Summary
Представлен протокол проектирования и изготовления баллонных меток для извлечения сенсорных рыб и живых рыб, позволяющий оценить их физическое состояние и биологическую работоспособность в гидротехнических сооружениях. Этот метод оптимизирует производительность баллонов, учитывая такие факторы, как объем баллона, время надувания/сдувания, выбор компонентов и характеристики впрыскиваемой воды.
Abstract
Рыба может получить травмы и погибнуть при прохождении через гидравлические конвейеры на плотинах гидроэлектростанций, даже если эти транспортные средства спроектированы таким образом, чтобы быть безопасными для рыбы, такие как перепускные системы ниже по течению, модифицированные водосбросы и турбины. Основными методами, используемыми для изучения условий прохода рыбы в гидротехнических сооружениях, являются прямые натурные испытания по технологии Sensor Fish и живая рыба. Данные Sensor Fish помогают определить физические факторы стресса и их расположение в среде прохода рыбы, в то время как живая рыба оценивается на предмет травм и смертности. Баллонные метки, представляющие собой самонадувающиеся воздушные шары, прикрепленные снаружи к сенсорным рыбам и живой рыбе, помогают в их восстановлении после прохождения через гидротехнические сооружения.
Эта статья посвящена разработке баллонных меток с различным количеством растворимых капсул на растительной основе, содержащих смесь щавелевой кислоты, порошков бикарбоната натрия и воды при двух разных температурах. Наше исследование показало, что баллонные метки с тремя капсулами, введенные в 5 мл воды при 18,3 °C, неизменно достигали желаемого объема баллона. Эти метки имели средний объем надувания 114 см3 со стандартным отклонением 1,2см3. Среди баллонных меток, введенных в воду с температурой 18,3 °C, было замечено, что двухкапсульным баллонным меткам требовалось больше всего времени, чтобы достичь полного надувания. Кроме того, метки с четырьмя капсулами продемонстрировали более быстрое время начала надувания, в то время как метки с тремя капсулами продемонстрировали более быстрое время начала сдувания. В целом, такой подход доказал свою эффективность для проверки эффективности новых технологий, совершенствования конструкции турбин и принятия оперативных решений по улучшению условий прохода рыбы. Он служит ценным инструментом для исследований и полевых оценок, помогая совершенствовать как проектирование, так и эксплуатацию гидротехнических сооружений.
Introduction
Гидроэнергетика является важным возобновляемым энергетическим ресурсом во всем мире. В Соединенных Штатах на долю гидроэнергетики приходится примерно 38% или 274 ТВтч электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемыхисточников1 , и она может увеличить производство примерно 460 ТВтч вгод2. Однако по мере развития гидроэнергетики первостепенное значение приобретают опасения по поводу травматизма и гибели рыбы во время гидравлическогопрохода3. Различные механизмы способствуют травмам рыб во время прохода, включая быструю декомпрессию (баротравму), напряжение сдвига, турбулентность, удары, кавитацию и измельчение4. Хотя эти механизмы травм могут не оказывать непосредственного влияния на общее состояние рыб, они могут сделать их более уязвимыми к болезням, грибковым инфекциям, паразитам и хищничеству5. Кроме того, прямые физические травмы в результате столкновений с турбинами или другими гидротехническими сооружениями могут привести к значительному смертному исходу, что подчеркивает важность снижения этих рисков при развитии гидроэнергетики.
Одним из наиболее распространенных методов оценки условий прохода рыбы является выпуск рыбы-датчика и живой рыбы через гидротехнические сооружения 6,7. Sensor Fish - это автономное устройство, предназначенное для изучения физических условий, которые испытывают рыбы при прохождении через гидротехнические сооружения, включая турбины, водосбросы и альтернативные варианты обхода плотин 8,9. Оснащенный 3D-акселерометром, 3D-гироскопом, датчиком температуры и датчиком давления9, Sensor Fish предоставляет ценные данные об условиях прохода рыбы.
