المحتوى
- ما هو الهيليوم؟
- من أين يأتي الهيليوم؟
- لماذا الهليوم في بعض الغاز الطبيعي؟
- أين هو الغاز الطبيعي الغنية في الهيليوم؟
- استخدامات الهيليوم
- التصوير بالرنين المغناطيسي
- رفع الغاز
- تطهير الغاز
- تصنيع الغلاف الجوي للرقابة
- كشف التسريب
- مخاليط التنفس
- غاز اللحام
- الهيليوم: مورد غير متجدد
- الهليوم تخبط ونقص الهيليوم
الهليوم المنطاد: لقد سمع معظم الناس عن استخدام الهيليوم كغاز رفع لبالونات الطقس ، والبالمبونات ، وبالونات الحفلات. هذه هي استخدامات بسيطة جدا من الهيليوم. الاستخدام الذي يستهلك كمية أكبر من الهيليوم أكثر من أي شيء آخر هو تبريد المغناطيس في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) في المنشآت الطبية. جوديير لمب الصورة ديريك جنسن.
ما هو الهيليوم؟
الهيليوم هو عنصر كيميائي وغاز عديم اللون ، عديم الرائحة ، لا طعم له ، خامل. لديها أصغر دائرة نصف قطرها الذري من أي عنصر وثاني أدنى وزن ذري. إنه أخف من الهواء.
يعرف معظم الناس أن الهليوم يستخدم كغاز رفع في المنطاد وبالونات الحفلات ، لكنهم لا يستطيعون تسمية طريقة أخرى لاستخدامه. الاستخدام الأول للهيليوم هو غاز تبريد لآلات التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) المستخدمة في المنشآت الطبية. تشمل الاستخدامات المهمة الأخرى للهيليوم: غازًا وقائيًا للحام ، وغازًا خاملًا لتصنيع الغلاف الجوي الخاضع للرقابة ، وغازًا هاربًا يستخدم للكشف عن التسرب ، وغازًا منخفض اللزوجة لمخاليط التنفس المضغوطة.
من أين يأتي الهيليوم؟
القليل جدا من الهيليوم موجود في الغلاف الجوي للأرض. إنه عنصر ضوئي لا يمكن لجاذبية الأرض أن تمسك به. عند وجودها على سطح الأرض ، يبدأ الهليوم غير المقيد في الارتفاع فورًا حتى يهرب من الكوكب. ولهذا السبب ترتفع بالونات الحفلات!
يتم الحصول على الهيليوم الذي يتم إنتاجه تجاريًا من الأرض. تحتوي بعض حقول الغاز الطبيعي على كمية كافية من الهيليوم الممزوج بالغاز بحيث يمكن استخراجه بتكلفة اقتصادية. تحتوي بعض الحقول في الولايات المتحدة على أكثر من 7٪ من الهيليوم من حيث الحجم. تقوم الشركات التي تقوم بالبحث عن الغاز الطبيعي في هذه المناطق بإنتاج الغاز الطبيعي ومعالجته وإزالة الهيليوم كمنتج ثانوي.
رواسب الغاز الطبيعي الحاملة للهيليوم: نموذج الإيداع لحقول الغاز الطبيعي الحاملة للهيليوم في الولايات المتحدة. ينتج الهيليوم عن طريق تحلل اليورانيوم والثوريوم في صخور الطابق السفلي الصخري. الهليوم المحرّر طاف ويتحرك نحو السطح في المسامية المرتبطة بأعطال الطابق السفلي. ثم ينتقل الهليوم للأعلى من خلال الغطاء الرسوبي المسامي إلى أن يتم احتجازه بالغاز الطبيعي أسفل أسرة من الأنهيدريت أو الملح. هذه هي الأنواع الصخرية الثابتة الوحيدة القادرة على حبس واحتواء ذرات الهيليوم الصغيرة الطافية. يحدث هذا الوضع الجيولوجي فقط في عدد قليل من المواقع في العالم وهذا هو السبب في ندرة تراكمات الهيليوم الغنية.
