۳ روش کلیدی استخراج هلیوم: از گاز طبیعی تا فناوری غشایی

مقدمه

گاز هلیوم (He) یکی از گازهای نجیب با ساختاری ساده، بی‌رنگ، بی‌بو و غیرقابل اشتعال است که با عدد اتمی ۲ در جدول تناوبی قرار دارد. این عنصر به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به ‌فرد خود، همچون دمای جوش بسیار پایین، چگالی کم، و واکنش‌ناپذیری بالا، در صنایع مختلفی از جمله هوافضا، پزشکی، الکترونیک و کرایوژنیک کاربرد گسترده‌ای دارد. با توجه به اینکه هلیوم در جو زمین به مقدار بسیار کم و پراکنده وجود دارد و تولید آن از طریق واکنش‌های هسته‌ای یا تجزیه رادیواکتیو برخی عناصر در داخل زمین صورت می‌گیرد، استحصال آن عمدتاً از منابع گاز طبیعی صورت می‌گیرد که درصد قابل توجهی از آن شامل هلیوم می‌باشد. استخراج، جداسازی و خالص‌سازی هلیوم نیازمند به‌کارگیری فناوری‌های پیشرفته و روش‌های دقیق مهندسی است که شامل فرآیندهایی مانند تقطیر برودتی، جذب سطحی و جداسازی غشایی می‌باشد. در این   مقاله به معرفی ویژگی‌های اصلی هلیوم و بررسی جامع روش‌های مختلف استحصال آن از منابع طبیعی پرداخته خواهد شد.

استخراج هلیوم از گاز طبیعی

استخراج هلیوم از گاز طبیعی یکی از رایج‌ترین و اقتصادی‌ترین روش‌های تأمین این گاز ارزشمند در جهان است. هلیوم به‌صورت طبیعی در برخی میدان‌های گاز طبیعی وجود دارد که معمولاً در اعماق زمین و در مجاورت سنگ‌های حاوی اورانیوم و توریم شکل گرفته‌اند. این گاز حاصل واپاشی رادیواکتیو عناصر سنگین و تجمع تدریجی در مخازن زیرزمینی است. اگرچه میزان هلیوم در بیشتر منابع گاز طبیعی نسبتاً کم است (بین ۰٫۲ تا ۲ درصد)، برخی میدان‌ها دارای غلظت‌های بالاتری نیز هستند که استخراج هلیوم را ممکن می‌سازد.

فرآیند استخراج هلیوم با برداشت گاز از میدان‌های شناسایی‌شده آغاز می‌شود،گاز خام حاوی ترکیبی از متان، اتان، نیتروژن، دی‌اکسید کربن، بخار آب، هیدروژن سولفید و مقادیر اندکی هلیوم است که در مرحله نخست، این گاز تحت تصفیه اولیه قرار می‌گیرد تا ترکیبات ناخواسته مانند سولفید هیدروژن، آب و دی‌اکسید کربن با استفاده از جذب شیمیایی و فیزیکی حذف شوند. سپس، با بهره‌گیری از فرآیند تقطیر برودتی، اجزای سنگین‌تر مانند متان و سایر هیدروکربن‌ها در دماهای پایین مایع شده و از جریان گاز جدا می‌گردند، در حالی که هلیوم به دلیل نقطه جوش بسیار پایین خود در حالت گازی باقی می‌ماند.

در ادامه، مخلوطی از نیتروژن و هلیوم باقی می‌ماند که برای جداسازی آن‌ها از روش‌هایی مانند تقطیر برودتی دومرحله‌ای یا جذب سطحی با نوسان فشار (PSA) استفاده می‌شود. این فرآیندها موجب افزایش خلوص هلیوم تا حدود ۹۵ تا ۹۹ درصد می‌شوند. در مرحله پایانی، برای دستیابی به خلوص‌های بالاتر که در صنایع حساس مورد نیاز است، از فناوری‌هایی نظیر عبور از بسترهای کربن فعال و جذب سطحی استفاده می‌شود. هلیوم خالص سپس با استفاده از کمپرسورهای صنعتی تحت فشار قرار گرفته و یا در صورت نیاز به شکل مایع، در دمای بسیار پایین در تانک‌های کرایوژنیک ذخیره می‌شود.

استخراج هلیوم از هوا

استخراج هلیوم از هوا به دلیل غلظت بسیار پایین آن در جو روشی بسیار دشوار، پرهزینه و در حال حاضر  در مقایسه با روش استخراج از گاز طبیعی از نظر اقتصادی توجیه پذیر نمی باشد. با این حال، به دلیل کاهش منابع طبیعی هلیوم و افزایش تقاضا، پژوهش‌هایی در زمینه بازیافت و استخراج هلیوم از هوا در حال انجام است و در برخی کشورها نیز به‌صورت محدود، این فرآیند برای تأمین نیازهای خاص اجرا می‌شود.

فرآیند استخراج هلیوم از هوا معمولاً در قالب سیستم‌های پیشرفته Air Separation Unit – ASU طراحی می‌شود. در این واحدها، ابتدا هوای محیط فشرده و خالص‌سازی شده (از بخار آب، دی‌اکسید کربن، گردوغبار و هیدروکربن‌ها پاک‌سازی می‌شود) و سپس تا دماهای بسیار پایین سرد می‌گردد تا اجزای اصلی آن مانند نیتروژن، اکسیژن، آرگون، دی‌اکسید کربن گازهای نجیب دیگر به ترتیب نقاط جوش خود متراکم و جدا شوند.

