Summary
Ett protokoll presenteras för design och tillverkning av ballongtaggar för att återvinna sensorfiskar och levande fiskar, vilket möjliggör bedömning av deras fysiska tillstånd och biologiska prestanda i hydrauliska strukturer. Metoden optimerar ballongtaggens prestanda genom att ta hänsyn till faktorer som ballongvolym, uppblåsnings-/tömningstider, komponentval och egenskaperna hos det injicerade vattnet.
Abstract
Fiskar kan drabbas av skador och dödlighet när de passerar genom hydrauliska transportmedel vid vattenkraftsdammar, även om dessa transporter är utformade för att vara fiskvänliga, t.ex. nedströms bypass-system, modifierade utskov och turbiner. De huvudsakliga metoderna som används för att studera fiskpassager i hydrauliska strukturer involverar direkt, in situ-testning med hjälp av Sensor Fish-teknik och levande fisk. Sensorfiskdata hjälper till att identifiera fysiska stressfaktorer och deras platser i fiskpassagemiljön, medan levande fisk bedöms för skador och dödlighet. Balloon tags, som är självuppblåsande ballonger som fästs externt på sensorfiskar och levande fiskar, hjälper dem att återhämta sig efter att ha passerat genom hydrauliska strukturer.
Den här artikeln fokuserar på utvecklingen av ballongtaggar med varierande antal upplösbara, vegetabiliska kapslar som innehåller en blandning av oxalsyra, natriumbikarbonatpulver och vatten vid två olika temperaturer. Vår forskning visade att ballongtaggar med tre kapslar, injicerade med 5 ml vatten vid 18,3 °C, konsekvent uppnådde den önskade ballongvolymen. Dessa taggar hade en genomsnittlig uppblåsningsvolym på 114 cm3 med en standardavvikelse på 1,2cm3. Bland de ballongtaggar som injicerades med vatten vid 18,3 °C observerades att det tog längst tid för ballongtaggarna med två kapslar att nå full uppblåsning. Dessutom visade ballongtaggarna med fyra kapslar en snabbare starttid för uppblåsning, medan ballongtaggarna med tre kapslar visade en snabbare starttid för tömning. Sammantaget visar sig detta tillvägagångssätt vara effektivt för att validera prestandan hos ny teknik, förbättra turbindesignen och fatta operativa beslut för att förbättra fiskpassageförhållandena. Det fungerar som ett värdefullt verktyg för forskning och fältutvärderingar, vilket hjälper till att förfina både design och drift av hydrauliska strukturer.
Introduction
Vattenkraft är en betydande förnybar energiresurs över hela världen. I USA bidrar vattenkraften med uppskattningsvis 38 % eller 274 TWh av den el som produceras från förnybara källor1 och har potential att tillföra cirka 460 TWh per år2. Men i takt med att vattenkraftsutbyggnaden ökar har oron för fiskskador och dödlighet under vattenpassage blivit av största vikt3. Olika mekanismer bidrar till fiskskador under passagen, inklusive snabb dekompression (barotrauma), skjuvspänning, turbulens, slag, kavitation och slipning4. Även om dessa skademekanismer kanske inte har en omedelbar inverkan på fiskens allmänna tillstånd, kan de göra dem mer sårbara för sjukdomar, svampinfektioner, parasiter och predation5. Dessutom kan direkta fysiska skador till följd av kollisioner med turbiner eller andra hydrauliska strukturer leda till betydande dödsfall, vilket understryker vikten av att minska dessa risker vid vattenkraftsutbyggnad.
En av de vanligaste metoderna för att utvärdera fiskpassageförhållanden är att släppa ut sensorfisk och levande fisk genom hydrauliska strukturer 6,7. Sensor Fish är en autonom enhet som är utformad för att studera de fysiska förhållanden som fiskar upplever under passage genom hydrauliska strukturer, inklusive turbiner, utskov och dammbypassalternativ 8,9. Utrustad med en 3D-accelerometer, 3D-gyroskop, temperatursensor och trycksensor9, ger Sensor Fish värdefulla data om fiskpassageförhållanden.
