ฮีเลียม: ผลพลอยได้จากก๊าซธรรมชาติที่มีคุณสมบัติและการใช้งานที่ไม่เหมือนใคร

เนื้อหา

• ฮีเลียมคืออะไร
• ฮีเลียมมาจากไหน
• เหตุใดฮีเลียมในก๊าซธรรมชาติ
• ก๊าซธรรมชาติอุดมไปด้วยฮีเลียมอยู่ที่ไหน
• การใช้ฮีเลียม
• การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก
• แก๊สยก
• การล้างแก๊ส
• การผลิตบรรยากาศควบคุม
• การตรวจจับการรั่วไหล
• ส่วนผสมการหายใจ
• แก๊สเชื่อม
• ฮีเลียม: ทรัพยากรที่ไม่สามารถทดแทนได้
• การขาดแคลนฮีเลียมและการขาดฮีเลียม

เรือเหาะฮีเลียม: คนส่วนใหญ่ได้ยินว่ามีการใช้ฮีเลียมเป็นก๊าซในการยกบอลลูนอากาศบอลลูนและลูกโป่งปาร์ตี้ ฮีเลียมเหล่านี้มีการใช้งานน้อยมาก การใช้งานที่ใช้ฮีเลียมมากกว่าอื่น ๆ คือการทำให้แม่เหล็กใน MRI (ถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็ก) ในโรงพยาบาลมีความเย็น ภาพถ่ายเรือเหาะกู๊ดเยียร์โดย Derek Jensen

ฮีเลียมคืออะไร

ฮีเลียมเป็นองค์ประกอบทางเคมีและไม่มีสีไม่มีกลิ่นไม่มีกลิ่นไม่มีรส มันมีรัศมีอะตอมเล็กที่สุดขององค์ประกอบใด ๆ และน้ำหนักอะตอมต่ำสุดที่สอง มันเบากว่าอากาศ

คนส่วนใหญ่รู้ว่าฮีเลียมนั้นใช้เป็นแก๊สยกใน blimps และลูกโป่งปาร์ตี้ แต่พวกเขาไม่สามารถใช้วิธีอื่นในการใช้งานได้ การใช้ฮีเลียมอันดับหนึ่งคือก๊าซทำความเย็นสำหรับเครื่องถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI) ที่ใช้ในโรงพยาบาล การใช้ฮีเลียมที่สำคัญอื่น ๆ ได้แก่ : ก๊าซป้องกันสำหรับการเชื่อม, ก๊าซเฉื่อยสำหรับการผลิตบรรยากาศควบคุม, ก๊าซผู้ลี้ภัยที่ใช้สำหรับการตรวจจับการรั่วไหล, และก๊าซความหนืดต่ำสำหรับสารผสมการหายใจแรงดันสูง

ฮีเลียมมาจากไหน

ฮีเลียมน้อยมากที่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศของโลก มันเป็นองค์ประกอบแสงที่แรงโน้มถ่วงของโลกไม่สามารถจับมันได้ เมื่ออยู่ที่พื้นผิวโลกฮีเลียมที่ไม่ได้กำหนดจะเริ่มสูงขึ้นทันทีจนกว่ามันจะหนีออกจากโลก ทำไมลูกโป่งปาร์ตี้เพิ่มขึ้น!

ฮีเลียมที่ผลิตในเชิงพาณิชย์นั้นได้มาจากพื้นดิน แหล่งก๊าซธรรมชาติบางแห่งมีฮีเลียมพอที่จะรวมกับก๊าซซึ่งสามารถสกัดได้ในราคาประหยัด เขตข้อมูลบางแห่งในสหรัฐอเมริกามีฮีเลียม 7% โดยปริมาตร บริษัท ที่ขุดเจาะก๊าซธรรมชาติในพื้นที่เหล่านี้ผลิตก๊าซธรรมชาติประมวลผลและกำจัดฮีเลียมออกเป็นผลพลอยได้

ก๊าซธรรมชาติที่มีภาระฮีเลียม: แบบจำลองการฝากสำหรับแหล่งก๊าซธรรมชาติที่มีภาระฮีเลียมในสหรัฐอเมริกา ฮีเลียมผลิตโดยการสลายตัวของยูเรเนียมและทอเรียมในหินแกรนิตชั้นใต้ดิน ฮีเลียมที่ปลดปล่อยแล้วลอยตัวและเคลื่อนที่ไปยังพื้นผิวในความพรุนซึ่งสัมพันธ์กับความผิดปกติของชั้นใต้ดิน จากนั้นฮีเลียมจะเคลื่อนที่ขึ้นไปตามแผ่นตะกอนที่มีรูพรุนจนติดกับก๊าซธรรมชาติใต้เตียงของแอนไฮไดรต์หรือเกลือ เหล่านี้เป็นหินประเภทแนวขวางเท่านั้นที่สามารถดักจับและบรรจุอะตอมฮีเลียมขนาดเล็กที่ลอยตัว สถานการณ์ทางธรณีวิทยานี้เกิดขึ้นเพียงไม่กี่แห่งในโลกและเป็นสาเหตุที่การสะสมฮีเลียมที่อุดมไปด้วยหายาก

