הליום: תוצר לוואי בגז טבעי עם תכונות ושימושים ייחודיים

תוֹכֶן

• מה זה הליום?
• מאיפה הליום?
• מדוע הליום נמצא בגז טבעי?
• איפה הגז הטבעי עשיר בהליום?
• שימושים בהליום
• הדמיה בתהודה מגנטית
• הרמת גז
• טיהור גז
• ייצור אווירה מבוקרת
• גילוי דליפה
• תערובות נשימה
• גז ריתוך
• הליום: משאב בלתי ניתן להתחדשות
• גלוטות הליום ומחסור בהליום

Blimp הליום: רוב האנשים שמעו על השימוש בהליום כגז הרמה לבלוני מזג אוויר, blimpes ובלוני מסיבות. מדובר בשימושים קלים מאוד בהליום. השימוש הצורך יותר הליום מכל סוג אחר הוא קירור המגנטים במכונות MRI (דימות תהודה מגנטית) במתקנים רפואיים. תצלום של גימנס גודייר מאת דרק ג'נסן.

מה זה הליום?

הליום הוא יסוד כימי וגז אינרטי חסר צבע, חסר ריח, חסר טעם. יש לו את הרדיוס האטומי הקטן ביותר של כל יסוד והמשקל האטומי השני הנמוך ביותר. הוא קל יותר מאוויר.

רוב האנשים יודעים שהליום משמש כגז הרמה בסרסורים ובלוני מסיבות, אך הם אינם יכולים לציין דרך אחרת בה הוא משמש. השימוש מספר אחת בהליום הוא כגז קירור למכונות הדמיית תהודה מגנטית (MRI) המשמשות במתקנים רפואיים. שימושים חשובים נוספים בהליום כוללים: גז מגן לריתוך, גז אינרטי לייצור אטמוספירה מבוקרת, גז נמלט המשמש לגילוי דליפות, וגז בעל צמיגות נמוכה לתערובות נשימה בלחץ.

מאיפה הליום?

מעט מאוד הליום קיים באווירה של כדור הארץ. זהו אלמנט קליל שכוח המשיכה הארצי אינו יכול להחזיק אותו. כאשר הוא נמצא על פני כדור הארץ, הליום בלתי מוגדר מתחיל מיד לעלות עד שהוא בורח מכוכב הלכת. לכן בלוני מסיבות עולים!

ההליום המיוצר באופן מסחרי מתקבל מהאדמה. בחלק משדות הגז הטבעי יש מספיק הליום מעורבב עם הגז שניתן להפיק אותו בעלות כלכלית. כמה שדות בארצות הברית מכילים מעל 7% הליום בנפח. חברות המקדחות גז טבעי באזורים אלה מייצרות את הגז הטבעי, מעבדות אותו ומסלקות את ההליום כתוצר לוואי.

מרבצי גז טבעי נושאי הליום: מודל הפיקדון לשדות גז טבעי נושאי הליום בארצות הברית. הליום מיוצר על ידי ריקבון אורניום ותוריום בסלעי מרתף גרניטואידים. ההליום המשוחרר מצוף ונע לעבר פני השטח בנקבוביות הקשורה לתקלות במרתף. ההליום נע אז כלפי מעלה דרך כיסוי משקע נקבובי עד שהוא נלכד בגז טבעי מתחת למיטות של אנתריט או מלח. אלה הם סוגי הסלע היחידים המתמשכים לרוחב המסוגלים ללכוד ולהכיל את אטומי הליום הזעירים. סיטואציה גאולוגית זו מתרחשת רק במקומות ספורים בעולם וזו הסיבה שצבירת הליום עשירה נדירה.

קשורים: שימוש חדש בהליום - כוננים קשיחים

מדוע הליום נמצא בגז טבעי?