Balloon tags, som är självuppblåsande ballonger som fästs externt på sensorfiskar och levande fiskar, hjälper till att återhämta sig efter att ha passerat genom hydrauliska strukturer. Ballongtaggarna består av upplösbara kapslar fyllda med gasgenererande kemikalier (t.ex. oxalsyra och natriumbikarbonat), en silikonpropp och en fiskelina. Före utplacering injiceras vatten genom silikonproppen in i ballongen. Vattnet löser upp de vegetabiliska kapslarna och utlöser en kemisk reaktion som producerar gas som blåser upp ballongen. I denna neutraliseringsreaktion reagerar natriumbikarbonat, en svag bas, och oxalsyra, en svag syra, för att bilda koldioxid, vatten och natriumoxalat10. Den kemiska reaktionen tillhandahålls nedan:
2NaHCO3+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2O4
Den uppblåsta ballongen ökar flytkraften hos sensorfisken och den levande fisken, vilket gör att de kan flyta på vattenytan för att lättare återhämta sig.
Antalet ballongmärken som krävs för att uppnå flyt och underlätta hämtning av ett prov (t.ex. sensorfisk eller levande fisk) kan variera beroende på provets volym- och massegenskaper. Varaktigheten av ballongtaggens uppblåsning kan justeras genom att injicera vatten vid olika temperaturer. Kallare vatten kommer att öka uppblåsningstiden, medan varmare vatten kommer att minska den. Ballongtaggar har framgångsrikt använts på olika platser, bland annat Farmers Screen, en unik horisontell, platt fisk- och skräpskärmstruktur i Hood River, Oregon11, och en Francis-turbin vid Nam Ngum-dammen i Laos People's Democratic Republic12. Ett annat kommersiellt tillgängligt exempel på ballongtaggar är Hi-Z Turb'N Tag13,14. Hi-Z Turb'N Tag gör att uppblåsningstiden kan justeras mellan 2 min och 60 min, beroende på den injicerade vattentemperaturen13. Denna teknik har använts i fiskstudier på många fältplatser, inklusive studier med Chinook-laxsmolt som släppts ut vid Rocky Reach Dam vid Columbiafloden och ung amerikansk shad vid Hadley Falls Dam vid Connecticutfloden15,16. Båda teknikerna använder syra-baskemiska reaktioner för att blåsa upp ballongtaggarna för återhämtning.
Denna metod erbjuder kostnadseffektivitet och enkelhet i tillverkningen, med en uppskattad materialkostnad på endast 0.50 USD per ballong. Som beskrivs här är tillverkningsprocessen lätt att följa, vilket gör produktionen av ballongtaggar tillgänglig för alla.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Inkapsling av syra/bas
- Blanda ett 1:2-förhållande med vikten avH2, C, 2O4(oxalsyra) och NaHCO3 (natriumbikarbonat) i en blandningskopp (se materialförteckning). Om syra-baspulverblandningen är kristalliserad, mal ner den med en mortel och stöt (Figur 1A).
- Hämta de vegetabiliska kapslarna i storlek 3 och den halvautomatiska kapselfyllningsmaskinen för att påbörja processen (se materialförteckning).
- Placera lockarket plant på en ren, torr yta. Rikta in inkapslingsarket ovanpå lockarket med hjälp av de svarta pinnarna för att fixera det korrekt på plats (Figur 1B).
- Separera kapselns över- och underdelar, såvida du inte använder förseparerade kapslar. Grönsakskapslarna i storlek #3 har när de är stängda de totala måtten 15,9 mm i längd, 5,57 mm i ytterdiameter (OD), 0,30 ml i volym och väger 47 mg.
- Häll kapseltopparna i inkapslingsarket (Figur 1C). Skaka försiktigt in topparna i hålen med en cirkulär rörelse. Medan du gör detta, täck springan i inkapslingsarkets vägg med en hand eller en pulverspridare för att undvika spill av topparna (Figur 1D).
- När hålen är fyllda, häll överflödiga kapseltoppar i en ren kopp (Figur 1E). Identifiera eventuella uppochnedvända kapseltoppar och vänd på dem (Figur 1F). Se till att alla kapseltoppar är vända åt rätt håll i lockarket. Det är viktigt att säkerställa korrekt orientering, eftersom felaktig inriktning kan leda till att kapseltopparna inte går ihop ordentligt med kapselbottnarna.
