Зміст
- Що таке гелій?
- Звідки береться гелій?
- Чому гелій міститься в деяких природних газах?
- Де природний газ багатий гелієм?
- Використання гелію
- Магнітно-резонансна томографія
- Підйом газу
- Очищення газу
- Виробництво контрольованої атмосфери
- Виявлення витоку
- Дихальні суміші
- Зварювальний газ
- Гелій: невідновлюваний ресурс
- Гелієві глити та дефіцит гелію
Гелієвий наліт: Більшість людей чули, що гелій використовується як підйомний газ для погодних кульок, шишок і повітряних кульок. Це дуже незначні використання гелію. Застосування, що споживає більше гелію, ніж будь-який інший, - охолодження магнітів на апаратах МРТ (магнітно-резонансна томографія) в медичних установах. Фото Goodyear blimp від Дерека Дженсена.
Що таке гелій?
Гелій є хімічним елементом і безбарвним інертним газом безбарвного, без смаку. Він має найменший атомний радіус будь-якого елемента і другий найнижчий атомний вагу. Він легший за повітря.
Більшість людей знає, що гелій використовується як газ для підйому в нарядах і на повітряних кулях, але вони не можуть назвати інший спосіб, яким він використовується. Використання гелію номер один є охолоджуючим газом для апаратів магнітно-резонансної томографії (МРТ), що застосовуються в медичних установах. Інші важливі можливості використання гелію включають: захисний газ для зварювання, інертний газ для виготовлення контрольованої атмосфери, втікаючий газ, який використовується для виявлення витоків, і газ низької в'язкості для дихальних сумішей під тиском.
Звідки береться гелій?
В атмосфері Землі присутній дуже мало гелію. Це такий легкий елемент, що гравітація Землі не може його утримувати. Коли він присутній на поверхні Землі, неочищений гелій негайно починає підніматися, поки не врятується від планети. Ось чому партійні кулі піднімаються!
Гелій, який виробляється на комерційній основі, отримують із землі. У деяких родовищах природного газу міститься достатня кількість гелію, змішаного з газом, який він може бути видобутий економічно. Кілька полів у Сполучених Штатах містять понад 7% гелію. Компанії, що здійснюють буріння природного газу в цих районах, виробляють природний газ, переробляють його та видаляють гелій як побічний продукт.
Родовища природного газу, що містять гелій: Модель депозиту для гелієвих родовищ природного газу у Сполучених Штатах. Гелій утворюється при розпаді урану і торію в гранітоїдних породах фундаменту. Вивільнений гелій є плавучим і рухається до поверхні з пористістю, пов'язаною з розломами підвалу. Потім гелій рухається вгору через пористий осадовий покрив, поки не потрапить у природний газ під шарами ангідриту або солі. Це єдині бічно стійкі породи, які здатні захоплювати та містити крихітні, плавучі атоми гелію. Така геологічна ситуація виникає лише в кількох місцях світу, і тому багаті нагромадження гелію рідкісні.
Пов'язані: Нове використання гелію - жорсткі диски
Чому гелій міститься в деяких природних газах?
Вважається, що більша частина гелію, який вилучається із природного газу, утворюється при радіоактивному розпаді урану та торію в гранітоїдних породах континентальної кори Землі. Як дуже легкий газ, він плавучий і прагне рухатися вгору, як тільки утворюється. Найбагатші скупчення гелію виявляються там, де існують три умови: 1) породи гранітоїдних фундаментів багаті ураном і торієм; 2) скелі підвалу розбиті і розломилися, щоб забезпечити шляхи втечі для гелію; і 3) пористі осадові породи над розломами підвалу укупорені непроникною пломбою галіту або ангідриту. Коли всі три ці умови будуть виконані, гелій може накопичуватися в пористому шарі осадової породи.
Гелій має найменший атомний радіус будь-якого елемента, приблизно 0,2 нанометра. Отже, коли він утворюється і починає рухатися вгору, він може поміститися через дуже невеликі простори пор у межах скель. Галіт і ангідрит - єдині осадові породи, які можуть блокувати міграцію атомів гелію вгору. Сланці, що мають свої пори, заповнені рясними органічними матеріалами (кероген), іноді служать менш ефективним бар'єром.
Родовища природного газу, що містять гелій: Карта, що показує родовища природного газу, які служать важливими джерелами гелію в Сполучених Штатах. Природний газ, що виробляється з цих родовищ, містить від 0,3% до понад 7% гелію. Гелій видаляється з газу для комерційного продажу. Зображення за допомогою даних про місцезнаходження Геологічної служби США.