רוב ההליום המוסר מגז טבעי נחשב להתפרק מריקבון רדיואקטיבי של אורניום ותוריום בסלעים גרניטואידים בקרום היבשת הארצי. כגז קל מאוד, הוא מצוף ומנסה לנוע כלפי מעלה ברגע שהוא נוצר. הצטברות ההליום העשירה ביותר נמצאות במקום בו קיימים שלושה תנאים: 1) סלעי מרתף גרניטואידי עשירים באורניום ותוריום; 2) סלעי המרתף שברים ונפגמים באשמת אספקת נתיבי מילוט להליום; וכן, 3) סלעי משקע נקבוביים מעל ליקויי המרתף מכוסים על ידי חותם אטום של הליט או אנהידריט. כאשר מתקיימים כל שלושת התנאים הללו, הליום עשוי להצטבר בשכבת הסלע המשקעית הנקבובית.

הליום בעל הרדיוס האטומי הקטן ביותר של יסוד כלשהו, ​​בערך 0.2 ננומטר. לכן, כשהוא נוצר ומתחיל לנוע כלפי מעלה, הוא יכול להתאים לחללי נקבוביות קטנים מאוד בתוך הסלעים. הליט ואנהידריט הם הסלעים המשקעים היחידים שיכולים לחסום את נדידתם של אטומי הליום כלפי מעלה. מפצלים שבחלל הנקבוביות שלהם מחוברים בחומרים אורגניים בשפע (קרוגן) משמשים לפעמים כמחסום פחות יעיל.

מרבצי גז טבעי נושאי הליום: מפה המציגה את שדות הגז הטבעי המשמשים כמקורות חשובים להליום בארצות הברית. הגז הטבעי המופק משדות אלה מכיל בין 0.3% ליותר מ- 7% הליום. ההליום מוציא מהגז למכירה מסחרית. תמונה באמצעות נתוני מיקום מהסקר הגיאולוגי של ארצות הברית.

איפה הגז הטבעי עשיר בהליום?

רוב הגז הטבעי הלא מעובד מכיל לפחות כמויות העקבות של הליום. מעט מאוד שדות גז טבעי מכילים מספיק כדי להצדיק תהליך התאוששות הליום. מקור גז טבעי חייב להכיל לפחות 0.3% הליום כדי להיחשב כמקור הליום פוטנציאלי.

בשנת 2010, כל הגז הטבעי שעובד להליום בארצות הברית הגיע משדות בקולורדו, קנזס, אוקלהומה, טקסס, יוטה וויומינג, כפי שמוצג במפה המלווה. שדה האגוטון באוקלהומה, קנזס וטקסס; שדה פנומה בקנזס; שדה קיאס באוקלהומה; שדות Panhandle West ו- Cliffside בטקסס, ושדה ריילי רידג 'בוויומינג מהווים את מרבית ייצור ההליום בארצות הברית.

במהלך 2010 ייצרה ארצות הברית 128 מיליון קוב הליום. מתוך כמות זו, 53 מיליון קוב של הליום הוצאו מגז טבעי, ו- 75 מיליון קוב מעוקב הוצאו משמורת הליום הלאומית. מדינות אחרות עם כמויות ייצור ידועות היו: אלג'יריה (18 ס"מ), קטאר (13 ס"מ), רוסיה (6 ס"מ) ופולין (3 ס"מ). קנדה וסין ייצרו כמויות קטנות אך לא מדווחות של הליום.

הליום במכונות MRI: השימוש הראשון בהליום הוא קירור המגנטים במכונות ה- MRI (דימות תהודה מגנטית) המשמשות לאבחון מחלות ופגיעות במתקנים רפואיים.

שימוש חדש עבור הליום: הכונן הקשיח אטום הליום הראשון הופק בשנת 2013. הליום מאפשר לכונן להשתמש בפחות אנרגיה, לייצר פחות חום, להשמיע פחות רעש, לתפוס פחות מקום, להחזיק יותר נתונים ולייצר פחות רעידות מכונן קשיח רגיל. למד עוד.

שימושים בהליום

להליום מספר מאפיינים ההופכים אותה למתאימה במיוחד לשימושים מסוימים. בחלק מהשימושים הללו הליום הוא הגז הטוב ביותר שניתן להשתמש בו, ובכמה בודדים אין תחליף הולם להליום. להלן מספר שימושים בהליום יחד עם המאפיינים ההופכים אותו מתאים לשימוש.