ที่เกี่ยวข้อง: การใช้งานฮีเลียม - ฮาร์ดไดรฟ์ใหม่

เหตุใดฮีเลียมในก๊าซธรรมชาติ

ฮีเลียมส่วนใหญ่ที่ถูกลบออกจากก๊าซธรรมชาติเป็นความคิดที่ก่อตัวขึ้นจากการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีของยูเรเนียมและทอเรียมในหินแกรนิตของเปลือกโลกแผ่นดินโลก ในฐานะที่เป็นก๊าซเบามากมันลอยตัวและพยายามเคลื่อนตัวขึ้นสูงในทันทีที่มันก่อตัว การสะสมฮีเลียมที่ร่ำรวยที่สุดพบได้ที่สามเงื่อนไข: 1) หินใต้ดินชั้นหินแกรนิตที่อุดมไปด้วยยูเรเนียมและทอเรียม; 2) หินชั้นใต้ดินแตกหักและชำรุดเพื่อให้ทางหนีสำหรับฮีเลียม; และ 3) หินตะกอนที่มีรูพรุนอยู่เหนือความผิดปกติของชั้นใต้ดินนั้นถูกปกคลุมด้วยตราประทับของฮาไลต์หรือแอนไฮไดรต์ เมื่อพบเงื่อนไขทั้งสามนี้ฮีเลียมอาจสะสมอยู่ในชั้นหินตะกอนที่มีรูพรุน

ฮีเลียมมีรัศมีอะตอมเล็กที่สุดของธาตุใด ๆ ประมาณ 0.2 นาโนเมตร ดังนั้นเมื่อมันก่อตัวและเริ่มเคลื่อนที่ขึ้นไปมันสามารถผ่านรูขุมขนที่เล็กมากภายในหิน Halite and anhydrite เป็นหินตะกอนเพียงชนิดเดียวที่สามารถปิดกั้นการเคลื่อนตัวของอะตอมฮีเลียม บางครั้งแผ่นหินที่มีช่องว่างของรูพรุนเสียบกับวัสดุอินทรีย์จำนวนมาก (เคอโรเจน) บางครั้งก็ทำหน้าที่เป็นกำแพงกั้นที่มีประสิทธิภาพน้อย

ก๊าซธรรมชาติที่มีภาระฮีเลียม: แผนที่แสดงแหล่งก๊าซธรรมชาติที่ทำหน้าที่เป็นแหล่งสำคัญของฮีเลียมในสหรัฐอเมริกา ก๊าซธรรมชาติที่ผลิตจากแหล่งเหล่านี้มีฮีเลียมระหว่าง 0.3% ถึง 7% ฮีเลียมจะถูกลบออกจากก๊าซเพื่อการค้า รูปภาพโดยใช้ข้อมูลตำแหน่งจากการสำรวจทางธรณีวิทยาของสหรัฐอเมริกา

ก๊าซธรรมชาติอุดมไปด้วยฮีเลียมอยู่ที่ไหน

ก๊าซธรรมชาติที่ยังไม่ผ่านกระบวนการส่วนใหญ่ประกอบด้วยฮีเลียมในปริมาณน้อยที่สุด แหล่งก๊าซธรรมชาติเพียงไม่กี่แหล่งที่เพียงพอที่จะพิสูจน์กระบวนการกู้คืนฮีเลียม แหล่งก๊าซธรรมชาติจะต้องมีฮีเลียมอย่างน้อย 0.3% จึงจะถือว่าเป็นแหล่งฮีเลียมที่มีศักยภาพ

ในปี 2010 ก๊าซธรรมชาติทั้งหมดที่ประมวลผลสำหรับฮีเลียมในสหรัฐอเมริกามาจากทุ่งในโคโลราโดแคนซัสโอคลาโฮมาเท็กซัสยูทาห์และไวโอมิงตามที่แสดงบนแผนที่ประกอบ สนาม Hugoton ในโอคลาโฮมาแคนซัสและเท็กซัส; สนาม Panoma ในแคนซัส; คีย์สฟิลด์ในโอคลาโฮมา; Panhandle West และ Cliffside Fields ในเท็กซัสและ Riley Ridge Field ในรัฐไวโอมิงสำหรับการผลิตฮีเลียมส่วนใหญ่ในสหรัฐอเมริกา