Де природний газ багатий гелієм?
Більшість необробленого природного газу містить принаймні мікроелементи гелію. Дуже мало родовищ природного газу містять достатньо, щоб виправдати процес відновлення гелію. Джерело природного газу повинно містити щонайменше 0,3% гелію, щоб розглядатися як потенційне джерело гелію.
У 2010 році весь природний газ, перероблений для гелію в США, надходив з родовищ у Колорадо, Канзас, Оклахома, Техас, Юта та Вайомінг, як показано на супровідній карті. Поле Гуготон в Оклахомі, Канзасі та Техасі; Поле Панома в Канзасі; поле Кіза в Оклахомі; Поля Панхандл і Полі Кліфсайда в Техасі, а також поле Райлі Райдж у Вайомінгу припадає на більшу частину виробництва гелію в США.
Протягом 2010 року США виробили 128 мільйонів кубічних метрів гелію. З цієї кількості 53 мільйони кубічних метрів гелію було видобуто природним газом, а 75 мільйонів кубічних метрів вилучено з Національного заповідника гелію. Інші країни з відомими обсягами виробництва: Алжир (18 мкм), Катар (13 мкм), Росія (6 мкм) та Польща (3 мкм). Канада та Китай виробляли невеликі, але незадекларовані кількості гелію.
Гелій в апаратах МРТ: Використання гелію номер один - це охолодження магнітів на апаратах МРТ (магнітно-резонансна томографія), які використовуються для діагностики захворювань та травм у медичних установах.
Нове використання гелію: Перший жорсткий диск із герметичним гелієм був виготовлений у 2013 році. Гелій дає можливість приводу використовувати менше енергії, виробляти менше тепла, менше шуму, займати менше місця, зберігати більше даних та створювати менше вібрацій, ніж звичайний жорсткий диск. Вчи більше.
Використання гелію
Гелій має ряд властивостей, що робить його винятково придатним для певного використання. У деяких із цих застосувань гелій є найкращим можливим для використання газом, а в деяких випадках немає адекватної заміни гелію. Нижче описано кілька застосувань гелію, а також властивості, які роблять його придатним для використання.
Магнітно-резонансна томографія
Використання гелію номер один - в апаратах магнітно-резонансної томографії, які використовуються в медичних установах для оцінки травм та діагностики захворювань. Ці машини використовують магнітне поле, яке виробляється надпровідним магнітом. Ці магніти генерують величезну кількість тепла. Рідкий гелій - це охолоджуюча речовина, яка вибирається для регулювання температури цих магнітів. Оскільки гелій має другий найнижчий питомий нагрівання будь-якого газу та найнижчу температуру кипіння / плавлення будь-якого елемента, в цьому дуже важливому застосуванні гелію не передбачено.
Підйом газу
Гелій має другу найнижчу атомну масу будь-якого елемента. Тільки водень має меншу атомну масу. Як легший газ, ніж повітря, гелій використовувався як "підйомний газ" для дирижаблів та повітряних кульок. Збійники, дирижаблі, цепеліни, зенітні кулі, погодні кулі та інші легші повітряні судна використовували гелій як підйомний газ. Він набагато безпечніший за водень, оскільки він не горючий. Це була найважливіша категорія використання гелію до кінця Другої світової війни. Набагато менша кількість гелію зараз використовується як газ для підйому.
Очищення газу: Гелій використовується НАСА та Міністерством оборони для очищення рідкого кисню та рідкого водню з паливних баків та систем подачі палива ракетних двигунів. Гелій є інертним і має температуру замерзання, настільки низьку, що залишається газом у процесі продувки. Потік гелію в ці системи навіть використовувався під час надзвичайних ситуацій для гасіння пожеж. Зображення NASA.
Гелієві дихальні суміші: Гелій використовується для приготування дихаючих газових сумішей для глибоководних дайвингів. Гелій є інертним і має низьку в'язкість під тиском, що дозволяє полегшити дихання. Зображення NOAA.
Очищення газу
Гелій має найнижчу температуру плавлення і кипіння будь-якого газу. Він плавиться і кипить при температурі, близькій до абсолютного нуля. Оскільки він залишається газом при дуже низьких температурах, його можна використовувати як продувний газ для паливних баків та систем подачі палива, наповнених дуже холодними рідинами, такими як рідкий водень та рідкий кисень. Оскільки воно інертне і має низьку температуру замерзання, воно може витісняти ці види палива без замерзання. Велика кількість гелію використовується НАСА та Міністерством оборони для продувки ракетних силових установок.