ذات صلة: استخدام جديد للهيليوم - محركات الأقراص الصلبة
لماذا الهليوم في بعض الغاز الطبيعي؟
يُعتقد أن معظم الهيليوم الذي يتم إزالته من الغاز الطبيعي يتشكل من التحلل الإشعاعي لليورانيوم والثوريوم في الصخور الجرانيتية للقشرة الأرضية للأرض. باعتبارها غازًا خفيفًا جدًا ، فهي مزدهرة وتسعى إلى التحرك للأعلى بمجرد أن تتشكل. تم العثور على أغنى تراكمات الهيليوم عند وجود ثلاثة شروط: 1) الصخور القاعدية الغرانيتية غنية باليورانيوم والثوريوم ؛ 2) صخور الطابق السفلي مكسورة وتصدع لتوفير مسارات الهروب للهيليوم ؛ و 3) توج الصخور الرسوبية المسامية فوق أعطال الطابق السفلي بختم محكم من الهاليت أو الأنهيدريت. عند استيفاء هذه الشروط الثلاثة ، قد يتراكم الهيليوم في طبقة الصخور الرسوبية المسامية.
الهيليوم لديه أصغر دائرة نصف قطرها من أي عنصر ، حوالي 0.2 نانومتر. لذلك ، عندما يتشكل ويبدأ التحرك للأعلى ، يمكن أن يصلح من خلال المسام الصغيرة جدًا داخل الصخور. الهاليت والأنهيدريت هما الصخران الرسوبيان الوحيدان اللذان يمكنهما منع الهجرة الصاعدة لذرات الهيليوم. تعمل الصخور التي تحتوي على مسام مسامها بمواد عضوية وفيرة (الكيروجين) في بعض الأحيان كحاجز أقل فعالية.
رواسب الغاز الطبيعي الحاملة للهيليوم: خريطة توضح حقول الغاز الطبيعي التي تعد بمثابة مصادر مهمة للهيليوم في الولايات المتحدة. يحتوي الغاز الطبيعي المنتج من هذه الحقول على ما بين 0.3 ٪ إلى أكثر من 7 ٪ من الهيليوم. تتم إزالة الهيليوم من الغاز للبيع التجاري. صورة باستخدام بيانات الموقع من هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية.
أين هو الغاز الطبيعي الغنية في الهيليوم؟
يحتوي معظم الغاز الطبيعي غير المعالج على كميات ضئيلة من الهيليوم على الأقل. عدد قليل جدا من حقول الغاز الطبيعي تحتوي على ما يكفي لتبرير عملية استعادة الهليوم. يجب أن يحتوي مصدر الغاز الطبيعي على 0.3٪ على الأقل من الهيليوم ليتم اعتباره مصدرًا محتملًا للهيليوم.
في عام 2010 ، جاء كل الغاز الطبيعي المعالج للهليوم في الولايات المتحدة من الحقول في كولورادو ، كانساس ، أوكلاهوما ، تكساس ، يوتا ، وويومنغ كما هو موضح في الخريطة المصاحبة. حقل Hugoton في أوكلاهوما وكانساس وتكساس ؛ حقل بانوما في كانساس حقل كييس في أوكلاهوما ؛ يمثل حقل Panhandle West و Cliffside Fields في تكساس وحقل Riley Ridge Field في Wyoming معظم إنتاج الهيليوم في الولايات المتحدة.
خلال عام 2010 ، أنتجت الولايات المتحدة 128 مليون متر مكعب من الهيليوم. من هذا المبلغ ، تم استخراج 53 مليون متر مكعب من الهيليوم من الغاز الطبيعي ، وتم سحب 75 مليون متر مكعب من محمية الهيليوم الوطنية. البلدان الأخرى التي لديها كميات إنتاج معروفة هي: الجزائر (18 مليون متر مكعب) وقطر (13 مليون متر مكعب) وروسيا (6 متر مكعب) وبولندا (3 متر مكعب). أنتجت كندا والصين كميات صغيرة ولكن لم يتم الإبلاغ عنها من الهيليوم.
الهيليوم في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي: الاستخدام الأول للهيليوم هو تبريد المغناطيس في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) المستخدمة لتشخيص المرض والإصابة في المنشآت الطبية.
استخدام جديد للهيليوم: تم إنتاج أول محرك صلب محكم الغلق بالهيليوم في عام 2013. يُمكّن الهيليوم محرك الأقراص من استخدام طاقة أقل ، وإنتاج حرارة أقل ، وتقليل الضوضاء ، وشغل مساحة أقل ، واحتواء المزيد من البيانات ، وإنتاج اهتزازات أقل من محرك الأقراص الصلبة القياسي. أعرف أكثر.
استخدامات الهيليوم
يحتوي الهيليوم على عدد من الخصائص التي تجعله مناسبًا بشكل استثنائي لاستخدامات معينة. في بعض هذه الاستخدامات ، يعتبر الهيليوم هو أفضل غاز ممكن استخدامه ، وفي عدد قليل لا يوجد بديل مناسب للهيليوم. ويرد أدناه وصف لاستخدامات الهيليوم المتعددة إلى جانب الخصائص التي تجعلها مناسبة للاستخدام.
