Madencilik ve Rafinaj: Helyum | Hackaday


Her gün haber akışlarında dolaşan, görünüşte bitmeyen bir temel öğe eksikliği listesiyle, özellikle herhangi bir eksikliği fark etmediğiniz için affedilirsiniz. Ancak yumurtalardan gübrelere ve sriracha sosuna kadar her şeyin kıtlığı arasında, teknolojik toplumumuzun tüm yönlerinde hissedilecek yankıları olabilecek kadar temel bir şeyin tükeniyor olabileceğine dair artan bir farkındalık var: helyum.

Helyumun günlük yaşamın neredeyse her yönü için merkezi olduğu dereceyi abartmak zordur. Helyumun mutlak sıfırın sadece birkaç derece üzerinde sıvı kalması gibi benzersiz özellikleri, sayısız endüstriyel proseste kullanımına katkıda bulunur. Sızıntı tespiti ve kaynaktan silikon gofret üretimine ve manyetik rezonans görüntülemeyi mümkün kılan süper iletken mıknatısların soğutulmasına kadar helyum, göreceli kıtlığına inanacak şekilde teknolojide yerleşik hale geldi.

Ama helyum nereden geliyor? Göreceğimiz gibi, periyodik tablodaki en hafif ikinci elementin bulunması kolay değildir ve endüstriyel kullanım için yeterince çıkarılması ve saflaştırılması için büyük çaba harcanmaktadır. İyileştirilmiş ekstraksiyon yöntemlerine ve yeni tortuların keşfedilmesine yönelik büyük adımlar atılırken, tüm pratik amaçlar için helyum, ikamesi olmayan yenilenemez bir kaynaktır. Bu yüzden, onu nasıl ele geçireceğimiz hakkında bir iki şey bilmekte fayda var.

Bir Çürüme Ürünü

Görünür evrende en bol bulunan ikinci element olmasına rağmen, helyum Dünya’da şaşırtıcı derecede nadirdir. İlk olarak 1860’larda güneşten ve diğer yıldızlardan alınan tayfölçerlerde keşfedilmiş olsa da, yeterince helyum elde edilmesi ve bunun bir element olduğunu belirlemesi için 30 yıl daha bekleyecekti, aynı spektral imzaya sahip bir gaz bir numunenin çözülmesiyle serbest bırakıldığında. asitte uranyum cevheri.

Uranyum bozunma serisi. U-238, Th-234’e (sol üst) bozunduğunda, bir helyum çekirdeği olan bir alfa parçacığını serbest bırakır. Parçacık hızla iki elektron alarak yeni bir helyum atomu oluşturur. Kaynak: Tosaka, 3.0 TARAFINDAN CCWikimedia Commons aracılığıyla

Dünya üzerinde helyumun keşfi, kimya tarihinde uygun bir zamanda geldi. 1800’lerin sonlarında ve 1900’lerin başlarında, kimyanın odak noktası, bir bütün olarak atomları içeren reaksiyonlardan atomları oluşturan elektronlar, protonlar ve nötronlar düzeyinde atom altı aleme doğru genişlediğini gördü. Radyoaktivite henüz keşfedilmeye başlamıştı ve helyumun ilk izole edildiği sırada alfa, beta ve gama ışınlarının varlığı zaten biliniyordu. Böylece Rutherford ve Boyd, alfa ışınlarının aslında bir helyum atomunun çekirdeğiyle aynı olan iki proton ve iki nötrondan oluşan parçacıklar olduğunu keşfettiklerinde, hemen helyumun uranyum cevheri içinde nasıl hapsolmayı başardığına dair bir mekanizma önerdi.

Tüm ağır radyoaktif elementler gibi, uranyum da belirli bir dizi element boyunca bozunur. Uranyum Serisi izotop ile başlar 238U, doğal olarak oluşan ve nispeten bol uranyum izotopu. 238U yaklaşık 4 milyar yıllık bir yarı ömre sahiptir ve bozunduğunda bunu bir alfa parçacığı salarak yapar. Bir çift proton ve bir çift nötron kaybı, 238U içine 234Th veya toryum-234. Gerçekten bir helyum çekirdeği olan serbest bırakılan alfa parçacığı, girdiği hemen hemen her madde tarafından emildiğinde iki elektronu kolayca emer ve bir helyum atomu oluşturur.