Баллонные метки, представляющие собой самонадувающиеся воздушные шары, прикрепленные снаружи к сенсорным рыбам и живой рыбе, помогают в их восстановлении после прохождения через гидротехнические сооружения. Баллонные бирки состоят из растворимых капсул, наполненных газообразующими химическими веществами (например, щавелевой кислотой и бикарбонатом натрия), силиконовой пробкой и леской. Перед раскрытием в баллон через силиконовую пробку впрыскивается вода. Вода растворяет капсулы на растительной основе, запуская химическую реакцию, в результате которой образуется газ, надувающий воздушный шар. В этой реакции нейтрализации бикарбонат натрия, слабое основание, и щавелевая кислота, слабая кислота, реагируют с образованием углекислого газа, воды и оксалата натрия10. Химическая реакция представлена ниже:
2NaHCO3+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2O4
Надувной шар увеличивает плавучесть рыбы-датчика и живой рыбы, позволяя им плавать на поверхности воды для более легкого подъема.
Количество баллонных бирок, необходимых для достижения плавучести и облегчения извлечения образца (например, сенсорной рыбы или живой рыбы), может варьироваться в зависимости от объемных и массовых характеристик пробы. Продолжительность надувания баллонной метки можно регулировать, впрыскивая воду разной температуры. Более холодная вода увеличит время надувания, в то время как более теплая вода уменьшит его. Метки для воздушных шаров были успешно применены в различных местах, в том числе в Farmers Screen, уникальной горизонтальной плоской конструкции экрана для рыбы и мусора в реке Худ, штат Орегон11, и турбине Фрэнсиса на плотине Нам Нгум в Лаосской Народно-Демократической Республике12. Еще один коммерчески доступный пример метки для воздушных шаров — Hi-Z Turb'N Tag13,14. Hi-Z Turb'N Tag позволяет регулировать время надувания в диапазоне от 2 до 60 минут, в зависимости от температуры впрыскиваемой воды13. Эта технология использовалась в исследованиях рыбы на многих полевых участках, в том числе в исследованиях с участием смолтов чавычи, выпущенных на плотине Роки-Рич на реке Колумбия, и молоди американского шэда на плотине Хэдли-Фолс на реке Коннектикут15,16. Обе технологии используют кислотно-основные химические реакции для надувания баллонных меток для восстановления.
Этот метод обеспечивает экономичность и простоту в производстве, при этом ориентировочная стоимость материала составляет всего 0,50 доллара США за воздушный шар. Как описано здесь, производственный процесс прост в исполнении, что делает производство бирок для воздушных шаров доступным для всех.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Кислотно-щелочная инкапсуляция
- Смешайте в соотношении 1:2 по весу H2C2O4(щавелевая кислота) и NaHCO3 (бикарбонат натрия) в чашке для смешивания (см. Таблицу материалов). Если кислотно-щелочная порошковая смесь кристаллизовалась, измельчите ее с помощью ступки и пестика (рисунок 1A).
- Извлеките капсулы на растительной основе размера 3 и полуавтоматическую машину для наполнения капсул, чтобы начать процесс (см. Таблицу материалов).
- Положите крышку на чистую сухую поверхность. Выровняйте лист инкапсуляции поверх листа крышки с помощью черных колышков, чтобы правильно зафиксировать его на месте (Рисунок 1B).
- Отделите верхнюю и нижнюю части капсул, если не используете предварительно отделенные капсулы. Растительные капсулы размера #3 в закрытом виде имеют габаритные размеры 15,9 мм в длину, 5,57 мм в наружном диаметре (OD), объем 0,30 мл и вес 47 мг.
- Залейте крышки капсул в лист инкапсуляции (Рисунок 1C). Аккуратно встряхните верхушки в отверстия круговыми движениями. При этом закройте зазор в стенке инкапсуляционного листа одной рукой или разбрасывателем порошка, чтобы избежать просыпания верхушек (Рисунок 1D).
- После того, как отверстия будут заполнены, перелейте излишки капсул в чистую чашку (Рисунок 1E). Определите все перевернутые верхушки капсул и переверните их (рисунок 1F). Убедитесь, что все верхушки капсул обращены в правильном направлении на крышке. Важно обеспечить правильную ориентацию, так как неправильное выравнивание может привести к неправильному соединению верхних частей капсул с нижними частями капсул.
- Снимите инкапсуляционную пленку и отложите заполненную крышку.
