Vsebina
- Kaj je helij?
- Od kod prihaja helij?
- Zakaj je helij v nekaj zemeljskega plina?
- Kje je zemeljski plin bogat s helijem?
- Uporaba helija
- Slikanje z magnetno resonanco
- Dvigovanje plina
- Čiščenje plina
- Nadzorovana proizvodnja atmosfere
- Zaznavanje puščanja
- Dihalne mešanice
- Varilni plin
- Helij: neobnovljiv vir
- Helijeve glute in pomanjkanje helija
Helijeva rdečica: Večina ljudi je slišala, da se helij uporablja kot dvigalni plin za vremenske balone, ogrlice in balone. To so zelo majhne uporabe helija. Uporaba, ki porabi več helija kot katera koli druga, je hlajenje magnetov v MRI (magnetnoresonančni slikanju) v medicinskih ustanovah. Fotograf Gorekear blimp Derek Jensen.
Kaj je helij?
Helij je kemični element in inerten plin brez barve, vonja, okusa. Ima najmanjši atomski polmer katerega koli elementa in drugo najnižjo atomsko maso. Je lažji od zraka.
Večina ljudi ve, da se helij uporablja kot plin za dvigovanje v blimps in balonih za zabave, vendar ne morejo imenovati drugega načina, kako ga uporabljamo. Prva uporaba helija je hladilni plin za magnetnoresonančno slikanje (MRI), ki se uporablja v zdravstvenih ustanovah. Druge pomembne uporabe helija vključujejo: zaščitni plin za varjenje, inertni plin za proizvodnjo kontrolirane atmosfere, ubežni plin, ki se uporablja za odkrivanje puščanja, in plin z nizko viskoznostjo za dihalne mešanice pod tlakom.
Od kod prihaja helij?
Zelo malo helija je prisotno v Zemljini atmosferi. To je tako lahek element, da ga gravitacija Zemlje ne more zadržati. Ko je prisoten na Zemljini površini, neprečiščen helij takoj začne naraščati, dokler ne uide planetu. Zato se dvigajo zabavni baloni!
Helij, ki se komercialno proizvaja, se pridobiva iz zemlje. Nekatera polja zemeljskega plina imajo dovolj helija, pomešanega s plinom, da ga je mogoče pridobiti z ekonomičnimi stroški. Nekaj polj v Združenih državah vsebuje več kot 7 vol.% Helija. Podjetja, ki na teh območjih vrtajo zemeljski plin, proizvajajo zemeljski plin, ga predelajo in odstranijo helij kot stranski proizvod.
Nahajališča zemeljskega plina, ki vsebujejo helij: Model deponiranja polj zemeljskega plina, ki vsebujejo helij, v ZDA. Helij nastaja z razpadom urana in torija v granitoidnih kletnih kamninah. Osvobojeni helij je naraščajoč in se premika proti površju s poroznostjo, povezano s kletnimi napakami. Nato se helij premika navzgor skozi porozne usedline, dokler ni ujet z zemeljskim plinom pod slojem anhidrita ali soli. To so edine stransko obstojne vrste kamnin, ki lahko ujamejo in vsebujejo drobne, vzdržljive atome helija. Ta geološka situacija se pojavlja le na nekaj lokacijah na svetu in zato so bogate helijeve akumulacije redke.
Sorodno: Nova uporaba helija - trdi diski
Zakaj je helij v nekaj zemeljskega plina?
Menda se večina helija, ki je odstranjen iz zemeljskega plina, tvori pri radioaktivnem razpadu urana in torija v granitoidnih kamninah zemeljske celine. Kot zelo lahek plin je močan in se poskuša premikati navzgor, takoj ko se oblikuje. Najbogatejše akumulacije helija so tam, kjer obstajajo trije pogoji: 1) granitoidne kletne kamnine so bogate z uranom in torijem; 2) kletne kamnine so zlomljene in lomljene, da bi zagotovili poti za izhod v helij; in 3) porozne sedimentne kamnine nad kletnimi prelomi so pokrita z neprepustnim tesnilom halita ali anhidrita. Ko so izpolnjeni vsi trije ti pogoji, se lahko v porozni sedimentni plasti kamna nabira helij.
Helij ima najmanjši atomski polmer katerega koli elementa, približno 0,2 nanometra. Ko se torej oblikuje in začne premikati navzgor, se lahko prilega skozi zelo majhne poraste v skalah. Halit in anhidrit sta edini sedimentni kamnini, ki lahko blokirata migracijo atomov helija navzgor. Skrilavci, ki imajo svoje pore porabljene z obilnimi organskimi materiali (kerogen), včasih služijo kot manj učinkovita ovira.
Nahajališča zemeljskega plina, ki vsebujejo helij: Zemljevid, ki prikazuje polja zemeljskega plina, ki služijo kot pomemben vir helija v ZDA. Zemeljski plin, pridobljen s teh polj, vsebuje med 0,3% do več kot 7% helija. Helij se odstrani iz plina za komercialno prodajo. Slika s pomočjo lokacijskih podatkov iz ameriškega geološkega zavoda.
