NộI Dung
- Heli là gì?
- Helium đến từ đâu?
- Tại sao Helium trong một số khí tự nhiên?
- Khí thiên nhiên giàu Helium ở đâu?
- Công dụng của Heli
- Chụp cộng hưởng từ
- Khí nâng
- Khí thanh trừng
- Sản xuất khí quyển có kiểm soát
- Phát hiện rò rỉ
- Hỗn hợp thở
- Khí hàn
- Helium: Tài nguyên không thể tái tạo
- Helium Gluts và thiếu hụt Helium
Nháy mắt Helium: Hầu hết mọi người đã nghe nói về helium được sử dụng làm khí nâng cho bóng bay thời tiết, bóng mờ và bóng bay tiệc tùng. Đây là những công dụng rất nhỏ của helium. Việc sử dụng tiêu thụ nhiều heli hơn bất kỳ loại nào khác là làm mát nam châm trong máy MRI (chụp cộng hưởng từ) trong các cơ sở y tế. Hình ảnh Goodyear Blimp của Derek Jensen.
Heli là gì?
Helium là một nguyên tố hóa học và khí trơ không màu, không mùi, không vị. Nó có bán kính nguyên tử nhỏ nhất của bất kỳ nguyên tố nào và trọng lượng nguyên tử thấp thứ hai. Nó nhẹ hơn không khí.
Hầu hết mọi người biết rằng helium được sử dụng làm khí nâng trong bóng tối và bóng bay của bữa tiệc, nhưng họ không thể đặt tên theo một cách khác trong đó nó được sử dụng. Việc sử dụng helium số một là làm khí làm mát cho máy chụp cộng hưởng từ (MRI) được sử dụng trong các cơ sở y tế. Các ứng dụng quan trọng khác của helium bao gồm: khí bảo vệ để hàn, khí trơ để sản xuất khí quyển có kiểm soát, khí chạy được sử dụng để phát hiện rò rỉ và khí có độ nhớt thấp cho hỗn hợp thở áp lực.
Helium đến từ đâu?
Rất ít helium có mặt trong bầu khí quyển Trái đất. Đó là một yếu tố ánh sáng mà trọng lực Trái đất không thể giữ được. Khi có mặt trên bề mặt Trái đất, helium không được kiểm soát ngay lập tức bắt đầu tăng lên cho đến khi nó thoát khỏi hành tinh. Đó là lý do tại sao bóng bay bên tăng!
Heli được sản xuất thương mại được lấy từ mặt đất. Một số mỏ khí tự nhiên có đủ helium trộn với khí mà nó có thể được chiết xuất với chi phí kinh tế. Một vài lĩnh vực ở Hoa Kỳ chứa hơn 7% helium theo thể tích. Các công ty khoan khí đốt tự nhiên ở những khu vực này sản xuất khí đốt tự nhiên, xử lý nó và loại bỏ helium dưới dạng sản phẩm phụ.
Tiền gửi khí tự nhiên mang helium: Mô hình ký gửi cho các mỏ khí tự nhiên mang helium ở Hoa Kỳ. Helium được sản xuất bởi sự phân rã của uranium và thorium trong đá tầng hầm granitoid. Helium được giải phóng là nổi và di chuyển về phía bề mặt trong độ xốp liên quan đến các lỗi tầng hầm. Helium sau đó di chuyển lên trên qua lớp trầm tích xốp cho đến khi nó bị giữ lại bằng khí tự nhiên dưới giường anhydrite hoặc muối. Đây là những loại đá duy nhất tồn tại theo chiều ngang có khả năng bẫy và chứa các nguyên tử helium nhỏ, nổi. Tình trạng địa chất này chỉ xảy ra ở một vài địa điểm trên thế giới và đó là lý do tại sao tích lũy helium phong phú là rất hiếm.
Liên quan: Công dụng mới của Helium - Ổ cứng
Tại sao Helium trong một số khí tự nhiên?