التصوير بالرنين المغناطيسي
الاستخدام الأول للهيليوم في آلات التصوير بالرنين المغناطيسي المستخدمة في المنشآت الطبية لتقييم الإصابات وتشخيص المرض. تستخدم هذه الآلات مجالًا مغناطيسيًا ينتج عن مغناطيس فائق التوصيل. تولد هذه المغناطيسات كمية هائلة من الحرارة. الهيليوم السائل هو مادة التبريد المفضلة لتنظيم درجة حرارة هذه المغناطيسات. نظرًا لأن الهليوم يحتوي على ثاني أقل حرارة محددة لأي غاز وأقل نقطة غليان / انصهار لأي عنصر ، فلا يوجد بديل متوقع للهليوم في هذا الاستخدام المهم للغاية.
رفع الغاز
الهيليوم لديه ثاني أقل وزن ذري لأي عنصر. الهيدروجين فقط لديه وزن ذري أقل. كغاز أخف من الهواء ، تم استخدام الهليوم "كغاز الرفع" للمهن وبالونات. وقد استخدمت كل من البليمب ، والأوعية الدموية ، والزيبلينات ، والبالونات المضادة للطائرات ، وبالونات الطقس وغيرها من الطائرات الأخف من الهواء الهليوم كغاز للرفع. إنه أكثر أمانًا من الهيدروجين لأنه غير قابل للاشتعال. كانت هذه الفئة الأكثر أهمية في استخدام الهيليوم حتى نهاية الحرب العالمية الثانية. يتم الآن استخدام كميات أقل بكثير من الهيليوم كغاز للرفع.
تطهير الغاز: يتم استخدام الهيليوم بواسطة ناسا ووزارة الدفاع لتطهير الأكسجين السائل والهيدروجين السائل من خزانات الوقود وأنظمة توصيل الوقود لمحركات الصواريخ. الهيليوم خامل ولديه درجة حرارة منخفضة في درجة التجمد بحيث تظل غازًا خلال عملية التطهير. وقد استخدم تدفق الهيليوم في هذه الأنظمة خلال حالات الطوارئ لإطفاء الحرائق. الصورة بواسطة ناسا.
مخاليط التنفس بالهيليوم: يستخدم الهيليوم لإعداد مخاليط غاز التنفس للتنفس في المياه العميقة. الهيليوم خامل وله لزوجة منخفضة تحت الضغط مما يسمح بتنفس أسهل. الصورة من قبل نوا.
تطهير الغاز
الهيليوم لديه أدنى نقطة انصهار وغليان من أي غاز. يذوب ويغلي عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. نظرًا لأنه لا يزال غازًا في درجات حرارة منخفضة جدًا ، يمكن استخدامه كغاز مُطهر لخزانات الوقود وأنظمة توصيل الوقود المليئة بالسوائل الباردة جدًا مثل الهيدروجين السائل والأكسجين السائل. نظرًا لأنها خاملة ولديها درجة حرارة منخفضة للتجمد ، يمكنها إزاحة هذه الوقود بأمان دون تجميد. تستخدم ناسا ووزارة الدفاع كميات كبيرة من الهيليوم لتطهير أنظمة الدفع الصاروخي.
تصنيع الغلاف الجوي للرقابة
الهيليوم هو غاز خامل. الغاز الوحيد مع انخفاض التفاعل هو النيون. تجعل هذه التفاعلات المنخفضة الهيليوم غازًا قيمًا لاستخدامه في عمليات التصنيع والإصلاح عند الحاجة إلى جو خامل. يحتوي الهيليوم أيضًا على ثاني أقل كثافة لأي غاز إلى جانب الموصلية الحرارية العالية جدًا. هذه الخصائص لغاز الهيليوم تجعله الجو المفضل للعديد من العمليات المعدنية ، وتنمو بلورات مثالية في الأبخرة الكيميائية ، وتصنيع الألياف البصرية وغيرها من الاستخدامات.
كشف التسريب
يحتوي الهيليوم على لزوجة منخفضة للغاية ، ومعامل انتشار عالي ، وأصغر ذرة في أي عنصر. هذه الخصائص تجعل من الصعب جدا احتواء الهيليوم. إذا كان هناك نظام تسرب ، فإن الهيليوم يهرب. لذلك يتم استخدام غاز الهيليوم لاختبار أنظمة الفراغ عالية ، وأنظمة الوقود وغيرها من الاحتواءات للتسريبات.