Kje je zemeljski plin bogat s helijem?
Večina nepredelanega zemeljskega plina vsebuje najmanj helija v sledovih. Zelo malo polj zemeljskega plina vsebuje dovolj, da upravičijo postopek pridobivanja helija. Vir zemeljskega plina mora vsebovati vsaj 0,3% helija, da se lahko šteje za potencialni vir helija.
Leta 2010 je ves zemeljski plin, predelan za helij v ZDA, prihajal z polj v Koloradu, Kansasu, Oklahomi, Teksasu, Utahu in Wyomingu, kot je prikazano na spremljajočem zemljevidu. Polje Hugoton v Oklahomi, Kansasu in Teksasu; polje Panoma v Kansasu; polje Keyes v Oklahomi; polja Panhandle West in Cliffside v Teksasu in Riley Ridge Field v Wyomingu predstavljajo večino proizvodnje helija v ZDA.
Leta 2010 so ZDA proizvedle 128 milijonov kubičnih metrov helija. Od tega je bilo iz zemeljskega plina izvlečenih 53 milijonov kubičnih metrov helija, 75 milijonov kubičnih metrov pa iz državnega rezerve helija. Druge države z znanimi količinami proizvodnje so bile: Alžirija (18 mcm), Katar (13 mcm), Rusija (6 mcm) in Poljska (3 mcm). Kanada in Kitajska sta proizvedli majhne, vendar neprijavljene količine helija.
Helij v MRI aparatih: Uporaba helija številka ena je hlajenje magnetov v MRI (slikanje z magnetno resonanco), ki se uporabljajo za diagnosticiranje bolezni in poškodb v zdravstvenih ustanovah.
Nova uporaba helija: Prvi trdi disk s helijem je bil izdelan leta 2013. Helium omogoča, da pogon porabi manj energije, proizvede manj toplote, ustvari manj hrupa, zavzame manj prostora, shrani več podatkov in ustvari manj vibracij kot običajni trdi disk. Nauči se več.
Uporaba helija
Helij ima številne lastnosti, zaradi česar je izjemno primeren za določeno uporabo. V nekaterih od teh uporab je helij najboljši možni plin, v nekaterih pa ni ustreznega nadomestila za helij. Spodaj je opisano več uporab helija, skupaj z lastnostmi, zaradi katerih je primeren za uporabo.
Slikanje z magnetno resonanco
Prva uporaba helija je v napravah za magnetno resonanco, ki se uporabljajo v medicinskih ustanovah za oceno poškodb in diagnosticiranje bolezni. Ti stroji uporabljajo magnetno polje, ki ga proizvaja nadprevodni magnet. Ti magneti ustvarjajo ogromno toplote. Tekoči helij je izbira hladilne snovi za uravnavanje temperature teh magnetov. Ker ima helij drugo najnižjo specifično toploto katerega koli plina in najnižje vrelišče / tališče katerega koli elementa, v tej zelo pomembni uporabi ni predvidenega nadomestka helija.
Dvigovanje plina
Helij ima drugo najnižjo atomsko maso katerega koli elementa. Manj atomska teža ima le vodik. Kot plin, lažji od zraka, se je helij uporabljal kot "dvižni plin" za zračne ladje in balone. Blinniki, dirigible, zeppelini, protiletalski baloni, vremenski baloni in druga plovila, lažja od zraka, uporabljajo helij kot dvižni plin. Je veliko varnejši od vodika, ker ni vnetljiv. To je bila najpomembnejša kategorija uporabe helija do konca druge svetovne vojne. Mnogo nižje količine helija se zdaj uporabljajo kot dvižni plin.
Čiščenje plina: NASA in Ministrstvo za obrambo helij uporabljata za čiščenje tekočega kisika in tekočega vodika iz rezervoarjev za gorivo in sistemov za dovod goriva raketnih motorjev. Helij je inerten in ima temperaturo zmrzovanja tako nizko, da skozi postopek čiščenja ostane plin. Pretok helija v te sisteme je bil celo v nujnih primerih uporabljen za gašenje požarov. Slika NASA.
Helijske dihalne mešanice: Helij se uporablja za pripravo dihalnih mešanic plinov za potapljanje v globokih vodah. Helij je inerten in ima nizko viskoznost pod pritiskom, kar omogoča lažje dihanje. Slika NOAA.
Čiščenje plina
Helij ima najnižjo tališče in vrelišče katerega koli plina. Topi se in vre pri temperaturah blizu absolutne nič. Ker ostaja plin pri zelo nizkih temperaturah, ga lahko uporabimo kot čistilni plin za rezervoarje za gorivo in sisteme za dovajanje goriva, ki so napolnjeni z zelo hladnimi tekočinami, kot sta tekoči vodik in tekoči kisik. Ker je inerten in ima nizko zmrzovalno temperaturo, lahko ta goriva varno izpodrine brez zmrzovanja. NASA in Ministrstvo za obrambo uporabljata velike količine helija za čiščenje raketnih pogonskih sistemov.