ในช่วงปี 2010 สหรัฐอเมริกาผลิตฮีเลียม 128 ล้านลูกบาศก์เมตร จากจำนวนนั้นฮีเลียม 53 ล้านลูกบาศก์เมตรถูกสกัดจากก๊าซธรรมชาติและ 75 ล้านลูกบาศก์เมตรถูกถอนออกจาก National Helium Reserve ประเทศอื่น ๆ ที่มีปริมาณการผลิตที่รู้จัก ได้แก่ แอลจีเรีย (18 mcm) กาตาร์ (13 mcm) รัสเซีย (6 mcm) และโปแลนด์ (3 mcm) แคนาดาและจีนผลิตฮีเลียมจำนวนเล็กน้อย แต่ไม่ได้รับรายงาน

ฮีเลียมในเครื่อง MRI: การใช้ฮีเลียมอันดับหนึ่งคือการทำให้แม่เหล็กในเครื่อง MRI (ถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก) เย็นลงซึ่งใช้ในการวินิจฉัยโรคและการบาดเจ็บในสถานพยาบาล

การใช้งานใหม่สำหรับฮีเลียม: ฮาร์ดไดรฟ์ที่ปิดผนึกฮีเลียมตัวแรกผลิตขึ้นในปี 2556 ฮีเลียมช่วยให้ไดรฟ์ใช้พลังงานน้อยลงสร้างความร้อนน้อยลงลดเสียงรบกวนใช้พื้นที่น้อยเก็บข้อมูลได้มากขึ้นและสร้างการสั่นสะเทือนน้อยกว่าฮาร์ดไดรฟ์มาตรฐาน เรียนรู้เพิ่มเติม.

การใช้ฮีเลียม

ฮีเลียมมีคุณสมบัติหลายประการที่ทำให้มันเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานบางอย่าง ในการใช้งานบางส่วนฮีเลียมเป็นก๊าซที่ดีที่สุดในการใช้งานและในบางส่วนไม่มีฮีเลียมทดแทนเพียงพอ การใช้ฮีเลียมหลายครั้งพร้อมกับคุณสมบัติที่ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานมีอธิบายไว้ด้านล่าง

การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก

การใช้ฮีเลียมอันดับหนึ่งนั้นอยู่ในเครื่องถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กที่ใช้ในสถานพยาบาลเพื่อประเมินการบาดเจ็บและวินิจฉัยการเจ็บป่วย เครื่องเหล่านี้ใช้สนามแม่เหล็กที่ผลิตโดยแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด แม่เหล็กเหล่านี้สร้างความร้อนจำนวนมหาศาล ฮีเลียมเหลวเป็นสารระบายความร้อนของทางเลือกสำหรับควบคุมอุณหภูมิของแม่เหล็กเหล่านี้ เนื่องจากฮีเลียมมีความร้อนจำเพาะอันดับที่สองที่ต่ำที่สุดของก๊าซใด ๆ และจุดหลอมเหลว / จุดหลอมเหลวต่ำสุดขององค์ประกอบใด ๆ จึงไม่มีการคาดการณ์ล่วงหน้าแทนฮีเลียมในการใช้งานที่สำคัญมากนี้

แก๊สยก

ฮีเลียมมีน้ำหนักอะตอมต่ำที่สุดเป็นอันดับสองขององค์ประกอบใด ๆ ไฮโดรเจนเท่านั้นที่มีน้ำหนักอะตอมต่ำกว่า ในฐานะที่เป็นก๊าซที่เบากว่าอากาศฮีเลียมถูกใช้เป็น "แก๊สยก" สำหรับเรือบินและลูกโป่ง Blimps, dirigibles, zeppelins, ลูกโป่งต่อต้านอากาศยาน, บอลลูนอากาศและยานที่เบากว่าอากาศอื่น ๆ ล้วนใช้ฮีเลียมเป็นแก๊สยก มันปลอดภัยกว่าไฮโดรเจนมากเพราะไม่ไวไฟ นี่เป็นหมวดหมู่ที่สำคัญที่สุดของการใช้ฮีเลียมจนถึงสิ้นสุดสงครามโลกครั้งที่สอง ปัจจุบันฮีเลียมในปริมาณที่น้อยกว่ามากถูกนำมาใช้เป็นแก๊สยก

