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全球面临“氦气荒” 受影响的不只是气球

2020-01-17 09:05
来源:科技日报

陈 曦

视觉中国供图

1分快3_[官网首页]氦气之所以稀缺,一方面是由于其用途非常广泛,另一方面是因为氦气无法通过人工制备获得,氦气在空气中的含量非常低,只有约0.000524%,从空气中提取氦气,成本可能比等体积的黄金还要贵,不具备工业提取价值。

据新华社报道,受到全球氦气供应不足、气体提价等因素影响,日本东京迪士尼最近数周,已停止出售氦气球。迪士尼气球限售,掀开了氦气供应不足的冰山一角。尽管氦是宇宙中储量第二丰富的元素,但是氦气在地球的含量极少。有专家分析,氦气资源可能只够持续使用200年。

氦气短缺,人们要面对的不仅仅是新年庆典、生日派对里缺少几个气球那么简单,作为开采天然气时产生的副产品,氦气被广泛应用于深海潜水、低温技术、火箭燃料,以及光纤与半导体等高科技领域。没有氦气,测量气象的探空气球、宇宙飞船都可能无法升空,更重要的是,与人们生活息息相关的安全气囊、核磁共振都少不了这种气体。

属于密度很小的稀有气体 无法人工制备只能从含氦天然气中提取

1分快3_[官网首页]氦气,英文名为Helium,化学元素符号为He,是种无色无味、不可燃的气体。充满氦气的气球之所以能飘在空中,是因为氦气是除了氢气以外密度最小的气体,其密度远小于空气,空气的密度为1.29千克/立方米,而氦气的密度为0.1786千克/立方米。此外,氦气也是一种惰性气体,其化学性质不活泼,通常状态下不与其他元素或化合物结合,几乎没有固态或者液态化合物形态,所以氦一般都是以单质气体存在,直到1908年7月10日,荷兰物理学家昂尼斯才首次液化了氦气。

“目前,氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略性物资之一。”南开大学化学学院教授汤平平介绍说,氦气之所以稀缺,一方面是由于其用途非常广泛,另一方面是因为氦气无法通过人工制备获得,氦气在空气中的含量非常低,只有约0.000524%,从空气中提取氦气,成本可能比等体积的黄金还要贵,不具备工业提取价值。

汤平平表示,我国氦气资源相当贫乏,矿物中氦气的含量很低,且提取难度大,成本高。1分快3_[官网首页]目前工业提取的氦气,主要以含有氦的天然气作为原料,反复进行液化分馏,然后利用活性炭进行吸附提纯,最终得到纯氦。此外空分法和氢液化法也是常用的提取纯氦气的方法,这两种提取方法都能得到99.99%的纯氦气。目前,氦气主要通过高压钢瓶来实现存储和运输。

1分快3_[官网首页]具有不活泼、低沸点等特性 广泛应用于医疗、航空、电子制造领域“由于具有低密度、化学性质不活泼、液氦零下268.9摄氏度的低沸点等物理性质,氦气被广泛应用于军工、石化、制冷、医疗、半导体、管道检漏、超导实验、金属制造、深海潜水、高精度焊接、光电子产品生产等领域。”汤平平说。

在医疗领域,作为磁共振和核磁共振超导磁体

的理想冷冻气体,氦气可实现零下232摄氏度的深冷温度,可有效获取内脏器官和组织的高分辨率图像;氦氖激光中的气体介质由氖气和高纯氦气组成,可以用来进行外科手术治疗弱视,也能用来活化血管进行保健。

由于化学性质不活泼,氦气还常被作为保护气使用。氦气在电弧温度条件下的惰性使其成为铝、不锈钢、铜和镁合金等高导热性材料焊接的理想气体,还可用作热处理过程中的淬火气体以及熔炉气体,提升零件耐性和质量。

在航空航天领域,氦气被广泛应用于从飞机制造到飞行的整个过程;宇宙飞船太空飞行作业中,使用氦气净化氢气系统,地面和飞行流体系统将其用作增压剂。除此之外,氦气还用作气象和其他观测气球的升力源。

在汽车及运输设备领域,氦气应用于散热器、换热器、空调组件、燃料箱和变矩器等重要汽车部件的测试,以确保其符合质量规范。此外,氦气还可与氩气配合使用,越来越多地被用于安全气囊的充气操作。

在电子制造领域,氦气在半导体、液晶面板和光纤线制造中起着重要作用,可实现零部件的快速冷却,从而提高生产率,还能控制热传递速率,以改善生产效率并减少缺陷。

氦气短缺影响科研活动 替代物难找且回收再利用也成问题

1分快3_[官网首页]在科研领域,氦气更是不可或缺。“氦气在科研中的一大用途在于制造低温环境,液氦的低沸点,可用于超低温冷却。没有了氦气,低温物理可能会成为人类研究的禁区。”汤平平说,超低温冷却技术在超导技术等研究领域有较广泛的应用,超导材料需要在低温(100开尔文左右)中才能表现出超导特性,大多数情况下只有液氦能比较简便地实现这样的极低温,因此科研中常用的核磁共振分析仪的超导磁体需要利用液氦降温。

除此之外,还有很多领域的科学研究离不开对氦气的使用。比如气相色谱必须有合适的气体作为载气才能正常工作,氦气具有渗透性好、不可燃的特点,可以作为载气应用于真空检漏;利用氦气化学性质不活泼的特性,科学家将其作为清洗气体应用于原子核反应堆的冷却、热交换,以及浓缩铀扩散元件在修理后的清洗,如果没有氦气的帮忙会影响反应堆的正常工作。

汤平平表示,与氦气相比,其他替代物往往只具有其中某一条性质,因此无法作为氦气的理想替代物使用,氦气的短缺肯定会对科研造成一定的影响。比如在超导领域,还没有更好的物质来代替液氦所能达到的低温效果。

那么既然氦气如此短缺,能不能对它进行回收和再利用呢?

“氦气是可以进行回收和再利用的。通过将使用过的氦气重新收集起来,对其进行净化处理,将杂质脱除,根据杂质的种类及其性质,采用适当的纯化措施,使回收的氦气,恢复初始的纯净。”但汤平平同时指出,“目前氦气的回收和再利用也存在一些问题。”比如氦气因为自身密度小,地球引力场拉不住它,一旦泄漏到空气中,很快便会从大气层逃逸,飘散到外太空,很难回收。

他表示,在保护有限氦气资源的同时,研究开发先进的天然气提氦技术,对于提高氦气生产的经济性,保障国家用氦安全和促进我国天然气提氦工业的发展具有重要意义。

责任编辑:常磊

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