充氣球的它為啥 被譽(yù)為“黃金氣體”
一般人或許對(duì)氦氣不是很了解,但逛街時(shí),你可能會(huì)看到一些人在兜售非常漂亮的氣球,里面充的多是氦氣。
我們知道,一些氣體可以直接從空氣中提取,但氦在空氣中的含量非常低,只有約0.000524%,從空氣中提取氦的成本,可能比等體積的黃金還要貴(這也是它被稱為黃金氣體的原因),并不具備工業(yè)提取價(jià)值。
實(shí)際上,氦多數(shù)藏身于地殼深處,但一旦被開(kāi)采出來(lái),就會(huì)像氦氣球一樣飄散到天空,消失無(wú)蹤。所以,目前人類使用的氦氣,大部分來(lái)源于天然氣,通常當(dāng)天然氣中的氦濃度達(dá)到0.05%或0.1%時(shí),就被認(rèn)為有工業(yè)利用價(jià)值,但這種極低含量提取到的氦氣,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠工業(yè)中的使用量。
南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授湯平平介紹,氦的化學(xué)元素符號(hào)為He,是一種無(wú)色無(wú)味、低密度、不可燃的惰性氣體,被廣泛應(yīng)用于軍工、石化、制冷、醫(yī)療、半導(dǎo)體、超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、深海潛水等領(lǐng)域,是高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的稀有戰(zhàn)略性物資之一。
若沒(méi)了氦氣很多行業(yè)都玩不轉(zhuǎn)
氦氣是地球上沸點(diǎn)最低的氣體,為零下268.9℃,在超導(dǎo)材料及制冷領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用,能夠使超導(dǎo)磁鐵維持磁性,保證磁共振設(shè)備準(zhǔn)確成像,診斷腦腫瘤、中風(fēng)、脊髓損傷、肝臟疾病和癌癥等。
天文學(xué)家利用液氦來(lái)冷卻探測(cè)儀器,可避免熱噪聲的干擾,更準(zhǔn)確地接收來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的訊息。
氦氣化學(xué)性質(zhì)極不活潑,幾乎不與任何物質(zhì)反應(yīng),可用于原子反應(yīng)堆和加速器、激光器、冶煉和焊接時(shí)的保護(hù)氣體,在高端裝備的氣密性檢查、航天發(fā)射和飛艇等領(lǐng)域也不可或缺。
氦氣很輕、無(wú)毒、不可燃燒,且難溶于水,可將氦氣加到氧氣中,用于治療氣喘和窒息,并預(yù)防潛水員在上浮過(guò)程中極易發(fā)生的“減壓癥”；氦氣也可以稀釋易燃的麻醉劑,還可用于氬氦刀以治療癌癥。
此外,氦氣還具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能,可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片零部件制造過(guò)程中的快速導(dǎo)熱,提高生產(chǎn)率并減少缺陷。
生活中,我們最常與氦氣接觸的地方是在超市,收銀處使用的條形碼掃描器,正是用了氦氖激光器進(jìn)行識(shí)別。除了條形碼掃描器,氦氖激光器也被用在顯微鏡、光譜儀和光盤驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備中。
因此,千萬(wàn)不要小瞧了氦氣,要是沒(méi)了它,很多行業(yè)都玩不轉(zhuǎn)。
我國(guó)氦氣資源極其稀缺,95%依賴進(jìn)口
盡管氦是宇宙中儲(chǔ)量第二豐富的元素,但是氦氣在地球上的含量極少。氦氣非常輕,地球的引力抓不住它,地球形成之初的那些氦氣,早就跑到宇宙中去了。
地球上現(xiàn)在的氦氣,都是由地殼中的放射性元素,經(jīng)過(guò)自然的α衰變產(chǎn)生的,非常稀少且不可再生。有專家分析,全球氦氣資源可能只夠持續(xù)使用200年。氦氣之所以稀缺,一方面是由于其用途非常廣泛,另一方面是無(wú)法通過(guò)人工制備獲得。
中國(guó)科學(xué)院院士張鎖江介紹,氦資源在全球分布極不均衡。美國(guó)是氦氣儲(chǔ)藏量最豐富的國(guó)家,占世界總儲(chǔ)量的40%以上；其次是卡塔爾、阿爾及利亞和俄羅斯。我國(guó)雖地大物博,但氦資源極其稀缺,據(jù)估計(jì),我國(guó)氦氣資源總量約11億立方米,其中可直接采收的總量約為0.5億立方米,不到全球儲(chǔ)量的0.1%。