Hầu hết helium được loại bỏ khỏi khí tự nhiên được cho là hình thành từ sự phân rã phóng xạ của uranium và thorium trong đá granitoid của vỏ lục địa Trái đất. Là một loại khí rất nhẹ, nó nổi và tìm cách di chuyển lên ngay khi nó hình thành. Sự tích lũy helium phong phú nhất được tìm thấy trong đó có ba điều kiện tồn tại: 1) đá tầng hầm granitoid rất giàu uranium và thorium; 2) đá tầng hầm bị nứt và đứt gãy để cung cấp lối thoát cho helium; và, 3) đá trầm tích xốp bên trên các đứt gãy tầng hầm được giới hạn bởi một con dấu không thấm nước của halite hoặc anhydrite. Khi cả ba điều kiện này được đáp ứng, helium có thể tích tụ trong lớp đá trầm tích xốp.
Helium có bán kính nguyên tử nhỏ nhất của bất kỳ nguyên tố nào, khoảng 0,2 nanomet. Vì vậy, khi nó hình thành và bắt đầu di chuyển lên trên, nó có thể vừa với các lỗ rỗng rất nhỏ trong đá. Halite và anhydrite là những loại đá trầm tích duy nhất có thể ngăn chặn sự di chuyển lên của các nguyên tử helium. Các đá phiến có không gian lỗ rỗng của chúng được cắm với các vật liệu hữu cơ phong phú (kerogen) đôi khi đóng vai trò như một rào cản kém hiệu quả.
Tiền gửi khí tự nhiên mang helium: Bản đồ cho thấy các mỏ khí tự nhiên đóng vai trò là nguồn helium quan trọng ở Hoa Kỳ. Khí tự nhiên được sản xuất từ các lĩnh vực này chứa từ 0,3% đến hơn 7% helium. Các helium được loại bỏ khỏi khí để bán thương mại. Hình ảnh bằng cách sử dụng dữ liệu vị trí từ Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ.
Khí thiên nhiên giàu Helium ở đâu?
Hầu hết khí tự nhiên chưa qua chế biến có chứa ít nhất lượng helium. Rất ít trường khí tự nhiên chứa đủ để biện minh cho quá trình thu hồi heli. Một nguồn khí tự nhiên phải chứa ít nhất 0,3% helium để được coi là nguồn helium tiềm năng.
Vào năm 2010, tất cả khí đốt tự nhiên được xử lý cho helium ở Hoa Kỳ đều đến từ các cánh đồng ở Colorado, Kansas, Oklahoma, Texas, Utah và Wyoming như thể hiện trên bản đồ đi kèm. Trường Hugoton ở Oklahoma, Kansas và Texas; Cánh đồng Panoma ở Kansas; Trường Keyes ở Oklahoma; Cánh đồng Panhandle West và Cliffside ở Texas, và Riley Ridge Field ở bang Utah chiếm phần lớn sản lượng helium ở Hoa Kỳ.
Trong năm 2010, Hoa Kỳ đã sản xuất 128 triệu mét khối helium. Trong số đó, 53 triệu mét khối helium được khai thác từ khí tự nhiên và 75 triệu mét khối đã được rút khỏi Khu dự trữ Helium quốc gia. Các quốc gia khác có số lượng sản xuất được biết đến là: Algeria (18 mcm), Qatar (13 mcm), Nga (6 mcm) và Ba Lan (3 mcm). Canada và Trung Quốc đã sản xuất một lượng nhỏ helium nhưng không được báo cáo.
Helium trong máy MRI: Việc sử dụng helium số một là làm mát nam châm trong máy MRI (chụp cộng hưởng từ) được sử dụng để chẩn đoán bệnh và chấn thương tại các cơ sở y tế.
Một cách sử dụng mới cho Helium: Ổ cứng được niêm phong bằng helium đầu tiên được sản xuất vào năm 2013. Helium cho phép ổ đĩa sử dụng ít năng lượng hơn, tạo ra ít nhiệt hơn, tạo ra ít tiếng ồn hơn, chiếm ít không gian hơn, giữ nhiều dữ liệu hơn và tạo ra ít rung động hơn so với ổ cứng tiêu chuẩn. Tìm hiểu thêm.
Công dụng của Heli
Helium có một số tính chất làm cho nó đặc biệt phù hợp với những mục đích sử dụng nhất định. Trong một số sử dụng này, helium là loại khí tốt nhất có thể sử dụng, và trong một số ít không có sự thay thế thích hợp cho helium. Một số cách sử dụng helium cùng với các đặc tính làm cho nó phù hợp với việc sử dụng được mô tả dưới đây.
