تولید هلیوم و کاربد آن

مقدمه

هلیوم گازی بی رنگ ، بی بو و بی مزه  است که سبک ترین گاز پس از هیدروژن به شمار می آید و میل ترکیبی آن بسیار کم است . برای میعان این گاز ، باید آن را با هیدروژن مایع خنک نمود . هلیوم مایع به دو صورت وجود دارد : هلیوم یک  و  هلیوم دو ( دو فاز سیال هلیوم-۴ )  . با مایع کردن گاز هلیوم ، هلیوم یک تولید می شود و اگر فرآیند خنک سازی را ادامه بدهیم در دمای مشخص ، هلیوم دو ایجاد می شود . به علت اختلاف زیادی که  بین هلیوم یک و هلیوم دو ، به لحاظ رسانایی گرما و ویسکوزیته  وجود دارد، هلیوم دو را « فوق سیال » می نامند و چون گرمای ویژه در لایه های خارجی آن به طور تقریبی صفر است ، باعث ایجاد ناهمگنی از لحاظ توزیع گرما می شود  ( مانند امواج صوتی )،همچنین این ماده ، بهترین رسانای  گرما نیز می باشد . از خصوصیات هلیوم جامد این است که در شرایط دمای ۲۷۲-درجه ی سانتیگراد و فشار جو پایدار است .

در بین گاز های نجیب ، هلیوم کم واکنش ترین گاز  و در بین عناصر ، دومین عنصر کم واکنش پذیر محسوب می شود . این ماده ، دارای سنگینی ویژه ی ۰٫۱۳۸ و نقطه جوش در فشار جو ۹٫۲۶۸- درجه ی سانتیگراد است . به علت جرم مولکولی نسبتا پایینی که دارد ، رسانش گرمایی و ظرفیت گرمایی آن بالا بوده و سرعت صوت نیز در آن ، از هوا بیشتر است .

چشمه های گازی طبیعی ، از منابع اصلی این گاز هستند و استخراج و تصفیه آن از طریق جریان های گازی طبیعی صورت می گیرد . ذخیره و حمل هلیوم ، هم به صورت گاز و هم به صورت مایع برودتی ، امکان پذیر است . برای تولید هلیوم ، نمی توان از روش های جداسازی اجزای هوا استفاده کرد زیرا درصد آن در هوا کم است . این عنصر ۲۴%  از جرم گیتی را تشکیل می دهد که بیش از ۱۲ برابر ترکیب تمام عنصر های سنگین است . به دلیل این که انرژی بستگی هلیوم-۴  ( به ازای هر بسته ) ، نسبت به سه عنصر دیگر پس از آن در جدول تناوبی بالا می باشد ، هلیوم به همان صورت که در خورشید و مشتری وجود دارد  ، در جهان نیز یافت می شود . بیشتر هلیوم موجود در جهان ، به صورت هلیوم-۴ است . امروزه با استفاده از روش های همجوشی هسته ای در ستاره ها ، گونه های تازه ای از هلیوم ساخته شده است .

تولید گاز هلیوم

برای تشخیص هلیوم ، از دستگاه طیف سنجی استفاده می کنند ، بدین صورت که در مخلوط گاز های نجیب ، هلیوم را با روش های کروماتوگرافی تعیین می سازند . برای جداسازی هلیوم از نئون ، در دمای اکسیژن مایع ، از ذغال فعال کمک گرفته شده و در دمای معمولی ، این جداسازی را به وسیله ی ستون غربال های مولکولی انجام می دهند .

درصد حجمی گاز هلیوم در گاز طبیعی ، در حدود هفت درصد است که  با جداسازی و تکنولوژی های خاص ، آن را از گاز طبیعی استخراج می نمایند که از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه می باشد . شرکت‌هایی که در این مناطق حفاری می‌کنند ، گاز طبیعی تولید می کنند و گاز هلیوم را به عنوان یک محصول جانبی به دست می‌آورند . روش های تولید هلیوم عبارتند از : استخراج و تقطیر جزء به جزء  گاز طبیعی ، بمباران لیتیم با بور به وسیله ی پروتون های سریع . از این موارد ، تقطیر جزء به جزء گاز طبیعی ، روش متداول تری است به گونه ای که در حال حاضر ، تولید انبوه آن ، با استفاده از این روش صورت می گیرد .

هلیوم در خاک کره ی زمین بسیار کمیاب است ( نزدیک به ۰٫۰۰۰۵۲% حجمی ) . اکثر هلیومی که در خاک کره ی زمین یافت می شود ، در اثر واپاشی هسته ای طبیعی در عنصر های سنگین پرتو زا مانند اورانیوم و توریم تولید شده است ، به این صورت که بر اثر واپاشی ، ذره های بتا از عنصر تابیده شده و هسته ی هلیوم-۴ به دست آمده است . هلیوم به دست آمده از واپاشی ، به راحتی به صورت فشرده با درصدی نزدیک به هفت درصد حجمی ، به دام گاز  طبیعی می افتد سپس به کمک روش های صنعتی و به صورت تجاری ، با کاهش دمای آمیخته ی هلیوم و گاز طبیعی ، هلیوم را از دیگر گازها جدا می شود که به این روش ، تقطیر جزء به جزء می گویند .

برای تولید هلیوم از گاز طبیعی ، مواد موجود در آن ، مانند کربن دی اکسید ، هیدروژن سولفید و بخار آب را با استفاده از وسایل نفتی جدا و سپس هیدرو کربن های موجود را به مایع تبدیل می کنند و هلیوم گازی را پس از جذب نیتروژن آن بر روی ذغال فعال به دست می آورند که خلوص هلیوم در آن ۹۹٫۹% حجمی  است .

روش دیگر برای تهیه ی گاز هلیوم بدین صورت است که گاز طبیعی را در داخل لوله های شیشه ای مویین فشرده می کنند . به این ترتیب ، هلیوم از مویینه ها نفوذ کرده و جداسازی از سایر گازها انجام می پذیرد . برای تهیه ی هلیوم از هوا ، فرآیند تهیه ی اکسیژن صورت می گیرد که در طی آن ، هلیوم و نئون در سر میعانگر دستگاه جمع می گردد به این دلیل که این گازها در دمای میعان نیتروژن ، مایع نمی شوند . از مخلوط این گاز که دارای ۳ تا ۷ درصد حجمی هلیوم و نئون است ، نیتروژن را به وسیله ی میعان و هیدروژن را توسط تماس با پالادیوم و مس جدا می سازند که از مخلوط به دست آمده حدود ۷۵ تا ۷۸ درصد حجمی نئون و ۲۲ تا ۲۵ درصد حجمی هلیوم می باشد .برای جداسازی هلیوم از نئون ، از دو روش استفاده می کنند : در روش اول از هیدروژن مایع و در روش دوم از ذغال فعال و گیزل ژل استفاده می شود که در فشار بالا ، روش دوم از لحاظ اقتصادی به صرفه بوده و هلیوم و نئون پس از چند مرحله جذب سطحی ، با خلوص ۹۹٫۹۹ درصد حجمی حاصل می شوند .

بیشتر هلیومی که در خارج از کره ی زمین یافت می شود ، به حالت پلاسما بوده که در این حالت ویژگی های ماده از ویژگی های حالت اتمی آن بسیار متفاوت است . چون در حالت پلاسما ، الکترون ها دیگر در بند هسته نیستند رسانایی الکتریکی بسیار بالایی خواهند داشت حتی اگر بخشی از آن یونی شده باشد . ذره های باردار به شدت تحت تاثیر میدان مغناطیسی و الکتریکی هستند .

 

تولید هلیوم درکشورهای مختلف

با وجود اینکه هلیوم دومین گاز فراوان در کیهان است بر روی زمین نایاب می باشد و تنها چند منطقه در دنیا وجود دارد که دارای مقادیر کافی از هلیوم هستند که از جمله ی آن ها می توان به تگزاس ، اوکلاهما در ایالات متحده آمریکا ، لهستان ، الجزایر و روسیه اشاره نمود که در این بین ، کشور های شوروی سابق و ایالات متحده ، هلیوم را از گاز طبیعی تهیه می کنند . هلیوم تولیدی در این کشور ها ، عمده ترین تولید جهانی هلیوم می باشد .

چشمه های آب گرم نیز مقدار کمی هلیوم دارند . این چشمه ها در کشور فرانسه می باشند و مقدار هلیوم آن ها از ۰٫۰۱ تا ۱۰٫۱۶ در صد گازهای محلول ، در نوسان است .

در ژوئن ۲۰۱۶ (تیر ۱۳۹۵) مقادیر زیادی از هلیوم در صحرای «ریفت ولی» تانزانیا در شرق آفریقا کشف شد که برآوردهای انجام شده نشان می دهد که میزان ذخیره ی این میدان ۵۴ میلیارد مترمکعب است که می‌تواند نیاز چندین سال بشر را تامین کند . فعالیت آتشفشانی در « ریفت ولی » باعث انتشار گاز هلیوم در صخره‌های کهن شده که این گاز درنهایت در میدان‌های کم عمق تر  به تله می افتد .

ایران و قطر

اصلی ترین شریک گازی ایران در پارس جنوبی ،کشور قطر است . طی سالیان گذشته ، در اثر  همکاری قطر با آمریکا ، این کشور به یکی از بزرگ ترین صادر کننده های گاز هلیوم و هلیوم مایع تبدیل شده و با استفاده از تکنولوژی های روز ، میزان ظرفیت تولید بنزین و گازوئیل خود را به مقدار زیادی افزایش داده است . کارخانه هلیوم شماره دو قطر که اخیرا راه اندازی شد ، ظرفیت تولید گاز هلیوم را در این کشور به یک میلیارد و سه میلیون فوت مکعب رساند. این کارخانه می تواند بیست و پنج درصد  تقاضای هلیوم مایع جهان را تامین کند .

پارس جنوبی  در ایران که دارای چهارده تریلیون متر مکعب گاز طبیعی و هجده میلیارد بشکه میعانات گازی است ، بزرگترین میدان فراساحلی جهان محسوب می شود و علاوه بر آن ، بیست و هشت درصد ذخایر گاز هلیوم جهان را دارد . پس از ایران و قطر ، کشورهای روسیه و امریکا ، دارای بیشترین ذخیره ی گاز هلیوم و هلیوم مایع جهان می باشند .

در حدود پنج سال پیش ، یک شرکت روسی ، تحقیقاتی برای استخراج هلیوم انجام داد و  نتایج آن را در اختیار شرکت نفت ایران قرار داد. سپس بخشنامه هایی جهت مشارکت تمام شرکت های ایرانی به منظور تدوین سند راهبردی و تکمیل مطالعات امکان سنجی تولید گاز هلیوم ، صادر گردید .

با وجود این که ایران در حال حاضر از لحاظ منابع گاز طبیعی ، مقام اول را در جهان داراست  و دارنده ی بیشترین ذخایر هلیوم در جهان است اما به دلیل عدم وجود تکنولوژی تولید آن ، تاکنون هیچ گونه اقدام عملی برای تولید هلیوم در ایران صورت نگرفته و ایران همچنان وارد کننده ی گاز هلیوم از کشور هایی نظیر امارات ، چین  و روسیه می باشد .

کاربرد گاز هلیوم

از کاربردهای مهم هلیوم می توان به سرماسازی و خنک نمودن اشاره کرد و نزدیک به یک چهارم هلیوم در این زمینه کاربرد دارد . از این ویژگی به خصوص در آهن رباهای ابر رسانا استفاده می شود . کاربرد این آهن رباهای ابر رسانا  به صورت تجاری در دستگاه های ام آر آی است . از کاربرد صنعتی دیگر هلیوم می توان به فشار وارد کردن ، برای نمونه به عنوان گاز تخلیه کننده‌ ، هوای پیرامونی کنترل شده و جوشکاری اشاره نمود .   در حدود نیمی از هلیوم تولیدی برای جوشکاری با قوس الکتریکی  و در فرآیندهایی مانند کشت بلورها و در ساخت قرص های سیلیسیم از این گاز به عنوان هوای محافظ بهره برده می شود .

در صنایع فضایی از هلیوم برای خنک نگه داشتن ابزارهای ماهواره ها و پاک کردن موتور موشک ها استفاده می شود . اکسیژن و هیدروژن وسایل نقلیه آپولو نیز  با همین گاز خنک نگه داشته می شوند علاوه بر آن ،  هلیوم در خنک کردن کوبنده بزرگ ذرات اتمی هادرون ( ال اچ سی ) نیز کاربرد دارد .

هلیوم به دلیل داشتن ویژگی هایی همچون سبک تر بودن نسبت به هوا ، آتشگیر نبودن و به تاخیر انداختن آتش ، باعث شده است که در زمینه ی بالابری در بالون ها و کشتی های هوایی کاربرد زیادی داشته باشد . گاز هلیوم علاوه بر ویژگی های ذکر شده ، غیر سمی و اشتعال ناپذیر بوده و  اکسید کننده نیست . غواصان در عمق های زیاد از کپسول این گاز به صورت مخلوط ۸۰ درصد هلیوم و ۲۰ درصد اکسیژن استفاده می نمایند . بیماران مبتلا به تنگی نفس ، در هوای هلیوم دار به راحتی تنفس می کنند زیرا فشار هوای مورد نیاز برای جریان در ریه ها نصف هوای معمولی است . با این حال ، هلیوم در غلظت های بالا جایگزین هوا شده و باعث خفگی می شود . تنفس حجم کمی از گاز هلیوم می تواند برای مدتی در کیفیت صدای انسان تاثیر بگذارد زیرا جایگزین هوا در تارهای صوتی شده و در نتیجه مسبب تغییر صدا می شود  اما این تاثیر فقط متعلق به هلیوم نیست و هر گازی که چگالی اش متفاوت با هوا باشد این ویژگی را داراست .

از دیگر موارد کاربرد گاز هلیوم عبارت است از : تولید اورانیم فلزی ، پلوتونیم و تیتانیم در فضای خنثی .گاز هلیوم در گداخت آلیاژهای مختلف برای ریخته‌ گری نیز استفاده می‌شود و استحکام محصول را به دنبال دارد . علاوه بر این  برای حرکت قطارهای مغناطیسی سریع نیز از این گاز بهره می برند .

دانشمندان از ترکیب هلیوم و اکسیژن برای تهیه ی اتمسفر مصنوعی استفاده می کنند . امروزه کاربردهای خاصی از هلیوم برای تشخیص سرطان نیز به صورت گسترده استفاده می شود .

هلیوم گازی برای بلند کردن اجسام ، تنفس ، ترکیب با آرگون برای ایربگ یا کیسه ی هوای خودرو ، تولید گاز میکس ، محافظ و خواص بی اثر به ‌عنوان یک مایع خنک‌ کننده مورد استفاده قرار می گیرد .  بسیاری از صنایع می توانند از خواص گاز هلیوم برای بهینه‌ سازی کارایی و بهره‌ وری ، کاهش هزینه های  نیروی کار و عملیات امن تر بهره ببرند .

از هلیوم در لیزرها و نورپردازی ها نیز استفاده می‌شود که از جمله آن می توان به لیزر های هلیوم – نئون و کربن دی اکسید و لیزر های بخار فلزاتی مثل هلیوم – کادمیوم اشاره کرد . هر یک از این لیزر ها دارای کاربرد های متفاوتی هستند که می توان به تحقیقات علمی ، تداخل ، هولوگرافی ، طیف سنجی ، اسکن بارکد ، هم ترازی ، جراحی لیزری چشم ، نمایش اپتیکال ، چاپ ، حروف چینی  برنامه های کاربردی ، جوش و برش اشاره کرد . در حال حاضر به جای لیزر های هلیوم – نئون از لیزر های دیودی که ارزان ترند استفاده می شود . همچنین گاز هلیوم در چراغ های تخلیه ی گاز نیز کاربرد دارد که توسط هنرمندان و برای نور پردازی های خاص استفاده می شود قابل ذکر است که در بعضی از انواع لیزر ها جایگزینی برای گاز هلیوم موجود نمی باشد .

گاز هلیوم به دلیل خنثی بودن در مصارف تولید و تعمیر که نیاز به اتمسفر خنثی دارند نیز مفید می باشد علاوه بر آن ، هلیوم دارای چگالی کم و هدایت حرارتی بالا بوده که باعث کاربرد آن در فرآیند های متالوژیکی مانند رشد کریستال های کامل در بخار های شیمیایی ، تولید فیبر های نوری و غیره می شود .

پر کاربرد ترین مصارف هلیوم به ترتیب عبارتند از :

  • ساخت ابررساناها
  • پزشکی
  • هوا و فضا
  • جوشکاری
  • بالون و کشتی هوایی
  • ساخت فیبر نوری
  • ساخت نیمه‌رساناها

آهن ربای ابررسانا

به آهن ربایی الکتریکی که از سیم پیچ های ابر رسانا ساخته شده باشد ، آهن ربای ابر رسانا گویند . سیم های ابر رسانا در مقایسه با سیم های معمولی ، جریان الکتریکی بسیار بیشتری از خود عبور می دهند که باعث ایجاد میدان مغناطیسی قوی تری می شود . هر مقدار آهن ربای الکتریکی قوی تر باشد ، هزینه ی کمتری را نیز به بار خواهد آورد زیرا انرژی کمتری را هدر داده و به گرما تبدیل می نماید .

در حین کار ، سیم پیچ های مغناطیسی باید تا دمایی پایین تر از دمای بحرانی خود سرد شوند که به این منظور از هلیوم مایع استفاده می کنند . بنابراین در ساخت سیم پیچ بیشتر ابررسانا ها کاربرد دارند .  هر چه دما پایین تر باشد سیم پیچ ابررسانا بهتر کار می‌کند . زیرا مواد با عبور از جریان‌های بالاتر ، باعث ایجاد میدان مغناطیسی قوی تر شده که این خود باعث می شود که همچنان به عنوان ابررسانا کار کنند و درنتیجه مدت زمان دیرتری از حالت ابر رسانایی خارج شوند . در حال حاضر ، دانشمندان به دنبال ابررساناهای با دمای بالا هستند تا برای سردسازی ناچار به استفاده از هلیوم مایع نباشند و تنها از نیتروژن مایع استفاده نمایند .

آهن رباهای ابررسانا به صورت گسترده در دستگاه‌های ام‌آرآی و ابزارهای تشدید مغناطیسی هسته ، طیف‌ سنجی جرمی ، فرآیند جداسازی مغناطیسی و شتاب‌دهنده ذره‌ای به کار برده می شود .

پزشکی(MRI)

هلیوم مایع ، با داشتن دمای ۲۶۹- درجه ی سانتیگراد که معادل با ۴۵۲٫۱۱- درجه ی فارنهایت می باشد ، سرد ترین ماده بر روی کره ی زمین است به همین دلیل تنها ماده ی سرد کننده ای به شمار می رود  که می توان از آن در صنایع ابر رسانا استفاده نمود .

نخستین و مهم‌ ترین کاربرد گاز هلیوم ، در دستگاه‌های MRI  برای ارزیابی آسیب ‌ها و تشخیص بیماری در پزشکی است . این دستگاه‌ ها از یک میدان مغناطیسی بسیار قوی که توسط آهن رباهای ابررسانا تولید می‌شود استفاده می‌کنند . این آهنرباها مقدار بسیار زیادی گرما تولید کرده که با استفاده از هلیوم مایع خنک می‌شود . به دلیل دارا بودن کمترین گرمای ویژه و همچنین پایین‌ ترین نقطه ذوب و جوشی که هلیوم مایع پس از هیدروژن دارد ، هیچ جایگزینی برای آن در این زمینه ی بسیار مهم وجود ندارد .

سیم موجود در داخل دستگاه باید به دمای نزدیک به صفر درجه کاهش پیدا کند که به این منظور ، دستگاه برای حفظ درجه حرارت سرد نیاز به یک ماده دارد و آن ماده ، هلیوم مایع است . به همین دلیل به صورت پیوسته و مداوم بر روی سیم ها هلیوم مایع ریخته می شود . از هلیوم مایع برای خنک کردن سیم پیچ آهن رباهای ابررسانا موجود در دستگاه های  MRI  و رساندن دمای آن به دمای زیر ۱۰ درجه ی کلوین استفاده می شود .این ماده ، تنها ماده ی به اندازه ی کافی سرد برای ترویج ابررسانایی در آلیاژهای فلزی می باشد . ابررسانایی یک اثر فیزیکی است که در مواد مختلف ، زمانی رخ می دهد که درمعرض دمای بسیار پایین قرار داشته باشند . ابررسانایی یک جریان الکتریکی به جریان دیگر به وسیله ی یک هادی الکتریکی بدون ایجاد مقاومت الکتریکی و در نتیجه ، زیان صفر را ممکن می سازد . هر دستگاه ام آر آی ، در حدود ۱۷۰۰ لیتر هلیوم استفاده می کند . به طور استاندارد ۱۸ عدد بادکنک نیاز به حدود ۰٫۱ اونس هلیوم دارد ، و دستگاه MRI  ، ۵۶۱۰۰ اونس هلیوم استفاده می کند در نتیجه می توان تصورکرد که میزان استفاده هلیوم مورد نیاز در دستگاه MRI  به چه اندازه می تواند باشد .به دلیل استفاده ی زیاد از هلیوم ، مقدار آن رو به کاهش است و از طرفی مقدار هلیوم موجود بر روی کره ی زمین زیاد نمی باشد ، بنابراین باید میزان مصرف هلیوم در دستگاه های ام آر آی کاهش یابد در غیر این صورت باعث می شود که در آینده ، میزان هلیوم مصرفی افزایش پیدا کند . به دلیل آنکه هیدروژن به اندازه هلیوم توانایی سرماسازی ندارد ، در این دستگاه نمی توان از هیدروژن و یا یخ خشک استفاده نمود . از طرف دیگر کربن دی اکسید نیز به علت دارا بودن ویژگی هایی نظیر: جامد بودن و واکنش پذیر بودن و داشتن دمای جوش بالا ، نمی تواند جایگزین مناسبی برای هلیوم باشد .

 

پرواز

در گذشته به میزان قابل توجهی از هلیوم در سفینه های فضایی استفاده می شد .  مزیت گاز هلیوم نسبت به هیدروژن این است که بر خلاف هیدروژن منفجر نمی شود ولی چون در مقایسه با هیدروژن گران تر می باشد به صورت مخلوط اشتعال ناپذیر از ۲۶ درصد هیدروژن و ۷۴ درصد هلیوم به کار می رود . فضای خالی بالایی در محلی که سوخت قرار گرفته را از گاز هلیوم پر می کنند که این خود باعث می شود که جابه جایی سوخت و اکسیدکننده ها راحت تر شود و علاوه بر آن ، می توان با آن ، هیدروژن و اکسیژن را فشرده کرد تا سوخت موشک تولید شود . برای زدودن سوخت و اکسیدکننده‌ها از ابزارهای پیش از پرواز و همچنین پیش خنک کردن هیدروژن مایع در فضاپیما به هلیوم احتیاج می باشد . برای نمونه می توان به موشک ساترن ۵ در برنامه فضایی آپولو که پیش از پرتاب به ۳۷۰,۰۰۰  مترمکعب هلیوم نیاز داشت ، اشاره کرد .

در حال حاضر استفاده از هلیوم در سفینه های فضایی چندان معمول نیست ولی هنوز هم برای پر کردن  بالون های هوایی از گاز هلیوم استفاده می کنند . در ایالات متحده ، لاستیک برخی از خودرو ها و هواپیما ها را با هلیوم پر می کنند . همچنین برای نگهداری اسناد خیلی مهم نیز از گاز هلیوم استفاده می کنند .

درموتور فضاپیمایی موسوم به فضاپیمای « مسنجر » از هلیوم استفاده شده است . موتور این فضاپیما از نوع « تحتِ فشار » بوده ، به این معنا که از هلیوم موجود در محفظه دیگری کمک گرفته شده تا سوخت و اکسید کننده را به جلو و به داخل محفظه ی احتراق موتور هل دهد و به این ترتیب از هلیوم به عنوان نیروی محرک سرد استفاده می کند . به عبارت دیگر، وقتی موتور موشک با سوزاندن سوخت ، نیروی پرتاب کسب می کند ، هلیوم ، فضاپیما را با بهره گیری از فشار ساده ی گازی به جلو می راند ، همانند یک بادکنک که وقتی سرش را باز می کنید ، هوای موجود در آن خارج می شود . هلیوم تحت فشار شدیدی قرار دارد و باید در برابر نیروی وارد شده از سمت احتراق موشک مقاومت نماید و هنگامی که سوخت فضاپیما به پایان می رسد ، مقداری هلیوم در محفظه ی فشار باقی می ماند .  بنابراین هلیوم باعث می شود که فضاپیما بتواند مدت زمان بیشتری پرواز کند و قبل از اینکه به طور کامل نابود شود ، از گاز هلیوم برای یک ماه زندگی بیشتر استفاده کند .

جوشکاری

در فرآیند جوشکاری با قوس الکتریکی ،از هلیوم  به عنوان لایه محافظ و یا پوشش بر روی موادی که در دمای جوشکاری در اثر تماس با هوا یا نیتروژن دچار آسیب می‌شوند ، استفاده می شود . از گازهای گوناگونی در زمینه ی جوشکاری با قوس الکتریکی به عنوان گاز محافظ استفاده می شود که هلیوم به جای آرگون ارزان ، به خصوص برای موادی که رسانش گرمایی بالاتری دارند به کار می‌رود مانند آلومینیم و مس . از کپسول گاز هلیوم ، به عنوان یک گاز محافظ و پوشش در فرآیندهای جوشکاری با قوس الکتریکی به کار می‌رود تا بدین تر تیب ، با جلوگیری از تماس اکسیژن ، مانع از اکسید‌ شدن فلزات داغ و دیگر واکنش‌هایی که ممکن است در دمای بالا اتفاق بیفتد شود. در صنعت جوشکاری گاز ها را به سه گاز کربن دی اکسید ، هلیوم و آرگون تقسیم می کنند . از این گاز ها به عنوان محافظ استفاده می شود . روش های معمول در تکنولوژی جوشکاری را به گونه های زیر دسته بندی می کنند :

الف) جوشکاری ذوبی : شامل روش‌هایی همچون الکترود دستی ، قوس الکتریکی ، زیرپوردی ، MIG/MAG  ،  TIG ، پلاسما ، جوشکاری گاز ، اشعه الکترونی ، الکترواسلگ و اشعه لیزری می باشد .

ب) جوشکاری فشاری : این جوشکاری شامل جوش مقاومتی ، مافوق صوتی ،  اصطکاکی ، انفجاری و نفوذی می باشد .

جوشکاری TIG همان جوشکاری آرگون بوده که از یک الکترود غیر مصرفی از جنس تنگستن برای ایجاد قوس استفاده می‌کند ( علت استفاده از تنگستن ، دمای ذوب بالای آن می باشد ) و گاز خنثی نیز همان آرگون است که برای محافظت از جوش به کار می‌رود . در این روش جوشکاری ، به طور معمول ، جهت ذوب شدن و پر کردن منطقه ی جوشکاری از سیم جوش استفاده می شود . جوشکاری میگ / مگ ( MIG/MAG ) با گاز محافظ همان جوشکاری قوس الکتریکی با گاز محافظ شامل دو روش MIG و MAG می ‌باشد . تفاوت بین این دو روش در نوع گاز مصرفی که برای محافظت جوش به کار می‌رود  می باشد . در روش MIG گاز محافظ از نوع گاز خنثی ( آرگون یا هلیوم ) بوده ، درحالی‌که در روش MAG گاز محافظ  از نوع گاز فعال می باشد ( مانند کربن دی اکسید یا ترکیبی از آن با آرگون ) .

 

                                                                                                                                                نمونه جوشکاری به روش TIG

                                                                                                                                                       طرحواره جوشکاری TIG

  بالون و بادکنک

در این زمینه ، از هلیوم بیشتر به عنوان گاز بالابرنده استفاده می شود که در زمینه ی  تبلیغات ، تحقیقات جوی ، شناسایی نظامی کاربرد دارد . قدرت بالابرندگی هلیوم ، ۹۲٫۶۴% هیدروژن است اما ایمن تر از هیدروژن محسوب می شود زیرا بر خلاف آن قابل  اشتعال نیست . علاوه بر موارد ذکر شده ، از کپسول هلیوم ، برای باد کردن و بالا بردن بادکنک ها که از معمول ترین مصارف آن می باشد ، استفاده می شود .

حال می خواهیم بدانیم نحوه ی کار بالون های گازی یا کشتی های هوایی چگونه است؟

از آنجایی که برخی گازها مانند هلیوم ، نسبت به هوا دانسیته کمتری داشته و سبک تر می باشند ، می توان از آن ها برای بالا بردن بالون ، بدون گرم کردن ، استفاده نمود .

هلیوم ، یکی از بهترین گاز های سبک است که برای پر کردن بالون های مدرن استفاده می شود. چون هوا از هلیوم سنگین تر است ، در بالون های گازی برای جلوگیری از مخلوط شدن هوا با هلیوم ، هوا را درون محفظه هایی به نام بالونِت حبس می کنند. به کمک این بالونت ها می توان ارتفاع بالون را تنظیم نمود ؛ به این صورت که پمپ کردن هوا به درون بالونت ها ، باعث می شود که وزن بالون ها افزایش یافته و ارتفاع آن ها کم شود .

ساختار داخلی یک بالون هلیومی به صورت زیر می باشد :

  1. بدنه ی بالون : که از مواد سبک و مقاوم از جنس پلی استر انعطاف پذیر ساخته می شود .
  2. هلیوم درون بالون : بخش اصلی فضای داخل بالون از گاز هلیوم پر می شود و به دلیل سبک بودن هلیوم نسبت به هوا ، باعث بالا رفتن بالون می شود .
  3. بال های هدایت کننده : بر خلاف بالون های هوای گرم ، این بالون ها دارای پروانه هایی هستند که به وسیله موتور می چرخند و می توانند جهت حرکت بالون را تغییر دهند . جهت و سرعت حرکت بالون توسط این پروانه ها و بال های هدایت کننده تعیین می شود .
  4. بالابر مخصوص حرکت عمودی .
  5. سکان مخصوص چرخش بالون .
  6. بالونت هوا : برای تنظیم ارتفاع بالون گازی ، دو عدد از این بالونت ها را پر و خالی می کنند.
  7. خروجی بالونت .
  8. پروانه .
  9. کابین .
  10. خروجی بالونت .
  11. بالونت هوا .

وقتی که دریچه ی بالونت های هوا باز شود ، با خارج شدن هوای درون آن ها ، بالون سبکتر شده و هلیوم موجود در بالون باعث بالا رفتن آن می شود . به منظور سنگین تر کردن بالون و کاهش دادن ارتفاع آن ، هوا به درون بالونت ها پمپ می گردد .

 

آزمایشگاه

از لحاظ فیزیکی گاز هلیوم از قانون گازهای کامل پیروی می کند و به همین دلیل در دماسنج های گازی به کار می رود . در آزمایشگاه فیزیک از هلیوم مایع جهت بررسی خواص مواد در دماهای پایین استفاده می شود . در آزمایشگاه شیمی نیز از این گاز به عنوان یک گاز بی اثر و همچنین در دستگاه کروماتوگرافی گازی ، به عنوان گازی حامل کاربرد دارد .

 

هوای پیرامونی کنترل شده

ویژگی واکنش ناپذیری  هلیوم باعث شده است که به‌ عنوان یک گاز محافظ در کشت بلورهای سیلیسیم و ژرمانیوم ، تولید در تیتانیم و زیرکونیم و درکروماتوگرافی گازی به کار می‌آید . همچنین به دلیل داشتن ویژگی‌های نزدیک به طبیعت گاز ایده‌ آل ، سرعت بالای صدا در آن و نسبت ظرفیت گرمایی بالا ، برای کاربرد در تونل‌ های باد فراصوتی و ابزارهای آزمون افزایش ناگهانی آنتالپی ( Impulse Facility ) مورد نیاز است .

 

تشخیص محل نشت

تشخیص محل نشت ، از کاربرد های صنعتی هلیوم می باشد . علت استفاده از هلیوم به این دلیل است که هلیوم ، توان پخش شدن بسیار خوبی از میانه ی بدنه ی مواد جامد داشته و سه بار سریع تر از هوا به داخل جامدات نفوذ می کند . از جمله کاربرد های آن در این زمینه می توان به استفاده در مخزن های فشار بالا یا ابزار های سرد کننده یاد کرد . نخستین باری که از هلیوم در تشخیص محل نشت استفاده شد در پروژه ی مانهاتان بود تا محل نشت در کارخانه های غنی سازی اورانیوم را پیدا کند . برای تشخیص جای نشت یک ابزار ، آن را درون یک محفظه که ابتدا به طور کامل خالی شده و سپس از هلیوم پر شده باشد ، می‌گذارند . سپس به کمک ابزار طیف سنجی جرمی هلیوم ، مکان های نشت رد شده به وسیله ی هلیوم  را شناسایی می‌کنند . این ابزار بسیار دقیق است و دقت آن به mbar ·L/s    ۱۰ یا ۱۰ -۱۰ Pa·m3/s   هم می‌رسد . این فرآیند اندازه‌گیری ، معمولاً به صورت خودکار انجام می‌ شود و در اصطلاح  به آن helium integral test  می‌گویند . یک فرآیند ساده ‌تر شناسایی نشت ، پر کردن وسیله مورد نظر از هلیوم  و تشخیص محل نشت با استفاده از ابزار های دستی می باشد .

هلیومی که از ترک‌های موجود در یک وسیله می‌گذرد را نباید با نفوذ گاز از بدنه ی ماده اشتباه گرفت . ثابت نفوذ هلیوم از بدنه ی مواد ( شیشه ، سرامیک و مواد آزمایشگاهی ) ، مشخص است و ضریب گذر آن قابل محاسبه‌ است . البته بیشتر گازهای بی اثر مانند گازهای نجیب و نیتروژن و البته هلیوم ، از بدنه ی بیشتر مواد نمی‌ توانند بگذرند .

دستگاه تخلخل سنج هلیوم

تخلخل که به‌ صورت نسبت حجم فضای خالی موجود درون سنگ به حجم کلی سنگ مورد نظر تعریف می­ گردد ، یکی از پارامترهای تعیین کننده کیفیت سنگ مخزن می­ باشد . جهت محاسبه این پارامتر روش­ های متعددی ارائه شده است که یکی از این روش ­ها استفاده از قانون بویل و گاز به ‌عنوان سیال اشباع کننده خلل و فرج سنگ است . از گازهای مورد استفاده در این آزمایش ، می توان به گاز هلیوم اشاره نمود . استفاده از این گاز به عنوان یک سیال برای تعیین تخلخل ، دارای مزایایی بوده که باعث شده است کاربرد این گاز در این زمینه بیشتر باشد ؛ مزایایی از جمله : کوچک بودن مولکول­های آن که سبب نفوذ سریع به داخل فضاهای خالی می­ شود ، بی اثر بودن گاز هلیوم که مانع از فرآیند جذب سطحی در سطح سنگ می ­گردد . هلیوم را  می­توان به عنوان یک گاز ایده ­آل در نظر گرفت و در محاسبات دما و فشار وارد کرد . به منظور محاسبه تخلخل سنگ­های مورد نظر بایستی از نمونه ­های حقیقی به دست آمده از مخازن ، نمونه ای در ابعاد مناسب تهیه نمود . سپس نمونه­ ها با حجم کلی مشخص از لحاظ قطر و ارتفاع درون دستگاه قرار می ­گیرند . پس از آن ، از گاز هلیوم جهت اشباع منافذ قابل دسترس نمونه استفاده می­ شود که حجم دانه ­ها و حجم منافذ ، مستقیما در یک محفظه با استفاده از قانون بویل برای انبساط گاز هلیوم در شرایط هم­ دما محاسبه می شود . این روش به علت نفوذ گاز به منافذ قابل دسترس ، تنها توانایی محاسبه تخلخل موثر سنگ را دارد . دستگاه ، شامل پنل کنترل فشار و یک سیلندر با حجم مشخص و از پیش تعیین شده است . برای تامین گاز با فشار مورد نظر ، از یک کپسول گاز هلیوم خارجی استفاده می شود .

تلسکوپ فضایی اسپیترز

تلسکوپ فضایی ، تلسکوپی برای رصد در نور فروسرخ است که از جمله آن می توان به تلسکوپ فضایی اسپیترز اشاره کرد که در سال ۲۰۰۳/۱۳۸۲ به فضا پرتاب شد .

قطر آینه‌ی اصلی این تلسکوپ ۸۵ سانتی‌متر است که تا دمای ۵/۵ درجه کلوین سرد می شود . این تلسکوپ همچنین دارای ابزار های دیگر از جمله : دوربین و طیف‌ نگار قدرتمند فروسرخ است . برای این که تلسکوپ بتواند این امواج را بدون اختلال دریافت و تحلیل کند ، باید مدام تا دماهایی بسیار پایین سرد شود . این کار را ذخیره‌ ی هلیوم مایع  موجود در آن  انجام می‌دهد . بدون هلیوم مایع بسیاری از ابزارهای این تلسکوپ دیگر قابل استفاده نیستند .

علاوه بر این ، در تلسکوپ خورشیدی برای کاهش اثرات انحرافی در اثر تغییرات دما بین لنز نیز از هلیوم استفاده می شود .

 

کاربردهای تجاری

یکی از کاربرد های هلیوم ، در زمینه ی غواصی در عمق های بالای آب می باشد که در آن ، از آمیخته هایی مثل تریمیکس ، هلیوکس و هلی ایر یا هوای هلیومی استفاده می کنند تا اثر فشار نیتروژن بر دستگاه عصبی بدن را کاهش دهند زیرا هلیوم به سختی در بافت عصبی حل می شود . در عمق های بیشتر از ۱۵۰ متر ، از هلیوم به صورت مخلوط با اکسیژن به کار برده می شود . چگالی بسیار پایین هلیوم در این عمق‌ ها کمک می‌کند تا سختی تنفس کاهش پیدا کند .

هلیوم به دلیل داشتن ویژگی‌هایی چون رسانش گرمایی بالا ، واکنش ناپذیر بودن ، neutron

Transparency   و نساختن ایزوتوپ ‌های پرتوزا در شرایط درون یک رآکتور ، در برخی رآکتور های هسته ای ، به عنوان گاز خنک‌کننده و رساننده ی گرما به کار برده می شود.

مخلوط  هلیوم با برخی گازهای سنگین تر مثل زنون دارای ضریب ظرفیت گرمایی بالا و عدد پرنتل پایین است و در سردکننده‌های گرمایی صوتی (ترمواکوستیک) کاربرد دارد . از ویژگی بی اثر بودن هلیوم می توان برای کاهش آسیب‌های زیست محیطی در سردکننده‌های معمولی که اوزون تولید می‌کنند و باعث گرمایش زمین می‌شوند استفاده کرد .

 

ایمنی

  • استنشاق گازهلیوم در بادکنک

مطالعات انجام شده نشان می دهد استنشاق گاز هلیوم باعث ایجاد آسیب در افراد از جمله از دست رفتن سریع هوشیاری و بی هوشی  به علت کمبود اکسیژن در تنفس می شود . در زمان تنفس ، اکسیژن موجود در ریه‌ها توسط جریان خون جذب شده و دی‌ اکسید کربن را وارد هوا می‌کند . هنگامی که نفس خود را حبس می کنید ، تبادل گازها با سرعت کمتری صورت گرفته و دیگر هوای موجود در ریه ‌ها با هوای تازه جایگزین نمی گردد . اما گاهی اوقات این حالت ، قبل از این که احساس درد و رنج ایجاد شود ، برطرف خواهد شد . هنگامی که ریه‌ها با گاز هلیوم پر می‌شوند ، فرآیند دیگری اتفاق می‌افتد ؛ اکسیژن از جریان خون در طول فرآیند تبادل گازها حذف شده و بسته به میزانی که هلیوم ، تنفس و جایگزین اکسیژن شده ، ممکن است هوشیاری خود را به سرعت و بدون هشدار از دست بدهید یا در حالی که ایستادید ، از حال بروید . در نتیجه ، احتمال سقوط شما بدون کنترل وجود دارد که ممکن است منجر به آسیب جدی به سر یا بدن شما شود ، حتی اگر تنفس عادی دوباره از سرگرفته شود .

  • استنشاق گاز هلیوم از سیستم تجاری

تلاش برای استنشاق هلیوم از سیستم تجاری پرسازی بادکنک با گاز هلیوم خطراتی به مراتب  بیشتر از استنشاق هلیوم از بادکنک دارد . علاوه بر خطر بی‌ هوشی ، پتانسیل آسیب منجر به مرگ نیز وجود دارد . تعدادی از افراد جوان در طول فرآیند استنشاق گاز هلیوم از چنین سیستمی کشته شدند .

واکنش شیمیایی منجر به صدمات کشنده نمی‌شوند . فشار گاز درون ریه ‌ها عاملی است که می‌تواند به سرعت کشنده باشد . کالبد شکافی افراد نشان داده که در ریه‌ ها ، آلوئول ( کیسه ‌های هوا)  دچار پارگی شدند و بلا فاصله مرگ رخ داده است ، در حالی که قربانیان به معنی واقعی کلمه در خون خود غرق شدند . در چنین شرایطی ، احیاء قلبی و ریوی فایده ای ندارد .

منابع

نویسنده مطلب: hamid

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *