Sadržaj
- Što je helij?
- Odakle dolazi helij?
- Zašto je helij u nekom prirodnom plinu?
- Gdje je prirodni plin bogat helijem?
- Upotrebe helija
- Magnetska rezonancija
- Podizanje plina
- Pročišćavanje plina
- Kontrolirana proizvodnja atmosfere
- Detekcija propuštanja
- Mješavine koje dišu
- Gas za zavarivanje
- Helij: neobnovljivi izvori
- Helijske glute i nedostatak helija
Helij blimp: Većina ljudi je čula da se helij koristi kao plin za dizanje za vremenske balone, balone i balone. To su vrlo male uporabe helija. Uporaba koja troši više helija nego bilo koji drugi je hlađenje magneta u MRI (magnetskom rezonancom) strojevima u medicinskim ustanovama. Goodyear blimp fotografija Dereka Jensena.
Što je helij?
Helij je kemijski element i inertan plin bez boje, mirisa, okusa. Ima najmanji atomski radijus bilo kojeg elementa i drugi najniži atomska težina. Lakši je od zraka.
Većina ljudi zna da se helij koristi kao plin za dizanje u balonima i balonima, ali ne mogu imenovati drugi način na koji se koristi. Uporaba helija broj jedan je kao rashladni plin za uređaje za magnetsku rezonancu (MRI) koji se koriste u medicinskim ustanovama. Ostale važne uporabe helija uključuju: zaštitni plin za zavarivanje, inertni plin za proizvodnju kontrolirane atmosfere, fugitivi plin koji se koristi za otkrivanje propuštanja i plin niske viskoznosti za dišne smjese pod tlakom.
Odakle dolazi helij?
Vrlo malo helija je prisutno u Zemljinoj atmosferi. To je takav svjetlosni element da ga gravitacija Zemlje ne može zadržati. Kada je prisutan na Zemljinoj površini, neprečišćen helij odmah počinje rasti dok ne pobjegne s planeta. Zato se dižu baloni za zabavu!
Helij koji se komercijalno proizvodi dobiva se iz zemlje. Neka polja prirodnog plina imaju dovoljno helija izmiješanog s plinom da ga se može ekstrahirati uz ekonomski trošak. Nekoliko polja u Sjedinjenim Državama sadrži više od 7% helija. Tvrtke koje na ovim prostorima buše prirodni plin, proizvode ga, preradjuju i uklanjaju helij kao nusprodukt.
Depoziti prirodnog plina koji sadrže helij: Model deponiranja za polja prirodnog plina koja sadrže helij u Sjedinjenim Državama. Helij nastaje raspadanjem urana i torija u granitoidnim stijenama podruma. Oslobođeni helij je bujan i kreće se prema površini u poroznosti koja je povezana s podvalama podruma. Zatim se helij kreće prema gore kroz porozne taložne prekrivače, dok se prirodnim plinom ne uhvati ispod sloja anhidrita ili soli. Ovo su jedine bočne postojane vrste stijena koje mogu zarobiti i sadržavati sitne, plutajuće atome helija. Ova se geološka situacija događa samo na nekoliko lokacija u svijetu i zato su bogate nakupine helija rijetke.
Povezano: Nova upotreba helija - tvrdi diskovi
Zašto je helij u nekom prirodnom plinu?
Smatra se da se najveći dio helija koji je uklonjen iz prirodnog plina formira radioaktivnim raspadom urana i torija u granitoidnim stijenama Zemljine kontinentalne kore. Kao vrlo lagani plin, uzgred je i nastoji se pomaknuti prema gore čim se formira. Najbogatije nakupine helija nalaze se tamo gdje postoje tri uvjeta: 1) granitoidne podrumske stijene bogate su uranom i torijom; 2) stijene u podrumu su lomljene i raspuštene da bi se osiguralo izlazni put za helij; i 3) porozne sedimentne stijene iznad rasjeda podruma zatvorene su nepropusnim brtvama halita ili anhidrita. Kad su sva tri uvjeta ispunjena, helij se može akumulirati u poroznom sedimentnom sloju stijena.
Helij ima najmanji atomski radijus bilo kojeg elementa, oko 0,2 nanometra. Dakle, kada se formira i krene prema gore, može se uklopiti kroz vrlo male pore s razmacima unutar stijena. Halit i anhidrit su jedine sedimentne stijene koje mogu blokirati migraciju atoma helija u usponu. Škriljevci kojima su pore pora zaokupljeni obilnim organskim materijalima (kerogen) ponekad služe kao manje učinkovita barijera.
Depoziti prirodnog plina koji sadrže helij: Karta koja prikazuje polja prirodnog plina koja služe kao važan izvor helija u Sjedinjenim Državama. Prirodni plin proizveden iz ovih polja sadrži između 0,3% i preko 7% helija. Helij je uklonjen iz plina za komercijalnu prodaju. Slika korištenjem podataka o lokaciji iz američkog Geološkog zavoda.
