelle opp-ned kapseltopper og snu dem (figur 1F). Forsikre deg om at alle kapseltoppene vender i riktig retning i hetten. Det er viktig å sikre riktig orientering, da feil justering kan føre til at kapseltoppene ikke kobles ordentlig sammen med kapselbunnene.
  6. Fjern innkapslingsarket og sett til side det fylte cap-arket.
  7. Ta ut kroppen eller "bunnen" arket. Plasser den på en ren, tørr, flat overflate. Fest innkapslingsarket til bunnarket, og sørg for riktig justering ved å bruke de svarte pinnene til å plassere den riktig på plass.
  8. Hell kapselbunnene i innkapslingsarket og rist som før i en sirkulær bevegelse for å fylle hullene. Hell av overflødig kapselbunn. Identifiser eventuelle opp-ned kapselbunner og snu dem.
  9. Fjern innkapslingsarket fra bunnarket og sett det til side.
  10. Hell syre/basepulverblandingen på det fylte bunnarket (figur 1G). Bruk en plastspreder til å fylle kapselbunnene med pulveret (figur 1H). Kontroller at alle kapselbunnene er fylt (figur 1I). Fjern ubrukt syre/basepulver.
  11. Plasser hettearket på en flat overflate og plasser det midterste arket på toppen, juster det med de svarte pinnene for å sikre riktig passform. Sørg for å stille opp alle kapseltoppene med de tilsvarende hullene i det midterste arket.
  12. Inverter hettearket med det vedlagte midtarket og juster det med det fylte bunnarket (figur 1J).
  13. Trykk forsiktig ned på hetten likt på alle sider for å sammenføye toppen og bunnen, slik at begge sider av kapselen passer sammen (figur 1K).
  14. Fjern hettearket og det midterste arket fra det nederste arket. På dette tidspunktet skal kapselbunnene og toppene være ordentlig sammenføyd.
    1. Kontroller at hver kapseltopp og bunn er tett montert. Hvis ikke, trykk kapseltoppen og bunnen manuelt sammen for å skape en tett passform. Ta ut de fylte kapslene og legg dem i en lufttett, lukkbar beholder (figur 1L).
      MERK: For sikker håndtering er det viktig for brukerne å bruke personlig verneutstyr (PPE) og ansiktsbeskyttelse. Tilstrekkelig ventilasjon bør sikres, og forholdsregler bør tas for å unngå inntak, innånding og kontakt med stoffet på hud, øyne eller klær. I tillegg er det viktig å forhindre støvdannelse. For detaljert informasjon om sikkerhet, se sikkerhetsdatabladet (SDS) for oksalsyre og natriumbikarbonat. For å opprettholde integriteten til syre/base-kapslene anbefales det å oppbevare dem borte fra direkte sollys og høy luftfuktighet. Oppbevar de ubrukte kapslene i en forseglet, lufttett beholder. Så lenge kapslene holdes tørre og fri for fuktighet, kan de brukes effektivt for å sikre optimal funksjonalitet.

2. Produksjon av silikonpropp

  1. Bruk en FDM (fused deposition modeling) 3D-skriver (se Materialfortegnelse) til å skrive ut en formplate ved hjelp av STL-filen i tilleggsfil 1.
  2. Plasser et klart pakketape på undersiden av formplaten slik at hver åpning er forseglet (figur 2A).
  3. Bland et vektforhold på 1:1 (f.eks. 50 g hver del A og del B) av det kommersielt tilgjengelige silikonformmaterialet i et blandebeger (se Materialfortegnelse). Bruk en engangsskje, bland den kjemiske forbindelsen grundig i ca. 5 minutter, eller til den har blitt jevn.
  4. Plasser formplaten med pakkebåndet over et stykke papir. Papiret vil fange opp potensielt silikonutslipp fra formplaten.
  5. Begynn å helle silikonblandingen i hvert propphull, og sørg for at alle er fylt (figur 2B). Bruk en gummiklem til å spre silikonet inn i hvert propphull (figur 2C). Fjern den resterende silikonblandingen fra overflaten av formplaten.
  6. La gummiproppene tørke i 4 timer. Etter å ha forsikret deg om at proppene er fullstendig herdet (f.eks. at silikonblandingen har tørket og herdet fullstendig), fjern tapen fra baksiden av formplaten (figur 2D), og begynn deretter å trekke proppene ut av formen (figur 2E).
  7. Fjern overflødig silikon som er festet til proppene (figur 2F).

