Khí Heli là gì? Nguy cơ cạn kiệt Heli trên trái đất trong tương lai

14/11/2022

Heli là nguyên tố dồi dào thứ hai trong vũ trụ rộng lớn, sau hidro, nhưng lại vô cùng hiếm trên trái đất. Trên Trái đất, nguyên tố này được coi là tài nguyên không thể tái sinh. Heli không tạo hợp chất với các nguyên tố khác, trong khi nguyên tử tự do đủ nhẹ để thoát khỏi lực hấp dẫn của trái đất và bay ra ngoài bầu khí quyển. Một số nhà khoa học lo ngại một ngày nào đó chúng ta có thể cạn kiệt heli hoặc ít nhất là việc khai thác nó sẽ trở nên vô cùng tốn kém. Hãy cùng khí công nghiệp Hỷ Vân tìm hiểu về loại khí hiếm này qua bài viết dưới đây.

1. Heli là gì?

Khí Heli hay Helium là nguyên tố thứ hai trong bảng tuần hoàn có ký hiệu hóa học là He, với số hiệu nguyên tử là 2 và nguyên tử khối bằng 4. Đây là loại khí hiếm nhẹ nhất và là một trong những khí khó hóa lỏng nhất.
Heli là đơn chất ở điều kiện tiêu chuẩn. Nói cách khác, heli được tìm thấy dưới dạng các nguyên tử đơn lẻ của nguyên tố.
Khí heli rất hiếm trên trái đất, bầu khí quyển chỉ có 0,000524% heli. Phần tử này dần dần thoát ra ngoài không gian do lực hấp dẫn của trái đất không đủ mạnh để giữ nó lại.

Tính chất vật lý

• • Heli là chất khí rất nhẹ, ở trạng thái tự nhiên, Heli không màu, không mùi, không vị và không độc.
  • Heli có nhiệt độ sôi và điểm nóng chảy thấp nhất trong tất cả các nguyên tố, nhiệt độ sôi là – 4,2K (-268,8°C), chỉ trên độ không tuyệt đối 4K.
  • Heli là chất lỏng duy nhất không thể đông đặc bằng cách hạ nhiệt độ. Nó vẫn ở trạng thái lỏng đến độ 0 tuyệt đối ở áp suất thông thường, nhưng có thể đông đặc lại bằng cách tăng áp suất.
  • Nhiệt dung riêng của khí heli cao bất thường. Tỷ trọng của hơi heli ở nhiệt độ sôi bình thường cũng rất cao, và hơi sẽ nở ra rất nhiều khi được nung nóng đến nhiệt độ phòng .

Tính chất hóa học

• • Heli là một khí trơ về mặt hóa học. Vì nguyên tử heli có hóa trị bằng 0 nên nó có khả năng phản ứng hóa học cực kỳ thấp.
    Nó không tạo hợp chất ở điều kiện thường. Để liên kết nó với một nguyên tố khác, nó cần được ion hóa hoặc điều áp. Dưới áp suất cao, dinatri helide (HeNa₂), titanat giống clathrat La_2/3-xLi_3xTiO₃He, tinh thể silicat He II (SiO₂He), arsenolit diHeli (AsO₆·2He) và NeHe₂ có thể tồn tại.

2. Nguồn gốc

Cái tên Heli bắt nguồn từ Helios, tên của thần Mặt Trời trong thần thoại Hy Lạp, do nguồn gốc nguyên tố này được tìm thấy trong quang phổ Mặt Trời. Đây cũng là nguyên tố duy nhất được tìm thấy bên ngoài không gian trước khi được tìm thấy trên trái đất.

Heli cùng với hidro là 2 nguyên tố được hình thành cùng với sự ra đời của vũ trụ từ vụ nổ bigbag. Một lượng lớn Heli mới được tạo ra bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân của hidro trong các ngôi sao.

