Tartalom
- Mi az a hélium?
- Hol származik a hélium?
- Miért van a hélium néhány földgázban?
- Hol van gazdag földgáz a héliumban?
- A hélium felhasználása
- Mágneses rezonancia képalkotás
- Emelőgáz
- Tisztító gáz
- Szabályozott légkörgyártás
- Szivárgás észlelés
- Légző keverékek
- Hegesztőgáz
- Hélium: Nem megújuló erőforrás
- Héliumgumi és héliumhiány
Hélium: A legtöbb ember hallotta, hogy a héliumot emelőgázként használják időjárási léggömbök, pofák és parti léggömbök készítéséhez. Ezek a hélium nagyon csekély felhasználása. Az a felhasználás, amelynél több hélium fogyaszt, az MRI (mágneses rezonancia képalkotó) gépek mágneseinek hűtése az orvosi létesítményekben. A Goodyear blimp fotója: Derek Jensen.
Mi az a hélium?
A hélium kémiai elem és színtelen, szagtalan, íztelen, inert gáz. Ennek az elemnek a legkisebb atom sugara és a második legalacsonyabb atomtömege. A levegőnél könnyebb.
A legtöbb ember tudja, hogy a héliumot emelőgázként használják felfújva és ballonban, de nem tudják más módon is felhasználni. A hélium első számú felhasználása hűtőgázként szolgál az orvosi létesítményekben használt mágneses rezonancia képalkotó (MRI) készülékekhez. A hélium egyéb fontos felhasználási területei: védőgáz hegesztéshez, inert gáz a szabályozott atmoszférában történő előállításhoz, diffúz gáz a szivárgás észleléséhez és alacsony viszkozitású gáz nyomás alatt álló légzőkészülékekhez.
Hol származik a hélium?
Nagyon kevés hélium van jelen a Föld légkörében. Ez olyan könnyű elem, amelyet a Föld gravitációja nem képes megtartani. Amikor a Föld felszínén jelen van, a nem finomított hélium azonnal megindul, amíg el nem menekül a bolygóról. Ezért emelkedik fel a ballonok!
A kereskedelemben előállított héliumot a talajból nyerik. Néhány földgázmezőnek elegendő héliuma van elegyítve a gázzal, hogy azt gazdasági költségekkel kinyerjék. Az Egyesült Államokban néhány mező több, mint 7 térfogat% héliumot tartalmaz. Azok a vállalatok, amelyek ezeken a területeken földgázt fúrnak, előállítják, feldolgozzák és eltávolítják a héliumot melléktermékként.
Hélium-hordozó földgáz lerakódások: Betétmodell hélium-hordozó földgázmezők számára az Egyesült Államokban. A héliumot az urán és a tórium bomlásával állítják elő a granitoid alapkőzetekben. A felszabadult hélium felhajtó és az alagsori hibákkal járó porozitásban a felület felé mozog. A hélium ezután felfelé mozog a porózus üledékes burkolaton keresztül, amíg földgázzal csapdába esik anhidrit vagy sóágyak alatt. Ez az egyetlen olyan oldalirányban fennmaradó kőzettípus, amely képes befogni és tartalmazni az apró, felhajtó hélium atomokat. Ez a geológiai helyzet csak a világ néhány pontján fordul elő, ezért ritka a gazdag hélium felhalmozódása.
Összefüggő: A hélium új használata - merevlemezek
Miért van a hélium néhány földgázban?
Úgy gondolják, hogy a földgázból eltávolított hélium nagy része urán és tórium radioaktív bomlásából származik a Föld kontinentális kéregének granitoid kőzeteiben. Nagyon könnyű gázként felhajtó és felfelé haladni próbál, amint kialakul. A leggazdagabb hélium-felhalmozódások három körülmény fennállása esetén fordulnak elő: 1) a granitoid alapkőzetek uránban és toriumban gazdagok; 2) az alagsori kőzet törött és meghibásodott, hogy a hélium számára menekülési útvonalakat biztosítson; és 3) az alagsorban lévő porózus üledékes kőzeteket egy hamit vagy anhidrit át nem eresztő tömítése zárja le. Ha mind a három feltétel teljesül, a hélium felhalmozódhat a porózus üledékes kőzetrétegben.
