Где используется гелий?

27 октября 2021

Гелий — это химический элемент, который представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса. Впервые был замечен при спектроскопии света (расщеплении света на лучи разного цвета), источаемого солнцем во время затмения. В 1868 году французский астроном Пьер Жюль Жансен вместе с английским коллегой Джозефом Норманом Локьером смогли наблюдать новую светло-желтую линию, до этого неизвестную науке. Как выяснилось, так отобразился ранее не известный элемент, который позже назвали гелием.

По распространению во вселенной гелий находится на втором месте после водорода, но на нашей планете этого газа не много. Лишь в 1895 году химик из Шотландии Уильям Рамзай выделил гелий из минерала клевеита.

Классификация месторождений гелия

На сегодняшний день столь редкий элемент – гелий добывают из природного газа. Оренбургский газоперерабатывающий завод занимается этим в России. В найденных месторождениях находится всего 0,055 % гелия в природном газе, что относит этот источник к «бедному». «Богатыми» месторождениями можно называть те, в которых процент искомого вещества составляет не ниже 0,5 %. Если доля гелия в газе составляет 0,1–0,5 %, то такое месторождение носит имя «рядовое».

Свойства гелия

Особенностью гелия является его неспособность приобрести твёрдое состояние. Газ остаётся жидким даже при температуре абсолютного нуля (-271ºС).

Этот относительно редкий газ обладает следующими свойствами:

  • Небольшой вес.
  • Низкая температура кипения.
  • Не вступает в реакцию с другими веществами.
  • Не имеет цвета, запаха и вкуса.
  • При определённых условиях обладает сверхтекучестью.

Гелий находится на втором, после водорода, месте по лёгкости. Этот газ легче воздуха в 7,26 раза. Также этот элемент обладает очень низкой температурой кипения, которая составляет -268,94ºС. Сверхтекучесть наблюдается у гелия при температуре -271ºС. В этом состоянии жидкое вещество полностью утрачивает вязкость и способно без трения проникать сквозь мельчайшие трещины.

Гелий в природе

Земной гелий чаще всего образуется при распаде урана-235, тория и урана-238, а также нестабильных продуктов их распада. Газ медленно накапливается в земной коре. За миллионы лет одна тонна гранита, в которой содержится 10 г тория и 2 г урана, вырабатывает всего 0,5 см3 (или 0,09 мг) элемента. Лишь немногие минералы, богатые торием и ураном, могут похвастаться высоким содержанием гелия. Кроме того, большая часть минералов подвергается выветриванию, перекристаллизации и другим процессам, в результате которых гелий уходит. Высвободившиеся пузырьки могут раствориться в подземных водах или выйти в атмосферу через трещины и поры в минералах.

Производство гелия

На нашей планете всего насчитывается до 41 млрд кубометров гелия. Большое количество месторождений расположено в Китае, США, России, Алжире. Всего в мире человечеством добывается приблизительно 175 млн кубометров гелия в год, из которых в России производится не более 5 млн м³. Вызвано это тем, что самые богатые месторождения данного газа находятся в Сибири и на Дальнем Востоке, где производство пока что не налажено.

Как добывается гелий из природного газа?

Во Вселенной гелий – второй по частоте распространения элемент, однако Земля имеет небольшие его запасы, поэтому на данный момент его выделяют из природного газа, добываемого из недр земной коры.

Лидерами по добыче гелия являются США, Катар, Алжир, Россия. По последним подсчетам по всему миру в год добывается около 175 млн кубических метров этого газа, из них 5 млн кубометров приходится на Россию.

Содержание гелия в природном газе может варьироваться от 0,055 до 0,5 %, потому добываемое сырье, как правило, подвергается двухэтапной очистке. Сначала выделяют гелиевый концентрат, а затем полученное вещество очищают от примесей: водорода, аргона, метана и т.д. 

В России в настоящее время гелий добывают из природного газа путем охлаждения, вследствие чего выделяется конденсат гелия, состоящий на 80% из этого химического элемента. Потом от конденсата отделяют водород, метан, азот и аргон, и получают чистый гелий.

Богатый гелием природный газ может содержать от 0,5%, в среднем цифра 2%, и исключительно редко встречается природный газ со скоплением гелия до 8-16% . А газ, который используют в промышленности, содержит всего 0,055% гелия.

Основные марки гелия

Существует несколько марок технического He гелия, которые отличаются объемной долей данного элемента и областью применения.