Bu, helyumun neden o uranyum cevheri örneğinin içinde olduğunu açık bir şekilde açıklıyor – zamanla, uranyum bozunması, kaya tarafından emilen alfa parçacıklarını serbest bıraktı ve helyum atomları olmak için gereken elektronları kazandı. Zamanla biriken helyum, kayanın gözeneklerinde birikir ve ancak kayadaki mineraller nihayet çözüldüğünde serbest kalır. Ve aynı süreç, jeolojik ölçekte de olsa endüstriyel helyum üretiminin anahtarıdır.

Bir Gazın İçinde Bir Gaz

Çoğu endüstriyel gazın aksine, atmosferde önemli bir konsantrasyonda helyum bulunmaz. Üretildikten sonra bir şekilde tecrit edilmeyen herhangi bir helyum atmosfere girecek ve hızla kaybolacak, hızla üst atmosfere yükselecek ve sonunda uzaya çıkacaktır. Dolayısıyla oksijen, nitrojen, argon ve diğer gazlar için yaptığımız gibi helyumu havadan izole etmek pratik değildir. Bunun yerine, önemli helyum rezervuarları için ayaklarımızın altına bakmamız gerekiyor.

Neyse ki, doğal gazı yeraltı rezervuarlarında tutma eğiliminde olan aynı jeolojik koşullar aynı zamanda helyumu da tutma eğilimindedir ve bu nedenle doğal gaz kuyuları en büyük helyum kaynağıdır. Tarihsel olarak, Amerika Birleşik Devletleri dünya pazarlarına ana helyum tedarikçisi olmuştur ve çoğu Oklahoma, Kansas ve Teksas’taki doğal gaz kuyularından gelmektedir. Burada yerden çıkan gaz, karlı çıkarma için fazlasıyla yeterli olan %7’ye kadar helyumdur.

Doğal gaz, metan, nitrojen, karbon dioksit ile etan ve propan gibi yüksek gazlı alkanların bir karışımıdır. Yeterli helyumun karıştırıldığı durumlarda -% 0,4’ün üzerindeki herhangi bir şey karlı kabul edilir – helyumun çıkarılması ve saflaştırılması fraksiyonel damıtma ile gerçekleştirilir. Helyum, herhangi bir elementin en düşük kaynama noktasına sahiptir, yani diğer tüm gazlar, sıcaklığı düşürerek ve basıncı kontrol ederek izole edilebilir.

Helyum üretiminde ilk adım, herhangi bir CO2’yi temizlemektir.2 ve hidrojen sülfür (H2S) doğal gazdan. Bu, kimyasal monoetanolamin’in (MEA) bir reaksiyon kabı içindeki gaz akımına püskürtüldüğü bir amin işleyicide yapılır. MEA asidik bileşikleri iyonize eder ve suda çözünür hale getirerek doğal gazdan temizlenmelerini sağlar. Temizlenen gaz, su buharını ve daha ağır hidrokarbonlardan herhangi birini çıkarmak için zeolit ​​gibi moleküler bir elek ve bir aktif karbon yatağı üzerinden geçirilerek ayrıca ön işleme tabi tutulur.

Genel bir endüstriyel damıtma işleminin şeması. Kaynak: H PadlekalarCC-BY-3.0

Bu ön arıtma adımlarından sonra geriye esas olarak metan ve nitrojen, ayrıca bir miktar neon ve helyum kalır. Gaz, bir ısı eşanjöründen geçirilerek soğutulur, ardından bir genleşme valfinden bölmeli bir bölme kolonuna geçirilir. Basınçtaki ani düşüş, gazın sıcaklığını, -161.5°C’de kaynayan metanın yoğuşarak bir sıvıya dönüşmesine ve kolonun dibine akmasına yetecek kadar düşürür.

Artık çoğunlukla nitrojen ve helyum olan kalan gaz, akışı daha da soğutan bir yoğunlaştırıcıdan geçirilir. Karışımın sıcaklığı -195.8°C’nin altına düştüğünde, nitrojen sıvı olarak yoğunlaşır. Sıvı metan ile birlikte, sıvı nitrojen, başlangıçta gelen ön işleme tabi tutulmuş işlem gazını soğutmak için kullanılan ısı eşanjörlerine iletilir. Şimdi gaz halinde olan nitrojen ve metan, her ikisi de değerli ürünler, depolama tanklarına borularla aktarılıyor.

Kalan proses gazının yaklaşık yarısı helyumdur, geri kalanı ise kirletici metan ve nitrojen ile biraz hidrojen ve neon karışımıdır. Bu karışıma soğuk ham helyum denir ve endüstriyel kullanım için gereken saflık seviyesine ulaşmak için şimdi daha fazla saflaştırmadan geçmesi gerekir. Arıtma, kalan nitrojen ve metan kirleticilerini yoğunlaştırmak için ham helyum karışımını nitrojenin kaynama noktasının altına düşüren başka bir ısı eşanjörü ile başlar. Bu adım, ham helyumu yaklaşık %90 saflığa götürür.