A hélium bármelyik elemnek a legkisebb atom sugara, körülbelül 0,2 nanométer. Tehát, amikor kialakul és felfelé mozog, elfér a szikla belsejében lévő nagyon kis pórusrészekben. A halit és az anhidrit az egyetlen üledékes kőzet, amely gátolja a hélium-atomok felfelé történő migrációját. A pala, amelynek pórusterülete bőséges szerves anyagokkal (kerogén) van eldugva, néha kevésbé hatásos gátként szolgál.
Hélium-hordozó földgáz lerakódások: Térkép, amely bemutatja a földgázmezőket, amelyek fontos héliumforrásként szolgálnak az Egyesült Államokban. Az ezekből a mezőkből előállított földgáz 0,3–7% héliumot tartalmaz. A héliumot értékesítés céljából eltávolítják a gázból. Kép az Egyesült Államok Földtani Felmérésének helyadatai alapján.
Hol van gazdag földgáz a héliumban?
A legtöbb feldolgozatlan földgáz legalább nyomnyi héliumot tartalmaz. Nagyon kevés földgázmező tartalmaz elegendő hélium-visszanyerési folyamatot. A földgázforrásnak legalább 0,3% héliumot kell tartalmaznia, hogy potenciális héliumforrásnak lehessen tekinteni.
2010-ben az összes héliumként feldolgozott földgáz az Egyesült Államokban a Colorado, Kansas, Oklahoma, Texas, Utah és Wyoming mezőkből származott, ahogyan azt a kísérő térkép mutatja. A Hugoton mező Oklahomában, Kansasban és Texasban; a panoma mező Kansas-ban; a Keyes mező Oklahomában; a texasi Panhandle West és a Cliffside Field, valamint a Wyomingban található Riley Ridge Field a héliumtermelés legnagyobb részét az Egyesült Államokban.
2010 folyamán az Egyesült Államok 128 millió köbméter héliumot termelt. Ebből az összegből 53 millió köbméter hélium származik a földgázból, 75 millió köbméter a nemzeti héliumi tartalékból. Egyéb országok, amelyek ismert termelési mennyiségei voltak: Algéria (18 mcm), Katar (13 mcm), Oroszország (6 mcm) és Lengyelország (3 mcm). Kanada és Kína kis, de be nem jelentett mennyiségű héliumot termelt.
Hélium az MRI gépekben: A hélium első számú alkalmazása a mágnesek hűtése az MRI (mágneses rezonancia képalkotó) gépekben, amelyeket az orvosi létesítményekben a betegségek és sérülések diagnosztizálására használnak.
Új felhasználás a héliumhoz: Az első héliummal lezárt merevlemezt 2013-ban gyártották. A hélium lehetővé teszi a meghajtó számára, hogy kevesebb energiát használjon, kevesebb hőt termeljen, kevesebb zajt bocsásson ki, kevesebb helyet foglaljon el, több adatot tároljon és kevesebb rezgést generáljon, mint egy szokásos merevlemez. Tudj meg többet.
A hélium felhasználása
A héliumnak számos olyan tulajdonsága van, amelyek kivételesen alkalmasak bizonyos felhasználásokra. Ezen alkalmazások egy részében a hélium a lehető legjobb gáz, és néhányban nincs megfelelő helyettesítő a héliummal. Az alábbiakban a hélium számos felhasználását, valamint azon tulajdonságait ismertetjük, amelyek alkalmassá teszik a felhasználásra.
