كيفية تصنيع غاز الهيليوم

تصنيع غاز الهيليوم: العملية والتطبيقات

يُعتبر غاز الهيليوم أحد العناصر النادرة والمهمة في مجالات متعددة، ويتميز بخواص فريدة تجعله مفضلاً للاستخدام في صناعات عدة، منها التبريد الفائق، والتصوير الطبي، والفضاء، والبحوث العلمية. يتمتع الهيليوم بخفة وزنه، وثباته الكيميائي، وعدم قابليته للاشتعال، وهو ثاني أخف عنصر بعد الهيدروجين. رغم أهميته، فإن عملية الحصول على الهيليوم وصناعته ليست بسيطة أو مباشرة، فهو لا يتواجد بكميات كبيرة في الغلاف الجوي للأرض، وإنما يُستخرج بشكل رئيسي من رواسب الغاز الطبيعي التي تحتوي على نسب متفاوتة منه.

المصادر الطبيعية لغاز الهيليوم

لا يتم تصنيع الهيليوم من الصفر كغاز مستقل في المختبرات الصناعية، بل يعتمد الحصول عليه على استخراجه من مصادر طبيعية تتوفر فيها كميات منه. من أشهر هذه المصادر:

• الغاز الطبيعي: يمثل المصدر الأساسي للهيليوم حيث يحتوي على نسب متفاوتة من الهيليوم تصل في بعض الحقول إلى 7% أو أكثر. وهذا النسبة عالية جداً مقارنة بتركيزه في الغلاف الجوي الأرضي الذي لا يتجاوز 0.0005%.

• الغلاف الجوي: توجد كميات ضئيلة جداً من الهيليوم في الهواء، وتُستخرج بكميات تجارية من خلال عمليات فصل الهواء، لكنها أقل اقتصادية بسبب التركيز المنخفض.

• المصادر النووية: تنتج بعض المواد المشعة الهيليوم كنتيجة لعملية التحلل الإشعاعي الطبيعي (على سبيل المثال تحلل اليورانيوم والثوريوم)، ولكن هذه الكميات صغيرة ولا تستخدم بشكل تجاري.

آلية استخراج الهيليوم من الغاز الطبيعي

تبدأ عملية الحصول على الهيليوم من الغاز الطبيعي، والذي غالباً ما يكون مزيجاً من الميثان، والإيثان، والهيدروجين، والنيتروجين، والهيليوم، وغازات أخرى. ويخضع الغاز الطبيعي لعدة مراحل لمعالجة وفصل الهيليوم النقي.

1. الاستخلاص الأولي وإزالة الشوائب

• التنقية الأولية: يتم في هذه المرحلة إزالة الغبار والمواد الصلبة والشوائب الأخرى التي قد تضر بالمعدات في المراحل اللاحقة.

• إزالة الماء: يتم تجفيف الغاز باستخدام طرق مختلفة مثل التبريد أو المواد الماصة للماء، لمنع تكوّن الجليد أو التآكل في المعدات.

2. فصل المركبات الثقيلة والغازات غير المرغوبة

• يتم فصل المركبات الثقيلة (مثل الإيثان، والبروبان، والبيوتان) عن الغاز الطبيعي باستخدام عمليات مثل التقطير الجزئي أو الامتصاص.

• إزالة ثاني أكسيد الكربون والكبريت والهيدروجين الكبريتي وغيرها من الغازات التي قد تؤثر على نقاء الهيليوم.

3. فصل الهيليوم عن الغاز الطبيعي

• طريقة الامتصاص بالضغط المتغير (PSA): تعتمد هذه التقنية على اختلاف قابلية الغازات للامتصاص على مواد معينة تحت ضغوط مختلفة. يُمتص معظم غاز الميثان وغيره عند ضغط مرتفع ويُحرر الهيليوم عند ضغط منخفض.

• التقطير التجزيئي (Distillation): يُستخدم في المراحل النهائية لتكثيف الغاز الطبيعي وفصل الهيليوم عن النيتروجين والغازات الأخرى. نظراً لأن الهيليوم نقطة غليانه منخفضة جداً (-268.9 درجة مئوية)، يمكن فصله من خلال التبريد إلى درجات حرارة فائقة الانخفاض.

• الامتصاص الكيميائي: في بعض الحالات، يتم استخدام مواد كيميائية لالتقاط الغازات غير المرغوبة والسماح بمرور الهيليوم.

4. التنقية النهائية وضغط الغاز

بعد الفصل المبدئي، يتم تنقية الهيليوم ليصل إلى درجة نقاء عالية جداً (عادة 99.99% أو أكثر) باستخدام عمليات إضافية مثل التبريد الفائق، أو الامتصاص الكيميائي المتقدم، أو استخدام أغشية نفاذية متخصصة.

