Summary
Sensör Balıkları ve canlı balıkları geri kazanmak için balon etiketlerinin tasarlanması ve üretilmesi için bir protokol sunulmakta, hidrolik yapılarda fiziksel durumlarının ve biyolojik performanslarının değerlendirilmesine olanak sağlanmaktadır. Yöntem, balon hacmi, şişirme/indirme süreleri, bileşen seçimi ve enjekte edilen suyun özellikleri gibi faktörleri göz önünde bulundurarak balon etiketi performansını optimize eder.
Abstract
Balıklar, hidroelektrik barajlarındaki hidrolik nakillerden geçtiklerinde, bu nakiller aşağı akış baypas sistemleri, modifiye dolusavaklar ve türbinler gibi balık dostu olacak şekilde tasarlanmış olsalar bile, yaralanmalar ve ölümler yaşayabilirler. Hidrolik yapılarda balık geçiş koşullarını incelemek için kullanılan ana yöntemler, Sensör Balık teknolojisi ve canlı balık kullanılarak doğrudan, yerinde test yapılmasını içerir. Sensör Balık verileri, fiziksel stres faktörlerini ve balık geçiş ortamındaki konumlarını belirlemeye yardımcı olurken, canlı balıklar yaralanma ve ölüm oranı açısından değerlendirilir. Sensör Balıklarına ve canlı balıklara dışarıdan takılan kendiliğinden şişen balonlar olan balon etiketleri, hidrolik yapılardan geçtikten sonra toparlanmalarına yardımcı olur.
Bu makale, iki farklı sıcaklıkta oksalik asit, sodyum bikarbonat tozları ve su karışımı içeren değişen sayıda çözünebilir, bitkisel bazlı kapsüllere sahip balon etiketlerinin geliştirilmesine odaklanmaktadır. Araştırmamız, 18.3 ° C'de 5 mL su enjekte edilen üç kapsüllü balon etiketlerinin sürekli olarak istenen balon hacmine ulaştığını belirledi. Bu etiketlerin ortalama şişirme hacmi 114 cm3, standart sapması 1,2cm3'tür. 18.3 °C'de su enjekte edilen balon künyeleri arasında iki kapsüllü balon künyelerinin tam şişirmeye ulaşmasının en uzun sürdüğü gözlemlendi. Ek olarak, dört kapsüllü balon etiketleri daha hızlı bir enflasyon başlangıç zamanı gösterirken, üç kapsüllü balon etiketleri daha hızlı bir deflasyon başlangıç zamanı gösterdi. Genel olarak, bu yaklaşımın yeni teknolojilerin performansını doğrulamak, türbin tasarımını iyileştirmek ve balık geçiş koşullarını iyileştirmek için operasyonel kararlar almak için etkili olduğu kanıtlanmıştır. Araştırma ve saha değerlendirmeleri için değerli bir araç olarak hizmet eder ve hidrolik yapıların hem tasarımının hem de işletilmesinin iyileştirilmesine yardımcı olur.
Introduction
Hidroelektrik, dünya çapında önemli bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Amerika Birleşik Devletleri'nde hidroelektrik, yenilenebilir kaynaklardanüretilen elektriğin tahminen %38'ine veya 274 TWh'sine katkıda bulunur 1 ve yılda yaklaşık 460 TWh ekleme potansiyeline sahiptir2. Bununla birlikte, hidroelektrik gelişimi arttıkça, hidrolik geçiş sırasında balık yaralanması ve ölümleri ile ilgili endişeler çok önemli hale gelmiştir3. Hızlı dekompresyon (barotravma), kayma gerilimi, türbülans, grevler, kavitasyon ve öğütme dahil olmak üzere geçiş sırasında balık yaralanmalarına çeşitli mekanizmalar katkıda bulunur4. Bu yaralanma mekanizmaları balığın genel durumu üzerinde hemen bir etkiye sahip olmasa da, onları hastalıklara, mantar enfeksiyonlarına, parazitlere ve avlanmaya karşı daha savunmasız hale getirebilir5. Ek olarak, türbinler veya diğer hidrolik yapılarla çarpışmalardan kaynaklanan doğrudan fiziksel yaralanmalar önemli ölümlere yol açabilir ve hidroelektrik gelişiminde bu risklerin azaltılmasının önemini vurgulamaktadır.