Mágneses rezonancia képalkotás
A hélium első számú használata a mágneses rezonancia képalkotó gépekben, amelyeket az orvosi létesítményekben használnak a sérülések felmérésére és a betegségek diagnosztizálására. Ezek a gépek egy mágneses teret használnak, amelyet egy szupravezető mágnes hoz létre. Ezek a mágnesek hatalmas hőt termelnek. A folyékony hélium a kiválasztott hűtőanyag e mágnesek hőmérsékletének szabályozására. Mivel a héliumnak a gázok fajlagos hője a második legalacsonyabb, és bármely elem legalacsonyabb forráspontja / olvadáspontja, ebben a nagyon fontos alkalmazásban a hélium nem helyettesíthető.
Emelőgáz
A hélium bármelyik elem második legalacsonyabb atomtömegű. Csak a hidrogén atomtömege alacsonyabb. Levegőnél könnyebb gázként a héliumot emelőgázként használják léghajók és léggömbök gyártásához. A pofák, diriginek, zeppelinek, légijármű-léggömbök, időjárási léggömbök és más, a levegőnél könnyebb járművek mind héliumot használtak emelőgázként. Sokkal biztonságosabb, mint a hidrogén, mert nem tűzveszélyes. Ez volt a hélium legfontosabb kategóriája a második világháború végéig. Sokkal alacsonyabb héliummennyiséget használnak emelőgázként.
Tisztítógáz: A héliumot a NASA és a Védelmi Minisztérium használja a folyékony oxigén és folyékony hidrogén tisztítására a rakétamotorok üzemanyagtartályaiból és üzemanyag-szállító rendszereiből. A hélium inert, és olyan alacsony fagyasztási hőmérséklete van, hogy a tisztítás során gáz marad. A hélium áramlását ezekbe a rendszerekbe még vészhelyzetekben is felhasználták a tűz oltására. A NASA képe.
Hélium légzőkeverékek: A héliumot a mélyvízi búvárkodáshoz szükséges légzőkészülék-keverékek előkészítésére használják. A hélium inert és nyomás alatt alacsony viszkozitással rendelkezik, ami megkönnyíti a légzést. Kép: NOAA.
Tisztító gáz
A hélium olvadáspontja és forráspontja a legalacsonyabb. Megolvad és forr, az abszolút nullához közeli hőmérsékleten. Mivel nagyon alacsony hőmérsékleten gáz marad, felhasználható tisztítógázként az olyan üzemanyagtartályokhoz és üzemanyag-szállító rendszerekhez, amelyek nagyon hideg folyadékokkal, például folyékony hidrogénnel és folyékony oxigénnel vannak feltöltve. Mivel inert és alacsony fagypontú, ezért biztonságosan kiszoríthatja ezeket az üzemanyagokat fagyás nélkül. A NASA és a Védelmi Minisztérium nagy mennyiségű héliumot használ fel rakétameghajtó rendszerek tisztítására.
Szabályozott légkörgyártás
A hélium egy közömbös gáz. Az egyetlen alacsonyabb reakcióképességű gáz a neon. Ez az alacsony reakcióképesség a hélium értékes gázzá teszi, amelyet felhasználhatunk a gyártási és javítási folyamatokban, ha inert atmoszféra szükséges. A hélium bármelyik gáz sűrűsége a második legalacsonyabb, és nagyon magas hővezető képességgel rendelkezik. A héliumgáz ezen tulajdonságai sokféle fémkohászati eljárás során a választott légkört teszik, tökéletes kristályok növekedése vegyi gőzökben, optikai szálak gyártása és egyéb felhasználások.
Szivárgás észlelés
A hélium nagyon alacsony viszkozitással, magas diffúziós együtthatóval és bármely elem legkisebb atomjával rendelkezik. Ezek a tulajdonságok megnehezítik a hélium visszatartását. Ha a rendszer szivárog, akkor a hélium elmenekül. Ezért a héliumgázt nagy vákuumrendszerek, üzemanyagrendszerek és más szivárgások ellenőrzésére használják.