3. Ballong tag montering

  1. Sett piercingverktøyet (f.eks. rett tannplekter) forsiktig inn i silikonproppen (figur 3A) (se materialfortegnelsen). Sett piercingverktøyet inn i en 15 G sprøytenål og fjern deretter piercingverktøyet fra silikonproppen, slik at bare 15 G kanylen skal være inne (figur 3B). Piercingverktøyet vil skape en spalt inne i silikonproppen uten å kutte eller fjerne noe materiale.
  2. Klipp et stykke 50 lb. fiskelinje (se materialfortegnelse) til en lengde på 150 mm. Sett fiskesnøret gjennom 15 G sprøytekanylen og inn i silikonproppen (figur 3C).
    1. Mens du forsiktig holder stopperen og snøret sammen, fjerner du 15 G sprøytenålen fra proppens kropp, og lar fiskesnøret være inne i proppen (figur 3D). Sørg for at fiskesnørelengdene er jevne på begge sider av stopperen.
  3. Sett inn to syre-/basepulverfylte kapsler i en lateksballong (figur 3E) (se materialtabellen). Utvid ballongåpningen ved hjelp av gummibåndets ekspansjonsverktøy (dvs. kastreringsbåndtang) og sett deretter forsiktig inn en silikonpropp i ballongåpningen (figur 3F), slik at fiskelinjens to ender er utenfor ballongen.
  4. Plasser to O-ringer (1,6 mm brede, 8,1 mm ID, se materialfortegnelse) på gummibåndets ekspansjonsverktøy og utvid dem. Sett inn halsen på lateksballongen gjennom de to utvidede O-ringene (figur 3G). Trekk forsiktig de to O-ringene bort fra gummibåndets ekspansjonsverktøy, og la dem være tett viklet rundt ballongens hals, sentrert på proppen (figur 3H).

4. Ballongmerkefesting til sensorfiskehetter

  1. Sett den ene enden av fiskesnøret gjennom et av de små hullene i sensorfiskehetten (se materialfortegnelse) og før den gjennom det store hullet i midten av lokket (figur 4A).
  2. Bind de to endene av fiskesnøret sammen, og la det være ca. 13 til 26 mm mellom toppen av hetten og bunnen av ballongen. Bruk fire overhåndsknuter oppå hverandre når du binder fiskesnøret.
  3. La det ekstra fiskesnøret være festet, da det å kutte det for nær en knute potensielt kan føre til at knuten løsner (figur 4B).
  4. Test knuten ved å gripe fiskesnøret på hver side av knuten med fingrene og dra så hardt som mulig. Vær forsiktig så du ikke trekker for nær ballongen, da den utilsiktet kan rive fiskesnøret gjennom gummiproppen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En studie ble utført for å bestemme de optimale metodene for produksjon av ballongmerker, med fokus på volum og temperatur på vann injisert i ballongen. Studien undersøkte ulike inngangsparametere, inkludert inflasjonens starttid, full inflasjonstid, deflasjonsstarttid og ballongens volum ved full inflasjon. Studien ble utført ved et skrivebord med en omgivelsestemperatur på 21 °C.

Totalt 360 ballongmerker ble utarbeidet for studien. Merkene ble delt inn i 36 sett, hvor hvert sett inneholdt 10 ballongmerker. Settene ble kategorisert basert på antall kapsler, inkludert to, tre eller fire kapsler. Merkene i hvert sett ble injisert med 5, 6, 7, 8, 9 eller 10 ml vann ved temperaturer på enten 18,3 eller 12,7 °C. Temperaturen på 12,7 °C ble valgt som den laveste temperaturen som fortsatt tillot kapseloppløsning, mens 18,3 °C representerte romtemperatur for praktisk bruk.