- Вынимаем корпус или «нижний» лист. Положите его на чистую, сухую, ровную поверхность. Прикрепите лист инкапсуляции к нижнему листу, обеспечив правильное выравнивание с помощью черных колышков, чтобы правильно расположить его на месте.
- Залейте нижнюю часть капсулы в лист инкапсуляции и встряхните, как и раньше, круговыми движениями, чтобы заполнить отверстия. Слейте лишние донышки капсул. Определите перевернутое дно капсулы и переверните его.
- Снимите лист инкапсуляции с нижнего листа и отложите его в сторону.
- Вылейте смесь кислотно-основного порошка на заполненный нижний лист (Рисунок 1G). Используйте пластиковый разбрасыватель, чтобы наполнить нижнюю часть капсулы порошком (Рисунок 1H). Убедитесь, что все дно капсулы заполнено (Рисунок 1I). Удалите неиспользованный кислотно-щелочной порошок.
- Положите колпачок на ровную поверхность и расположите средний лист сверху, совместив его с черными колышками, чтобы обеспечить правильную посадку. Убедитесь, что все верхушки капсул совпали с соответствующими отверстиями в среднем листе.
- Переверните верхний лист с прикрепленным средним листом и совместите его с заполненным нижним листом (рисунок 1J).
- Осторожно надавите на колпачок одинаково со всех сторон, чтобы соединить верхние и нижние части, соединив обе стороны капсулы вместе (Рисунок 1K).
- Снимите верхний лист и средний лист с нижнего листа. На этом этапе нижняя и верхняя части капсулы должны быть правильно соединены друг с другом.
- Убедитесь, что верхняя и нижняя части каждой капсулы плотно прилегают; Если нет, вручную прижмите верхнюю и нижнюю части капсулы друг к другу, чтобы создать плотное прилегание. Извлеките заполненные капсулы и поместите их в герметичный герметичный контейнер (Рисунок 1L).
ПРИМЕЧАНИЕ: Для безопасного обращения пользователям необходимо носить средства индивидуальной защиты (СИЗ) и средства защиты лица. Должна быть обеспечена достаточная вентиляция и приняты меры предосторожности, чтобы избежать проглатывания, вдыхания и контакта с веществом на коже, в глазах или на одежде. Кроме того, важно предотвратить образование пыли. Подробную информацию о безопасности см. в паспорте безопасности (SDS) щавелевой кислоты и бикарбоната натрия. Для сохранения целостности кислотно-щелочных капсул рекомендуется хранить их вдали от прямых солнечных лучей и высокой влажности. Храните неиспользованные капсулы в герметичном контейнере. До тех пор, пока капсулы остаются сухими и свободными от влаги, их можно эффективно использовать для обеспечения оптимальной функциональности.
- Убедитесь, что верхняя и нижняя части каждой капсулы плотно прилегают; Если нет, вручную прижмите верхнюю и нижнюю части капсулы друг к другу, чтобы создать плотное прилегание. Извлеките заполненные капсулы и поместите их в герметичный герметичный контейнер (Рисунок 1L).
2. Производство силиконовых пробок
- С помощью 3D-принтера для моделирования методом наплавления (FDM) (см. Таблицу материалов) распечатайте формовочную пластину, используя файл STL, приведенный в дополнительном файле 1.
- Поместите прозрачную упаковочную ленту на нижнюю сторону формовочной плиты так, чтобы каждое отверстие было запечатано (Рисунок 2A).
- Смешайте в пропорции 1:1 по весу (например, по 50 г для частей A и B) имеющегося в продаже силиконового материала для пресс-форм в чашке для смешивания (см. Таблицу материалов). Используя одноразовую ложку, тщательно перемешайте химическое соединение в течение примерно 5 минут или до тех пор, пока оно не станет однородным.
- Поместите формовочную пластину с упаковочной лентой на лист бумаги. Бумага улавливает любое потенциальное пролитие силикона с формовочной плиты.
- Начните заливать силиконовую смесь в каждое отверстие пробки, убедившись, что все они заполнены (Рисунок 2B). Используйте резиновый ракель, чтобы распределить силикон по каждому отверстию пробки (Рисунок 2C). Удалите остатки силиконовой смеси с поверхности формовочной плиты.