  • Газообразный технический (99,8%). Долю 0,2% занимают примеси азота, водорода, кислорода и аргона. Наиболее часто используется в индустрии развлечений при заполнении воздушных шаров.
  • Марка Б (99,990%). Содержит небольшое количество примесей водорода, кислорода, аргона, азота и неона. Применяется для заполнения криогенных устройств и систем.
  • Марка А (99,995%). Используется для заполнения тепловыделяющих компонентов ядерных реакторов для обеспечения оптимального теплосъема.
  • Марка 4,6 (99,996). Разработана в соответствии с требованиями к чистоте газов производителей лазеров.
  • Марка 5,5 (99,9995%). Сверхчистый He получил распространение в тех областях, где необходимо полное отсутствие примесей воздуха, поскольку они могут негативно повлиять на технологические процессы.
  • Марка 6,0 (99,9999%). Применяется в лазерных технологиях, хроматографии, то есть там, где критически важно отсутствие любых примесей.
  • Марка 7,0 (99,999990%). Объемная доля примесей составляет не более 0,00001%, что позволяет ее использовать в сверхточных и требовательных к чистоте газов разработках.
  • Жидкий. Данное вещество в жидком состоянии нашло применение в сфере высоких технологий. Это связано с тем, что при температуре жидкого «He» сверхпроводники проводят электричество без дополнительного нагрева, создавая мощнейшие магнитные поля. Используется в ядерных магнитно-резонансных исследованиях.

Сферы применения гелия

Гелий имеет много полезных свойств, среди которых электропроводимость и теплопроводность. Во многих сферах требуются именно эти свойства. Газ часто применяется в авиации, ракетостроении, атомной и электронной промышленности, в медицине.

Впервые гелий применили в Германии в 1915 году, им стали наполнять дирижабли. Очень быстро этот легкий и негорючий газ стал незаменимым наполнителем для воздухоплавательных аппаратов. В 30-х годах интерес к дирижаблестроению спал, что повлекло за собой сокращение объемов производства гелия, правда лишь на короткое время, так как на элемент начали обращать внимание химики, металлурги и машиностроители.

Гелий очень легкий, что позволяет применять его при погружении в воду или для воздухоплавания (воздушные шары, дирижабли).

Данный газ не токсичен, его можно вдыхать без вреда для здоровья. Именно по этой причине из него часто изготовляют различные дыхательные смеси.

Это могут быть составы для проведения кессонных работ или подводного плавания с аквалангами. Такая сфера применения газа связана с его низкой реактивностью и растворимостью в воде и крови.

В последнее время гелий стали часто применять в атомной промышленности: из данного вещества получается неплохой теплоноситель для атомных реакторов. Нашел свою нишу газ и в металлургии: из гелия можно создать защитную среду при сварке металлов.

Гелий, позволяющий получать сверхнизкие температуры, выполняет роль охлаждающего агента в Большом адронном коллайдере. Его используют при создании аппаратов МРТ, ракет «Аполлон» и спутниковой аппаратуры. Его применяют в качестве инертного газа при производстве оптоволокна и полупроводников. Газовые лазеры с гелием используют на кассах в супермаркетах для сканирования штрих-кодов.

Благодаря низкой плотности газ используется в качестве наполнителя для шаров, которые применяют как для декора, так и в исследовательских целях. Например, в метеорологии гелиевые шары нужны для того, чтобы поднять измерительные приборы на нужную высоту.

Перспективы использования гелия

Гелий является редким и невозобновляемым ресурсом. Несколько лет назад в западных СМИ появлялась информация о том, что подтвержденных запасов гелия хватит примерно на 25-30 лет.

На данный момент прогнозы экспертов чуть более оптимистичны. В России реализуются многообещающие проекты по добыче гелия. На нашу страну приходится большая часть (около 34%) мировых ресурсов гелия, а также ведутся поиски новых месторождений. По словам Лолы Огрель, руководителя отдела аналитики компании CREON Energy, в России потенциальными источниками гелия могут быть свыше 170 месторождений природного газа из числа разведанных.

Одной из самых перспективных разработок в этой области является Амурский газоперерабатывающий завод, строительство которого должно завершиться к 2025 году, а ввод в эксплуатацию первых двух технологических линий ожидается уже в 2021 году. К 2022 году планируется перерабатывать до 42 млрд кубометров природного газа в год, а к 2025 году этот завод должен стать самым крупным производителем гелия в мире.

В любом случае, запасы гелия не бесконечны, а высокий спрос на него и дальше будет вызывать рост цены. В развитых странах уже не первый год рассматриваются более эффективные способы использования данного природного ресурса, а также альтернативные ему варианты. Например, не так давно в медицине стали использоваться сверхпроводящие магниты с нулевой технологией испарения гелия, которые не требуют регулярной заправки. Несмотря на то, что такие магниты значительно дороже как в приобретении, так и в сервисном обслуживании, экономия на регулярных заправках гелия может сделать данный вид оборудования наиболее популярным через пару десятков лет.

 

Источники:

  • https://geliy24.ru/stati/gelij-sfery-primeneniya-i-sposoby-dobychi
  • https://ballonis.ru/stati/geliy-primenenie-v-nauke
  • https://www.mrtspb.ru/articles/zachem-nuzhen-gelij
  • http://xn--80affkvlgiu5a.xn--p1ai/gelij-tekhnicheskij-primenenie-v-nauke
Оцените статью:
[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]