הדמיה בתהודה מגנטית

השימוש מספר אחד בהליום נמצא במכונות הדמיית תהודה מגנטית המשמשות במתקנים רפואיים להערכת פציעות ואבחון מחלות. מכונות אלה מנצלות שדה מגנטי המיוצר על ידי מגנט מוליך-על. מגנטים אלה מייצרים כמות עצומה של חום. הליום נוזלי הוא חומר הקירור הנבחר לבקרת הטמפרטורה של מגנטים אלה. מכיוון שלליום יש את החום הספציפי השני הנמוך ביותר של כל גז ונקודת הרתיחה / ההיתוך הנמוכה ביותר של יסוד כלשהו, ​​אין שום תחליף צפוי להליום בשימוש חשוב מאוד זה.

הרמת גז

הליום הוא בעל המשקל האטומי השני הנמוך ביותר של יסוד כלשהו. רק למימן יש משקל אטומי נמוך יותר. כגז קל יותר מהאוויר, הליום שימש כ"גז הרמה "עבור ספינות אוויר ובלונים. Blimps, כיוונים, צפלינים, בלוני נ"מ, בלוני מזג אוויר ושאר כלי שיט קלילים מהאוויר השתמשו כולם בהליום כגז הרמה. זה הרבה יותר בטוח ממימן מכיוון שהוא לא דליק. זו הייתה הקטגוריה החשובה ביותר לשימוש בהליום עד סוף מלחמת העולם השנייה. כמויות נמוכות בהרבה של הליום משמשות כיום כגז הרמה.

טיהור גז: הליום משמש על ידי נאס"א ומשרד ההגנה לטיהור חמצן נוזלי ומימן נוזלי ממכלי דלק ומערכות אספקת דלק של מנועי רקטות. הליום אינרטי ובעל טמפרטורת הקפאה כל כך נמוכה שהוא נשאר גז בתהליך הטיהור. זרימת הליום למערכות אלה אף שימשה במהלך חירום לכיבוי שריפות. תמונה על ידי נאס"א.

תערובות נשימה הליום: הליום משמש להכנת תערובות גז לנשימה לצלילה במים עמוקים. הליום אינרטי ובעל צמיגות נמוכה בלחץ המאפשר נשימה קלה יותר. תמונה מאת NOAA.

טיהור גז

הליום הוא בעל נקודת ההתכה והרתיחה הנמוכה ביותר של כל גז. הוא נמס ונרתח בטמפרטורות הקרובות לאפס מוחלט. מכיוון שהוא נותר גז בטמפרטורות נמוכות מאוד, הוא יכול לשמש כגז מנקה עבור מיכלי דלק ומערכות אספקת דלק הממלאות בנוזלים קרים מאוד כמו מימן נוזלי וחמצן נוזלי. מכיוון שהוא אינרטי ובעל טמפרטורת הקפאה נמוכה, הוא יכול לעקוף את הדלקים הללו בבטחה ללא הקפאה. כמויות גדולות של הליום משמשות על ידי נאס"א ומחלקת ההגנה לטיהור מערכות הנעה של טילים.

ייצור אווירה מבוקרת

הליום הוא גז אינרטי. הגז היחיד עם תגובתיות נמוכה יותר הוא ניאון. תגובתיות נמוכה זו הופכת את הליום לגז בעל ערך לשימוש בתהליכי ייצור ותיקון כאשר נדרשת אווירה אינרטית. הליום יש גם את הצפיפות השנייה הנמוכה ביותר של כל גז יחד עם מוליכות תרמית גבוהה מאוד. תכונות אלה של גז הליום הופכות אותו לאווירה שבחרת בתהליכים מתכות רבים, מגדילה גבישים מושלמים באדים כימיים, בייצור סיבים אופטיים ושימושים אחרים.

גילוי דליפה

הליום בעל צמיגות נמוכה מאוד, מקדם דיפוזיה גבוה והאטום הקטן ביותר של כל יסוד. מאפיינים אלה מקשים מאוד על הליום. אם למערכת יש נזילה, הליום יברח. לפיכך משמש גז הליום לבדיקת מערכות ואקום גבוהה, מערכות דלק ומכלים אחרים לדליפות.