Resultatene viste at full inflasjon oppsto raskere ved bruk av vann ved 18,3 °C sammenlignet med 12,7 °C (figur 5). Den langsommere oppløsningen av vegetabilske kapsler ved lavere temperaturer forårsaket en forsinkelse i inflasjonen. Blant de testede forholdene viste ballongmerkene med tre kapsler injisert med 5 ml vann ved 18,3 °C konsistent størrelse, med et gjennomsnittlig volum på 114 cm 3 og et standardavvik på 1,28 cm3 (tabell 1). Ved 18,3 °C viste ballongmerkene med fire kapsler raskere starttid for inflasjonen, mens ballongmerkene med tre kapsler viste raskere starttid for deflasjon (figur 6). Imidlertid var de fulle inflasjonstidene for ballongmerkene med to kapsel og fire kapsler nesten identiske. Tre-kapselen begynner å tømmes først, etterfulgt av fire-kapselen, og til slutt to-kapselen.

Figure 1
Figur 1: Trinnvise bilder som illustrerer prosessen med å fylle ballongmerkede inflasjonsreagenskapsler . (A) Blanding og sliping av oksalsyre og natriumbikarbonat. (B) Justere innkapslingsarket på toppen av hettearket. (C) Hell kapseltopper i innkapslingsarket. (D) Risting topper inn i hullene i innkapslingsarket. (E) Hell overflødige topper i en ren kopp. (F) Identifisere opp-ned kapseltopper og snu dem. (G) Hell syre / base pulverblandingen på bunnarket. (H) Spre pulveret slik at det fyller bunnen av kapselen. (I) Verifisere at alle kapselbunner er fylt. (J) Snu hettearket med det festede midtarket og justere det med det fylte bunnarket. (K) Trykk ned på hetten for å bli med på topp- og bunnkapslene. (L) Sikre en tett passform av hver kapseltopp og bunn. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Trinnvise bilder som demonstrerer prosessen med å lage silikonpropper med ballongmerker . (A) Forsegle hver åpning med klar pakketape på undersiden av formplaten. (B) Hell silikonblandingen i hvert propphull. (C) Spre silikonet i hvert propphull ved hjelp av en gummiklemme. (D) Fjerning av tapen fra baksiden av formplaten etter at proppene har herdet. (E) Fjerne proppene fra formen. (F) Fjerning av overflødig silikon festet til proppene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Trinnvise bilder som illustrerer monteringen av en ballongetikett . (A) Sette inn et piercingverktøy i silikonproppen. (B) Innsetting av et piercingverktøy i en 15 G sprøytekanyle. (C) Kutte et 6-tommers stykke 50 lb. fiskesnøre og tre det gjennom 15 G sprøytenålen og inn i silikonproppen. (D) Fjerne 15 G sprøytekanylen fra proppen, og la snøret være inni. (E) Sette inn to syre / basefylte kapsler i latexballongen. (F) Utvide ballongåpningen med et gummibånd ekspansjonsverktøy og sette inn en silikonpropp. (G) Plassere to O-ringer på gummibåndets ekspansjonsverktøy, utvide dem og sette inn latexballonghalsen gjennom de utvidede O-ringene. (H) Trekk forsiktig to O-ringer bort fra gummibåndets ekspansjonsverktøy, pakk dem tett rundt ballonghalsen, sentrert på proppen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Trinnvise bilder som viser prosessen med å knytte en ballongetikett til en sensorfiskhette . (A) Tre den ene enden av fiskesnøret gjennom et lite hull i sensorfiskehetten, føre den gjennom det store senterhullet og binde begge endene sammen, slik at det blir et gap på 13 til 26 mm mellom toppen av hetten og ballongens base. (B) Ballongmerke festet til en sensorfiskehette. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Inflasjon av ballongmerker. Gjennomsnittlig oppblåsingstid for ballongmerker med vann ved (A) 12,7 °C og (B) 18,3 °C ved bruk av 5 til 10 ml vann for ballongmerker med to kapsler (grønn), tre kapsler (blå) og fire kapsler (grå). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Volum og inflasjonstid for ballongmerker . (A) Volumer av ballonger ved full inflasjonstid, og (B) gjennomsnittlige tider til start av inflasjon, full inflasjon og start av deflasjon for to-kapsel (firkanter), tre-kapsel (trekanter) og fire-kapsel (stjerner) ballongmerker med 5 ml vann ved 18,3 ° C. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Vanntemperatur 18,3 °C 12,7 °C
Antall kapsler 2 3 4 2 3 4
Gjennomsnittlig volum 76.1 114 120 72.1 103 117
Standardavvik 6.53 1.28 7.53 6.82 5.07 6.14