- Ta bort inkapslingsarket och lägg åt sidan det fyllda lockarket.
- Ta ut kroppen eller "botten"-arket. Placera den på en ren, torr, plan yta. Fäst inkapslingsarket på bottenplåten och säkerställ korrekt inriktning genom att använda de svarta pinnarna för att placera den korrekt på plats.
- Häll kapselbottnarna i inkapslingsplåten och skaka som tidigare i en cirkulär rörelse för att fylla hålen. Häll av överflödiga kapselbottnar. Identifiera eventuella uppochnedvända kapselbottnar och vänd på dem.
- Ta bort inkapslingsarket från bottenarket och lägg det åt sidan.
- Häll syra/baspulverblandningen på det fyllda bottenarket (Figur 1G). Använd en plastspridare för att fylla kapselbottnarna med pulvret (Figur 1H). Kontrollera att alla kapselbottnar är fyllda (Figur 1I). Ta bort eventuellt oanvänt syra/baspulver.
- Placera lockarket på en plan yta och placera mittarket ovanpå, rikta in det med de svarta pinnarna för att säkerställa en korrekt passform. Se till att rikta in alla kapseltoppar med motsvarande hål i mellanarket.
- Vänd upp och ner på lockarket med det fästa mittarket och rikta in det mot det fyllda bottenarket (Figur 1J).
- Tryck försiktigt ner lockarket lika mycket på alla sidor för att sammanfoga topparna och bottnarna, passa ihop båda sidorna av kapseln (Figur 1K).
- Ta bort lockarket och mellanarket från bottenarket. Vid denna tidpunkt bör kapselbottnarna och topparna sammanfogas ordentligt.
- Kontrollera att varje kapsels över- och undersida sitter tätt; Om inte, tryck ihop kapselns över- och undersida manuellt för att skapa en tät passform. Ta bort de fyllda kapslarna och placera dem i en lufttät, förslutningsbar behållare (Figur 1L).
OBS: För säker hantering är det viktigt att användare bär personlig skyddsutrustning (PPE) och ansiktsskydd. Tillräcklig ventilation bör säkerställas och försiktighetsåtgärder bör vidtas för att undvika förtäring, inandning och kontakt med ämnet på hud, ögon eller kläder. Dessutom är det viktigt att förhindra dammbildning. För detaljerad information om säkerhet, se säkerhetsdatabladet (SDS) för oxalsyra och natriumbikarbonat. För att bibehålla syra-/baskapslarnas integritet rekommenderas att de förvaras borta från direkt solljus och hög luftfuktighet. Förvara de oanvända kapslarna i en förseglad, lufttät behållare. Så länge kapslarna hålls torra och fria från fukt kan de användas effektivt för att säkerställa optimal funktionalitet.
- Kontrollera att varje kapsels över- och undersida sitter tätt; Om inte, tryck ihop kapselns över- och undersida manuellt för att skapa en tät passform. Ta bort de fyllda kapslarna och placera dem i en lufttät, förslutningsbar behållare (Figur 1L).
2. Tillverkning av silikonproppar
- Använd en 3D-skrivare för fused deposition modeling (FDM) (se Materialförteckning) och skriv ut en formplatta med hjälp av STL-filen som finns i Supplementary File 1.
- Placera en genomskinlig packtejp på undersidan av formplattan så att varje öppning är tät (Figur 2A).
- Blanda ett viktförhållande på 1:1 (t.ex. 50 g vardera av del A och del B) av det kommersiellt tillgängliga silikonformmaterialet i en blandningskopp (se materialförteckning). Använd en engångssked och blanda den kemiska föreningen noggrant i cirka 5 minuter, eller tills den har blivit enhetlig.
- Placera formplattan med packtejpen över ett papper. Pappret kommer att fånga upp eventuellt silikonspill från formplattan.
- Börja hälla silikonblandningen i varje stopphål och se till att alla är fyllda (Figur 2B). Använd en gummiskrapa för att sprida silikonet i varje stopphål (Figur 2C). Ta bort den överblivna silikonblandningen från formplattans yta.