با تقطیر جز‌به‌جز در ستون‌های برودتی، ابتدا اکسیژن و نیتروژن که نسبت به سایر اجزای هوا غلظت بیشتری دارند و نقاط جوش بالاتری دارند، جدا می‌شوند. پس از آن، گازهای نجیب مانند آرگون، نئون، کریپتون، زنون و در نهایت هلیوم استخراج می‌گردند. چون هلیوم سبک‌ترین و فرارترین گاز است، آخرین جزء باقی‌مانده در جریان گاز است و به‌سختی متراکم می‌شود. برای جداسازی و خالص‌سازی هلیوم از گازهای نجیب دیگر در این مرحله، از فرآیندهایی نظیر جذب سطحی با دمای پایین و  عبور از بسترهای مولکولارسیو، یا استفاده از غشاهای خاص استفاده می‌شود.

استخراج هلیوم توسط روش جدا سازی از غشا

فرایند جداسازی غشایی جدیدترین روشی است که امروزه برای بازیابی هلیم مورد توجه صنایع مختلف قرار گرفته است. این فرایند به دلیل مصرف انرژی کمتر، انجام جداسازی بدون نیاز به مصرف مواد شیمیایی، انجام جداسازی در دمای محیط، حجم و وزن کم تجهیزات جداسازی، نصب و عملیات ساده، حداقل نیاز به کنترل، بازرسی و تعمیر و نگهداری، سهولت دستیابی و امکان استفاده از فازهای جداشده، انعطاف پذیری بالای فرآیند، بهترین و به صرفه ترین روش توسعه چشمگیری یافته و به یکی از عملیات واحدهای مهم تبدیل شده است. این فرایند را میتوان به عنوان مکملی برای جذب سطحی و تقطیر دما پایین در نظر گرفت.

در فرایندهای جداسازی گازها با استفاده از غشاهای متخلخل، اندازه و توزیع اندازه حفرات و نوع گازها و اندازه مولکولی آن ها، پارامترهای اساسی در تعیین مکانیزم انتقال مولکولهای گاز از میان غشا محسوب میشوند. از مکانیزم های انتقال مولکول های گاز از میان غشاهای متخلخل میتوان به مکانیزم جریان ویسکوز و غربال مولکولی اشاره نمود. مکانیزم حاکم در غشاهای غیرمتخلخل در جداسازی گازها، مکانیزم حلالیت-نفوذ است. مکانیزم های حلالیت یا جذب عبارتند از: مدل جذب النگمور، مدل جذب هنری، مدل جذب ایده آل و مدل جذب واقعی و مکانیزم های نفوذ شامل معادلات استفان-ماکسول است.

در این روش، گاز حاوی هلیوم تحت فشار از میان غشاهای نیمه‌تراوا عبور می‌کند؛ این غشاها طوری طراحی شده‌اند که اجازه عبور انتخابی هلیوم را سریع‌تر و با نفوذپذیری بالاتر نسبت به سایر گازها می‌دهند. به دلیل اندازه کوچک مولکولی و وزن کم هلیوم، این گاز معمولاً سریع‌تر از سایر اجزای گاز مخلوط عبور می‌کند و به این ترتیب جداسازی نسبی حاصل می‌شود. این فناوری به ویژه برای پیش‌جداسازی هلیوم از گازهای همراه مانند نیتروژن، متان و هیدروکربن‌ها کاربرد دارد و می‌تواند در ترکیب با سایر روش‌ها مانند تقطیر کرایوژنیک یا جذب سطحی برای افزایش خلوص نهایی هلیوم مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، محدودیت‌هایی در جداسازی کامل هلیوم به کمک غشاها وجود دارد که شامل نفوذپذیری پایین غشاها نسبت به هلیوم در مقابل گازهای نجیب مشابه و همچنین هزینه‌های نگهداری و تعویض غشاها است. بنابراین، فناوری جداسازی غشایی به عنوان یک روش مکمل و اقتصادی برای کاهش بار فرآیندهای جداسازی پیچیده‌تر و پرهزینه‌تر شناخته می‌شود و در برخی کاربردها که نیاز به خلوص متوسط هلیوم دارند، مقرون به صرفه است.

قیمت گاز هلیوم

قیمت گاز هلیوم بر اساس خلوص و حجم کپسول متفاوت خواهد بود. جهت ثبت سفارش و آگاهی از قیمت گاز هلیوم از طریق شماره های موجود در سایت شرکت گاز اردستان با ما تماس بگیرید.

سخن پایانی

هلیوم به عنوان یک گاز نادر و ارزشمند نقش حیاتی در صنایع پیشرفته و تحقیقات علمی ایفا می‌کند و تأمین پایدار آن از اهمیت بالایی برخوردار است. روش‌های مختلف استخراج و بازیافت هلیوم، شامل استخراج از میدان‌های غنی، جداسازی از هوا و استفاده از فناوری‌های نوین مانند غشاها و جذب سطحی، هر یک مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند. با توجه به محدود بودن منابع طبیعی هلیوم و افزایش تقاضای جهانی، بهینه‌سازی فرآیندهای استخراج و بازیافت و به‌کارگیری فناوری‌های پیشرفته برای افزایش خلوص و کاهش هزینه‌ها از ضروریات صنعت هلیوم به شمار می‌رود. در نهایت، توسعه پایدار این صنعت نیازمند توجه ویژه به حفاظت منابع، صرفه‌جویی در مصرف و بهره‌گیری از روش‌های بازیافت مؤثر است تا بتوان به تعادل میان نیازهای صنعتی و حفظ منابع طبیعی دست یافت.