Tabell 1: Gjennomsnittlig volum og standardavvik (cm 3) for ballongmerker med to kapsler, tre kapsler og fire kapsler etter injeksjon av 5 ml vann ved 18,3 °C og 12,7 °C.

Tilleggsfil 1: STL-fil for utskrift av formplaten. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfil 2: Sitronsyre. Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne studien konkluderte med at ballongmerker med tre kapsler injisert med 5 ml vann ved 18,3 °C hadde en langsommere startinflasjonstid og konsekvent større volum sammenlignet med ballongmerker med to kapsel og fire kapsler. Når ballongmerkene ble injisert med vann ved 12,7 °C, var gjennomsnittsvolumet mindre, og oppblåsingstiden lengre. Tre-kapselen begynner å tømmes først, etterfulgt av fire-kapselen, og til slutt to-kapselen. Inflasjons- og deflasjonsperioder knyttet til hver vanntemperatur kan være nyttig i feltet. For studier som krever lengre oppblåsingstid, kan kaldere vann føre til en langsommere oppblåsing av ballongmerkene, noe som gjør det mulig å teste på store anlegg der fisk eller sensorfisk kan være mer utbredt og kreve lengre oppryddingstid, i likhet med feltstudier utført av Martinez et al.7,12. Varmere vann kan utnyttes for å øke inflasjonsraten for testing av modeller i redusert skala og små hydrauliske strukturer, som bondeskjermer og skalerte hydroturbiner11,17.

De mest kritiske trinnene i produksjonen av ballongmerkene inkluderer å sikre at natriumbikarbonat- og oksalsyrepulverene blandes grundig med en mørtel og pistill før innkapsling. Dette vil produsere en finmalt kjemisk forbindelse uten klumper som ellers kunne endre det kjemiske forholdet. Etter produksjon må kapslene holdes borte fra direkte sollys og forsegles i en lufttett beholder for å forhindre fuktighetsabsorpsjon fra luften, noe som kan forringe de vegetabilske kapslene18.

Den største fordelen med denne metoden er dens kostnadseffektivitet og enkle produksjonsprosess. Den estimerte materialkostnaden for å produsere en ballong er bare $ 0.50. Dette er fordelaktig for studier med begrensede budsjetter som krever en stor utvalgsstørrelse. Ballongmerkene vil støtte utplassering av sensorfisk og vurdering av fiskens overlevelse og skader ved vannkraftdammer og andre hydrauliske konstruksjoner. Denne metoden adresserer det økende behovet for bærekraftig energi og fortsatte turbinutskiftninger i USA19. Etter implementering av ny teknologi er feltevaluering nødvendig for å validere designforbedringene av teknologien20. Evalueringsresultatene kan også gi innsikt i forbedret turbindesign og informere ledelsesbeslutninger om drift av turbiner for å forbedre fiskepassasjen21.

Produksjon og bruk av ballongmerker har visse begrensninger som må vurderes. Den manuelle blandingsprosessen ved hjelp av en mørtel og pistill for å sikre grundig blanding av natriumbikarbonat og oksalsyrepulver før innkapsling kan være tidkrevende og arbeidskrevende, noe som begrenser skalerbarheten. Videre krever de vegetabilske kapslene som brukes i merkene forsiktig lagring vekk fra direkte sollys i en lufttett beholder for å forhindre nedbrytning, noe som legger til kompleksitet i håndtering og transport, spesielt i feltinnstillinger. I tillegg er ytelsen til ballongmerkene temperaturavhengig, med kaldere vann som resulterer i mindre gjennomsnittlig volum og lengre oppblåsingstid, noe som begrenser deres egnethet for studier som krever kortere inflasjonsperioder eller testing på mindre hydrauliske strukturer. Omvendt kan varmere vann øke inflasjonen, men kan begrense anvendeligheten i kaldere omgivelser eller større anlegg som krever lengre hentetider. Disse begrensningene bør vurderes nøye og adresseres for optimal bruk av ballongmerker i ulike forskningsscenarier.