- Låt gummipropparna torka i 4 timmar. Efter att ha kontrollerat att propparna har härdat helt (t.ex. silikonblandningen har torkat och härdat helt), ta bort tejpen från baksidan av formplattan (Figur 2D) och börja sedan dra ut propparna ur formen (Figur 2E).
- Ta bort överflödigt silikon som sitter fast på propparna (Figur 2F).
3. Montering av ballongtagg
- Sätt försiktigt in håltagningsverktyget (t.ex. rak tandpetare) i silikonproppen (Figur 3A) (se materialförteckning). Stick in håltagningsverktyget i en 15 G sprutkanyl och ta sedan bort håltagningsverktyget från silikonproppen och lämna endast 15 G-nålen kvar (Figur 3B). Håltagningsverktyget skapar en skåra inuti silikonproppen utan att skära eller ta bort något material.
- Klipp en bit 50 lb. fiskelina (se Materialtabell) till en längd av 150 mm. För in fiskelinan genom 15 G sprutkanylen och in i silikonproppen (Figur 3C).
- Medan du försiktigt håller ihop proppen och fiskelinan tar du bort 15 G sprutkanylen från proppens kropp och lämnar fiskelinan inuti proppen (Figur 3D). Se till att fiskelinans längder är jämna på båda sidor av proppen.
- Sätt i två syra-/baspulverfyllda kapslar i en latexballong (Figur 3E) (se Materialförteckning). Expandera ballongöppningen med hjälp av gummibandsexpansionsverktyget (dvs. kastreringsbandstången) och sätt sedan försiktigt in en silikonpropp i ballongöppningen (Figur 3F), lämna fiskelinans två ändar utanför ballongen.
- Placera två O-ringar (1.6 mm breda, 8.1 mm ID, se materialtabell) på gummibandsexpansionsverktyget och expandera dem. För in latexballongens hals genom de två expanderade O-ringarna (Figur 3G). Dra försiktigt bort de två O-ringarna från gummibandsexpansionsverktyget och låt dem vara tätt lindade runt ballongens hals, centrerade på proppen (Figur 3H).
4. Ballong tag fäste på Sensor Fish caps
- Sätt ena änden av fiskelinan genom ett av de små hålen i sensorfisklocket (se materialtabell) och för det genom det stora hålet i mitten av locket (Figur 4A).
- Knyt ihop de två ändarna av fiskelinan och lämna cirka 13 till 26 mm mellan toppen av locket och ballongens bas. Använd fyra överhandsknutar ovanpå varandra när du knyter fiskelinan.
- Låt den extra fiskelinan sitta kvar, eftersom det kan leda till att knuten lossnar om du klipper den för nära en knut (Figur 4B).
- Testa knuten genom att ta tag i fiskelinan på varje sida av knuten med fingrarna och dra så hårt som möjligt. Var försiktig så att du inte drar för nära ballongen, eftersom den oavsiktligt kan slita sönder fiskelinan genom gummiproppen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En studie genomfördes för att bestämma de optimala metoderna för tillverkning av ballongtaggar, med fokus på volymen och temperaturen på vattnet som injiceras i ballongen. Studien undersökte olika ingångsparametrar, inklusive inflationens starttid, full inflationstid, deflationens starttid och ballongens volym vid full inflation. Studien genomfördes vid ett skrivbord med en omgivningstemperatur på 21 °C.
Totalt 360 ballongmärken förbereddes för studien. Taggarna delades in i 36 uppsättningar, där varje uppsättning innehöll 10 ballongtaggar. Uppsättningarna kategoriserades baserat på antalet kapslar, inklusive två, tre eller fyra kapslar. Taggarna i varje uppsättning injicerades med 5, 6, 7, 8, 9 eller 10 ml vatten vid temperaturer på antingen 18,3 eller 12,7 °C. Temperaturen på 12,7 °C valdes som den lägsta temperatur som fortfarande tillät kapselupplösning, medan 18,3 °C representerade rumstemperatur för praktiska ändamål.