Nadzorovana proizvodnja atmosfere
Helij je inerten plin. Edini plin z nižjo reaktivnostjo je neon. Zaradi nizke reaktivnosti je helij dragocen plin za proizvodnjo in popravilo, kadar je potrebno inertno ozračje. Helij ima tudi drugo najnižjo gostoto katerega koli plina skupaj z zelo visoko toplotno prevodnostjo. Te lastnosti helijevega plina omogočajo vzdušje izbire za številne metalurške procese, gojenje popolnih kristalov v kemičnih hlapih, proizvodnjo optičnih vlaken in druge namene.
Zaznavanje puščanja
Helij ima zelo nizko viskoznost, visok koeficient difuzije in najmanjši atom katerega koli elementa. Zaradi teh lastnosti je helij zelo težko zadrževati. Če ima sistem puščanje, bo helij ušel. Zato se helijev plin uporablja za preskušanje visoko vakuumskih sistemov, sistemov za gorivo in drugih zadrževalnih vsebnosti.
Dihalne mešanice
Helij in drugi inertni plini se uporabljajo za pripravo dihalnih mešanic za potapljanje v globoko vodo in za zdravljenje. Tu se uporablja helij, ker je inerten, ima zelo nizko viskoznost in lažje diha pod pritiskom kot kateri koli drug plin.
Varilni plin
Helij se uporablja kot zaščitna atmosfera pri varjenju. Atmosfera inertnega plina ščiti vroče kovine pred oksidacijo in drugimi reakcijami, ki se lahko hitro pojavijo pri visokih temperaturah.
Uporaba helija: Relativne količine helija, porabljene za različne namene v Združenih državah Amerike v letu 2011. Grafikon z uporabo podatkov iz USGS.
Helij: neobnovljiv vir
Helij je plin, ki ga najdemo le, če pride do naključja malo verjetnih situacij. Čeprav se v zemeljski skorji nenehno proizvaja z razkrojem radioaktivnih mineralov, je njegova hitrost naravne proizvodnje in kopičenja tako počasna, da jo je treba šteti za neobnovljiv vir.
Helijeve glute in pomanjkanje helija
Leta 1925 so ZDA ustanovile nacionalni helijev rezervat, ki služi kot strateška dobava helija za uporabo v zračnih ladjah in za druge obrambne namene. V tistem času je država proizvajala veliko več helija, kot so ga porabili. Po drugi svetovni vojni je količina helija, uporabljenega kot dvižni plin, upadla, povpraševanje po heliju pa kot čistilni plin pri polnjenju raketnih motorjev in kot hladilno sredstvo v objektih za jedrsko orožje je naraščalo. Kljub temu se proizvaja več helija kot porabi.
Kongres je leta 1995 odločil, da nacionalni helijev rezervat ni bistvenega pomena, in sprožil program za prodajo helija kot del zakona o helijski privatizaciji iz leta 1996. Skoraj dve desetletji je kongres dovolil prodajo helija z ogromnim popustom na prosti trg cene. Do polovice svetovnega povpraševanja po heliju smo zadovoljili s prodajo iz Nacionalnega rezervata za helij. V nekaterih letih se je več helija izvažal iz Združenih držav Amerike v druge države, kot so ga porabili v domačem okolju. Tisti, ki so kupili helij od vlade, so dobili fantastično ponudbo, tisti, ki so kupili helij na prostem trgu, pa so plačali precej višjo ceno.
Odmetavanje zalog nacionalnih helijskih rezerv na trg je ceno helija toliko znižalo, da se je uporabljal kot poceni nadomestek argona in drugih plinov, ki imajo precej manj omejeno ponudbo.
Ker komercialna proizvodnja helija ni bila nagrajena ali močno izkoriščena, je bil trg premajhen, ko so leta 2014 prodajo National Helium Reserve nadomestili z avkcijskim sistemom. Na prvi dražbi sta dva ponudnika kupila celotno letno dodelitev 93 milijonov kubičnih metrov helija na več kot podvojila tržno ceno prejšnjih let. Po dražbi je bilo istim dvema ponudnikoma prodanih še milijardo kubičnih metrov.
Od prve dražbe se je cena helija še naprej dvigovala, ker proizvodnja novega helija manjka za porabo. Povišanje cen je sprožilo naložbe v nove obrate za predelavo helija. Vendar pa se helij lahko pridobi samo iz polj zemeljskega plina s soljo ali anhidratom v obliki kamnine. Te se pojavljajo le v nekaj delih sveta.
V skladu z veljavno zakonodajo bo nacionalni helijev rezervat razprodan do leta 2021. Upajmo, da bodo naraščajoče naložbe v obrate za pridobivanje helija vsekakor zadostile potrebam porabnikov helija, ko tega pomembnega vira helija ne bo več.