Balık geçiş koşullarını değerlendirmek için en yaygın yöntemlerden biri, Sensör Balıkları ve canlı balıkları hidrolik yapılar 6,7 yoluyla serbest bırakmaktır. Sensör Balık, balıkların türbinler, dolusavaklar ve baraj baypas alternatifleri 8,9 dahil olmak üzere hidrolik yapılardan geçiş sırasında yaşadıkları fiziksel koşulları incelemek için tasarlanmış otonom bir cihazdır. 3D ivmeölçer, 3D jiroskop, sıcaklık sensörü ve basınç sensörü9 ile donatılmış Sensor Fish, balık geçiş koşulları hakkında değerli veriler sağlar.
Sensör Balıklarına ve canlı balıklara dışarıdan takılan kendiliğinden şişen balonlar olan balon etiketleri, hidrolik yapılardan geçtikten sonra toparlanmalarına yardımcı olur. Balon etiketleri, gaz üreten kimyasallarla (örneğin oksalik asit ve sodyum bikarbonat) doldurulmuş çözünebilir kapsüllerden, bir silikon tıpadan ve bir misinadan oluşur. Yerleştirmeden önce, silikon tıpadan balonun içine su enjekte edilir. Su, bitkisel bazlı kapsülleri çözerek balonu şişiren gaz üreten kimyasal bir reaksiyonu tetikler. Bu nötralizasyon reaksiyonunda, zayıf bir baz olan sodyum bikarbonat ve zayıf bir asit olan oksalik asit, karbondioksit, su ve sodyum oksalat10 oluşturmak üzere reaksiyona girer. Kimyasal reaksiyon aşağıda verilmiştir:
2NaHCO3+ H2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2 O4
Şişirilmiş balon, Sensör Balıklarının ve canlı balıkların kaldırma kuvvetini artırarak, daha kolay iyileşme için su yüzeyinde yüzmelerini sağlar.
Yüzdürme sağlamak ve bir numunenin (örneğin, Sensör Balığı veya canlı balık) alınmasını kolaylaştırmak için gereken balon etiketlerinin sayısı, numunenin hacmine ve kütle özelliklerine bağlı olarak değişebilir. Balon etiketi şişirme süresi, farklı sıcaklıklarda su enjekte edilerek ayarlanabilir. Daha soğuk su şişirme süresini artırırken, daha sıcak su onu azaltacaktır. Balon etiketleri, Hood River, Oregon11'deki benzersiz bir yatay, düz plaka balık ve enkaz perde yapısı olan Farmers Screen ve Lao Demokratik Halk Cumhuriyeti12'deki Nam Ngum Barajı'ndaki bir Francis türbini dahil olmak üzere çeşitli yerlerde başarıyla kullanılmıştır. Piyasada bulunan bir başka balon etiketi örneği de Hi-Z Turb'N Tag13,14'tür. Hi-Z Turb'N Etiketi, şişirme süresinin enjekte edilen su sıcaklığına bağlı olarak 2 dakika ile 60 dakika arasında ayarlanmasını sağlar13. Bu teknoloji, Columbia Nehri üzerindeki Rocky Reach Barajı'nda salınan Chinook somon smoltlarını ve Connecticut Nehri15,16 üzerindeki Hadley Falls Barajı'ndaki genç Amerikan tıraşını içeren çalışmalar da dahil olmak üzere birçok saha sahasında balık çalışmalarında kullanılmıştır. Her iki teknoloji de geri kazanım için balon etiketlerini şişirmek için asit-baz kimyasal reaksiyonlarını kullanır.
Bu yöntem, balon başına yalnızca 0,50 ABD doları tahmini malzeme maliyeti ile üretimde maliyet etkinliği ve basitlik sunar. Burada açıklandığı gibi, üretim sürecini takip etmek kolaydır ve balon etiket üretimini herkes için erişilebilir hale getirir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Asit/baz kapsülleme
- Bir karıştırma kabındaH2C2O4(oksalik asit)ve NaHCO3 (sodyum bikarbonat) ağırlığına göre 1:2 oranında karıştırın (Malzeme Tablosuna bakınız). Asit-baz toz karışımı kristalleşirse, bir havan ve havaneli kullanarak öğütün (Şekil 1A).
- İşleme başlamak için 3 boy bitkisel bazlı kapsülleri ve yarı otomatik kapsül dolum makinesini alın (Malzeme Tablosuna bakınız).