Resultaten visade att full uppblåsning skedde snabbare vid användning av vatten vid 18,3 °C jämfört med 12,7 °C (figur 5). Den långsammare upplösningen av de vegetabiliska kapslarna vid lägre temperaturer orsakade en fördröjning av inflationen. Bland de testade betingelserna uppvisade ballongtaggarna med tre kapslar som injicerades med 5 ml vatten vid 18,3 °C konsekvent storlek, med en medelvolym på 114 cm3 och en standardavvikelse på 1,28cm3 (tabell 1). Vid 18,3 °C uppvisade ballongtaggarna med fyra kapslar en snabbare starttid för uppblåsning, medan ballongtaggarna med tre kapslar uppvisade en snabbare starttid för tömning (figur 6). De fullständiga uppblåsningstiderna för ballongtaggarna med två kapslar och fyra kapslar var dock nästan identiska. De tre kapslarna börjar tömmas först, följt av de fyra kapslarna och slutligen de två kapslarna.
Figur 1: Steg-för-steg-bilder som illustrerar processen för fyllning av reagenskapslar för ballongmärkning . A) Blandning och malning av oxalsyra och natriumbikarbonat. (B) Rikta in inkapslingsarket ovanpå lockarket. (C) Häll kapseltopparna i inkapslingsarket. (D) Skaka topparna i hålen på inkapslingsarket. (E) Häll överflödiga toppar i en ren kopp. (F) Identifiera uppochnedvända kapseltoppar och vända på dem. (G) Häll syra/baspulverblandningen på bottenarket. (H) Sprid pulvret för att fylla kapselbottnarna. (I) Kontrollera att alla kapselbottnar är fyllda. (J) Invertera lockplåten med den anbringade mittplåten och rikta in den mot den fyllda bottenplåten. (K) Tryck ned lockarket för att sammanfoga de övre och nedre kapslarna. (L) Se till att varje kapsel sitter tätt upptill och nedtill. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Steg-för-steg-bilder som visar processen för att göra silikonproppar med ballongtaggar . (A) Försegla varje öppning med genomskinlig packtejp på undersidan av formplattan. (B) Häll silikonblandningen i varje propphål. (C) Sprid ut silikonet i varje stopphål med hjälp av en gummiskrapa. (D) Ta bort tejpen från baksidan av formplattan efter att propparna har härdat. (E) Ta bort propparna från formen. (F) Ta bort överflödigt silikon som sitter fast på propparna. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Steg-för-steg-bilder som illustrerar monteringen av en ballongtagg . (A) Sätt in ett håltagningsverktyg i silikonproppen. (B) Stick in ett håltagningsverktyg i en 15 G sprutkanyl. (C) Klipp av en 6-tums bit av 50 lb. fiskelina och trä den genom 15 G sprutnålen och in i silikonproppen. (D) Ta bort 15 G sprutkanylen från proppen och låt fiskelinan sitta kvar inuti. E) Insättning av två syra-/basfyllda kapslar i latexballongen. (F) Utvidga ballongöppningen med ett gummibandsexpansionsverktyg och sätt in en silikonpropp. (G) Placera två O-ringar på gummibandsexpansionsverktyget, expandera dem och för in latexballonghalsen genom de expanderade O-ringarna. (H) Dra försiktigt bort två O-ringar från gummibandsexpansionsverktyget, linda dem tätt runt ballonghalsen, centrerade på proppen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Steg-för-steg-foton som visar processen att knyta en ballongtagg till en sensorfiskhatt . (A) Trä ena änden av fiskelinan genom ett litet hål i sensorfisklocket, för det genom det stora mitthålet och knyt ihop båda ändarna, lämna ett mellanrum på 13 till 26 mm mellan lockets topp och ballongens bas. (B) Ballong tag fäst på en sensor fisklock. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Uppblåsning av ballongtaggar. Genomsnittlig uppblåsningstid för ballongtaggar med vatten vid (A) 12,7 °C och (B) 18,3 °C vid användning av 5 till 10 ml vatten för tvåkapsel (grön), tre kapslar (blå) och fyra kapslar (grå) ballongtaggar. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Volym och uppblåsningstid för ballongtaggar. (A) Volymer av ballonger vid full uppblåsningstid, och (B) genomsnittliga tider till början av uppblåsning, full uppblåsning och start av tömning för ballongmärken med två kapslar (kvadrater), tre kapslar (trianglar) och fyra kapslar (stjärnor) med 5 ml vatten vid 18,3 °C. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Vattentemperatur | 18,3 °C | 12,7 °C | ||||
| Antal kapslar | 2 | 3 | 4 | 2 | 3 | 4 |
| Genomsnittlig volym | 76.1 | 114 | 120 | 72.1 | 103 | 117 |
| Standardavvikelse | 6.53 | 1.28 | 7.53 | 6.82 | 5.07 | 6.14 |
Tabell 1: Genomsnittlig volym och standardavvikelse (cm 3) för ballongtaggar med två kapslar, tre kapslar och fyra kapslar efter injektion av 5 ml vatten vid 18,3 °C och 12,7 °C.
