Технология изготовления бирок для воздушных шаров для извлечения сенсорной рыбы и живой рыбы
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.
Protocol
Representative Results
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 б?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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. U.S. Hydropower Market Report. Oak Ridge National Laboratory. , (2021).
- 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. l. e. n. n. . 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. o. a. w. i. a. . 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. , (2016).
- Duncan, J. o. a. n. n. e. . P., et al. Physical and ecological evaluation of a fish-friendly surface spillway. Ecological Engineering. 110, 107-116 (2018).
- Trumbo, B. r. a. d. l. y. . 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. , (2017).
- U.S. Food and Drug Administration. . CFR – Code of Federal Regulations Title 21. , (1994).