- Kapak tabakasını temiz ve kuru bir yüzeye düz bir şekilde yerleştirin. Yerine doğru şekilde sabitlemek için siyah mandalları kullanarak kapsülleme sayfasını kapak sayfasının üstüne hizalayın (Şekil 1B).
- Önceden ayrılmış kapsüller kullanmadığınız sürece kapsül üstlerini ve altlarını ayırın. # 3 büyüklüğündeki sebze kapsülleri, kapatıldığında, 15.9 mm uzunluğunda, 5.57 mm dış çap (OD), 0.30 mL hacim ve 47 mg ağırlığındadır.
- Kapsül üstlerini kapsülleme tabakasına dökün (Şekil 1C). Üst kısımları dairesel hareketlerle deliklere hafifçe sallayın. Bunu yaparken, üst kısımların dökülmesini önlemek için kapsülleme tabakasının duvarındaki boşluğu bir elinizle veya bir toz serpme makinesi ile kapatın (Şekil 1D).
- Delikler doldurulduktan sonra, fazla kapsül üstlerini temiz bir kaba dökün (Şekil 1E). Baş aşağı kapsül üstlerini belirleyin ve ters çevirin (Şekil 1F). Tüm kapsül üstlerinin kapak sayfasında doğru yöne baktığından emin olun. Yanlış hizalama, kapsül üstlerinin kapsül tabanlarıyla düzgün şekilde birleşmemesine neden olabileceğinden, doğru yönlendirmenin sağlanması önemlidir.
- Kapsülleme sayfasını çıkarın ve doldurulmuş kapak sayfasını bir kenara koyun.
- Gövdeyi veya "alt" tabakayı çıkarın. Temiz, kuru ve düz bir yüzeye yerleştirin. Kapsülleme tabakasını alt tabakaya sabitleyin ve yerine doğru şekilde yerleştirmek için siyah mandalları kullanarak doğru hizalamayı sağlayın.
- Kapsül tabanlarını kapsülleme tabakasına dökün ve delikleri doldurmak için daha önce olduğu gibi dairesel hareketlerle sallayın. Fazla kapsül diplerini dökün. Baş aşağı kapsül diplerini belirleyin ve ters çevirin.
- Kapsülleme sayfasını alt sayfadan çıkarın ve bir kenara koyun.
- Asit/baz tozu karışımını doldurulmuş alt tabakaya dökün (Şekil 1G). Kapsül tabanlarını tozla doldurmak için plastik bir yayıcı kullanın (Şekil 1H). Tüm kapsül tabanlarının dolu olduğunu kontrol edin (Şekil 1I). Kullanılmayan asit/baz tozunu çıkarın.
- Kapak tabakasını düz bir yüzeye yerleştirin ve doğru oturmasını sağlamak için orta tabakayı siyah mandallarla hizalayarak üstüne yerleştirin. Tüm kapsül üstlerini orta tabakadaki karşılık gelen deliklerle hizaladığınızdan emin olun.
- Kapak sayfasını yapıştırılmış orta tabaka ile ters çevirin ve doldurulmuş alt tabaka ile hizalayın (Şekil 1J).
- Kapsülün her iki tarafını birbirine uydurarak üst ve alt kısımları birleştirmek için kapak tabakasına her taraftan eşit şekilde hafifçe bastırın (Şekil 1K).
- Kapak sayfasını ve orta sayfayı alt sayfadan çıkarın. Bu noktada, kapsül altları ve üstleri düzgün bir şekilde birleştirilmelidir.
- Her kapsülün üst ve alt kısmının sıkıca oturduğundan emin olun; Değilse, sıkı bir uyum oluşturmak için kapsülün üst ve alt kısmına manuel olarak bastırın. Doldurulmuş kapsülleri çıkarın ve hava geçirmez, sızdırmaz bir kaba koyun (Şekil 1L).
NOT: Güvenli kullanım için, kullanıcıların kişisel koruyucu ekipman (KKD) ve yüz koruması kullanmaları önemlidir. Yeterli havalandırma sağlanmalı ve maddenin cilt, göz veya giysilerde yutulmasını, solunmasını ve temasını önlemek için önlemler alınmalıdır. Ek olarak, toz oluşumunu önlemek önemlidir. Güvenlikle ilgili ayrıntılı bilgi için lütfen oksalik asit ve sodyum bikarbonat için güvenlik bilgi formuna (SDS) bakın. Asit/baz kapsüllerin bütünlüğünü korumak için doğrudan güneş ışığından ve yüksek nemden uzakta saklanması tavsiye edilir. Kullanılmayan kapsülleri kapalı, hava geçirmez bir kapta saklayın. Kapsüller kuru ve nemden uzak tutulduğu sürece, optimum işlevselliği sağlamak için etkili bir şekilde kullanılabilirler.