Trên trái đất, Heli được sinh ra dưới lòng đất do sự phân rã phóng xạ của các nguyên tố nặng như uranium và thorium. Một phần bức xạ từ các nguyên tố này bao gồm các hạt alpha, tạo thành hạt nhân của nguyên tử heli. Một lượng heli nhỏ tìm đường lên mặt đất và đi vào bầu khí quyển, nơi nó nhanh chóng bốc lên và thoát ra ngoài không gian. Phần còn lại bị mắc kẹt dưới các lớp đá không thấm nước và trộn với khí tự nhiên được hình thành tại đó. Lượng heli được tìm thấy trong các mỏ khí tự nhiên khác nhau thay đổi từ gần như bằng 0 đến cao nhất là 4% thể tích. Chỉ khoảng 10% các mỏ khí tự nhiên đang hoạt động có nồng độ heli lớn hơn 0,4%. Vì vậy Heli thường được khai thác cùng khí tự nhiên.

Heli cũng có thể được sản xuất bằng cách hóa lỏng không khí và tách các khí thành phần. Tuy đây phương pháp thường được sử dụng để sản xuất các khí khác như nitơ và oxy, nhưng nó hiếm khi được sử dụng để sản xuất heli. Chi phí sản xuất cho phương pháp này khá cao và lượng khí heli có trong không khí rất thấp.

Xem thêm: Hidro – Nguồn nguyên liệu sạch trong tương lai

3. Lịch sử phát hiện

Mặc dù heli là một trong những nguyên tố dồi dào nhất trong vũ trụ, nhưng hầu hết nó tồn tại bên ngoài bầu khí quyển của Trái đất. Heli không được phát hiện cho đến năm 1868, khi nhà thiên văn học người Pháp Pierre Janssen và nhà thiên văn học người Anh Sir Joseph Lockyer đang nghiên cứu độc lập về hiện tượng nhật thực của Mặt trời. Sử dụng quang phổ kế, phân tách ánh sáng thành các dải màu khác nhau dựa vào các nguyên tố có mặt, cả hai đều quan sát thấy một dải ánh sáng vàng không thể xác định được với bất kỳ nguyên tố nào đã biết. Cả 2 cùng công bố phát hiện của mình và được công nhận cùng ngày. Lockyer đã gợi ý đặt tên cho nguyên tố mới là Heli theo tiếng Hy Lạp.

Vào năm 1895, nhà hóa học người Anh, Ngài William Ramsay đã phát hiện thấy rằng cleveite, một khoáng chất uranium, có chứa Heli. Các nhà hóa học Thụy Điển PT Cleve và Nils Langlet đã thực hiện một khám phá tương tự vào cùng thời điểm. Đây là lần đầu tiên heli được xác định trên Trái đất.

Năm 1905, lần đầu tiên Heli được phát hiện có chứa trong các mỏ khí tự nhiên.

Ngày nay, phần lớn các nguồn khí tự nhiên chứa heli nằm ở Hoa Kỳ, Canada, Ba Lan, Qatar và một số quốc gia khác.

4. Ứng dụng của khí Heli

Nhờ các đặc tính hữu ích của mình, heli được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực

• • Khí nâng bóng bay, khinh khí cầu
    Ứng dụng phổ biến nhất của heli là làm khí nâng cho bóng bay, khinh khí cầu, khí cầu khí tượng… Vì Heli là nguyên tố nhẹ thứ hai sau hidro và tỷ trọng của heli nhẹ hơn không khí. Mặc dù heli ít nổi hơn hidro nhưng heli được ưa chuộng làm khí nâng hơn, vì nó không dễ cháy. Việc sử dụng heli làm khí nâng cũng là ứng dụng đầu tiên của heli kể từ khi nó được phát hiện trên trái đất.