Gdje je prirodni plin bogat helijem?
Većina neobrađenog prirodnog plina sadrži najmanje helija u tragovima. Vrlo malo polja prirodnog plina sadrže dovoljno da opravdaju postupak obnavljanja helija. Izvor prirodnog plina mora sadržavati najmanje 0,3% helija da bi se smatrao potencijalnim izvorom helija.
Godine 2010., sav prirodni plin koji je prerađen za helij u Sjedinjenim Državama potječe iz polja u Koloradu, Kanzasu, Oklahomi, Teksasu, Utahu i Wyomingu, kako je prikazano na priloženoj karti. Polje Hugoton u Oklahomi, Kanzasu i Teksasu; polje Panoma u Kanzasu; polje Keyes u Oklahomi; polja Panhandle West i Cliffside u Teksasu i polje Riley Ridge u Wyomingu predstavljaju većinu proizvodnje helija u Sjedinjenim Državama.
Tijekom 2010. godine Sjedinjene Države proizvele su 128 milijuna kubičnih metara helija. Od tog iznosa 53 milijuna kubičnih metara helija izvučeno je iz prirodnog plina, a 75 milijuna kubičnih metara povučeno je iz Nacionalnog rezervata helija. Ostale zemlje s poznatim količinama proizvodnje bile su: Alžir (18 mcm), Katar (13 mcm), Rusija (6 mcm) i Poljska (3 mcm). Kanada i Kina proizvele su male, ali neprijavljene količine helija.
Helij u MRI strojevima: Upotreba helija broj jedan je hlađenje magneta u MRI (magnetskom rezonancom) strojevima koji se koriste za dijagnosticiranje bolesti i ozljeda u medicinskim ustanovama.
Nova upotreba helija: Prvi tvrdi disk s helijem proizveden je 2013. Helium omogućuje pogonu da troši manje energije, proizvodi manje topline, stvara manje buke, zauzima manje prostora, drži više podataka i stvara manje vibracija od standardnog tvrdog diska. Saznajte više.
Upotrebe helija
Helij ima niz svojstava zbog kojih je izuzetno prikladan za određene namjene. U nekim od ovih namjena, helij je najbolji mogući plin koji se koristi, a u nekoliko njih nema odgovarajuće zamjene za helij. Niže je opisano nekoliko upotreba helija, zajedno sa svojstvima koja ga čine pogodnim za upotrebu.
Magnetska rezonancija
Uporaba helija broj jedan je u uređajima za magnetsku rezonancu koji se koriste u medicinskim ustanovama za procjenu ozljeda i dijagnosticiranje bolesti. Ovi strojevi koriste magnetsko polje koje stvara superprevodni magnet. Ti magneti stvaraju ogromnu količinu topline. Tekući helij je rashladna tvar izbora za regulaciju temperature ovih magneta. Budući da helij ima drugu najnižu specifičnu toplinu bilo kojeg plina i najnižu tačku ključanja / taljenja bilo kojeg elementa, ne postoji predviđena zamjena za helij u ovoj vrlo važnoj upotrebi.
Podizanje plina
Helij ima drugu najmanju atomsku težinu bilo kojeg elementa. Samo vodik ima manju atomsku masu. Kao plin lakši od zraka, helij je korišten kao "plin za dizanje" za zračne brodove i balone. Udarci, dirigirali, zepelini, protivavionski baloni, vremenski baloni i drugi brodovi lakši od zraka koristili su helij kao plin za dizanje. Mnogo je sigurnija od vodika jer nije zapaljiva. Ovo je bila najvažnija kategorija uporabe helija do kraja Drugog svjetskog rata. Mnogo niže količine helija sada se koriste kao plin za dizanje.
Pročišćavanje plina: NASA i Ministarstvo obrane koriste helij za pročišćavanje tekućeg kisika i tekućeg vodika iz spremnika goriva i sustava za dovod goriva raketnih motora. Helij je inertan i ima temperaturu smrzavanja koja je toliko niska da tijekom procesa ispiranja ostaje plin. Dotok helija u ove sustave čak se koristio za hitne slučajeve za gašenje požara. Slika NASA-e.
Helijske mješavine za disanje: Helij se koristi za pripremu mješavina plina za disanje za ronjenje u dubokim vodama. Helij je inertan i ima nisku viskoznost pod pritiskom što omogućava lakše disanje. Slika NOAA.
Pročišćavanje plina
Helij ima najnižu talište i vrelište bilo kojeg plina. Topi se i vre pri temperaturama blizu apsolutne nule. Budući da ostaje plin na vrlo niskim temperaturama, može se koristiti kao plin za pročišćavanje spremnika goriva i sustava za dovod goriva koji su napunjeni vrlo hladnim tekućinama, poput tekućeg vodika i tekućeg kisika. Budući da je inertan i ima nisku temperaturu smrzavanja, ta goriva može zamijeniti sigurno bez zamrzavanja. Velike količine helija koriste NASA i Ministarstvo obrane za pročišćavanje raketnih pogonskih sustava.
