火山运动也能够产生氦气
氦气作用氦气早期的发现主要是应用在物理学方面 , 1908年 , 荷兰物理学家海克·昂内斯将氦冷却至1开尔文以下 , 人类首次制作出液态氦 。
由于氦的三相点没有平衡 , 固态氦的制取必须通过加压的方式来获得 。 氦的超流体发现是在1938年 , 由苏联物理学家彼得·卡皮查的实验研究获得 , 他发现氦-4在接近绝对零度时几乎不存在粘度 。
而后来美国物理学家也发现在氦-3上加以超低温作用也会出现超流体现象 。 科学家们的研究使得氦的科学研究朝着一个新的方向发展 。
这便是量子物理学中物质的凝聚态 , 氦元素在物理学上的重要性也使得氦有着非常高的科研价值 。 不过早期的用氦非常简单 , 并没有当今使用这么复杂多样 , 更多的是在工业上和军事上 。
液氦
20世纪前叶 , 由于氦气质量仅次于氢气 , 而且不可燃烧的性质 , 在军事飞艇和商用飞艇上有着广泛的应用 。 低温制成下的液氦又是非常理想的低温剂 。
在两战时期 , 飞艇制造和氦气屏蔽电弧焊接的应用又使得氦气的需求量大幅度上升 。 后来在美国的曼哈顿计划中 , 氦质谱仪也是制作原子弹非常关键的一部分 。
进入和平时期 , 氦气市场开始出现消沉的状态 , 美国为了确保氦气国内市场供应 , 氦气储备在1950年开始扩大 。 后来在太空竞赛及冷战期间 , 氦被应用在氢氧火箭推进剂的冷却液上 , 同时在其他方面也有广泛应用 。
氦可以被用于氢氧火箭推进剂的冷却液上
1965年美国的氦气使用量达到了一个新高峰 , 氦气是战时消耗的八倍多 。 到了今天 , 氦气的使用越来越广泛 , 在医疗方面 , 液态氦可用于尖端医疗 , 如核磁共振设备中的超导磁性线圈冷却 。
现代工业还会将氦用于焊接热处理;半导体清洗;分析仪校准;安全气囊填充等等 。 另外在一些娱乐行业 , 得益于氦的特性 , 氦气还被当作气球的填充气体 , 用于各种庆典活动 。
如果将氦气与氧气进行一定比例的混合 , 还可以作为潜水员在水下的呼吸用氧 , 防止水底高压造成的“氮醉” 。
核磁共振仪也会到氦
为什么需要大量进口说了氦气这多好处和科学应用后 , 我们回到之前的话题上 。 氦气如今在我国的使用大部分都依赖进口 , 主要进口国则是美国 。
而前面我们也提到 , 美国在上世纪初发现了大量的氦气天然气井 , 这使得美国成为了氦气大国 。 美国在20世纪20年代以及60年代的两次氦气修正法案 , 使得美国拥有全球最丰富的氦气储备 。
由于氦气储备的维护费用高昂 , 美国国会在1996年通过新的修正法案决定清空储备 , 此后在2005年开始抛售大量氦气 。 氦气的开采基本都在地下 , 由于含量稀少 , 因此开采难度非常大 。
美国是一个氦气大国
中国的氦气储备极少 , 必须依赖进口才能满足相关的工业制造和科技研发 。 同时 , 国际上的氦气话语权也基本掌握在美国手里 。
除了丰富的氦气储备 , 美国在世界各地都建设了氦气开采工厂 。 1990年中期时 , 仅是在阿尔及利亚荷尔泽的工厂就制造出1700万立方米的氦气 , 如此多的氦气可以供应整个欧洲的氦需求 。
美国透过不断的工厂扩建 , 氦气的消耗与生产成本不断上升 , 并在2018年宣布了储备氦气清空 。 氦气价格经过多次上涨 , 如今的氦价已是原来的四倍多 。
中国很缺少氦资源
且最重要的是 , 氦价在未来还将继续上涨 。 资源结构的分配不均以及严峻的国际形势 , 我国的氦气相关产业很容易受到美国的制约 , 被“卡脖子” 。
制备氦气我国氦气进口方面除了美国外还有部分欧洲、中东等地区也有相关业务 , 随着国际形势变化 , 中国想要在稀土元素上保障自己的安全就必须要有一个稳定的供应渠道 。 那怎么办?
方法不多 , 我们就自己搞 。 氦气在我国虽然分布较少 , 但还是能够通过多种方法进行提取 。
利用氦气特性等材料应用方面 , 工业提取氦气主要有吸收法、膜渗透、扩散法、低温冷凝技术等 。 其中低温冷凝技术是目前使用较多的方法 , 主要工序为气源预处理净化、粗氦提取以及氦气精制 。
氦气制备原理
就在去年 , 我国在宁夏盐池建设完成了第一座可商业化氦气制造厂 。 该厂由中科院理化研究和中能北汽合作建设 , 在未来不仅会进行氦气提取 , 还将进行相关的技术研究 。
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