Виробництво контрольованої атмосфери
Гелій - інертний газ. Єдиний газ із меншою реакційною здатністю - це неон. Ця низька реактивність робить гелій цінним газом для використання у виробничих та ремонтних процесах, коли потрібна інертна атмосфера. Гелій також має другу найнижчу щільність будь-якого газу разом з дуже високою теплопровідністю. Ці властивості газу гелію роблять атмосферу вибору для багатьох металургійних процесів, вирощування досконалих кристалів у хімічних парах, виготовлення оптичних волокон та інших цілей.
Виявлення витоку
Гелій має дуже низьку в'язкість, високий коефіцієнт дифузії та найменший атом будь-якого елемента. Ці характеристики роблять гелій дуже важким. Якщо в системі є витік, гелій вийде. Отже, гелієвий газ використовується для випробування систем високого вакууму, паливних систем та інших резервуарів на протікання.
Дихальні суміші
Гелій та інші інертні гази використовуються для приготування дихальних сумішей для глибоководного дайвінгу та лікувальних процедур. Тут використовується гелій, оскільки він інертний, має дуже низьку в'язкість і легше дихати під тиском, ніж будь-який інший газ.
Зварювальний газ
Гелій використовується як захисна атмосфера при зварюванні. Атмосфера інертного газу захищає гарячі метали від окислення та інших реакцій, які можуть відбуватися швидко при високих температурах.
Використання гелію: Відносні кількості гелію, споживаного різними видами використання в США протягом 2011 року. Графік використання даних USGS.
Гелій: невідновлюваний ресурс
Гелій - це газ, який зустрічається лише там, де відбувається збіг малоймовірних ситуацій. Хоча він постійно виробляється шляхом розпаду радіоактивних мінеральних речовин у земній корі, темпи його природного виробництва та накопичення настільки повільні, що його слід вважати невідновлюваним ресурсом.
Гелієві глити та дефіцит гелію
У 1925 р. США створили Національний заповідник гелію, який служить стратегічним постачанням гелію для використання в дирижаблях та для інших оборонних цілей. У той час країна виробляла набагато більше гелію, ніж споживалося. Після Другої світової війни кількість гелію, що використовується для підйому газу, зменшилося, але попит на гелій як продувний газ при заправці ракетних двигунів і як теплоносій на об'єктах ядерної зброї зростав. Але все-таки виробляється більше гелію, ніж споживається.
У 1995 році Конгрес вирішив, що Національний заповідник гелію не є суттєвим, і ініціював програму продажу гелію в рамках Закону про приватизацію гелію 1996 року. Протягом майже двох десятиліть Конгрес дозволив продавати гелій з величезною знижкою на вільний ринок ціни. До половини світового попиту гелій задовольнявся продажами з Національного гелієвого заповідника. В окремі роки більше гелію було вивезено із США до інших країн, ніж було спожито внутрішньо. Ті, хто придбав гелій уряду, отримали фантастичну угоду, а ті, хто придбав гелій на вільному ринку, заплатили набагато вищу ціну.
Скидання запасів гелію Національного запасу на ринок настільки знизило ціну гелію, що його використовували як дешеву заміну аргону та інших газів, що мають набагато менший запас.
Оскільки комерційне виробництво гелію не було винагороджене чи широко використане, ринок був недостатнім, коли продажі Національного резерву гелію були замінені аукціонною системою у 2014 р. На першому аукціоні два учасники торгів придбали щорічне виділення 93 млн. Кубічних футів гелію більше ніж удвічі перевищує ринкову ціну попередніх років. Після аукціону тим же двом учасникам було продано ще 1 мільярд кубічних футів.
З часу першого аукціону ціна гелію продовжувала зростати, оскільки виробництво нового гелію скорочується до споживання. Підвищення цін спровокувало інвестиції в нові установки для переробки гелію. Однак гелій може вироблятися лише з родовищ природного газу з сіллю або ангідратом у вигляді пастки. Вони трапляються лише в кількох частинах світу.
Відповідно до чинного законодавства, Національний заповідник гелію буде розпроданий до 2021 року. Сподіваємось, що зростаючі інвестиції в установки для відшкодування гелію будуть достатніми для задоволення потреб споживачів гелію, коли цього важливого джерела гелію немає.