據(jù)中國(guó)工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù),我國(guó)是用氦大國(guó),需求量居全球第二。從2012年到2022年,我國(guó)氦氣年需求量從500萬(wàn)立方米增長(zhǎng)到約2200萬(wàn)立方米,但95%依賴進(jìn)口,國(guó)產(chǎn)僅5%。
目前我國(guó)氦資源最大的終端用戶,是高端裝備制造中的半導(dǎo)體和光纖領(lǐng)域,約占氦氣需求總量的45%；醫(yī)用核磁共振和大科學(xué)工程(低溫超導(dǎo))約占需求總量的20%；航空航天領(lǐng)域,主要是航天發(fā)射試驗(yàn)場(chǎng)需求,約占需求總量的5%。
全球的氦氣資源,絕大多數(shù)來(lái)自天然氣中的氦氣提取。據(jù)美國(guó)地質(zhì)勘探局?jǐn)?shù)據(jù),2013至2022年,全球氦氣產(chǎn)量及需求量呈現(xiàn)出波動(dòng)變化趨勢(shì),2022年全球氦氣產(chǎn)量約為160百萬(wàn)立方米,需求量約為155百萬(wàn)立方米。
中研普華產(chǎn)業(yè)院《2023-2028年中國(guó)氦氣行業(yè)發(fā)展前景及投資風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分析報(bào)告》顯示,2022年國(guó)內(nèi)氦氣行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模高速增長(zhǎng)至38.95億元,同比增速為77.13%。隨著工藝技術(shù)的提高,我國(guó)氦氣自產(chǎn)量正逐年增加,但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于市場(chǎng)需求量,處于供小于求的局面,嚴(yán)重依賴進(jìn)口。
據(jù)統(tǒng)計(jì),2022年我國(guó)氦氣行業(yè)產(chǎn)量?jī)H195萬(wàn)立方米,同比增長(zhǎng)50%；進(jìn)口量達(dá)到2209.1萬(wàn)立方米,同比增長(zhǎng)7.03%；需求量約為2414.1萬(wàn)立方米,同比增長(zhǎng)10.03%。
氦氣價(jià)格翻番,無(wú)液氦核磁共振或成行業(yè)之光
一方面是日益減少的氦氣庫(kù)存,另一方面是逐漸擴(kuò)大的氦氣用量,供不應(yīng)求的情況下,氦氣漲價(jià)是不可避免的事。
據(jù)東吳證券研報(bào)數(shù)據(jù),2022年3月以來(lái),氦氣價(jià)格快速上行。2022年6月,俄羅斯頒布限制惰性氣體出口令,全球?qū)τ诤夤?yīng)表現(xiàn)出史無(wú)前例的擔(dān)憂,中國(guó)氦氣價(jià)格上漲至420—460元/立方米,漲幅超300%。
可即使如此,地球上的氦氣庫(kù)存也用不了多久了。為此,科研人員紛紛開(kāi)動(dòng)腦筋想辦法。
最直接的辦法就是節(jié)流。2014年,我國(guó)科學(xué)家研發(fā)出首臺(tái)工業(yè)氦氣循環(huán)使用系統(tǒng),可以回收使用過(guò)的含雜質(zhì)氦氣并提純,然后再次利用。目前這套系統(tǒng)的提純能力,可將純度僅為10%的氦氣提純至99.5%以上。
既然超導(dǎo)磁體是氦氣使用的大頭,那么有沒(méi)有辦法減少這一領(lǐng)域的使用量呢?目前,國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)均已啟動(dòng)對(duì)超導(dǎo)磁共振的技術(shù)攻關(guān)。
現(xiàn)在醫(yī)院里常用的核磁共振儀,基本都安裝著密閉性良好、減少蒸發(fā)量的液氦裝置,大大減少了液氦的需求量。全球范圍內(nèi),包括飛利浦、西門子、鑫高益、萬(wàn)東醫(yī)療等在內(nèi)的企業(yè),都在探索無(wú)液氦超導(dǎo)磁共振技術(shù)的突破。
2022年,萬(wàn)東醫(yī)療無(wú)液氦核磁共振、鑫高益無(wú)液氦超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)上市,使我國(guó)在無(wú)液氦核磁共振領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全球領(lǐng)跑。