การล้างแก๊ส: ฮีเลียมใช้โดยองค์การนาซ่าและกระทรวงกลาโหมในการล้างออกซิเจนเหลวและไฮโดรเจนเหลวจากถังเชื้อเพลิงและระบบส่งเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์จรวด ฮีเลียมนั้นเฉื่อยและมีอุณหภูมิเยือกแข็งที่ต่ำจนเหลือแก๊สผ่านกระบวนการกวาดล้าง การไหลของฮีเลียมไปยังระบบเหล่านี้ยังถูกนำมาใช้ในกรณีฉุกเฉินเพื่อดับไฟ ภาพโดยนาซา

ฮีเลียมหายใจผสม: ฮีเลียมถูกใช้เพื่อเตรียมส่วนผสมของก๊าซหายใจสำหรับการดำน้ำลึก ฮีเลียมนั้นเฉื่อยและมีความหนืดต่ำภายใต้แรงกดดันทำให้หายใจได้ง่ายขึ้น ภาพโดย NOAA

การล้างแก๊ส

ฮีเลียมมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำที่สุดของก๊าซใด ๆ มันละลายและเดือดที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับค่าสัมบูรณ์ เนื่องจากมันยังคงเป็นก๊าซที่อุณหภูมิต่ำมากจึงสามารถใช้เป็นก๊าซสำหรับถังน้ำมันเชื้อเพลิงและระบบส่งน้ำมันที่เต็มไปด้วยของเหลวที่เย็นมากเช่นไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจนเหลว เนื่องจากมันเป็นก๊าซเฉื่อยและมีอุณหภูมิต่ำเยือกแข็งจึงสามารถกำจัดเชื้อเพลิงเหล่านี้ได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ต้องแช่แข็ง ฮีเลียมจำนวนมากถูกใช้โดยองค์การนาซ่าและกระทรวงกลาโหมในการกวาดล้างระบบขับเคลื่อนจรวด

การผลิตบรรยากาศควบคุม

ฮีเลียมเป็นก๊าซเฉื่อย ก๊าซเพียงชนิดเดียวที่มีปฏิกิริยาต่ำกว่าคือนีออน ปฏิกิริยาต่ำนี้ทำให้ฮีเลียมเป็นก๊าซมีค่าที่ใช้ในกระบวนการผลิตและซ่อมแซมเมื่อจำเป็นต้องมีบรรยากาศเฉื่อย ฮีเลียมยังมีความหนาแน่นต่ำที่สุดเป็นอันดับสองของก๊าซใด ๆ พร้อมกับการนำความร้อนสูงมาก คุณสมบัติของก๊าซฮีเลียมเหล่านี้ทำให้บรรยากาศของทางเลือกสำหรับกระบวนการทางโลหะมากมายการเติบโตของผลึกที่สมบูรณ์แบบในไอสารเคมีการผลิตเส้นใยนำแสงและการใช้งานอื่น ๆ

การตรวจจับการรั่วไหล

ฮีเลียมมีความหนืดต่ำมากสัมประสิทธิ์การแพร่สูงและอะตอมที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบใด ๆ ลักษณะเหล่านี้ทำให้ฮีเลียมบรรจุยากมาก หากระบบมีการรั่วฮีเลียมจะหลบหนี ดังนั้นก๊าซฮีเลียมจึงถูกใช้ในการทดสอบระบบสูญญากาศสูงระบบเชื้อเพลิงและการกักกันอื่น ๆ สำหรับการรั่วไหล

ส่วนผสมการหายใจ

ฮีเลียมและก๊าซเฉื่อยอื่น ๆ จะใช้ในการเตรียมส่วนผสมการหายใจสำหรับการดำน้ำลึกและการรักษาพยาบาล ฮีเลียมถูกนำมาใช้ที่นี่เพราะมันเฉื่อยมีความหนืดต่ำมากและหายใจได้ง่ายภายใต้ความกดดันมากกว่าก๊าซอื่น ๆ

แก๊สเชื่อม

ฮีเลียมถูกใช้เป็นบรรยากาศป้องกันเมื่อทำการเชื่อม บรรยากาศก๊าซเฉื่อยปกป้องโลหะร้อนจากการเกิดออกซิเดชันและปฏิกิริยาอื่น ๆ ที่อาจเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิสูง

การใช้ฮีเลียม: จำนวนฮีเลียมที่สัมพันธ์กันที่ใช้โดยการใช้งานต่าง ๆ ในสหรัฐอเมริการะหว่างปี 2011 กราฟโดยใช้ข้อมูลจาก USGS