- Дайте резиновым пробкам высохнуть в течение 4 часов. Убедившись, что пробки полностью затвердели (например, силиконовая смесь полностью высохла и затвердела), снимите ленту с обратной стороны формовочной плиты (Рисунок 2D), а затем начните вытаскивать пробки из формы (Рисунок 2E).
- Удалите излишки силикона, прикрепленные к пробкам (Рисунок 2F).
3. Сборка метки номера позиции
- Осторожно вставьте инструмент для прокалывания (например, прямую зубочистку) в силиконовую пробку (Рисунок 3A) (см. Таблицу материалов). Вставьте инструмент для прокалывания в иглу шприца 15 G, а затем извлеките инструмент для прокалывания из силиконовой пробки, оставив внутри только иглу 15 G (Рисунок 3B). Инструмент для прокалывания создаст щель внутри силиконовой пробки, не разрезая и не удаляя какой-либо материал.
- Отрежьте кусок лески весом 50 фунтов (см. Таблицу материалов) на длину 150 мм. Проденьте леску через иглу шприца 15 G в силиконовую пробку (рис. 3C).
- Осторожно удерживая пробку и леску вместе, извлеките иглу шприца 15 G из корпуса пробки, оставив леску внутри пробки (рис. 3D). Убедитесь, что длина лески одинакова с обеих сторон стопора.
- Вставьте две капсулы, наполненные кислотой/щелочным порошком, в латексный баллон (Рисунок 3E) (см. Таблицу материалов). Расширьте отверстие баллона с помощью инструмента для расширения резиновой ленты (например, плоскогубцев для кастрации), а затем осторожно вставьте одну силиконовую пробку в отверстие баллона (Рисунок 3F), оставив два конца лески снаружи баллона.
- Поместите два уплотнительных кольца (шириной 1,6 мм, внутренним диаметром 8,1 мм, см. Таблицу материалов) на инструмент расширения с резиновой лентой и разверните их. Вставьте горлышко латексного баллона через два расширенных уплотнительных кольца (Рисунок 3G). Осторожно оттяните два уплотнительных кольца от инструмента расширения с резиновой лентой, оставив их плотно обернутыми вокруг горлышка баллона, по центру стопора (Рисунок 3H).
4. Прикрепление баллонной бирки к крышкам Sensor Fish.
- Проденьте один конец лески в одно из маленьких отверстий в колпачке Sensor Fish (см. Таблицу материалов) и проденьте его через большое отверстие в центре колпачка (Рисунок 4A).
- Свяжите два конца лески вместе, оставив примерно от 13 до 26 мм между верхней частью колпачка и основанием воздушного шара. При завязывании лески используйте четыре узла сверху друг на друга.
- Оставьте дополнительную леску прикрепленной, так как разрезание ее слишком близко к узлу может привести к тому, что узел развяжется (Рисунок 4B).
- Проверьте узел, взявшись пальцами за леску с каждой стороны узла и потянув как можно сильнее. Будьте осторожны и не тяните слишком близко к воздушному шару, так как это может непреднамеренно порвать леску через резиновую пробку.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Было проведено исследование по определению оптимальных методов изготовления баллонных меток с акцентом на объем и температуру воды, впрыскиваемой в баллон. В исследовании рассматривались различные входные параметры, включая время начала надувания, время полного надувания, время начала дефляции и объем воздушного шара при полном надувании. Исследование проводилось за письменным столом с температурой окружающей среды 21 °С.
Всего для исследования было подготовлено 360 меток для воздушных шаров. Метки были разделены на 36 наборов, каждый из которых содержал 10 тегов для воздушных шаров. Наборы были классифицированы в зависимости от количества капсул, включающих две, три или четыре капсулы. Метки в каждом наборе вводили 5, 6, 7, 8, 9 или 10 мл воды при температуре 18,3 или 12,7 °C. Температура 12,7 °C была выбрана в качестве самой низкой температуры, которая все еще позволяла растворять капсулу, в то время как 18,3 °C представляла собой комнатную температуру для практичности.
