المفهوم العلمي للهليوم:
هو عبارة عن أحد العناصر الكيميائية الأساسية، وفي حالته الطبيعية هو غاز عديم اللون معروف بكثافته المنخفضة وتفاعله الكيميائي المنخفض، وهو معروف بأنه بديل غير قابل للاشتعال للهيدروجين لتوفير الرفع في المناطيد والبالونات، ونظراً لأنه خامل كيميائياً يمكن استخدامه كدرع غازي بلحام القوس الآلي وجواء غير تفاعلي لتنمية بلورات السيليكون والجرمانيوم المستخدمة في صنع أجهزة أشباه الموصلات الإلكترونية، وغالباً ما يستخدم الهيليوم السائل لتوفير درجات حرارة منخفضة للغاية وهي مطلوبة في بعض التطبيقات الطبية والعلمية كأبحاث توصيل الفائق.
تاريخ اكتشاف الهيليوم وبداية استخدامه:
لم يتم اكتشاف الهيليوم حتى عام ١٨٦٨ من قبل الفلكي الفرنسي بيير يانسن وجوزيف لوكير حيث لاحظ كلاهما أثناء دراستهما الكسوف نطاق من الضوء الأصفر لا يمكن التعرف عليه بأي عنصر معروف وينسب الفضل لهما الاثنين لهذا الاكتشاف، وفي عام ١٨٩٥ اكتشف الكيميائي ويليام رامزي أن الكليفايت هو معدن يورانيوم يحوي الهيليوم ثم بعدها قام السويديون باكتشاف مماثل في نفس الوقت وكان ذلك في ١٩٠٥ وهي المرة الأولى التي تم التعرف فيها على الهيليوم في الأرض، وهكذا حتى أوائل القرن العشرين حين اعتمد تطوير المناطيد والموجهات الأخف من الهواء بشكل كامل تقريباً على الهيدروجين لتوفير الرفع على الرغم من أنه كان شديد الاشتعال، وبعدها تم اكتشاف أن الهيليوم غير القابل للاشتعال متفوق على الهيدروجين، وبعدها أصبح الهيليوم يستخدم في عدة مجالات كنفخ الإطارات للطائرات بعيدة المدى وذلك بفضل وزنه الخفيف والمنطاد وربما لغايات حربية أخرى.
المواد الأولية:
تحت الارض يتولد من التحلل الإشعاعي لعناصر ثقيلة كاليورانيوم والثوريوم وجزء من الإشعاع المنبعث مكون من جسيمات ألفا وهي نوى ذرات الهيليوم.
بعد هروب جزء منه للفضاء يصبح الباقي محاصراً تحت طبقات غير منفذة من الصخور ويختلط بالغازات الطبيعية التي تتكون هناك.
رذاذ أحادي إيثانول أمين.
ماء.
المعدات والأجهزة المستخدمة لإنتاج الهيليوم :
- جهاز التنظيف.
- منخل جزيئي.
- أسطح طبقة من الكربون المنشط.
- أعمدة التجزئة.
- المبادل الحراري ذو الزعانف الصفائحية.
- صمامات التمدد.
- عمود التجزئة عالي الضغط.
- المبرد الفرعي الخام.
- جهاز تسخين.
- محفز.
- وحدة امتزاز تأرجح الضغط.
- أسطوانات مصنوعة من الفولاذ.
خطوات عملية التصنيع:
سنذكر الآن تسلسل نموذجي لعمليات استخراج الهيليوم ومعالجته:
المعالجة:
_ يجب بداية إزالة جميع الشوائب التي قد تتصلب كبخار الماء وثاني أكسيد الكربون وبعض الهيدروكربونات الثقيلة من الغاز الطبيعي وذلك لمنعها من توصيل الأنابيب المبردة.
_ يتم ضغط الغاز الطبيعي وتدفقه في جهاز تنظيف بحيث يتعرض لرذاذ أحادي إيثانول أمين الذي يمتص ثاني أكسيد الكربون ويبعده.
_ يمر تيار الغاز عبر منخل جزيئي الذي يزيل جزيئات الغاز الأصغر ثم يتم شطف الماء من المنخل وإزالته.
