Innhold
- Hva er Helium?
- Hvor kommer Helium fra?
- Hvorfor er Helium i noen naturgass?
- Hvor er naturgass rik på helium?
- Bruk av Helium
- Imaging av magnetisk resonans
- Løfte bensin
- Rensing av gass
- Kontrollert atmosfæreproduksjon
- Lekkasjedeteksjon
- Puste blandinger
- Sveisegass
- Helium: En ikke-fornybar ressurs
- Heliumgluts og Heliummangel
Helium blimp: De fleste har hørt om helium som brukes som løftegass til værballonger, blimps og festballonger. Dette er svært mindre bruk av helium. Bruken som bruker mer helium enn noen annen, er å avkjøle magnetene i MR-maskiner (magnetisk resonansavbildning) i medisinske fasiliteter. Goodyear blimp-foto av Derek Jensen.
Hva er Helium?
Helium er et kjemisk element og en fargeløs, luktfri, smakløs inert gass. Den har den minste atomradius for ethvert element og den nest laveste atomvekten. Det er lettere enn luft.
De fleste vet at helium brukes som løftegass i blimps og festballonger, men de kan ikke nevne en annen måte den brukes på. Den viktigste bruken av helium er som en kjølevæske for magnetisk resonansavbildning (MRI) maskiner brukt i medisinske fasiliteter. Andre viktige bruksområder av helium inkluderer: en beskyttelsesgass for sveising, en inert gass for fremstilling av kontrollert atmosfære, en flyktig gass brukt for lekkasjedeteksjon, og en lavviskositetsgass for trykkpustede pusteblandinger.
Hvor kommer Helium fra?
Svært lite helium er til stede i jordens atmosfære. Det er et så lett element at jordens tyngdekraft ikke kan holde den. Når den er til stede på jordoverflaten, begynner ukonfidert helium øyeblikkelig å stige til den slipper unna planeten. Det er derfor festballonger stiger!
Heliumet som produseres kommersielt oppnås fra bakken. Noen naturgassfelt har nok helium blandet med gassen til at den kan utvinnes til en økonomisk kostnad. Noen få felt i USA inneholder over 7 volumprosent helium. Bedrifter som bor etter naturgass i disse områdene produserer naturgassen, behandler den og fjerner helium som biprodukt.
Heliumbærende naturgassavsetninger: Innskuddsmodell for heliumbærende naturgassfelt i USA. Helium produseres ved forfall av uran og thorium i granitoidkjellerbergarter. Det frigjorte heliumet er flytende og beveger seg mot overflaten i porøsitet assosiert med kjellerfeil. Heliumet beveger seg deretter oppover gjennom porøst sedimentært dekke til det blir fanget med naturgass under beddene med anhydritt eller salt. Dette er de eneste sideristiske bergartene som er i stand til å felle og inneholde de bittesmå, flytende heliumatomer. Denne geologiske situasjonen forekommer bare noen få steder i verden, og grunnen til at rike heliumansamlinger er sjeldne.
I slekt: En ny bruk av Helium - harddisker
Hvorfor er Helium i noen naturgass?
Det meste av heliumet som fjernes fra naturgass antas å danne seg fra radioaktivt forfall av uran og thorium i granitoidbergarter på jordens kontinentale skorpe. Som en veldig lett gass er den flytende og prøver å bevege seg oppover så snart den dannes. De rikeste heliumakkumuleringene finnes der tre forhold eksisterer: 1) granitoidkjellerbergarter er rike på uran og thorium; 2) kjellerbergartene er brukket og feil for å gi rømningsveier for heliumet; og, 3) porøse sedimentære bergarter over kjellerfeilene er avdekket av en ugjennomtrengelig forsegling av halitt eller anhydritt. Når alle disse tre betingelsene er oppfylt, kan helium samle seg i det porøse, sedimentære bergartet.
Helium har den minste atomradius for noe element, omtrent 0,2 nanometer. Så når den dannes og begynner å bevege seg oppover, kan den passe gjennom veldig små porerom i steinene. Halitt og anhydritt er de eneste sedimentære bergartene som kan blokkere migrasjonen av heliumatomer oppover. Skifer som har porene sine plugget med rikelig med organiske materialer (kerogen) fungerer noen ganger som en mindre effektiv barriere.
Heliumbærende naturgassavsetninger: Kart som viser naturgassfeltene som fungerer som viktige kilder til helium i USA. Naturgassen som produseres fra disse feltene inneholder mellom 0,3% og over 7% helium. Heliumet fjernes fra gassen for kommersielt salg. Bilde ved å bruke stedsdata fra United States Geological Survey.