- Her kapsülün üst ve alt kısmının sıkıca oturduğundan emin olun; Değilse, sıkı bir uyum oluşturmak için kapsülün üst ve alt kısmına manuel olarak bastırın. Doldurulmuş kapsülleri çıkarın ve hava geçirmez, sızdırmaz bir kaba koyun (Şekil 1L).
2. Silikon tıpa imalatı
- Kaynaşmış biriktirme modelleme (FDM) 3D yazıcı kullanarak (Malzeme Tablosuna bakın), Ek Dosya 1'de sağlanan STL dosyasını kullanarak bir kalıp plakası yazdırın.
- Kalıp plakasının alt tarafına, her açıklığın kapatılması için şeffaf bir ambalaj bandı yerleştirin (Şekil 2A).
- Ağırlıkça 1:1 oranında (örneğin, Kısım A ve Kısım B'nin her biri 50 g) piyasada bulunan silikon kalıp malzemesini bir karıştırma kabına karıştırın (Malzeme Tablosuna bakın). Tek kullanımlık bir kaşık kullanarak, kimyasal bileşiği yaklaşık 5 dakika veya homojen hale gelene kadar iyice karıştırın.
- Kalıp plakasını ambalaj bandıyla birlikte bir kağıt parçasının üzerine yerleştirin. Kağıt, kalıp plakasından olası silikon dökülmesini yakalayacaktır.
- Silikon karışımını her bir tıpa deliğine dökmeye başlayın ve hepsinin dolu olduğundan emin olun (Şekil 2B). Silikonu her bir durdurucu deliğine yaymak için lastik bir silecek kullanın (Şekil 2C). Kalan silikon karışımını kalıp plakasının yüzeyinden çıkarın.
- Lastik tıpaları 4 saat kurumaya bırakın. Tıpaların tamamen kürlendiğinden emin olduktan sonra (örneğin, silikon karışımı tamamen kurumuş ve sertleşmiş), bandı kalıp plakasının arkasından çıkarın (Şekil 2D) ve ardından tıpaları kalıptan çıkarmaya başlayın (Şekil 2E).
- Tıpalara bağlı fazla silikonu çıkarın (Şekil 2F).
3. Balon etiketi montajı
- Delici aleti (örn. düz diş penası) silikon tıpaya dikkatlice yerleştirin (Şekil 3A) (bkz. Malzeme Tablosu). Delici aleti 15 G'lik bir şırınga iğnesine yerleştirin ve ardından delici aleti silikon tıpadan çıkarın, içeride sadece 15 G'lik iğne kalacak şekilde (Şekil 3B). Delici alet, herhangi bir malzemeyi kesmeden veya çıkarmadan silikon tıpa içinde bir yarık oluşturacaktır.
- 50 lb'lik bir misina parçasını 150 mm uzunluğa kadar kesin ( Malzeme Tablosuna bakın). Misinayı 15 G şırınga iğnesinden silikon tıpaya sokun (Şekil 3C).
- Tıpayı ve misinayı dikkatlice bir arada tutarken, 15 G şırınga iğnesini durdurucunun gövdesinden çıkarın ve misinayı durdurucunun içinde bırakın (Şekil 3D). Misina uzunluklarının durdurucunun her iki tarafında eşit olduğundan emin olun.
- İki asit/baz tozu dolu kapsülü bir lateks balona yerleştirin (Şekil 3E) (bkz. Lastik bant genişletme aletini (yani kastrasyon bandı pensesi) kullanarak balon açıklığını genişletin ve ardından oltanın iki ucunu balonun dışında bırakarak balon açıklığına dikkatlice bir silikon tıpa yerleştirin (Şekil 3F).
- Lastik bant genişletme aletine iki O-ring (1.6 mm genişliğinde, 8.1 mm iç çap, Malzeme Tablosuna bakın) yerleştirin ve genişletin. Lateks balonun boynunu genişletilmiş iki O-ringden geçirin (Şekil 3G). İki O-ringi dikkatlice lastik bant genişletme aletinden çekin ve durdurucuyu ortalayarak balonun boynuna sıkıca sarın (Şekil 3H).