Chụp cộng hưởng từ
Việc sử dụng helium số một là trong các máy chụp ảnh cộng hưởng từ được sử dụng trong các cơ sở y tế để đánh giá chấn thương và chẩn đoán bệnh. Những máy này sử dụng một từ trường được tạo ra bởi một nam châm siêu dẫn. Những nam châm này tạo ra một lượng nhiệt khổng lồ. Heli lỏng là chất làm mát được lựa chọn để điều chỉnh nhiệt độ của các nam châm này. Bởi vì helium có nhiệt dung riêng thấp thứ hai của bất kỳ loại khí nào và nhiệt độ sôi / nóng chảy thấp nhất của bất kỳ nguyên tố nào, không có sự thay thế dự kiến nào cho helium trong việc sử dụng rất quan trọng này.
Khí nâng
Helium có trọng lượng nguyên tử thấp thứ hai của bất kỳ nguyên tố nào. Chỉ hydro có trọng lượng nguyên tử thấp hơn. Là một loại khí nhẹ hơn không khí, helium đã được sử dụng làm "khí nâng" cho khí cầu và bóng bay. Blimps, dirigibles, zeppelins, khinh khí cầu, khinh khí cầu và các loại máy bay nhẹ hơn không khí khác đều đã sử dụng helium làm khí nâng. Nó an toàn hơn nhiều so với hydro vì nó không dễ cháy. Đây là loại sử dụng heli quan trọng nhất cho đến khi kết thúc Thế chiến II. Lượng helium thấp hơn nhiều hiện đang được sử dụng làm khí nâng.
Khí thanh trừng: Helium được NASA và Bộ Quốc phòng sử dụng để thanh lọc oxy lỏng và hydro lỏng khỏi các thùng nhiên liệu và hệ thống cung cấp nhiên liệu của động cơ tên lửa. Helium trơ và có nhiệt độ đóng băng thấp đến mức nó vẫn là một loại khí trong quá trình thanh lọc. Một luồng khí heli vào các hệ thống này thậm chí đã được sử dụng trong trường hợp khẩn cấp để dập tắt đám cháy. Hình ảnh của NASA.
Hỗn hợp thở helium: Helium được sử dụng để chuẩn bị hỗn hợp khí thở để lặn dưới nước sâu. Helium trơ và có độ nhớt thấp dưới áp suất cho phép thở dễ dàng hơn. Hình ảnh của NOAA.
Khí thanh trừng
Helium có điểm nóng chảy và sôi thấp nhất của bất kỳ loại khí nào. Nó tan chảy và sôi ở nhiệt độ gần bằng không. Bởi vì nó vẫn là một loại khí ở nhiệt độ rất thấp, nó có thể được sử dụng làm khí tẩy cho các thùng nhiên liệu và hệ thống phân phối nhiên liệu chứa đầy các chất lỏng rất lạnh như hydro lỏng và oxy lỏng. Vì nó trơ và có nhiệt độ đóng băng thấp, nó có thể thay thế các nhiên liệu này một cách an toàn mà không bị đóng băng. Một lượng lớn helium được NASA và Bộ Quốc phòng sử dụng để thanh trừng các hệ thống đẩy tên lửa.
Sản xuất khí quyển có kiểm soát
Helium là một loại khí trơ. Khí duy nhất có độ phản ứng thấp hơn là neon. Khả năng phản ứng thấp này làm cho helium trở thành một loại khí có giá trị sử dụng trong các quy trình sản xuất và sửa chữa khi cần một môi trường trơ. Helium cũng có mật độ thấp thứ hai của bất kỳ loại khí nào cùng với độ dẫn nhiệt rất cao. Những tính chất này của khí heli làm cho nó trở thành bầu không khí được lựa chọn cho nhiều quá trình luyện kim, phát triển các tinh thể hoàn hảo trong hơi hóa chất, sản xuất sợi quang và các ứng dụng khác.
Phát hiện rò rỉ
Helium có độ nhớt rất thấp, hệ số khuếch tán cao và nguyên tử nhỏ nhất của bất kỳ nguyên tố nào. Những đặc điểm này làm cho helium rất khó chứa. Nếu một hệ thống bị rò rỉ, helium sẽ thoát ra. Do đó khí heli được sử dụng để kiểm tra các hệ thống chân không cao, hệ thống nhiên liệu và các vật chứa khác để rò rỉ.