ฮีเลียม: ทรัพยากรที่ไม่สามารถทดแทนได้

ฮีเลียมเป็นก๊าซที่พบได้เฉพาะในสถานการณ์ที่ไม่เกิดขึ้นโดยบังเอิญ แม้ว่ามันจะถูกผลิตอย่างต่อเนื่องโดยการสลายตัวของแร่กัมมันตรังสีในเปลือกโลกอัตราการผลิตและการสะสมตามธรรมชาติของมันช้ามากจนต้องพิจารณาว่าเป็นทรัพยากรที่ไม่สามารถทดแทนได้

การขาดแคลนฮีเลียมและการขาดฮีเลียม

ในปีพ. ศ. 2468 สหรัฐอเมริกาได้จัดตั้ง National Helium Reserve เพื่อทำหน้าที่เป็นผู้จัดหาฮีเลียมเชิงกลยุทธ์สำหรับใช้ในเรือบินและเพื่อวัตถุประสงค์ในการป้องกันอื่น ๆ ในเวลานั้นประเทศกำลังผลิตฮีเลียมมากกว่าการบริโภค หลังจากสงครามโลกครั้งที่สองปริมาณฮีเลียมที่ใช้เป็นแก๊สยกลดลง แต่ความต้องการฮีเลียมในฐานะก๊าซกวาดเมื่อเติมเชื้อเพลิงจรวดเครื่องยนต์และเป็นสารหล่อเย็นในโรงงานอาวุธนิวเคลียร์เพิ่มขึ้น ยังคงมีการผลิตฮีเลียมมากกว่าการบริโภค

ในปี 1995 สภาคองเกรสตัดสินใจว่า National Helium Reserve ไม่จำเป็นและริเริ่มโครงการขายฮีเลียมซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของพระราชบัญญัติการแปรรูปฮีเลียมปี 1996 เป็นเวลาเกือบสองทศวรรษที่รัฐสภาอนุญาตให้ฮีเลียมขายลดราคามหาศาลให้กับตลาดเสรี ราคา มีการตอบสนองความต้องการฮีเลียมของโลกมากถึง 1/2 จากการขายจาก National Helium Reserve ในบางปีมีการส่งออกฮีเลียมออกจากสหรัฐอเมริกาไปยังประเทศอื่นมากกว่าที่บริโภคภายในประเทศ ผู้ที่ซื้อฮีเลียมจากรัฐบาลจะได้รับข้อตกลงที่ยอดเยี่ยมและผู้ที่ซื้อฮีเลียมในตลาดเสรีต้องจ่ายราคาที่สูงขึ้นมาก

การทุ่มตลาดสต็อกสำรองฮีเลียมแห่งชาติลงสู่ตลาดทำให้ราคาของฮีเลียมลดลงมากจนถูกนำมาใช้เป็นสารทดแทนราคาถูกสำหรับอาร์กอนและก๊าซอื่น ๆ ที่มีปริมาณ จำกัด น้อยกว่ามาก

เนื่องจากการผลิตฮีเลียมเชิงพาณิชย์ไม่ได้รับผลตอบแทนหรือใช้อย่างหนักตลาดจึงไม่ได้รับการสนับสนุนเมื่อยอดขายของ National Helium Reserve ถูกแทนที่ด้วยระบบการประมูลในปี 2014 ในการประมูลครั้งแรกผู้ประมูลสองรายซื้อการจัดสรรฮีเลียมทั้งหมด 93 ล้านลูกบาศก์ฟุตต่อปี กว่าสองเท่าของราคาตลาดปีก่อนหน้า หลังจากการประมูลอีก 1 พันล้านลูกบาศก์ฟุตถูกขายให้กับผู้ประมูลสองรายเดียวกัน

ตั้งแต่การประมูลครั้งแรกราคาฮีเลียมยังคงปรับตัวสูงขึ้นเนื่องจากการผลิตฮีเลียมใหม่ยังไม่เพียงพอต่อการบริโภค การเพิ่มขึ้นของราคาทำให้เกิดการลงทุนในโรงงานแปรรูปฮีเลียมแห่งใหม่ อย่างไรก็ตามฮีเลียมสามารถผลิตได้จากแหล่งก๊าซธรรมชาติที่มีเกลือหรือแอนไฮไดรด์เป็นหินดักจับเท่านั้น สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นในไม่กี่ส่วนของโลก

ภายใต้กฎหมายปัจจุบันฮีเลียมสำรองแห่งชาติจะถูกจำหน่ายหมดภายในปี 2564 หวังว่าการลงทุนที่เพิ่มขึ้นในโรงงานกู้คืนฮีเลียมจะเพียงพอต่อความต้องการของผู้บริโภคฮีเลียมเมื่อแหล่งฮีเลียมที่สำคัญหายไป