浙江寧波諾丁漢大學(xué)和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院等多個(gè)科研單位,聯(lián)合開(kāi)發(fā)的使用無(wú)液氦超導(dǎo)磁體的核磁共振成像儀也已投入使用。這臺(tái)成像儀的超導(dǎo)磁體,用成本低、安全性高的銅帶,代替了原來(lái)的制冷劑液氦,通過(guò)直接傳導(dǎo)冷卻技術(shù)來(lái)制冷。
當(dāng)然,開(kāi)源才是保證氦氣源源不斷的根本方法。地球大氣中的氦盡管很少,但在氦氣供不應(yīng)求時(shí),人們還是會(huì)利用氣體沸點(diǎn)不同的原理,將氦氣從大氣中分離出來(lái)。
我國(guó)首次從煤層氣中,提取出99.9999%高純氦氣
我國(guó)已探明氦資源儲(chǔ)地,主要包括鄂爾多斯盆地、塔里木盆地、渭河盆地以及長(zhǎng)慶氣田等。這些儲(chǔ)地中,天然氣的含氦濃度普遍很低(0.1%～0.3%),工業(yè)開(kāi)采利用面臨諸多挑戰(zhàn)。中國(guó)科學(xué)院院士張鎖江表示,如果能研發(fā)出貧氦天然氣的高效低成本提取技術(shù),使上述氦氣資源得到開(kāi)發(fā)利用,可滿足我國(guó)40%以上的需求。
也就是說(shuō),對(duì)于像中國(guó)這樣需要大量氦氣的國(guó)家來(lái)說(shuō),在保護(hù)有限氦氣資源的同時(shí),研發(fā)先進(jìn)的天然氣提氦技術(shù),對(duì)于保障國(guó)家用氦安全具有重要意義。
2020年7月,北京中科富海低溫科技有限公司宣布,在提氦領(lǐng)域用“閃蒸汽提氦”的方法,成功提取氦氣,重要的是,這是在天然氣廢料中對(duì)氦氣進(jìn)行提取,意味著我國(guó)提氦事業(yè)取得了里程碑式的突破。
2023年底,我國(guó)科研人員還成功從煤氣層中,提取到99.999%的高純氦氣,為氦資源的可持續(xù)供應(yīng),提供了新的解決方案。
中國(guó)煤科院煤化工分院炭材料研究所副所長(zhǎng)郭昊乾介紹,此次開(kāi)發(fā)的煤層氣提取高純氦氣裝置,應(yīng)用于海石灣煤礦。該煤礦的煤層氣,屬于我國(guó)極為稀少的含氦煤層氣資源。
煤層氣作為一種非常規(guī)天然氣,相較于天然氣,成分更復(fù)雜,提取氦氣難度更大。
為解決含氦煤層氣制備高純氦氣難題,自2021年開(kāi)始,我國(guó)科研人員進(jìn)行了一系列攻關(guān),創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了“變壓吸附+膜分離+精制純化”的煤層氣提氦工藝。
“這種煤層氣提氦工藝,不同于天然氣液化提氦,攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),提取的氦氣純度最高可達(dá)99.9999%以上。”郭昊乾說(shuō),不僅如此,提取氦氣后的煤層氣,可繼續(xù)用作發(fā)電原料氣,使煤層氣和氦氣資源同時(shí)高效利用。
郭昊乾介紹,下一步,提氦成套工藝技術(shù),將推廣至常規(guī)天然氣提氦領(lǐng)域,以增加我國(guó)氦氣資源供給途徑,為我國(guó)低溫超導(dǎo)、半導(dǎo)體制造、高溫氣冷堆和大科學(xué)裝置等領(lǐng)域發(fā)展提供資源保障。
知多一點(diǎn)
未來(lái)，月球或?qū)⒊蔀槲覀兊暮鈱殠?kù)
地球上的氦本就不多，美國(guó)研究人員還驚訝地發(fā)現(xiàn)：地球內(nèi)部竟然在不停地向外泄露氦-3。據(jù)計(jì)算，地球每年大約會(huì)泄露2000克的氦-3，可謂“屋漏偏逢連陰雨”。
不過(guò)，科學(xué)家在月球表面和月殼中，發(fā)現(xiàn)了較高濃度的氦元素，特別是在月球的極地區(qū)域，氦含量更加顯著。這些氦元素主要來(lái)源于太陽(yáng)風(fēng)中的帶電粒子，它們不斷地轟擊月球表面，使得月球上的巖石和塵埃顆粒逐漸富集氦元素。
據(jù)科學(xué)家估計(jì)，月球表面每立方厘米平均含有20至200個(gè)氦原子，比地球大氣中的含量高出3到5倍。因此，月球被認(rèn)為是未來(lái)獲取氦資源的一個(gè)重要潛在來(lái)源之一。
科學(xué)家計(jì)算發(fā)現(xiàn)，將月壤加熱到80℃，大約2億噸的月壤中，能提取出1噸氦元素，而等量的地球土壤僅能生產(chǎn)10千克氦。嫦娥五號(hào)帶回來(lái)的月壤里還有氦3，這是最理想的可控核聚變材料，科學(xué)家預(yù)估月球上氦-3的儲(chǔ)量，在100萬(wàn)噸以上。也許未來(lái)月球能成為地球的能源基地，幫助我們擺脫氦氣不足的危機(jī)。