Hỗn hợp thở
Helium và các khí trơ khác được sử dụng để chuẩn bị hỗn hợp hô hấp cho lặn nước sâu và điều trị y tế. Helium được sử dụng ở đây vì nó trơ, có độ nhớt rất thấp và dễ thở dưới áp lực hơn bất kỳ loại khí nào khác.
Khí hàn
Helium được sử dụng như một bầu không khí bảo vệ khi hàn. Một bầu không khí khí trơ bảo vệ các kim loại nóng khỏi quá trình oxy hóa và các phản ứng khác có thể xảy ra nhanh chóng ở nhiệt độ cao.
Công dụng của helium: Lượng helium tương đối được tiêu thụ bởi các mục đích sử dụng khác nhau ở Hoa Kỳ trong năm 2011. Biểu đồ bằng cách sử dụng dữ liệu từ USGS.
Helium: Tài nguyên không thể tái tạo
Helium là một loại khí chỉ được tìm thấy khi xảy ra sự trùng hợp ngẫu nhiên. Mặc dù nó liên tục được tạo ra bởi sự phân rã khoáng chất phóng xạ trong lớp vỏ Trái đất, tốc độ sản xuất và tích lũy tự nhiên của nó chậm đến mức nó phải được coi là một nguồn tài nguyên không thể tái tạo.
Helium Gluts và thiếu hụt Helium
Năm 1925 Hoa Kỳ đã thành lập Khu dự trữ Helium quốc gia để phục vụ như một nguồn cung cấp helium chiến lược để sử dụng trong khí cầu và cho các mục đích quốc phòng khác. Vào thời điểm đó, đất nước đang sản xuất nhiều helium hơn là được tiêu thụ. Sau Thế chiến II, lượng helium được sử dụng làm khí nâng giảm, nhưng nhu cầu về helium làm khí thanh trừng khi tiếp nhiên liệu cho động cơ tên lửa và làm chất làm mát trong các cơ sở vũ khí hạt nhân tăng mạnh. Tuy nhiên, nhiều helium đã được sản xuất hơn tiêu thụ.
Năm 1995, Quốc hội đã quyết định rằng Dự trữ Helium Quốc gia là không cần thiết và đã khởi xướng một chương trình bán helium như một phần của Đạo luật Tư nhân hóa Helium năm 1996. Trong gần hai thập kỷ, Quốc hội đã cho phép bán helium với giá chiết khấu lớn cho thị trường tự do giá cả Có tới 1/2 nhu cầu helium trên thế giới đã được đáp ứng thông qua doanh số từ Cục Dự trữ Helium Quốc gia. Trong một số năm, nhiều helium được xuất khẩu ra khỏi Hoa Kỳ sang các nước khác hơn là được tiêu thụ trong nước. Những người mua helium từ chính phủ đã có một thỏa thuận tuyệt vời, và những người mua helium trên thị trường tự do phải trả giá cao hơn nhiều.
Việc bán cổ phiếu dự trữ Helium quốc gia vào thị trường đã làm giảm giá helium đến mức nó được sử dụng như một chất thay thế giá rẻ cho argon và các loại khí khác có nguồn cung hạn chế hơn nhiều.
Do việc sản xuất helium thương mại không được khen thưởng hoặc sử dụng nhiều, thị trường đã bị suy giảm khi doanh số của Dự trữ Helium Quốc gia được thay thế bằng hệ thống đấu giá vào năm 2014. Trong phiên đấu giá đầu tiên, hai nhà thầu đã mua toàn bộ 93 triệu feet helium mỗi năm hơn gấp đôi so với giá thị trường năm trước. Sau cuộc đấu giá, 1 tỷ feet khối khác đã được bán cho cùng hai nhà thầu.
Kể từ phiên đấu giá đầu tiên, giá helium tiếp tục tăng do sản xuất helium mới giảm tiêu thụ. Việc tăng giá đã kích hoạt đầu tư vào các nhà máy chế biến helium mới. Tuy nhiên, helium chỉ có thể được sản xuất từ các mỏ khí tự nhiên với muối hoặc anhydrate dưới dạng đá bẫy. Những điều này chỉ xảy ra ở một vài nơi trên thế giới.
Theo luật hiện hành, Dự trữ Helium Quốc gia sẽ được bán hết vào năm 2021. Hy vọng khoản đầu tư tăng vào các nhà máy thu hồi helium sẽ đủ để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng helium khi nguồn helium quan trọng đó không còn nữa.