Hvor er naturgass rik på helium?
Mest uforedlet naturgass inneholder minst spormengder helium. Svært få felt av naturgass inneholder nok til å rettferdiggjøre en heliumgjenvinningsprosess. En naturgassskilde må inneholde minst 0,3% helium for å bli betraktet som en potensiell heliumskilde.
I 2010 kom all naturgass som ble behandlet for helium i USA fra felt i Colorado, Kansas, Oklahoma, Texas, Utah og Wyoming, som vist på det medfølgende kartet. Hugoton-feltet i Oklahoma, Kansas og Texas; Panoma Field i Kansas; Keyes-feltet i Oklahoma; Panhandle West og Cliffside Fields i Texas, og Riley Ridge Field i Wyoming står for det meste av heliumproduksjonen i USA.
I løpet av 2010 produserte USA 128 millioner kubikkmeter helium. Av det beløpet ble 53 millioner kubikkmeter helium utvunnet fra naturgass, og 75 millioner kubikkmeter ble trukket ut av National Helium Reserve. Andre land med kjente produksjonsmengder var: Algerie (18 mcm), Qatar (13 mcm), Russland (6 mcm) og Polen (3 mcm). Canada og Kina produserte små, men ikke rapporterte mengder helium.
Helium i MR-maskiner: Den viktigste bruken av helium er å avkjøle magneter i MR-maskiner (magnetisk resonansavbildning) som brukes til å diagnostisere sykdom og skade på medisinske fasiliteter.
En ny bruk for Helium: Den første heliumforseglede harddisken ble produsert i 2013. Helium gjør det mulig for stasjonen å bruke mindre energi, produsere mindre varme, lage mindre støy, ta mindre plass, holde mer data og produsere færre vibrasjoner enn en vanlig harddisk. Lære mer.
Bruk av Helium
Helium har en rekke egenskaper som gjør den svært godt egnet for visse bruksområder. I noen av disse bruksområdene er helium den best mulige gassen å bruke, og i noen få er det ingen tilstrekkelig erstatning for helium. Flere anvendelser av helium sammen med egenskapene som gjør det egnet for bruk er beskrevet nedenfor.
Imaging av magnetisk resonans
Den viktigste bruken av helium er i de magnetiske resonansbildemaskiner som brukes i medisinske fasiliteter for å vurdere skader og diagnostisere sykdom. Disse maskinene bruker et magnetfelt som er produsert av en superledende magnet. Disse magnetene genererer en enorm mengde varme. Flytende helium er det valgte kjølevæsken for å regulere temperaturen på disse magneter. Fordi helium har den nest laveste spesifikke varmen til noen gass og det laveste kokepunkt / smeltepunkt for noe element, er det ingen forventet erstatning for helium i denne svært viktige bruken.
Løfte bensin
Helium har den nest laveste atomvekten til noe element. Bare hydrogen har lavere atomvekt. Som en lettere enn luft-gass har helium blitt brukt som en "løftegass" for luftskip og ballonger. Blimps, dirigerbarheter, zeppelins, luftfartøyballonger, værballonger og andre lettere enn luftfartøyer har alt brukt helium som løftegass. Det er mye tryggere enn hydrogen fordi det ikke er brannfarlig. Dette var den viktigste kategorien av heliumbruk frem til slutten av andre verdenskrig. Mye lavere mengder helium brukes nå som løftegass.
Rensing av gass: Helium brukes av NASA og Department of Defense til å rense flytende oksygen og flytende hydrogen fra drivstofftanker og drivstoffleveringssystemer til rakettmotorer. Helium er inert og har en frysetemperatur som er så lav at den forblir en gass gjennom renseprosessen. En strøm av helium inn i disse systemene har til og med blitt brukt under nødsituasjoner for å slukke branner. Bilde av NASA.
Helium puste blandinger: Helium brukes til å tilberede pustegassblandinger for dypt vanndykking. Helium er inert og har en lav viskositet under trykk som gjør det lettere å puste. Bilde av NOAA.
Rensing av gass
Helium har den laveste smelte- og kokepunktet for noen gass. Den smelter og koker ved temperaturer nær absolutt null. Fordi det forblir en gass ved veldig lave temperaturer, kan den brukes som en rensegass for drivstofftanker og drivstoffleveringssystemer som er fylt med veldig kalde væsker som flytende hydrogen og flytende oksygen. Fordi den er inert og har en lav frysetemperatur, kan den fortrenge disse drivstoffene trygt uten å fryse. Store mengder helium brukes av NASA og Department of Defense for å rense rakettfremdrivelsessystemer.