    

  • Y tế
    Khí heli có thể được sử dụng cho các bệnh đường hô hấp để điều trị các bệnh như hen suyễn và khí phế thũng.
  • Chất siêu làm lạnh
    Heli lỏng là chất duy nhất có khả năng giảm nhiệt độ xuống thấp hơn 15K (-434ºF). Nó được sử dụng như một chất làm mát cho các loại máy cộng hưởng từ (MRI), quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), máy gia tốc hạt, máy va chạm hadron lớn, thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID), quang phổ cộng hưởng quay điện tử (ESR), bộ lưu trữ năng lượng từ tính siêu dẫn (SMES), máy phát điện siêu dẫn điện từ trường, cảm biến siêu dẫn, nam châm siêu dẫn và các nghiên cứu đông lạnh khác.
  • Khí tẩy rửa áp suất
    Heli được áp dụng trong các hoạt động tẩy rửa áp suất cho các hệ thống hidro lỏng bởi vì heli là khí duy nhất có nhiệt độ sôi thấp hơn hidro và heli là khí trơ. Heli làm khí tẩy rửa được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ. Heli cũng được sử dụng để duy trì áp suất trong bình nhiên liệu oxy lỏng. Khi oxy lỏng được đốt cháy làm nhiên liệu tên lửa, Heli được bơm vào các thùng nhiên liệu để giữ cho chúng không bị sụp đổ.
  • Phát hiện rò rỉ
    Heli được sử dụng để phát hiện rò rỉ, bởi vì heli có kích thước phân tử nhỏ nhất và nó cũng là một phân tử đơn nguyên. Do đó heli dễ dàng đi qua những chỗ rò rỉ nhỏ nhất và được phát hiện qua phổ kế. Heli thường được sử dụng để phát hiện rò rỉ trong tên lửa, thùng nhiên liệu, đường dẫn khí đốt, các nhà máy làm giàu uranium, các thiết bị điện tử, cáp truyền hình…
  • Khí bảo vệ hàn
    Heli được sử dụng như một khí bảo vệ trong hàn hồ quang và hàn hồ quang plasma do tiềm năng ion hóa cao nhất so với bất kỳ nguyên tử nào. Môi trường bảo vệ của heli xung quanh vị trí hàn ngăn kim loại bị oxy hóa ở trạng thái nóng chảy. Tiềm năng ion hóa cao của heli cho phép hàn hồ quang plasma của các kim loại lạ như titan, zirconium, magiê và hợp kim nhôm được sử dụng trong xây dựng, đóng tàu và hàng không vũ trụ.

    

  • Sắc ký khí
    Heli được sử dụng làm khí mang và khí tẩy cho sắc ký khí, bởi vì heli trơ về mặt hóa học và có độ tinh khiết cao. Sắc ký là một thuật ngữ chung được sử dụng cho các kỹ thuật phòng thí nghiệm để tách hỗn hợp. Máy sắc ký được sử dụng rộng rãi để phân tích định tính và định lượng trong các phòng thí nghiệm.
  • Sản xuất chất bán dẫn
    Heli được ưu tiên sử dụng làm khí bảo vệ trong sản xuất chất bán dẫn nhờ tính trơ của mình. Ví dụ, heli được sử dụng làm ống bao trong các thanh tạo ra màn hình LCD. Hoặc trong quá trình xử lý chip bán dẫn, heli được sử dụng làm khí bảo vệ và khí làm mát, khi phát triển các tinh thể silic và germani vì có nhiệt riêng và độ dẫn nhiệt rất cao.

    

  • Phun phủ kim loại
    Heli được sử dụng làm khí mang bột để phun nhiệt và phun lạnh do tốc độ cực cao và tính trơ về mặt hóa học của nó. Phun nhiệt và phun lạnh, còn được gọi là phun kim loại là một quá trình phủ bề mặt trong đó kim loại và gốm sứ có thể được phun với vận tốc lớn lên bề mặt của vật liệu khác để tạo ra lớp phủ kim loại.
  • Sản xuất sợi cáp quang
    Nhiệt độ thấp và tính trơ của Heli lỏng khiến nó trở nên lý tưởng để làm nguội nhanh chóng các sợi silica trong ống làm mát khi sợi thủy tinh được rút ra từ phôi thủy tinh.