4. Sensörlü Balık kapaklarına balon etiketi eki
- Oltanın bir ucunu Sensör Balık kapağındaki küçük deliklerden birinden geçirin (Malzeme Tablosuna bakın) ve kapağın ortasındaki büyük delikten geçirin (Şekil 4A).
- Oltanın iki ucunu birbirine bağlayın ve kapağın üst kısmı ile balonun tabanı arasında yaklaşık 13 ila 26 mm bırakın. Oltayı bağlarken üst üste dört el düğümü kullanın.
- Fazladan oltayı takılı bırakın, çünkü bir düğüme çok yakın kesmek potansiyel olarak düğümün çözülmesine neden olabilir (Şekil 4B).
- Düğümün her iki tarafındaki oltayı parmaklarınızla kavrayarak ve mümkün olduğunca sert çekerek düğümü test edin. Oltayı istemeden lastik tıpadan yırtabileceğinden, balona çok yaklaşmamaya dikkat edin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Balon etiketleri üretmek için en uygun yöntemleri belirlemek için, balona enjekte edilen suyun hacmine ve sıcaklığına odaklanan bir çalışma yapılmıştır. Çalışmada, enflasyon başlangıç zamanı, tam enflasyon zamanı, deflasyon başlangıç zamanı ve tam enflasyondaki balonun hacmi dahil olmak üzere çeşitli girdi parametreleri incelenmiştir. Çalışma, ortam sıcaklığı 21 °C olan bir masada gerçekleştirilmiştir.
Çalışma için toplam 360 adet balon künyesi hazırlandı. Etiketler 36 sete bölündü ve her set 10 balon etiketi içeriyordu. Setler, iki, üç veya dört kapsül dahil olmak üzere kapsül sayısına göre kategorize edildi. Her setteki etiketlere 18.3 veya 12.7 °C sıcaklıklarda 5, 6, 7, 8, 9 veya 10 mL su enjekte edildi. 12.7 ° C'lik sıcaklık, kapsül çözünmesine izin veren en düşük sıcaklık olarak seçilirken, 18.3 ° C, pratiklik için oda sıcaklığını temsil ediyordu.
Sonuçlar, 12,7 °C'ye kıyasla 18,3 °C'de su kullanıldığında tam şişirmenin daha hızlı gerçekleştiğini göstermiştir (Şekil 5). Bitkisel bazlı kapsüllerin daha düşük sıcaklıklarda daha yavaş çözünmesi, şişirmede gecikmeye neden oldu. Test edilen koşullar arasında, 18.3 °C'de 5 mL su enjekte edilen üç kapsüllü balon etiketleri, ortalama 114cm3 hacim ve 1.28cm3 standart sapma ile tutarlı bir boyut sergilemiştir (Tablo 1). 18.3 °C'de, dört kapsüllü balon etiketleri daha hızlı bir şişirme başlangıç zamanı gösterirken, üç kapsüllü balon etiketleri daha hızlı bir deflasyon başlangıç zamanı gösterdi (Şekil 6). Bununla birlikte, iki kapsül ve dört kapsül balon etiketleri için tam şişirme süreleri neredeyse aynıydı. Önce üç kapsül sönmeye başlar, ardından dört kapsül ve son olarak iki kapsül gelir.