Kontrolirana proizvodnja atmosfere
Helij je inertni plin. Jedini plin niže reaktivnosti je neon. Ova niska reaktivnost helija čini vrijednim plinom koji se koristi u proizvodnji i popravci kada je potrebna inertna atmosfera. Helij također ima drugu najnižu gustoću bilo kojeg plina, uz vrlo visoku toplinsku vodljivost. Ova svojstva plina helija čine atmosferu izbora za mnoge metalurške procese, uzgoj savršenih kristala u kemijskim isparavanjima, proizvodnju optičkih vlakana i druge namjene.
Detekcija propuštanja
Helij ima vrlo nisku viskoznost, visok koeficijent difuzije i najmanji atom bilo kojeg elementa. Te karakteristike čine helij vrlo teškim za zadržavanje. Ako sustav ima curenja, helij će pobjeći. Stoga se helijev plin koristi za ispitivanje sustava visokog vakuuma, sustava za gorivo i drugih zastoja na curenja.
Mješavine koje dišu
Helij i drugi inertni plinovi koriste se za pripremu mješavina za disanje za ronjenje u dubokim vodama i za medicinske tretmane. Ovdje se koristi helij jer je inertan, ima vrlo nisku viskoznost i lakše diše pod pritiskom nego bilo koji drugi plin.
Gas za zavarivanje
Helij se koristi kao zaštitna atmosfera pri zavarivanju. Atmosfera inertnog plina štiti vruće metale od oksidacije i drugih reakcija koje se mogu brzo pojaviti na visokim temperaturama.
Upotrebe helija: Relativne količine helija potrošene u razne svrhe u Sjedinjenim Državama tijekom 2011. Grafikujte prema podacima iz USGS-a.
Helij: neobnovljivi izvori
Helij je plin koji se nalazi samo tamo gdje se dogodi slučajnost malo vjerojatnih situacija. Iako se kontinuirano proizvodi raspadanjem radioaktivnog minerala u Zemljinoj kori, njegova prirodna proizvodnja i akumulacija su tako spori da se mogu smatrati neobnovljivim resursom.
Helijske glute i nedostatak helija
1925. Sjedinjene Države osnovale su Nacionalni rezervat helija koji služi kao strateška opskrba helijem za upotrebu u zračnim brodovima i za druge obrambene svrhe. U to je vrijeme zemlja proizvodila puno više helija nego što se konzumirala. Nakon Drugog svjetskog rata količina helija koja se koristi kao plin za dizanje opada, ali potražnja za helijem kao pročišćavajućim plinom za punjenje raketnih motora i rashladnim sredstvom u postrojenjima za nuklearno oružje je porasla. Ipak, proizvedeno je više helija nego što ga se konzumira.
Kongres je 1995. odlučio da rezerva za helijum nije bitna i pokrenuo je program prodaje helija kao dio Zakona o privatizaciji helija iz 1996. Gotovo dva desetljeća Kongres je dopustio prodaju helija na ogromnom popustu slobodnom tržištu cijene. Do polovice svjetske potražnje za helijem zadovoljilo se prodajom iz Nacionalnog rezervata helija. U nekim se godinama više helija izvozilo iz Sjedinjenih Država u druge zemlje nego što se konzumiralo u zemlji. Oni koji su kupili helij od vlade dobili su fantastičan posao, a oni koji su kupili helij na slobodnom tržištu platili su puno veću cijenu.
Izbacivanje zaliha Nacionalnih rezervi helija na tržište toliko je snizilo cijenu helija da se on koristio kao jeftina zamjena za argon i druge plinove koji imaju znatno manje ograničenu opskrbu.
Budući da komercijalna proizvodnja helija nije nagrađena ili nije bila dovoljno iskorištena, tržište je nedovoljno opskrbljeno kada je prodaja Nacionalnog helijum rezervata zamijenjena aukcijskim sustavom 2014. Na prvoj su aukciji dva ponuđača kupila cjelokupnu godišnju dodijelu od 93 milijuna kubičnih metara helija na više nego što je udvostručila tržišnu cijenu prethodnih godina. Nakon aukcije, ista dva ponuđača prodana je još milijarda kubičnih metara.
Od prve aukcije, cijena helija nastavila je rasti jer proizvodnja novog helija smanjuje potrošnju. Povećanje cijena pokrenulo je ulaganje u nova postrojenja za preradu helija. Međutim, helij se može proizvesti samo iz polja prirodnog plina sa soli ili anhidratom kao stijena. To se događa samo u nekoliko dijelova svijeta.
Prema sadašnjem zakonu, Nacionalni rezervat za helij bit će rasprodan do 2021. Nadam se da će sve veća ulaganja u postrojenja za obnavljanje helija biti dovoljna da zadovolje potrebe potrošača helija kada taj važan izvor helija nema.