    

  • Môi trường truyền nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân
    Heli là một trong những khí truyền nhiệt hiệu quả nhất. Ngoài ra Heli không gây ăn mòn và nó trơ về mặt phóng xạ (không có đồng vị phóng xạ). Heli không thay đổi trạng thái tập hợp và nó không ảnh hưởng đến hệ số nhân neutron. Các nhà máy hạt nhân với heli làm môi trường truyền nhiệt có hiệu suất cao hơn và nhiệt độ hoạt động cao hơn.
  • Hỗn hợp thở khi lặn biển sâu
    Heli được sử dụng làm khí lặn biển ở độ sâu dưới 30m do khả năng hòa tan trong nước và máu rất thấp. Hỗn hợp thở He/O₂ như heliair, trimix và heliox được sử dụng thay cho hỗn hợp thở N₂/O₂ để tránh tình trạng tích tụ nitơ trong máu. Ngoài ra heli không gây ăn mòn thiết bị và không độc hại.
  • Laser và chiếu sáng
    Heli được sử dụng trong các loại laser khí như laser heli-neon, laser CO₂ và laser hơi kim loại như Heli-cadmium. Các loại laser sử dụng khí heli được áp dụng cho các ứng dụng khác nhau như nghiên cứu khoa học, giao thoa kế, ảnh ba chiều, quang phổ, máy quét mã vạch, phẫu thuật mắt, trình diễn quang học, hàn và cắt.
    Ngoài ra heli được sử dụng trong các đèn phóng điện bằng khí. Heli phát ra các màu từ trắng đến cam. Đèn phóng khí Heli được các nghệ sĩ sử dụng cho mục đích chiếu sáng đặc biệt.

    

  • Kính thiên văn
    Heli được ứng dụng trong kính thiên văn năng lượng mặt trời. Heli làm giảm tác động của nhiệt giữa các thấu kính trong một số kính thiên văn do chỉ số khúc xạ đặc biệt thấp và độ dẫn nhiệt cao.
  • Ô tô / Xe cộ
    Ngoài để phát hiện rò rỉ trong hệ thống điều hòa không khí của ô tô. Nó cũng được sử dụng để làm phồng túi khí vì heli có thể khuếch tán nhanh hơn hầu hết các khí trơ khác.
  • Ổ cứng HDD
    Heli được sử dụng trong một số ổ cứng HDD. Ổ cứng chứa đầy khí heli có thể chứa số lượng đĩa lớn hơn cho khả năng lưu trữ dữ liệu cao. Heli có tỷ trọng bằng 1/7 không khí do đó làm giảm công suất cơ học bị tiêu tán trong lực cản không khí. Nó cho phép các đĩa quay gần nhau hơn. Đĩa quay cũng tiết kiệm năng lượng hơn vì cần ít công suất động cơ hơn và mát hơn.

    

5. Quy trình sản xuất

Heli thường được sản xuất như một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất khí tự nhiên. Khi khí tự nhiên chứa nhiều hơn khoảng 0,4% heli theo thể tích, người ta thường sử dụng phương pháp chưng cất đông lạnh để thu hồi hàm lượng heli. Dưới đây là một chuỗi hoạt động điển hình để chiết xuất và xử lý heli.