Légző keverékek
A héliumot és más inert gázokat a mélyvízi búvárkodás és az orvosi kezelések elkészítéséhez használják. A héliumot azért használják, mert inert, nagyon alacsony viszkozitással rendelkezik, és nyomás alatt könnyebben lélegezni, mint bármely más gáz.
Hegesztőgáz
A héliumot hegesztéskor védő légkörként használják. Egy inert gáz atmoszféra megvédi a forró fémeket az oxidációtól és más reakcióktól, amelyek magas hőmérsékleten gyorsan előfordulhatnak.
Hélium felhasználás: Az Egyesült Államokban a különböző felhasználások során 2011-ben felhasznált hélium viszonylagos mennyisége. Grafikon az USGS adatainak felhasználásával.
Hélium: Nem megújuló erőforrás
A hélium olyan gáz, amelyet csak akkor találnak meg, ha a valószínűtlen helyzetek egybeesnek. Noha a földkéregben folyamatosan radioaktív ásványi anyagok bomlásával állítják elő, természetes termelésének és felhalmozódásának üteme olyan lassú, hogy nem megújuló erőforrásnak kell tekinteni.
Héliumgumi és héliumhiány
1925-ben az Egyesült Államok létrehozta a Nemzeti Héliumi Tartalékot, amely stratégiai hélium-ellátást szolgál fel léghajókban és más védelmi célokra. Abban az időben az ország sokkal több héliumot termelt, mint amennyit elfogyasztottak. A II. Világháború után emelőgázként használt hélium mennyisége csökkent, ám a hélium iránti igény tisztítógázként a rakétamotorok feltöltésekor és hűtőközegként nőtt az atomerőművekben. Ennek ellenére több héliumot termeltek, mint fogyasztottak.
1995-ben a kongresszus úgy döntött, hogy a nemzeti héliumtartalék nem elengedhetetlen, és az 1996-os hélium-privatizációs törvény részeként kezdeményezte a hélium értékesítését. A kongresszus közel két évtizede megengedte, hogy a héliumot hatalmas árengedménnyel értékesítsék a szabadpiacon. árak. A világ héliumigényének legfeljebb 1/2-ig a Nemzeti Hélium-tartalékból származó értékesítésekkel fedezték. Néhány évben több héliumot exportáltak az Egyesült Államokból más országokba, mint a belföldön. Azok, akik héliumot vásároltak a kormánytól, fantasztikus üzletet kaptottak, és azok, akik héliumot vásároltak a szabad piacon, sokkal magasabb árat fizettek.
A National Helium Reserve részvényeinek a piacon történő dömpingje annyira lenyomta a hélium árát, hogy az olcsóbb argon és más gázok helyettesítőjeként használták fel, amelyeknek sokkal kevésbé volt a kínálata.
Mivel a kereskedelmi héliumtermelést nem jutalmazták, vagy nem használták fel nagymértékben, a piac alulteljesült, amikor a Nemzeti Héliumtartalék eladásait 2014-ben egy aukciós rendszer váltotta fel. Az első aukción két ajánlattevő vásárolta meg a teljes éves, 93 millió köbméternyi hélium-allokációt. mint az előző évek piaci árának kétszerese. Az aukció után újabb 1 milliárd köbméter eladásra került ugyanazon két ajánlattevőnek.
Az első aukció óta a hélium tovább emelkedett, mivel az új hélium előállítása elmarad a fogyasztástól. Az áremelkedés új hélium-feldolgozó üzemekbe történő beruházást váltott ki. A hélium azonban csak földgázmezőkből állítható elő sóval vagy anhidráttal csapdaként. Ezek csak a világ néhány részén fordulnak elő.
A jelenlegi törvények szerint a nemzeti héliumtartalék 2021-re el lesz fogyott. Remélhetőleg a hélium-visszanyerő üzemekbe történő növekvő beruházások elegendőek lesznek a hélium-fogyasztók igényeinek kielégítésére, amikor a hélium e fontos forrása megszűnik.