Şekil 1: Balon etiketi şişirme reaktif kapsüllerini doldurma işlemini gösteren adım adım görüntüler . (A) Oksalik asit ve sodyum bikarbonatın karıştırılması ve öğütülmesi. (B) Kapsülleme kağıdının kapak sayfasının üstüne hizalanması. (C) Kapsül üstlerinin kapsülleme tabakasına dökülmesi. (D) Üst kısımları kapsülleme tabakasının deliklerine sallamak. (E) Fazla üstleri temiz bir kaba dökmek. (F) Baş aşağı kapsül üstlerini belirlemek ve ters çevirmek. (G) Asit/baz tozu karışımının alt tabakaya dökülmesi. (H) Kapsül tabanlarını doldurmak için tozun yayılması. (I) Tüm kapsül tabanlarının dolu olduğunun doğrulanması. (J) Kapak sayfasını yapıştırılmış orta tabaka ile ters çevirmek ve doldurulmuş alt tabaka ile hizalamak. (K) Üst ve alt kapsülleri birleştirmek için kapak kağıdına bastırın. (L) Her kapsülün üst ve alt kısmının sıkıca oturmasını sağlamak. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Balon etiketli silikon tıpaların yapım sürecini gösteren adım adım resimler . (A) Her açıklığın kalıp plakasının alt tarafında şeffaf ambalaj bandı ile kapatılması. (B) Silikon karışımını her bir tıpa deliğine dökmek. (C) Silikonu lastik bir silecek kullanarak her bir durdurucu deliğine yaymak. (D) Tıpalar sertleştikten sonra bandın kalıp plakasının arkasından çıkarılması. (E) Tıpaların kalıptan çıkarılması. (F) Tıpalara bağlı fazla silikonun çıkarılması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Bir balon etiketinin montajını gösteren adım adım fotoğraflar . (A) Silikon tıpaya delici bir alet yerleştirmek. (B) 15 G'lik bir şırınga iğnesine delici bir alet sokmak. (C) 6 inçlik 50 lb'lik bir misina parçasını kesmek ve 15 G şırınga iğnesinden silikon tıpaya geçirmek. (D) 15 G şırınga iğnesini tıpadan çıkarmak, misinayı içeride bırakmak. (E) Lateks balona iki asit/baz dolu kapsül yerleştirmek. (F) Balon açıklığının bir lastik bant genişletme aleti ile genişletilmesi ve bir silikon tıpa takılması. (G) Lastik bant genişletme aletine iki O-ring yerleştirmek, bunları genişletmek ve lateks balon boynunu genişletilmiş O-ringlerden geçirmek. (H) İki O-ringi lastik bant genişletme aletinden dikkatlice çekerek, durdurucuyu ortalayarak balon boynunun etrafına sıkıca sarın. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Bir balon etiketini bir Sensör Balık kapağına bağlama işlemini gösteren adım adım fotoğraflar . (A) Oltanın bir ucunu Sensör Balık kapağındaki küçük bir delikten geçirmek, büyük orta delikten geçirmek ve her iki ucu birbirine bağlamak, kapağın üst kısmı ile balonun tabanı arasında 13 ila 26 mm boşluk bırakmak. (B) Sensörlü Balık kapağına takılan balon etiketi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Balon etiketlerinin şişirilmesi. İki kapsül (yeşil), üç kapsül (mavi) ve dört kapsül (gri) balon etiketleri için 5 ila 10 mL su kullanılarak (A) 12.7 °C ve (B) 18.3 °C'de su içeren balon etiketleri için ortalama şişirme süresi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Balon etiketlerinin hacmi ve şişirme süresi. (A) Tam şişirme zamanındaki balon hacimleri ve (B) 18,3 °C'de 5 mL su içeren iki kapsül (kare), üç kapsül (üçgen) ve dört kapsül (yıldız) balon etiketleri için şişirmenin başlamasına, tam şişirmeye ve deflasyonun başlamasına kadar geçen ortalama süreler. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Su Sıcaklığı | 18.3 °C | 12,7 °C | ||||
| Kapsül Miktarı | 2 | 3 | 4 | 2 | 3 | 4 |
| Ortalama Hacim | 76.1 | 114 | 120 | 72.1 | 103 | 117 |
| Standart sapma | 6.53 | 1.28 | 7.53 | 6.82 | 5.07 | 6.14 |
Tablo 1: 18.3 °C ve 12.7 °C'de 5 mL su enjekte edildikten sonra iki kapsüllü, üç kapsüllü ve dört kapsüllü balon etiketlerinin ortalama hacmi ve standart sapması (cm3).
Ek Dosya 1: Kalıp plakasını yazdırmak için STL dosyası. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 2: Sitrik Asit. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu çalışma, 18.3 ° C'de 5 mL su enjekte edilen üç kapsüllü balon etiketlerinin, iki kapsüllü ve dört kapsüllü balon etiketlerine kıyasla daha yavaş bir başlangıç şişirme süresine ve sürekli olarak daha büyük hacme sahip olduğu sonucuna varmıştır. Balon etiketlerine 12.7 °C'de su enjekte edildiğinde, ortalama hacim daha küçüktü ve şişirme süresi daha uzundu. Önce üç kapsül sönmeye başlar, ardından dört kapsül ve son olarak iki kapsül gelir. Her su sıcaklığıyla ilişkili enflasyon ve deflasyon dönemleri sahada yardımcı olabilir. Daha uzun bir şişirme süresi gerektiren çalışmalar için, daha soğuk su, balon etiketlerinin daha yavaş şişirilmesine neden olabilir, bu da balıkların veya Sensör Balıkların daha geniş bir alana yayılabileceği ve Martinez ve ark.7,12 tarafından yürütülen saha çalışmalarına benzer şekilde daha uzun bir geri alma süresi gerektirebileceği büyük tesislerde test yapılmasına olanak tanır. Çiftçi ekranları ve ölçekli hidrotürbinler gibi küçültülmüş ölçekli modelleri ve küçük hidrolik yapıları test etmek için enflasyon oranını artırmak için daha sıcak su kullanılabilir11,17.