Tilläggsfil 1: STL-fil för utskrift av formplattan. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggsfil 2: Citronsyra. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denna studie drog slutsatsen att ballongtaggar med tre kapslar som injicerades med 5 ml vatten vid 18,3 °C hade en långsammare startuppblåsningstid och konsekvent större volym jämfört med ballongtaggar med två kapslar och fyra kapslar. När ballongtaggarna injicerades med vatten vid 12,7 °C var den genomsnittliga volymen mindre och uppblåsningstiden längre. De tre kapslarna börjar tömmas först, följt av de fyra kapslarna och slutligen de två kapslarna. Uppblåsnings- och tömningsperioderna i samband med varje vattentemperatur kan vara till hjälp på fältet. För studier som kräver en längre uppblåsningstid kan kallare vatten resultera i en långsammare uppblåsning av ballongmärkena, vilket möjliggör testning vid stora anläggningar där fisk eller sensorfiskar kan vara mer utbredda och kräva en längre hämtningstid, liknande de fältstudier som utförts av Martinez et al.7,12. Varmare vatten skulle kunna användas för att öka uppblåsningstakten för att testa modeller i reducerad skala och små hydrauliska strukturer, såsom lantbruksskärmar och skalade vattenturbiner11,17.
De mest kritiska stegen i tillverkningen av ballongtaggarna är att se till att natriumbikarbonat- och oxalsyrapulvren blandas ordentligt med hjälp av en mortel och mortelstöt före inkapsling. Detta kommer att producera en finmald kemisk förening utan klumpar som annars skulle kunna förändra det kemiska förhållandet. Efter tillverkningen måste kapslarna hållas borta från direkt solljus och förseglas i en lufttät behållare för att förhindra fuktabsorption från luften, vilket kan bryta ned de vegetabiliska kapslarna18.
Den största fördelen med denna metod är dess kostnadseffektivitet och enkla tillverkningsprocess. Den beräknade materialkostnaden för att producera en ballong är endast 0,50 USD. Detta är fördelaktigt för studier med begränsad budget som kräver ett stort urval. Ballongtaggarna kommer att stödja utplacering av sensorfiskar och bedömningar av fiskars överlevnad och skador vid vattenkraftsdammar och andra hydrauliska strukturer. Denna metod adresserar det växande behovet av hållbar energi och fortsatta turbinbyten i USA19. Efter införandet av ny teknik är fältutvärdering nödvändig för att validera designförbättringarna av tekniken20. Utvärderingsresultaten kan också ge insikter för förbättrad turbindesign och informera förvaltningsbeslut om drift av turbiner för att förbättra fiskpassageförhållandena21.
Tillverkning och användning av ballongtaggar har vissa begränsningar som måste beaktas. Den manuella blandningsprocessen med mortel och mortelstöt för att säkerställa noggrann blandning av natriumbikarbonat och oxalsyrapulver före inkapsling kan vara tidskrävande och arbetskrävande, vilket begränsar skalbarheten. Dessutom kräver de vegetabiliska kapslarna som används i taggarna noggrann förvaring borta från direkt solljus i en lufttät behållare för att förhindra nedbrytning, vilket ökar komplexiteten i hantering och transport, särskilt i fältmiljöer. Dessutom är ballongmärkenas prestanda temperaturberoende, med kallare vatten som resulterar i mindre genomsnittlig volym och längre uppblåsningstid, vilket begränsar deras lämplighet för studier som kräver kortare uppblåsningsperioder eller testning vid mindre hydrauliska strukturer. Omvänt kan varmare vatten öka uppblåsningshastigheten men kan begränsa tillämpligheten i kallare miljöer eller större anläggningar som kräver längre hämtningstider. Dessa begränsningar bör noga övervägas och åtgärdas för optimal användning av ballongtaggar i olika forskningsscenarier.