Son Arıtma

Hidrojenden kurtulmak için oksijen verilir ve karışım bir katalizör varlığında ısıtılır. Hidrojen ve oksijen, basınç salınımlı adsorpsiyon veya PSA ile nihai saflaştırmaya geçmeden önce proses gaz akışından ayrılabilen su oluşturur. Basınç salınımlı adsorpsiyon, COVID-19’a yanıt olarak gördüğümüz birçok DIY versiyonu da dahil olmak üzere oksijen yoğunlaştırıcılarda kullanılan işlemin aynısıdır. PSA, moleküler elekler olarak bilinen malzemelerin bir gazı seçici olarak adsorbe etme yeteneğini kullanır. Helyum saflaştırmasında, %90 saf gaz, genellikle Zeolit ​​olan moleküler bir elek içeren bir basınçlı kaba pompalanır. Kirletici gazlar tercihen Zeolite adsorbe edilir ve çıkış akımı neredeyse saf helyum bırakılır. İlk sütun kirletici maddelerle doyurulduğunda, akış, daha önce saf helyum ile geri püskürtülerek yenilenen ikinci bir sütuna değiştirilir. Gaz akışı, biri helyumu arındırırken diğeri yenilenen iki sütun arasında gidip gelir. Sonuç, %99,995 saflıkta gazlı Grade-A helyumdur.

Burada açıklanan süreç, hiçbir şekilde doğal gazdan helyum çıkarmanın tek yolu değildir, ancak gaz üretmenin en yaygın yolunu temsil eder, çünkü esas olarak ön arıtma ve ilk saflaştırma adımlarının çoğu, doğal gazı yakıt için işlemek için zaten kullanılmıştır. ve kimya endüstrisi için bir hammadde olarak. Diğer yöntemler şunları içerir: tamamen bir PSA sürecisadece %0,06 helyum konsantrasyonuna sahip doğal gaz ve helyumun yarı geçirgen bir zara çok daha büyük metan ve nitrojen moleküllerinden çok daha kolay nüfuz edebilmesine dayanan zar ayırma kullanabilen . Membran ayırma teknolojisi, faz değişiklikleri ve ihtiyaç duydukları enerjiyi gerektirmediğinden, geleneksel fraksiyonel damıtmadan çok daha enerji verimli olabilir.

Ama Tükeniyor Muyuz?

Yarı ömrüyle birlikte Dünya’nın litosferindeki uranyum-238’in bolluğunu bilerek, radyojenik süreç tarafından üretilen helyum miktarını tahmin etmek mümkündür. Çok fazla olmadığı ortaya çıktı – yılda sadece yaklaşık 3.000 metrik ton. Ve bunların neredeyse tamamı atmosfere ve uzaya kaçar. Genellikle içinde bulunduğu doğal gazla aynı şekilde, helyum da yenilenemez bir kaynaktır.

Ama bu tükendiğimiz anlamına mı geliyor? Evet, diğer sınırlı kaynaklar gibi, sonunda çıkarılacak her şeyi çıkaracağız. Ancak bu, bulabileceğimiz tüm helyumu bulduğumuz anlamına gelmez. Keşif, Amerika Birleşik Devletleri’nde yeni birikintilere ve 2000’lerin başında dünyanın en büyük ikinci helyum üreticisi haline gelen Cezayir gibi yerlerde büyük helyum buluntularına yol açtı. Katar ayrıca 2013’te dünya çapında ikinci sıraya yükselen devasa bir helyum bulgusu elde etti. Bu bulgular, Güney Afrika’da son zamanlarda %12’ye varan helyum içeren doğal gaz kuyularının keşfiyle birlikte, bu yeri doldurulamaz gaza erişimin kaybedilmesiyle ilgili bazı endişeleri gidermeyi vaat ediyor.

Ancak günün sonunda, bu yeni buluntular yalnızca zamanı geri alıyor ve helyumun nihayet tükendiği kaçınılmaz günü önlüyor. Ticari ölçekli füzyon bir şey olursa bir ara verebiliriz, ancak bu atılım son 80 yıldır “sadece yirmi yıl uzakta”.


Kaynak : https://hackaday.com/2022/06/15/mining-and-refining-helium/

Yorum yapın

SMM Panel