Результаты показали, что полное надувание происходило быстрее при использовании воды при температуре 18,3 °C по сравнению с 12,7 °C (рис. 5). Более медленное растворение капсул на растительной основе при более низких температурах вызвало задержку инфляции. Среди испытуемых условий баллонные метки с тремя капсулами, введенные в 5 мл воды при 18,3 °C, показали одинаковый размер, со средним объемом 114 см3 и стандартным отклонением 1,28см3 (табл. 1). При температуре 18,3 °C баллонные метки с четырьмя капсулами демонстрировали более быстрое время начала надувания, в то время как трехкапсульные баллонные метки демонстрировали более быстрое время начала сдувания (рис. 6). Тем не менее, время полного надувания для двухкапсульных и четырехкапсульных баллонных меток было практически идентичным. Сначала начинает сдуваться три капсулы, затем четыре капсулы и, наконец, две капсулы.
Рисунок 1: Пошаговые изображения, иллюстрирующие процесс наполнения капсул с реагентом для надувания баллонными метками . (A) Смешивание и измельчение щавелевой кислоты и бикарбоната натрия. (B) Выравнивание листа инкапсуляции поверх крышки. (C) Заливка верхушек капсул в лист инкапсуляции. (D) Встряхивание верхушек в отверстия инкапсуляционного листа. (E) Пересыпание излишков ботвы в чистую чашку. (F) Идентификация перевернутых верхушек капсул и их переворачивание. (G) Высыпание смеси кислотно-основного порошка на нижний лист. (H) Размазывание порошка для заполнения дна капсулы. (I) Проверка того, что все донышки капсул заполнены. (J) Переворачивание листа крышки с прикрепленным средним листом и совмещение его с заполненным нижним листом. (K) Надавливание на крышку, чтобы соединить верхнюю и нижнюю капсулы. (L) Обеспечение плотного прилегания верхней и нижней части каждой капсулы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Пошаговые изображения, демонстрирующие процесс изготовления силиконовых пробок для баллонных бирок . (A) Герметизация каждого отверстия прозрачной упаковочной лентой на нижней стороне формовочной плиты. (B) Залейте силиконовую смесь в каждое отверстие пробки. (C) Распределите силикон по каждому отверстию пробки с помощью резинового ракеля. (D) Удаление ленты с задней части формовочной плиты после того, как пробки затвердеют. (E) Извлечение пробок из формы. (F) Удаление излишков силикона, прикрепленного к пробкам. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Пошаговые фотографии, иллюстрирующие сборку бирки для воздушных шаров . (A) Вставка инструмента для прокалывания в силиконовую пробку. (B) Введение инструмента для прокалывания в иглу шприца 15 G. (C) Отрежьте 6-дюймовый кусок лески весом 50 фунтов и проденьте его через иглу шприца 15 G в силиконовую пробку. (D) Извлеките иглу шприца 15 G из пробки, оставив леску внутри. (E) Вставка двух капсул, наполненных кислотой/щелочностью, в латексный баллон. (F) Расширение отверстия баллона с помощью расширительного инструмента с резиновой лентой и вставка одной силиконовой пробки. (G) Поместите два уплотнительных кольца на инструмент расширения с резиновой лентой, разверните их и вставьте горловину латексного баллона через расширенные уплотнительные кольца. (H) Осторожно вытащите два уплотнительных кольца из расширительного инструмента с резиновой лентой, плотно обернув их вокруг горловины баллона, по центру стопора. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Пошаговые фотографии, демонстрирующие процесс привязывания бирки от воздушного шара к колпачку Sensor Fish. (A) Проденьте один конец лески в маленькое отверстие в крышке Sensor Fish, проденьте его через большое центральное отверстие и свяжите оба конца вместе, оставив зазор от 13 до 26 мм между верхней частью колпачка и основанием воздушного шара. (B) Бирка для воздушного шара, прикрепленная к колпачку Sensor Fish. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Надувание меток номерных позиций. Среднее время надувания баллонных меток с водой при (A) 12,7 °C и (B) 18,3 °C с использованием 5–10 мл воды для двухкапсульных (зеленый), трехкапсульных (синий) и четырехкапсульных (серый) баллонных бирок. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Объем и время надувания меток для воздушных шаров. (A) Объемы воздушных шаров при полном надувании и (B) среднее время начала надувания, полного надувания и начала сдувания для меток воздушных шаров с двумя капсулами (квадраты), тремя капсулами (треугольники) и четырьмя капсулами (звезды) с 5 мл воды при температуре 18,3 °C. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Температура воды | 18,3 °С | 12,7 °С | ||||
| Количество капсул | 2 | 3 | 4 | 2 | 3 | 4 |
| Средний объем | 76.1 | 114 | 120 | 72.1 | 103 | 117 |
| Стандартное отклонение | 6.53 | 1.28 | 7.53 | 6.82 | 5.07 | 6.14 |
Таблица 1: Средний объем и стандартное отклонение (см3) баллонных меток с двумя, тремя и четырьмя капсулами после введения 5 мл воды при 18,3 °C и 12,7 °C.