För att garantera din säkerhet när du arbetar med farliga kemikalier, såsom de som beskrivs i detta manuskript, är det absolut nödvändigt att konsultera säkerhetsdatabladet för omfattande vägledning om korrekt hantering och förvaring. Specifikt utgör oxalsyra en risk för människors hälsa om den kommer i kontakt med huden eller förtärs. Dessutom uppvisar den känslighet för värme och kan reagera våldsamt med oxidationsmedel, såsom nitrater, vilket kan leda till bränder och explosioner22. Vid hantering av oxalsyra är det därför viktigt att arbeta i ett välventilerat dragskåp och bära personlig skyddsutrustning, såsom ögonskydd, mask och handskar, för att förhindra skador eller irritation.
Citronsyra kan fungera som en alternativ kemikalie för ballongtaggarna i stället för oxalsyra, främst på grund av dess erkännande från Food and Drug Administration som ett säkert ämne för användning i både livsmedels- och hudprodukter23. Till skillnad från oxalsyra uppvisar citronsyra minskad känslighet för värme och är oförenlig med oxidationsmedel, starka baser eller syror. Precis som med oxalsyra kräver hantering av citronsyra användning av ett välventilerat dragskåp och lämplig personlig skyddsutrustning.
Reaktionen med citronsyra (C6H8O7) och natriumbikarbonat (NaHCO3) i vatten genererar också koldioxid (CO2 ) för att blåsa upp ballongmärkena. Denna kemiska process resulterar i bildandet av natriumcitrat (Na3C6H5O7), vatten och koldioxid, vilket illustreras i följande ekvation:
C 6 H8O 7 + 3NaHCO 3 → Na 3 C6H5O 7 +3H2 O +3CO 2
Begränsningen med att använda citronsyra är att för samma massa av material (syra + natriumbikarbonat) som lagras inuti ballongmärket är mängden CO2 som genereras cirka 81 % av vad som produceras av oxalsyra. Detta är en viktig faktor eftersom det minskar storleken på ballongtaggen och ballongtaggens fulla inflationstid är längre. Om citronsyra används i stället för oxalsyra rekommenderas att man använder ett massförhållande på 1:2 (natriumbikarbonat till citronsyra) för att uppnå en ballongvolym på 46cm3 och en full uppblåsningstid på 15 minuter. För mer information, se tilläggsfil 2: Citronsyra.
Denna forskning fokuserar på att utveckla och använda ballongmärkningsteknik, ett verktyg som är utformat för att lokalisera och hjälpa till att återställa sensorfiskar och levande fiskar efter att de navigerat genom hydrauliska strukturer. Det primära målet är att förbättra förståelsen för hur dessa strukturer påverkar vattenlevande djur, vilket i slutändan underlättar skapandet av mer fiskvänliga turbiner. Detta tillvägagångssätt erbjuder inte bara kostnadseffektivitet utan omfattar också en enkel tillverkningsprocess, som, när den optimeras, kan möjliggöra storskalig produktion av dessa taggar. Dessutom kan dessa taggar anpassas för att passa olika arter och vattenmiljöer. Framtida forskning kommer att fördjupa sig i att optimera ballongmärkningens prestanda under olika förhållanden, utforska deras effekter på fiskars beteende och ta itu med miljöproblem. Även om våra preliminära resultat är lovande, är omfattande fälttester nödvändiga för verklig validering och långsiktig hållbarhetsbedömning. Sammantaget syftar denna forskning till att främja hållbar och ansvarsfull vattenkraftsutveckling genom att tillhandahålla ett verktyg som hjälper till att bedöma och mildra effekterna av hydrauliska strukturer på fisk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inga intressekonflikter.
Acknowledgments
Denna studie finansierades av U.S. Department of Energy (DOE) Water Power Technologies Office. Laboratoriestudierna utfördes vid Pacific Northwest National Laboratory, som drivs av Battelle för 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 |
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).