• • Tiền xử lý
    Trước tiên cần loại bỏ một số tạp chất như hơi nước, cacbon dioxide và một số hidrocacbon nặng để ngăn chúng bị đông đặc làm nghẽn đường ống trong quá trình đông lạnh khí tự nhiên.
    Sau quá trình tiền xử lý, thu được dòng khí còn lại chủ yếu chứa metan và nitơ, với một lượng nhỏ heli, hidro và neon.
  • Phân tách
    Khí tự nhiên được tách thành các thành phần chính của nó thông qua một quá trình chưng cất được gọi là chưng cất phân đoạn. Trong quá trình chưng cất phân đoạn, nitơ và metan được tách ra theo hai giai đoạn, để lại một hỗn hợp khí chứa một tỷ lệ cao heli. Quá trình này đôi khi được gọi là loại bỏ nitơ, vì chức năng chính của nó là loại bỏ lượng nitơ dư thừa ra khỏi khí tự nhiên.
  • Thanh lọc
    Heli thô phải được tinh chế thêm để loại bỏ hầu hết các tạp chất khác. Đây thường là một quá trình gồm nhiều giai đoạn liên quan đến một số phương pháp tách khác nhau tùy thuộc vào độ tinh khiết của heli thô và ứng dụng dự kiến ​​của sản phẩm cuối cùng.
  • Phân phối
    Heli được phân phối dưới dạng khí ở nhiệt độ bình thường hoặc ở dạng lỏng ở nhiệt độ cực thấp. Khí Heli được phân phối trong các chai khí nén bằng thép hoặc hợp kim nhôm ở áp suất trong khoảng 900-6.000 psi (6-41 MPa hoặc 60-410 atm). Heli lỏng được phân phối trong các thùng chứa cách nhiệt với sức chứa lên đến khoảng 56.000 lít.

6. Lưu ý khi sử dụng

Cũng giống như các loại khí trơ khác, heli không độc. Tuy nhiên nếu hít trực tiếp một lượng lớn khí heli có thể gây ra tình trạng thiếu oxy nghiêm trọng, nghẹt thở, chóng mặt. Tiếp xúc trực tiếp ở dạng lỏng gây ra tình tê cóng, bỏng lạnh.
Không hít Heli trực tiếp được nén trong bình khí áp lực lớn để thay đổi tông giọng nói cao hơn. Vì dòng khí phụt mạnh vào họng đi sâu bên trong cơ thể có thể khiến vỡ mô phổi. Nếu khí đi sâu vào mạch máu còn có thể dẫn đến đột quỵ, tử vong.

7. Nguy cơ cạn kiệt khí Heli trong tương lai

Trên trái đất, Heli được hình thành từ sự phân rã phóng xạ của uranium và thorium, mỗi năm tạo ra khoảng 3000 tấn heli. Sản lượng khai thác heli trên thế giới hiện nay là hơn 30.000 tấn một năm từ các mỏ khí tự nhiên tích tụ hàng triệu năm.
Hơn nữa, như đã đề cập ở trên, khí heli rất nhẹ khiến nó liên tục thoát ra ngoài không gian và mất đi vĩnh viễn. Vì vậy nguyên tố này được coi là tài nguyên không thể tái sinh.
Các nhà khoa học lo ngại rằng, nếu không có các chương trình lưu trữ Heli được chính phủ tài trợ, trong tương lai không xa trữ lượng Heli đã biết trên trái đất có thể sẽ cạn kiệt.

8. Địa chỉ cung cấp khí Heli công nghiệp

Nếu bạn đang muốn tìm một địa chỉ mua khí Heli chất lượng và giá tốt thì hãy lựa chọn ngay công ty khí công nghiệp Hỷ Vân. Với kinh nghiệm 30 năm trong ngành, chúng tôi cam kết mang đến cho khách hàng những sản phẩm tốt nhất với giá cả cạnh tranh nhất thị trường, đảm bảo sự hài lòng tuyệt đối cho mọi khách hàng.

Khí công nghiệp Hỷ Vân là một trong những nhà cung cấp khí Heli uy tín hàng đầu, chúng tôi chuyên sản xuất, chiết nạp, bán lẻ khí heli chất lượng cao.
Quý khách hàng có nhu cầu đặt hàng có thể liên hệ số điện thoại 0969.690.155 để được tư vấn trực tiếp, miễn phí!

Tin tức tiêu biểu

Vì Sao Khí Oxy Kỵ Dầu, Mỡ?

Tại sao khí Argon được dùng để hàn?

Khí Argon được sử dụng trong các thiết bị quang học

Nấu ăn bằng Nitơ lỏng có an toàn không?

Tầm quan trọng của van điều áp khí nén

Máy tạo khí nitơ bơm lốp xe