Balon etiketlerinin üretimindeki en kritik adımlar, kapsüllemeden önce sodyum bikarbonat ve oksalik asit tozlarının bir havan ve havaneli kullanılarak iyice karıştırılmasını sağlamaktır. Bu, aksi takdirde kimyasal oranı değiştirebilecek kümeler olmadan ince öğütülmüş bir kimyasal bileşik üretecektir. Üretimden sonra, kapsüller doğrudan güneş ışığından uzak tutulmalı ve bitkisel bazlı kapsülleri bozabilecek havadan nem emilimini önlemek için hava geçirmez bir kapta kapatılmalıdır18.
Bu yöntemin temel avantajı, maliyet etkinliği ve basit üretim sürecidir. Bir balon üretmenin tahmini malzeme maliyeti sadece 0,50 ABD dolarıdır. Bu, büyük bir örneklem büyüklüğü gerektiren sınırlı bütçeli çalışmalar için avantajlıdır. Balon etiketleri, hidroelektrik barajlarda ve diğer hidrolik yapılarda Sensör Balık dağıtımlarını ve balık hayatta kalma ve yaralanma değerlendirmelerini destekleyecektir. Bu yöntem, Amerika Birleşik Devletleri'nde artan sürdürülebilir enerji ihtiyacını ve devam eden türbin değişimlerini ele almaktadır19. Yeni teknolojinin konuşlandırılmasından sonra, teknolojinin tasarım iyileştirmelerini doğrulamak için saha değerlendirmesi gereklidir20. Değerlendirme sonuçları ayrıca gelişmiş türbin tasarımı için içgörüler sağlayabilir ve balık geçiş koşullarını iyileştirmek için türbinlerin çalışmasına ilişkin yönetim kararlarını bilgilendirebilir21.
Balon etiketlerinin üretimi ve kullanımı, dikkate alınması gereken belirli sınırlamalara sahiptir. Kapsüllemeden önce sodyum bikarbonat ve oksalik asit tozlarının iyice karıştırılmasını sağlamak için bir havan ve havaneli kullanılarak yapılan manuel karıştırma işlemi, zaman alıcı ve emek yoğun olabilir ve ölçeklenebilirliği sınırlayabilir. Ayrıca, etiketlerde kullanılan bitkisel bazlı kapsüller, bozulmayı önlemek için hava geçirmez bir kapta doğrudan güneş ışığından uzakta dikkatli bir şekilde saklanmasını gerektirir ve özellikle saha ortamlarında taşıma ve nakliyeyi karmaşıklaştırır. Ek olarak, balon etiketlerinin performansı sıcaklığa bağlıdır, daha soğuk su, daha küçük ortalama hacim ve daha uzun şişirme süresi ile sonuçlanır, bu da daha kısa şişirme süreleri gerektiren veya daha küçük hidrolik yapılarda test gerektiren çalışmalar için uygunluklarını sınırlar. Tersine, daha sıcak su enflasyon oranını artırabilir, ancak daha soğuk ortamlarda veya daha uzun alım süreleri gerektiren daha büyük tesislerde uygulanabilirliği sınırlayabilir. Bu sınırlamalar, çeşitli araştırma senaryolarında balon etiketlerinin en iyi şekilde kullanılması için dikkatlice düşünülmeli ve ele alınmalıdır.