_ يتم تجميع أي هيدروكربونات ثقيلة في تيار الغاز على أسطح طبقة من الكربون المنشط أثناء مرور الغاز عبره ويتم إعادة شحن الكربون المنشط بشكل دوري.
الفصل:
_ يفصل الآن الغاز الطبيعي لمكوناته الرئيسية عن طريق عملية التقطير التجزيئي وذلك عن طريق هياكل رأسية تدعى أعمدة التجزئة.
_ الآن يبدأ فصل النتروجين والميثان وذلك على مرحلتين ويترك ذلك خليطاً من الغازات يحوي نسبة عالية من الهيليوم وفي كل مرحلة يتم زيادة مستوى التركيز لكل مكون حتى اكتمال عملية الفصل.
_ يمر تيار الغاز هنا عبر جانب واحد من المبادل الحراري ذو الزعانف الصفائحية بينما يمر الميثان والنتروجين شديد البرودة من القسم المبرد من الجانب الآخر بحيث يتم تبريد الغاز الوارد بالمزامنة مع عملية تدفئة الميثان والنتروجين.
_ يمر تيار الغاز عبر صمام التمدد والذي يسمح للغاز بالتمدد بسرعة بينما ينخفض الضغط مما يسبب تبريد تيار الغاز للنقطة التي يبدأ عندها الميثان في التسييل.
_ يصبح تيار الغاز جزء سائل وجزء غاز ثم يدخل عبر قاعدة عمود التجزئة عالي الضغط، وعندما يشق الغاز طريقه عبر الحواجز الداخلية في العمود فيفقد حرارة إضافية، ويستمر الميثان بالتسييل ليتكون خليط في قاع العمود.
_ يتم سحب خليط الميثان السائل واسمه الميثان الخام ويتم تبريده في المبرد الفرعي الخام، ثم يمر عبر صمام التمدد الثاني ويعمل الميثان السائل في طريقه لأسفل العمود بحيث يتم فصل معظم النتروجين المتبقي تاركاً سائل لا يزيد عن أربعة بالمئة من النتروجين والميثان المتوازن.
_ يتم ضخ النتروجين الغازي من أعلى عمود الضغط المنخفض ويتم تنفيسه أو التقاطه لمزيد من المعالجة.
التنقية:
_ لابد من تنقية الهيليوم الخام بشكل أكبر لإزالة معظم المواد الأخرى، والآن يتم تبريد الهيليوم الخام حتى يتكثف معظم النتروجين والميثان ويتم تصريفهما.
_ يضاف الهواء لخليط الغازات لتوفير الأكسجين بحيث يتم
تسخين الغاز في جهاز التسخين المسبق ثم يمر فوق محفز مما يسبب تفاعل معظم الهيدروجين مع الأكسجين لتكوين بخار الماء.
_ يتم تبريد الغاز ويتكثف بخار الماء ويتم تصريفه.
_ يدخل خليط الغاز لوحدة امتزاز تأرجح الضغط، وعندها يتم احتجاز بعض الغازات داخل مسام الجسيمات ثم ينخفض الضغط وينعكس تدفق الغاز لتطهير الغازات المحاصرة.
_ تتكرر هذه الدورة حتى يتم إزالة معظم البخار المتبقي ليصبح الهيليوم نقي تماماً.
التوزيع:
_ يوزع الهيليوم إما على شكل غاز أو كسائل بدرجات حرارة منخفضة للغاية، ويتم توزيعه في أسطوانات مصنوعة من الفولاذ.
مواصفات المعمل العامة ومراقبة معايير الجودة:
☆ تحدد معايير تصنيف الهيليوم بناءاً على كمية ونوع الشوائب الموجودة وهي على درجات (( M . N. P. G)).
من المؤكد ضرورة وجود عدد كبير من الكيميائيين والأخصائيين بهذا المجال بالإضافة لكادر تعقيم مع العمال.
☆ نحتاج لرصد مساحة كافية لبناء المعمل لا تقل عن ٦٠٠ متر مربع تقريباً.
من الضروري وجود رأس مال كافي لتغطية كل التكاليف من مواد أولية ومعدات وتراخيص وغيره ولا يقل عن ٤٦ مليون دولار تقريباً.
تنويه: الأرقام السابقة أخذت من إحصائيات سابقة من الممكن أن تتغير بحسب الزمان والمكان أو غيره من العوامل الاخرى