全球面臨“氦氣荒” 受影響的不只是氣球
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(yè)提取價值。
據(jù)新華社報道,受到全球氦氣供應(yīng)不足、氣體提價等因素影響,日本東京迪士尼最近數(shù)周,已停止出售氦氣球。迪士尼氣球限售,掀開了氦氣供應(yīng)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(xù)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(chǎn)生的副產(chǎn)品,氦氣被廣泛應(yīng)用于深海潛水、低溫技術(shù)、火箭燃料,以及光纖與半導(dǎo)體等高科技領(lǐng)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(guān)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(xué)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(xué)性質(zhì)不活潑,通常狀態(tài)下不與其他元素或化合物結(jié)合,幾乎沒有固態(tài)或者液態(tài)化合物形態(tài),所以氦一般都是以單質(zhì)氣體存在,直到1908年7月10日,荷蘭物理學(xué)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(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的稀有戰(zhàn)略性物資之一?!蹦祥_大學(xué)化學(xué)學(xué)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(yè)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(yè)提取的氦氣,主要以含有氦的天然氣作為原料,反復(fù)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(xiàn)存儲和運輸。
具有不活潑、低沸點等特性 廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航空、電子制造領(lǐng)域
“由于具有低密度、化學(xué)性質(zhì)不活潑、液氦零下268.9攝氏度的低沸點等物理性質(zhì),氦氣被廣泛應(yīng)用于軍工、石化、制冷、醫(yī)療、半導(dǎo)體、管道檢漏、超導(dǎo)實驗、金屬制造、深海潛水、高精度焊接、光電子產(chǎn)品生產(chǎn)等領(lǐng)域?!睖狡秸f。
在醫(yī)療領(lǐng)域,作為磁共振和核磁共振超導(dǎo)磁體的理想冷凍氣體,氦氣可實現(xiàn)零下232攝氏度的深冷溫度,可有效獲取內(nèi)臟器官和組織的高分辨率圖像;氦氖激光中的氣體介質(zhì)由氖氣和高純氦氣組成,可以用來進行外科手術(shù)治療弱視,也能用來活化血管進行保健。
由于化學(xué)性質(zhì)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(dǎo)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(zhì)量。
在航空航天領(lǐng)域,氦氣被廣泛應(yīng)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(yè)中,使用氦氣凈化氫氣系統(tǒng),地面和飛行流體系統(tǒng)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(shè)備領(lǐng)域,氦氣應(yīng)用于散熱器、換熱器、空調(diào)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(zhì)量規(guī)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(lǐng)域,氦氣在半導(dǎo)體、液晶面板和光纖線制造中起著重要作用,可實現(xiàn)零部件的快速冷卻,從而提高生產(chǎn)率,還能控制熱傳遞速率,以改善生產(chǎn)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(lǐng)域,氦氣更是不可或缺?!昂庠诳蒲兄械囊淮笥猛驹谟谥圃斓蜏丨h(huán)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(qū)?!睖狡秸f,超低溫冷卻技術(shù)在超導(dǎo)技術(shù)等研究領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用,超導(dǎo)材料需要在低溫(100開爾文左右)中才能表現(xiàn)出超導(dǎo)特性,大多數(shù)情況下只有液氦能比較簡便地實現(xiàn)這樣的極低溫,因此科研中常用的核磁共振分析儀的超導(dǎo)磁體需要利用液氦降溫。
除此之外,還有很多領(lǐng)域的科學(xué)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(yīng)用于真空檢漏;利用氦氣化學(xué)性質(zhì)不活潑的特性,科學(xué)家將其作為清洗氣體應(yīng)用于原子核反應(yīng)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(yīng)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(zhì),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(dǎo)領(lǐng)域,還沒有更好的物質(zhì)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(zhì)脫除,根據(jù)雜質(zhì)的種類及其性質(zhì),采用適當?shù)募兓胧够厥盏暮?,恢?fù)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?!北热绾庖驗樽陨砻芏刃?,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(fā)先進的天然氣提氦技術(shù),對于提高氦氣生產(chǎn)的經(jīng)濟性,保障國家用氦安全和促進我國天然氣提氦工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。