مخاليط التنفس
يتم استخدام الهليوم والغازات الخاملة الأخرى لإعداد مخاليط التنفس للغطس في المياه العميقة والعلاج الطبي. يستخدم الهيليوم هنا لأنه خامل وله لزوجة منخفضة للغاية وأسهل للتنفس تحت الضغط من أي غاز آخر.
غاز اللحام
يستخدم الهيليوم كجو واقية عند اللحام. يحمي جو الغاز الخامل المعادن الساخنة من الأكسدة وغيرها من التفاعلات التي قد تحدث بسرعة في درجات الحرارة العالية.
استخدامات الهيليوم: الكميات النسبية من الهيليوم التي استهلكتها مختلف الاستخدامات في الولايات المتحدة خلال عام 2011. رسم بياني باستخدام بيانات من هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية.
الهيليوم: مورد غير متجدد
الهيليوم هو غاز لا يتم العثور عليه إلا في حالة حدوث حالات غير متوقعة. على الرغم من أنه يتم إنتاجه باستمرار من خلال تسوس المعادن المشعة في قشرة الأرض ، إلا أن معدل إنتاجه وتراكمه الطبيعي يكون بطيئًا للغاية بحيث يجب اعتباره مورداً غير متجدد.
الهليوم تخبط ونقص الهيليوم
في عام 1925 ، أنشأت الولايات المتحدة محمية الهيليوم الوطنية لتكون بمثابة إمدادات إستراتيجية للهيليوم لاستخدامها في المناطيد ولأغراض الدفاع الأخرى. في ذلك الوقت ، كانت البلاد تنتج الهيليوم أكثر بكثير مما كان يتم استهلاكه. بعد الحرب العالمية الثانية ، انخفضت كمية الهيليوم المستخدمة كغاز للرفع ، لكن الطلب على الهيليوم كغاز تطهير عند إعادة تزويد محركات الصواريخ بالوقود وكمبرد في منشآت الأسلحة النووية. ومع ذلك ، كان إنتاج الهيليوم أكثر مما كان مستهلكاً.
في عام 1995 ، قرر الكونغرس أن الاحتياطي الوطني للهيليوم ليس ضروريًا وشرع في برنامج لبيع الهيليوم كجزء من قانون خصخصة الهيليوم لعام 1996. على مدى عقدين تقريبًا ، سمح الكونغرس ببيع الهيليوم بخصم هائل للسوق الحرة الأسعار. تم تلبية ما يصل إلى نصف الطلب العالمي على الهيليوم من خلال المبيعات من الاحتياطي الوطني للهيليوم. في بعض السنوات ، تم تصدير المزيد من الهيليوم من الولايات المتحدة إلى بلدان أخرى أكثر مما تم استهلاكه محليًا. أولئك الذين اشتروا الهليوم من الحكومة حصلوا على صفقة رائعة ، وأولئك الذين اشتروا الهليوم في السوق الحرة دفعوا سعرًا أعلى من ذلك بكثير.
إن إلقاء أسهم شركة National Helium Reserve في السوق أدى إلى انخفاض سعر الهيليوم لدرجة أنه كان يستخدم كبديل رخيص للأرجون والغازات الأخرى التي لديها إمدادات محدودة للغاية.
نظرًا لأن إنتاج الهيليوم التجاري لم يتم مكافأته أو استخدامه بكثافة ، فقد تم تزويد السوق بالضعف عندما تم استبدال مبيعات National Helium Reserve بنظام مزاد في عام 2014. في المزاد الأول ، قام اثنان من مقدمي العروض بشراء التخصيص السنوي بالكامل البالغ 93 مليون قدم مكعب من الهليوم بسعر أكثر من ضعف سعر السوق في السنوات السابقة. بعد المزاد تم بيع مليار قدم مكعب أخرى لنفس العارضين.
منذ المزاد الأول ، استمر سعر الهيليوم في الارتفاع لأن إنتاج الهيليوم الجديد أقل من الاستهلاك. أدت الزيادة في الأسعار إلى الاستثمار في مصانع معالجة الهيليوم الجديدة. ومع ذلك ، لا يمكن إنتاج الهيليوم إلا من حقول الغاز الطبيعي التي تحتوي على ملح أو أنهيدرات كصخرة فخ. هذه تحدث فقط في أجزاء قليلة من العالم.
بموجب القانون الحالي ، سيتم بيع الاحتياطي الوطني للهيليوم بحلول عام 2021. ونأمل أن يكون الاستثمار المتزايد في مصانع استخلاص الهيليوم كافياً لتلبية احتياجات مستهلكي الهيليوم عند اختفاء هذا المصدر المهم من الهيليوم.