Дополнительный файл 1: STL-файл для печати формовочной формы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 2: Лимонная кислота. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В этом исследовании был сделан вывод о том, что баллонные метки с тремя капсулами, введенные в 5 мл воды при температуре 18,3 °C, имели более медленное время начала надувания и стабильно больший объем по сравнению с баллонными метками из двух капсул и четырех капсул. Когда баллонные метки были введены в воду с температурой 12,7 °C, средний объем был меньше, а время надувания было больше. Сначала начинает сдуваться три капсулы, затем четыре капсулы и, наконец, две капсулы. Периоды инфляции и дефляции, связанные с каждой температурой воды, могут быть полезны в полевых условиях. Для исследований, требующих более длительного времени надувания, более холодная вода может привести к более медленному надуванию бирок баллонов, что позволяет проводить испытания на крупных объектах, где рыбы или рыбы-датчики могут быть более широко распространены и требуют более длительного времени извлечения, аналогично полевым исследованиям, проведенным Martinez et al.7,12. Более теплая вода может быть использована для увеличения скорости инфляции для тестирования уменьшенных моделей и небольших гидротехнических сооружений, таких как фермерские экраны и масштабные гидротурбины11,17.
Наиболее важными этапами производства баллонных бирок являются тщательное смешивание порошков бикарбоната натрия и щавелевой кислоты с помощью ступки и пестика перед инкапсуляцией. В результате получится тонко измельченное химическое соединение без комков, которые в противном случае могли бы изменить химическое соотношение. После изготовления капсулы необходимо хранить вдали от прямых солнечных лучей и запечатать в герметичный контейнер, чтобы предотвратить поглощение влаги из воздуха, которое может привести к ухудшению качества капсул на растительной основе18.
Основным преимуществом этого метода является его экономичность и простота производственного процесса. Ориентировочная стоимость материала для производства одного воздушного шара составляет всего 0,50 доллара США. Это полезно для исследований с ограниченным бюджетом, требующих большого размера выборки. Метки воздушных шаров будут использоваться для развертывания Sensor Fish, а также для оценки выживаемости и травматизма рыб на плотинах гидроэлектростанций и других гидротехнических сооружениях. Этот метод направлен на удовлетворение растущей потребности в устойчивой энергетике и продолжающейся замене турбин в Соединенных Штатах19. После внедрения новой технологии необходимо провести оценку на местах для проверки усовершенствований конструкции технологии20. Результаты оценки также могут дать представление об улучшении конструкции турбин и служить основой для принятия управленческих решений в отношении эксплуатации турбин для улучшения условий прохода рыбы21.
Изготовление и использование баллонных меток имеет определенные ограничения, которые необходимо учитывать. Процесс ручного смешивания с использованием ступки и пестика для обеспечения тщательного смешивания порошков бикарбоната натрия и щавелевой кислоты перед инкапсуляцией может быть длительным и трудоемким, что ограничивает масштабируемость. Кроме того, капсулы на растительной основе, используемые в бирках, требуют бережного хранения вдали от прямых солнечных лучей в герметичном контейнере, чтобы предотвратить разложение, что усложняет обращение и транспортировку, особенно в полевых условиях. Кроме того, характеристики баллонных меток зависят от температуры, а более холодная вода приводит к меньшему среднему объему и более длительному времени надувания, что ограничивает их пригодность для исследований, требующих более коротких периодов надувания, или испытаний на небольших гидротехнических сооружениях. И наоборот, более теплая вода может увеличить скорость инфляции, но может ограничить применимость в более холодных условиях или на более крупных объектах, требующих более длительного времени извлечения. Эти ограничения должны быть тщательно учтены и устранены для оптимального использования меток выносок в различных сценариях исследований.