ثم يُضغط الهيليوم إلى ضغط عالٍ للتخزين أو النقل في أسطوانات خاصة أو في خزانات ضغط.

الإنتاج الصناعي لغاز الهيليوم

تتركز الصناعات الكبرى لاستخراج الهيليوم في عدد محدود من الدول التي تمتلك حقول الغاز الطبيعي الغنية بالهيليوم. من أبرز هذه الدول:

• الولايات المتحدة الأمريكية: أكبر منتج للهيليوم في العالم، حيث يحتوي الغاز الطبيعي في مناطق تكساس وأوكرهوما على نسب عالية من الهيليوم.

• الجزائر وقطر وروسيا: تمتلك حقول غاز طبيعي تحتوي على نسب معتبرة من الهيليوم ويتم تصديرها للأسواق العالمية.

استخدامات غاز الهيليوم

يرتبط تصنيع الهيليوم وتوفيره بالعديد من الاستخدامات الحيوية التي تستفيد من خواصه الفيزيائية والكيميائية الفريدة، مثل:

• التبريد الفائق: يستخدم الهيليوم في تبريد المغانط الفائقة في أجهزة الرنين المغناطيسي النووي (MRI) وفي تجارب فيزياء الجسيمات.

• الطيران والمناطيد: خفة الهيليوم تجعله بديلاً آمناً للهيدروجين في ملء المناطيد والطائرات الخفيفة.

• الغاز الخامل: في عمليات اللحام وتغليف المواد الحساسة التي تحتاج إلى بيئة خالية من الأكسجين.

• البحوث العلمية: يستخدم في مختبرات الفيزياء والكيمياء للتبريد، وإجراء التجارب التي تحتاج إلى درجات حرارة منخفضة جداً.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية للهيليوم

• الوزن الذري: 4.0026 جرام/مول، وهو أخف من الهواء بحوالي سبع مرات.

• نقطة الغليان: -268.9 درجة مئوية، وهي الأدنى بين جميع العناصر، مما يسمح له بالبقاء غازاً في درجات حرارة منخفضة جداً.

• عدم التفاعل: كغاز خامل من المجموعة النبيلة، لا يدخل في تفاعلات كيميائية مع المواد الأخرى تحت الظروف العادية.

• التوصيل الحراري: يتمتع بموصلية حرارية عالية نسبيًا بين الغازات، مما يجعله مفيداً في بعض التطبيقات الحرارية.

تحديات استخراج الهيليوم

يواجه إنتاج الهيليوم عدة تحديات مرتبطة بندرته والظروف الاقتصادية:

• ندرة الموارد: وجوده محدود في الطبيعة، وكمية الهيليوم المستخرجة من الغاز الطبيعي تعتمد على وجوده ضمن الحقول الغازية، والتي لا تتوفر في كل مكان.

• التكلفة العالية: عمليات الفصل والتنقية المعقدة تتطلب تجهيزات ومعدات متطورة، مما يزيد التكلفة النهائية.

• فقدان الهيليوم: بسبب خفته العالية، يمكن أن يفقد بسهولة في الغلاف الجوي إذا لم يتم التعامل معه بحذر في التخزين والنقل.

الجدول التالي يوضح مقارنة بين بعض مصادر الهيليوم الرئيسية وخصائصها:

المستقبل والبدائل

مع ازدياد الطلب العالمي على الهيليوم، تسعى العديد من الدول والمؤسسات إلى تطوير تقنيات أكثر كفاءة للاستخراج والتنقية، بالإضافة إلى البحث عن مصادر جديدة. كذلك يتم تطوير طرق لإعادة تدوير الهيليوم المستعمل خصوصاً في الأجهزة الطبية والتقنية.

كما يتم دراسة بدائل محدودة في بعض التطبيقات، مثل استخدام غازات أخرى في التبريد أو الغلاف الجوي الصناعي، ولكن لا توجد مادة بديلة توفر جميع خصائص الهيليوم الفريدة.

المصادر والمراجع

1. U.S. Geological Survey (USGS) – Helium Mineral Commodity Summaries (2023)

2. National Institute of Standards and Technology (NIST) – Properties of Helium Gas

يمثل الهيليوم أحد الموارد الطبيعية الحيوية التي تجمع بين الندرة والفائدة العملية، مما يستدعي المحافظة على استدامته وتطوير طرق إنتاجه وتنقيته لضمان استمرار توفيره في الصناعات المختلفة التي تعتمد عليه بشكل أساسي.