Kontrollert atmosfæreproduksjon
Helium er en inert gass. Den eneste gassen med lavere reaktivitet er neon. Denne lave reaktiviteten gjør helium til en verdifull gass å bruke i produksjons- og reparasjonsprosesser når det kreves en inert atmosfære. Helium har også den nest laveste tettheten av en hvilken som helst gass sammen med en veldig høy varmeledningsevne. Disse egenskapene til heliumgass gjør det til den valgte atmosfæren for mange metallurgiske prosesser, og dyrker perfekte krystaller i kjemiske damper, produserer optiske fibre og annen bruk.
Lekkasjedeteksjon
Helium har en veldig lav viskositet, en høy diffusjonskoeffisient og det minste atomet i noe element. Disse egenskapene gjør helium veldig vanskelig å inneholde. Hvis et system har en lekkasje, vil helium slippe ut. Heliumgass brukes derfor til å teste høye vakuumsystemer, drivstoffsystemer og andre inneslutninger for lekkasjer.
Puste blandinger
Helium og andre inerte gasser brukes til å tilberede pusteblandinger for dypt vanndykking og medisinsk behandling. Helium brukes her fordi den er inert, har en veldig lav viskositet og er lettere å puste under trykk enn noen annen gass.
Sveisegass
Helium brukes som en beskyttende atmosfære når du sveiser. En atmosfære med inert gass beskytter varme metaller mot oksidasjon og andre reaksjoner som kan oppstå raskt ved høye temperaturer.
Bruk av helium: Relative mengder helium konsumert av forskjellige bruksområder i USA i løpet av 2011. Graf ved bruk av data fra USGS.
Helium: En ikke-fornybar ressurs
Helium er en gass som bare finnes der det oppstår en sammenfall av usannsynlige situasjoner. Selv om det kontinuerlig produseres ved radioaktivt mineralforfall i jordskorpen, er hastigheten på naturlig produksjon og akkumulering så langsom at det må betraktes som en ikke-utvinnbar ressurs.
Heliumgluts og Heliummangel
I 1925 opprettet USA National Helium Reserve for å tjene som en strategisk tilførsel av helium til bruk i luftskip og til andre forsvarsformål. På den tiden produserte landet mye mer helium enn det som ble konsumert. Etter andre verdenskrig avtok mengden helium som ble brukt som løftegass, men etterspørselen etter helium som en rensende gass når tanking av rakettmotorer og som kjølevæske i atomvåpenanlegg steg. Fortsatt ble det produsert mer helium enn konsumert.
I 1995 bestemte kongressen at National Helium Reserve ikke var essensielt og igangsatte et program for å selge helium som en del av Helium-privatiseringsloven fra 1996. I nesten to tiår tillot Kongressen at helium kunne selges med en enorm rabatt til frimarkedet priser. Opptil 1/2 av verdens etterspørsel etter helium ble dekket gjennom salg fra National Helium Reserve. I noen år ble mer helium eksportert ut av USA til andre land enn det som ble konsumert innenlands. De som kjøpte helium fra regjeringen fikk en fantastisk avtale, og de som kjøpte helium i det frie markedet betalte en mye høyere pris.
Dumping av National Helium Reserve-aksjen i markedet deprimerte prisen på helium så mye at den ble brukt som en billig erstatning for argon og andre gasser som har mye mindre begrenset tilbud.
Fordi kommersiell heliumproduksjon ikke ble belønnet eller brukt i stor grad, ble markedet underforsynt da salget av National Helium Reserve ble erstattet av et auksjonssystem i 2014. I den første auksjonen kjøpte to budgivere hele den årlige bevilgningen på 93 millioner kubikkfot helium til mer enn det dobbelte av tidligere års markedspris. Etter auksjonen ble ytterligere 1 milliard kubikkfot solgt til de samme to budgiverne.
Siden den første auksjonen fortsatte prisen på helium å stige fordi produksjonen av nytt helium ikke kommer til konsum. Prisøkningen har utløst investeringer i nye heliumprosesseringsanlegg. Helium kan imidlertid bare produseres fra naturgassfelt med salt eller anhydrat som fellebergart. Disse forekommer bare i noen få deler av verden.
I henhold til gjeldende lovverk vil National Helium Reserve bli utsolgt innen 2021. Forhåpentligvis vil de økende investeringene i heliumgjenvinningsanlegg være tilstrekkelig for å imøtekomme behovene til heliumforbrukere når den viktige kilden til helium er borte.