Чтобы обеспечить вашу безопасность при работе с опасными химическими веществами, такими как те, которые подробно описаны в этой рукописи, необходимо обратиться к паспорту безопасности для получения исчерпывающих рекомендаций по их надлежащему обращению и хранению. В частности, щавелевая кислота представляет опасность для здоровья человека при контакте с кожей или проглатывании. Кроме того, он проявляет чувствительность к теплу и может бурно реагировать с окислителями, такими как нитраты, что может привести к пожарам ивзрывам22. Поэтому при работе со щавелевой кислотой важно работать в хорошо вентилируемом вытяжном шкафу и носить СИЗ, такие как средства защиты глаз, маску и перчатки, чтобы предотвратить травмы или раздражение.
Лимонная кислота может служить альтернативным химическим веществом для баллонных меток вместо щавелевой кислоты, в первую очередь из-за того, что Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов признало ее безопасным веществом для использования как в пищевых продуктах, так и в продуктах для кожи23. В отличие от щавелевой кислоты, лимонная кислота проявляет пониженную чувствительность к теплу и несовместима с окислителями, сильными основаниями или кислотами. Как и в случае со щавелевой кислотой, при работе с лимонной кислотой необходимо использовать хорошо вентилируемый вытяжной шкаф и соответствующие СИЗ.
Реакция с участием лимонной кислоты (C6H8O7) и бикарбоната натрия (NaHCO3) в воде также генерирует углекислый газ (CO2) для надувания баллонных меток. Этот химический процесс приводит к образованию цитрата натрия (Na3C6H5O7), воды и углекислого газа, как показано в следующем уравнении:
C 6 H8O 7 + 3NaHCO 3 → Na 3 C6H5O 7 +3H2 O +3CO 2
Ограничением использования лимонной кислоты является то, что для той же массы материала (кислота + бикарбонат натрия), хранящейся внутри баллонной бирки, количествоCO2 , образующегося в баллоне, составляет примерно 81% от того, что производится щавелевой кислотой. Это очень важно, так как это уменьшает размер метки позиции, а продолжительность полного надувания метки позиции увеличивается. Если вместо щавелевой кислоты используется лимонная кислота, рекомендуется использовать массовое соотношение 1:2 (бикарбонат натрия к лимонной кислоте) для достижения объема баллона 46см3 и времени полного надувания 15 минут. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, обратитесь к Дополнительному файлу 2: Лимонная кислота.
Это исследование сосредоточено на разработке и использовании технологии баллонных меток, инструмента, предназначенного для обнаружения и помощи в извлечении сенсорных рыб и живой рыбы после того, как они перемещаются через гидротехнические сооружения. Основная цель состоит в том, чтобы улучшить понимание того, как эти структуры влияют на водных животных, что в конечном итоге будет способствовать созданию более благоприятных для рыб турбин. Такой подход не только обеспечивает экономическую эффективность, но и включает в себя простой производственный процесс, оптимизация которого может обеспечить крупномасштабное производство этих меток. Кроме того, эти метки могут быть настроены для различных видов и водной среды. Будущие исследования будут посвящены оптимизации характеристик меток воздушных шаров в различных условиях, изучению их влияния на поведение рыб и решению экологических проблем. Несмотря на то, что наши предварительные результаты являются многообещающими, для проверки в реальных условиях и оценки долговечности необходимы обширные полевые испытания. В целом, это исследование направлено на содействие устойчивому и ответственному развитию гидроэнергетики путем предоставления инструмента, который помогает в оценке и смягчении воздействия гидротехнических сооружений на рыбу.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Конфликт интересов у авторов отсутствует.
Acknowledgments
Это исследование было профинансировано Управлением водно-энергетических технологий Министерства энергетики США (DOE). Лабораторные исследования проводились в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, которая управляется компанией Battelle для Министерства энергетики США по контракту 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).