For å sikre din sikkerhet når du arbeider med farlige kjemikalier, som de som er beskrevet i dette manuskriptet, er det viktig å konsultere SDS for omfattende veiledning om riktig håndtering og lagring. Spesielt utgjør oksalsyre risiko for menneskers helse hvis den kommer i kontakt med huden eller inntas. Videre utviser den følsomhet for varme og kan reagere voldsomt med oksidasjonsmidler, for eksempel nitrater, noe som potensielt resulterer i branner og eksplosjoner22. Derfor, når du håndterer oksalsyre, er det viktig å arbeide i en godt ventilert avtrekkshette og bruke PPE, for eksempel øyevern, maske og hansker, for å forhindre skade eller irritasjon.

Sitronsyre kan tjene som et alternativt kjemikalie for ballongmerkene i stedet for oksalsyre, hovedsakelig på grunn av sin Food and Drug Administration anerkjennelse som et trygt stoff for bruk i både mat og hudprodukter23. I motsetning til oksalsyre utviser sitronsyre redusert følsomhet for varme og er uforenlig med oksidasjonsmidler, sterke baser eller syrer. Akkurat som med oksalsyre, krever håndtering av sitronsyre bruk av en godt ventilert avtrekkshette og passende PPE.

Reaksjonen som involverer sitronsyre (C6H8O7) og natriumbikarbonat (NaHCO3) i vann genererer også karbondioksid (CO2) for oppblåsing av ballongmerkene. Denne kjemiske prosessen resulterer i dannelse av natriumcitrat (Na3C6H5O7), vann og karbondioksid, som illustrert i følgende ligning:

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

Begrensningen ved bruk av sitronsyre er at for samme masse materiale (syre + natriumbikarbonat) lagret inne i ballongmerket, er mengden CO2 generert ca. 81% av det som produseres av oksalsyre. Dette er en avgjørende faktor fordi det reduserer størrelsen på ballongmerket, og ballongmerkets fulle inflasjonsvarighet er lengre. Hvis sitronsyre brukes i stedet for oksalsyre, anbefales det å bruke et masseforhold på 1: 2 (natriumbikarbonat til sitronsyre) for å oppnå et ballongvolum på 46 cm3 og en full oppblåsingstid på 15 minutter. For mer informasjon, se Tilleggsfil 2: Sitronsyre.

Denne forskningen fokuserer på å utvikle og utnytte ballongmerketeknologi, et verktøy designet for å finne og hjelpe til med å gjenopprette sensorfisk og levende fisk etter at de har navigert gjennom hydrauliske strukturer. Hovedmålet er å forbedre forståelsen av hvordan disse strukturene påvirker akvatiske dyr, og til slutt legge til rette for etablering av mer fiskevennlige turbiner. Denne tilnærmingen gir ikke bare kostnadseffektivitet, men omfatter også en enkel produksjonsprosess, som, når den er optimalisert, kan muliggjøre storskala produksjon av disse kodene. Videre kan disse kodene tilpasses for å imøtekomme ulike arter og vannmiljøer. Fremtidig forskning vil fordype seg i å optimalisere ballongmerkeytelsen under forskjellige forhold, utforske deres effekter på fiskens oppførsel og adressere miljøhensyn. Selv om våre foreløpige resultater er lovende, er omfattende felttester nødvendige for reell validering og langsiktig holdbarhetsvurdering. Samlet sett har denne forskningen som mål å fremme bærekraftig og ansvarlig vannkraftutvikling ved å tilby et verktøy som hjelper til med å vurdere og redusere virkningen av hydrauliske strukturer på fisk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

Denne studien ble finansiert av US Department of Energy (DOE) Water Power Technologies Office. Laboratorieundersøkelsene ble utført ved Pacific Northwest National Laboratory, som drives av 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 utgave 200
Balloon Tag Manufacturing Technique for Sensor Fish og Live Fish Recovery
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