Bu yazıda ayrıntılı olarak açıklananlar gibi tehlikeli kimyasallarla çalışırken güvenliğinizi sağlamak için, bunların uygun şekilde taşınması ve depolanması konusunda kapsamlı rehberlik için SDS'ye danışmanız zorunludur. Spesifik olarak, oksalik asit, cilt ile temas ettiğinde veya yutulduğunda insan sağlığı için risk oluşturur. Ayrıca, ısıya duyarlılık gösterir ve nitratlar gibi oksitleyici maddelerle şiddetli reaksiyona girerek potansiyel olarak yangınlara ve patlamalara neden olabilir22. Bu nedenle, oksalik asitle çalışırken, yaralanma veya tahrişi önlemek için iyi havalandırılan bir çeker ocakta çalışmak ve göz koruması, maske ve eldiven gibi KKD giymek önemlidir.
Sitrik asit, öncelikle Gıda ve İlaç İdaresi'nin hem gıda hem de cilt ürünlerinde kullanım için güvenli bir madde olarak tanınması nedeniyle, oksalik asit yerine balon etiketleri için alternatif bir kimyasal görevi görebilir23. Oksalik asidin aksine sitrik asit, ısıya karşı azaltılmış hassasiyet gösterir ve oksitleyici maddeler, güçlü bazlar veya asitlerle uyumsuzdur. Tıpkı oksalik asitte olduğu gibi, sitrik asidin kullanılması, iyi havalandırılan bir çeker ocak ve uygun KKD kullanılmasını gerektirir.
Sudaki sitrik asit (C6H8O7) ve sodyum bikarbonatı (NaHCO3) içeren reaksiyon ayrıca balon etiketlerini şişirmek için karbondioksit (CO2) üretir. Bu kimyasal işlem, aşağıdaki denklemde gösterildiği gibi sodyum sitrat (Na3C6H5O7), su ve karbondioksit oluşumu ile sonuçlanır:
C 6 H8O 7 + 3NaHCO 3 → Na 3C6H5O 7 + 3H 2 O +3CO2
Sitrik asit kullanımının sınırlaması, balon etiketinin içinde depolanan aynı malzeme kütlesi (asit + sodyum bikarbonat) için, üretilen CO2 miktarının, oksalik asit tarafından üretilenin yaklaşık% 81'i olmasıdır. Bu, balon etiketinin boyutunu küçülttüğü ve balon etiketinin tam şişirme süresi daha uzun olduğu için çok önemli bir husustur. Oksalik asit yerine sitrik asit kullanılıyorsa, 46cm3'lük bir balon hacmi ve 15 dakikalık tam şişirme süresi elde etmek için 1:2 kütle oranının (sodyum bikarbonat / sitrik asit) kullanılması önerilir. Daha fazla bilgi için lütfen Ek Dosya 2: Sitrik Asit'e bakın.
Bu araştırma, Sensör Balıklarını ve canlı balıkları hidrolik yapılardan geçtikten sonra bulmak ve kurtarmaya yardımcı olmak için tasarlanmış bir araç olan balon etiketi teknolojisini geliştirmeye ve kullanmaya odaklanmaktadır. Birincil amaç, bu yapıların suda yaşayan hayvanları nasıl etkilediğinin anlaşılmasını geliştirmek ve sonuçta daha balık dostu türbinlerin oluşturulmasını kolaylaştırmaktır. Bu yaklaşım yalnızca maliyet etkinliği sunmakla kalmaz, aynı zamanda optimize edildiğinde bu etiketlerin büyük ölçekli üretimini mümkün kılabilecek basit bir üretim sürecini de kapsar. Ayrıca, bu etiketler çeşitli türlere ve su ortamlarına uyum sağlayacak şekilde özelleştirilebilir. Gelecekteki araştırmalar, farklı koşullar altında balon etiketi performansını optimize etmeyi, balık davranışları üzerindeki etkilerini keşfetmeyi ve çevresel kaygıları ele almayı araştıracaktır. Ön sonuçlarımız umut vaat etse de, gerçek dünya doğrulaması ve uzun vadeli dayanıklılık değerlendirmesi için kapsamlı saha testleri gereklidir. Genel olarak, bu araştırma, hidrolik yapıların balıklar üzerindeki etkilerini değerlendirmeye ve azaltmaya yardımcı olan bir araç sağlayarak sürdürülebilir ve sorumlu hidroelektrik gelişimini teşvik etmeyi amaçlamaktadır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların çıkar çatışması yoktur.
Acknowledgments
Bu çalışma ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Su Gücü Teknolojileri Ofisi tarafından finanse edilmiştir. Laboratuvar çalışmaları, DE-AC05-76RL01830 Sözleşmesi kapsamında DOE için Battelle tarafından işletilen Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir.
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).
