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氦氣荒!全球氦氣供應不足 受影響的不只是氣球

發布時間:2020-01-16 08:35:50 來源:科技日報 責任編輯:caobo

氦氣之所以稀缺,一方面是由于其用途非常廣泛,另一方面是因為氦氣無法通過人工制備獲得,氦氣在空氣中的含量非常低,只有約0.000524%,從空氣中提取氦氣,成本可能比等體積的黃金還要貴,不具備工業提取價值。

據新華社報道,受到全球氦氣供應不足、氣體提價等因素影響,日本東京迪士尼最近數周,已停止出售氦氣球。迪士尼氣球限售,掀開了氦氣供應不足的冰山一角。盡管氦是宇宙中儲量第二豐富的元素,但是氦氣在地球的含量極少。有專家分析,氦氣資源可能只夠持續使用200年。

氦氣短缺,人們要面對的不僅僅是新年慶典、生日派對里缺少幾個氣球那么簡單,作為開采天然氣時產生的副產品,氦氣被廣泛應用于深海潛水、低溫技術、火箭燃料,以及光纖與半導體等高科技領域。沒有氦氣,測量氣象的探空氣球、宇宙飛船都可能無法升空,更重要的是,與人們生活息息相關的安全氣囊、核磁共振都少不了這種氣體。

屬于密度很小的稀有氣體 無法人工制備只能從含氦天然氣中提取

氦氣,英文名為Helium,化學元素符號為He,是種無色無味、不可燃的氣體。充滿氦氣的氣球之所以能飄在空中,是因為氦氣是除了氫氣以外密度最小的氣體,其密度遠小于空氣,空氣的密度為1.29千克/立方米,而氦氣的密度為0.1786千克/立方米。此外,氦氣也是一種惰性氣體,其化學性質不活潑,通常狀態下不與其他元素或化合物結合,幾乎沒有固態或者液態化合物形態,所以氦一般都是以單質氣體存在,直到1908年7月10日,荷蘭物理學家昂尼斯才首次液化了氦氣。

“目前,氦氣是國防軍工和高科技產業發展不可或缺的稀有戰略性物資之一。”南開大學化學學院教授湯平平介紹說,氦氣之所以稀缺,一方面是由于其用途非常廣泛,另一方面是因為氦氣無法通過人工制備獲得,氦氣在空氣中的含量非常低,只有約0.000524%,從空氣中提取氦氣,成本可能比等體積的黃金還要貴,不具備工業提取價值。

湯平平表示,我國氦氣資源相當貧乏,礦物中氦氣的含量很低,且提取難度大,成本高。目前工業提取的氦氣,主要以含有氦的天然氣作為原料,反復進行液化分餾,然后利用活性炭進行吸附提純,最終得到純氦。此外空分法和氫液化法也是常用的提取純氦氣的方法,這兩種提取方法都能得到99.99%的純氦氣。目前,氦氣主要通過高壓鋼瓶來實現存儲和運輸。

具有不活潑、低沸點等特性 廣泛應用于醫療、航空、電子制造領域“由于具有低密度、化學性質不活潑、液氦零下268.9攝氏度的低沸點等物理性質,氦氣被廣泛應用于軍工、石化、制冷、醫療、半導體、管道檢漏、超導實驗、金屬制造、深海潛水、高精度焊接、光電子產品生產等領域。”湯平平說。

在醫療領域,作為磁共振和核磁共振超導磁體

的理想冷凍氣體,氦氣可實現零下232攝氏度的深冷溫度,可有效獲取內臟器官和組織的高分辨率圖像;氦氖激光中的氣體介質由氖氣和高純氦氣組成,可以用來進行外科手術治療弱視,也能用來活化血管進行保健。

由于化學性質不活潑,氦氣還常被作為保護氣使用。氦氣在電弧溫度條件下的惰性使其成為鋁、不銹鋼、銅和鎂合金等高導熱性材料焊接的理想氣體,還可用作熱處理過程中的淬火氣體以及熔爐氣體,提升零件耐性和質量。

在航空航天領域,氦氣被廣泛應用于從飛機制造到飛行的整個過程;宇宙飛船太空飛行作業中,使用氦氣凈化氫氣系統,地面和飛行流體系統將其用作增壓劑。除此之外,氦氣還用作氣象和其他觀測氣球的升力源。

在汽車及運輸設備領域,氦氣應用于散熱器、換熱器、空調組件、燃料箱和變矩器等重要汽車部件的測試,以確保其符合質量規范。此外,氦氣還可與氬氣配合使用,越來越多地被用于安全氣囊的充氣操作。

在電子制造領域,氦氣在半導體、液晶面板和光纖線制造中起著重要作用,可實現零部件的快速冷卻,從而提高生產率,還能控制熱傳遞速率,以改善生產效率并減少缺陷。

氦氣短缺影響科研活動 替代物難找且回收再利用也成問題

在科研領域,氦氣更是不可或缺。“氦氣在科研中的一大用途在于制造低溫環境,液氦的低沸點,可用于超低溫冷卻。沒有了氦氣,低溫物理可能會成為人類研究的禁區。”湯平平說,超低溫冷卻技術在超導技術等研究領域有較廣泛的應用,超導材料需要在低溫(100開爾文左右)中才能表現出超導特性,大多數情況下只有液氦能比較簡便地實現這樣的極低溫,因此科研中常用的核磁共振分析儀的超導磁體需要利用液氦降溫。

除此之外,還有很多領域的科學研究離不開對氦氣的使用。比如氣相色譜必須有合適的氣體作為載氣才能正常工作,氦氣具有滲透性好、不可燃的特點,可以作為載氣應用于真空檢漏;利用氦氣化學性質不活潑的特性,科學家將其作為清洗氣體應用于原子核反應堆的冷卻、熱交換,以及濃縮鈾擴散元件在修理后的清洗,如果沒有氦氣的幫忙會影響反應堆的正常工作。

湯平平表示,與氦氣相比,其他替代物往往只具有其中某一條性質,因此無法作為氦氣的理想替代物使用,氦氣的短缺肯定會對科研造成一定的影響。比如在超導領域,還沒有更好的物質來代替液氦所能達到的低溫效果。

那么既然氦氣如此短缺,能不能對它進行回收和再利用呢?

“氦氣是可以進行回收和再利用的。通過將使用過的氦氣重新收集起來,對其進行凈化處理,將雜質脫除,根據雜質的種類及其性質,采用適當的純化措施,使回收的氦氣,恢復初始的純凈。”但湯平平同時指出,“目前氦氣的回收和再利用也存在一些問題。”比如氦氣因為自身密度小,地球引力場拉不住它,一旦泄漏到空氣中,很快便會從大氣層逃逸,飄散到外太空,很難回收。

他表示,在保護有限氦氣資源的同時,研究開發先進的天然氣提氦技術,對于提高氦氣生產的經濟性,保障國家用氦安全和促進我國天然氣提氦工業的發展具有重要意義。

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