תערובות נשימה

הליום וגזים אינרטיים אחרים משמשים להכנת תערובות נשימה לצלילה במים עמוקים וטיפולים רפואיים. הליום משמש כאן מכיוון שהוא אינרטי, בעל צמיגות נמוכה מאוד וקל יותר לנשום תחת לחץ מאשר כל גז אחר.

גז ריתוך

הליום משמש כאווירת הגנה בעת הריתוך. אטמוספירת גז אינרטי מגנה על מתכות חמות מפני חמצון ותגובות אחרות שעלולות להתרחש במהירות בטמפרטורות גבוהות.

שימושים בהליום: כמויות יחסית של הליום הנצרכות בשימושים שונים בארצות הברית במהלך 2011. גרף באמצעות נתונים של USGS.

הליום: משאב בלתי ניתן להתחדשות

הליום הוא גז שנמצא רק במקום בו מתרחשים צירוף מקרים של מצבים לא סבירים. אף על פי שהוא מיוצר ללא הפסקה על ידי ריקבון מינרלי רדיואקטיבי בקרום כדור הארץ, קצב הייצור וההצטברות הטבעיים שלו כה איטי, עד שהוא חייב להיחשב כמשאב בלתי ניתן להתחדשות.

גלוטות הליום ומחסור בהליום

בשנת 1925 הקימה ארצות הברית את שמורת הליום הלאומית שתשמש אספקה ​​אסטרטגית של הליום לשימוש בספינות אוויר ולמטרות הגנה אחרות. באותה תקופה המדינה ייצרה הרבה יותר הליום ממה שנצרכה. לאחר מלחמת העולם השנייה ירד כמות ההליום המשמשת כגז הרמה, אך הביקוש להליום כגז מנקה בעת תדלוק מנועי טילים וכנוזל קירור במתקני נשק גרעיני זינק. ובכל זאת, מיוצר יותר הליום מאשר נצרך.

בשנת 1995 החליט הקונגרס כי שמורת הליום הלאומית אינה חיונית ויזמה תוכנית למכירת ההליום כחלק מחוק הפרטת הליום משנת 1996. במשך כמעט שני עשורים התיר הקונגרס את מכירת ההליום בהנחה עצומה לשוק החופשי מחירים. עד 1/2 מביקוש ההליום העולמי נענה באמצעות מכירות משמורת הליום הלאומית. בכמה שנים יותר מיוצא הליום מארצות הברית למדינות אחרות מאשר נצרך מקומי. מי שרכש הליום מהממשלה זכה לעסקה פנטסטית, ומי שרכש הליום בשוק החופשי שילם מחיר גבוה בהרבה.

הטלת מלאי הליום רזרב הלאומית לשוק דיכאה את מחיר ההליום עד כדי כך שהוא משמש כתחליף זול לארגון וגזים אחרים שיש להם היצע פחות מוגבל.

מכיוון שתוצרת הליום המסחרית לא זכתה לתגמול או שימוש רב, השוק לא הועבר למכירת מכירות פומביות של הליום רזרב לאומית בשנת 2014. במכירה הפומבית הראשונה רכשו שני מתמודדים את ההקצאה השנתית של 93 מיליון קוב מעוקב של הליום במחיר גבוה יותר יותר מכפול ממחיר השוק של השנים הקודמות. לאחר המכירה הפומבית נמכרו כמיליארד רגל מעוקב לשני המציעים.

מאז המכירה הפומבית הראשונה, מחיר ההליום המשיך לעלות מכיוון שייצור הליום חדש נופל מצריכה. עליית המחירים עוררה השקעה במפעלי עיבוד הליום חדשים. עם זאת, ניתן לייצר הליום רק משדות גז טבעיים עם מלח או חמצן כסלע מלכודות. אלה מתרחשים רק באזורים מעטים בעולם.

על פי החוק הנוכחי, שמורת הליום הלאומית תימכר עד 2021. אני מקווה שההשקעה הגוברת במפעלי התאוששות הליום תספיק כדי לענות על צרכי צרכני הליום כאשר אותו מקור חשוב של הליום ייעלם.