JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

1. Кислотно-щелочная инкапсуляция

  1. 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).
  2. Извлеките капсулы на растительной основе размера 3 и полуавтоматическую машину для наполнения капсул, чтобы начать процесс (см. Таблицу материалов).
  3. Положите крышку на чистую сухую поверхность. Выровняйте лист инкапсуляции поверх листа крышки с помощью черных колышков, чтобы правильно зафиксировать его на месте (Рисунок 1B).
  4. 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.
  5. 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).
    1. 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.
  6. Снимите инкапсуляционную пленку и отложите заполненную крышку.
  7. 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.
  8. 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.
  9. Снимите лист инкапсуляции с нижнего листа и отложите его в сторону.
  10. 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.
  11. 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.
  12. Переверните верхний лист с прикрепленным средним листом и совместите его с заполненным нижним листом (рисунок 1J).
  13. Осторожно надавите на колпачок одинаково со всех сторон, чтобы соединить верхние и нижние части, соединив обе стороны капсулы вместе (Рисунок 1K).
  14. Снимите верхний лист и средний лист с нижнего листа. На этом этапе нижняя и верхняя части капсулы должны быть правильно соединены друг с другом.
    1. 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.

2. Производство силиконовых пробок

  1. С помощью 3D-принтера для моделирования методом наплавления (FDM) (см. Таблицу материалов) распечатайте формовочную пластину, используя файл STL, приведенный в дополнительном файле 1.
  2. Поместите прозрачную упаковочную ленту на нижнюю сторону формовочной плиты так, чтобы каждое отверстие было запечатано (Рисунок 2A).
  3. 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.
  4. Поместите формовочную пластину с упаковочной лентой на лист бумаги. Бумага улавливает любое потенциальное пролитие силикона с формовочной плиты.
  5. 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.
  6. 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).
  7. Удалите излишки силикона, прикрепленные к пробкам (Рисунок 2F).

3. Сборка метки номера позиции

  1. 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.
  2. 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).
    1. 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.
  3. 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.
  4. 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.

  1. 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).
  2. 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.
  3. Оставьте дополнительную леску прикрепленной, так как разрезание ее слишком близко к узлу может привести к тому, что узел развяжется (Рисунок 4B).
  4. 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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

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 нач?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

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 б?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Раскрытие информации

Конфликт интересов у авторов отсутствует.

Благодарности

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
3D Printed Silicone Stopper PlateNANA
ARC800 Sensor FishATSNA
FDM 3D printerNANA
Manual Capsule Filler Machine CN-400CL (Size #3)CapsulcnNA
Mold Star 15 SLOWSmooth-OnNA
Oil-Resistant Buna-N O-RingMcMaster-CarrSN: 9262K141
Oxalic Acid, 98%, Anhydrous Powder (C2H2O4) Thermo Scientific CAS: 144-62-7
Rubber Band Expansion TooliplusmileNA
Separated Vegetable Cellulose Capsules (Size #3)Capsule ConnectionNA
Smiley Face YoYo Latex balloonYoYo Balloons, Etc.NA
Sodium Bicarbonate Powder (CHNaO3) SigmaCAS: 144-55-8
Spectra Fiber Braided Fishing Line (50 lbs.)Power ProNA

Ссылки

  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

200

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены