Khí Helium thu được như thế nào?
Helium – loại khí trơ không màu, không mùi và không vị – là loại khí phổ biến thứ hai trong vũ trụ sau khí hydro. Tuy nhiên, loại khí helium được sử dụng trong các ứng dụng như sắc ký khí được chiết xuất từ khí tự nhiên – một vấn đề làm cạn kiệt nguồn tài nguyên dẫn đến sự khan hiếm khí helium.
Khí helium có rất nhiều trong không gian – nó là sản phẩm phụ của các phản ứng nhiệt hạch xảy ra bên trong các ngôi sao. Tuy nhiên, khí heli mà chúng ta có thể tìm thấy trên trái đất, sau đó được lưu trữ trong các bình khí heli để sử dụng trong nhiều ứng dụng quan trọng, lại bị hạn chế. Loại khí helium này, được gọi là helum-4, được sản xuất tự nhiên dưới lòng đất thông qua quá trình phân hủy và phân rã phóng xạ của một số nguyên tố như uranium và thorium. Kết quả của phản ứng này là các hạt alpha chứa hai neutron và proton. Những mảnh nhỏ này sau đó thu thập các electron từ môi trường xung quanh và tạo thành helium, sau đó đi lên lớp vỏ trái đất và tiến vào không gian.
Thật may mắn cho chúng ta, một phần helium-4 bị giữ lại và trộn lẫn với khí tự nhiên được tìm thấy dưới các lớp bên dưới bề mặt trái đất. Helium-4 sau đó được chiết xuất khỏi lòng đất bằng các giếng khoan để giải phóng nó. Lượng khí helium có thể tìm thấy trong khí tự nhiên thay đổi từ gần như không đáng kể đến 4% theo thể tích của nó. Khí tự nhiên chứa helium-4 sau đó trải qua quá trình chưng cất đông lạnh để thu được các hạt helium. Sau khi được tách khỏi khí tự nhiên, helium-4 sẽ trải qua một quá trình tinh chế khác, sau đó nó được đưa đến độ tinh khiết 99,99+% để bán trên thị trường.
Dự trữ khí helium và chuỗi cung ứng
Nhu cầu toàn cầu về khí heli tiếp tục tăng, gây ra mối lo ngại lớn về nguồn tài nguyên khí heli hữu hạn, từ đó khiến chuỗi cung ứng trở nên mong manh. Vấn đề với việc khai thác khí helium là không có nhiều mỏ khí tự nhiên có nồng độ khí helium cao và việc chiết xuất helium từ các mỏ như vậy sẽ quá tốn kém so với mức khí ít ỏi thu được. Theo Gas World, 75% lượng helium toàn cầu được tiêu thụ trên toàn cầu phần lớn chỉ giới hạn ở ba địa điểm: Thành phố công nghiệp Ras Laffan ở Qatar, ExxonMobil ở Wyoming và Khu dự trữ Helium Quốc gia ở Texas.
Là một lựa chọn khác để tìm nguồn cung cấp khí heli trong bối cảnh lo ngại về sự khan hiếm của nó, một số nhà nghiên cứu đã đề xuất sản xuất khí heli bằng không khí hóa lỏng nhưng chi phí sản xuất khí heli được tạo ra sẽ không khả thi vì lượng heli chứa trong không khí quá thấp.
Các lựa chọn thay thế khí helium cho sắc ký khí
Vậy tại sao khí heli lại có giá trị đến vậy? Tất cả là nhờ những đặc tính rất độc đáo của khí heli khiến khí này trở nên quý giá đối với nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp. Tuy nhiên, do sự không chắc chắn về nguồn cung khí heli trong tương lai và sự lạm phát không thể tránh khỏi của chi phí liên quan, nhiều ngành công nghiệp đang sử dụng các nguồn khác cho ứng dụng của mình.
Sắc ký khí là một trong những ứng dụng sử dụng các loại khí khác làm khí mang thay vì heli. Mặc dù việc lựa chọn khí mang phụ thuộc vào hàm lượng của mẫu, nhưng khí hydro là một trong những khí chính có thể thay thế cho khí heli. Có độ nhớt rất thấp, khí hydro có thể mang lại tốc độ linh động cao nhất trong tất cả các loại khí mang, giúp giảm thời gian phân tích mẫu.
Lợi ích của việc tiết kiệm chi phí cũng là một yếu tố khác cần được xem xét khi lựa chọn giải pháp thay thế khí vận chuyển. Khí hydro, không giống như helium, có thể được sản xuất tại chỗ thông qua quá trình điện phân nước khử ion bằng máy tạo hydro, mang lại độ tinh khiết cần thiết để phân tích hiệu quả. Trái ngược với việc lưu trữ khí heli hoặc khí hydro trong xi lanh, hydro có thể được tiếp cận theo yêu cầu bằng máy tạo hydro, đảm bảo rằng khí hydro được tạo ra tương ứng với lượng cần thiết cho ứng dụng và không cần phải đặt hàng trước lượng khí dư thừa.
Sự an toàn của khí hydro thường là mối quan tâm của các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm giải pháp thay thế khí mang. Bình chứa khí điều áp – cho cả hydro và heli – có thể gây ra mối đe dọa về an toàn do lượng khí lớn được lưu trữ trong bình chứa khí hydro hoặc heli. Tuy nhiên, những lo ngại này đã được giảm thiểu nhờ lượng khí lưu trữ thấp và công nghệ an toàn mạnh mẽ của máy phát điện hydro tại chỗ. Ngày nay, các máy tạo hydro trong nhà được trang bị máy dò an toàn để đảm bảo hệ thống ngừng hoạt động trong trường hợp rò rỉ và rủi ro được giảm thiểu đến mức tối thiểu.
Với những lo ngại ngày càng tăng về sự khan hiếm tài nguyên để khai thác khí heli và giá cả sẽ tăng lên, các phòng thí nghiệm đang sử dụng các lựa chọn khác để lựa chọn khí mang. Máy tạo khí hydro thường là lựa chọn hàng đầu cho sắc ký khí, mang lại dòng khí an toàn và đáng tin cậy.
