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如何制取氦氣

文章出處：責(zé)任編輯：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2025-01-07 09:27:06【大中小】

如何制取氦氣

高純氦氣

氦氣制取主要有以下幾種方法：
1. 天然氣分離法
原理：天然氣中含有一定量的氦氣。這種方法主要是基于不同氣體在低溫液化過(guò)程中的沸點(diǎn)差異來(lái)實(shí)現(xiàn)分離。氦氣的沸點(diǎn)非常低（約 - 268.93℃），是所有氣體中沸點(diǎn)最低的之一。在對(duì)天然氣進(jìn)行逐步降溫液化的過(guò)程中，其他沸點(diǎn)較高的氣體（如甲烷、乙烷等）會(huì)先液化，而氦氣則依然保持氣態(tài)，從而可以將其分離出來(lái)。
步驟：
預(yù)處理：首先對(duì)天然氣進(jìn)行預(yù)處理，包括除去其中的雜質(zhì)，如硫化氫、二氧化碳和水分等。這些雜質(zhì)的去除通常采用化學(xué)吸收、吸附或過(guò)濾等方法。例如，使用胺類溶劑來(lái)吸收硫化氫，利用干燥劑（如分子篩）去除水分。
液化分離：經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的天然氣被冷卻到低溫，在這個(gè)過(guò)程中，天然氣中的大部分成分會(huì)逐漸液化。冷卻過(guò)程一般是通過(guò)多級(jí)冷卻系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用制冷循環(huán)逐步降低溫度。當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，除氦氣以外的大部分氣體都已液化，此時(shí)可以收集未液化的氦氣。
提純精制：分離出來(lái)的氦氣還需要進(jìn)行進(jìn)一步的提純，以去除其中殘留的少量其他氣體成分。這可以通過(guò)吸附、低溫精餾等方法來(lái)完成。例如，利用活性炭吸附柱吸附氦氣中殘留的少量雜質(zhì)氣體，提高氦氣的純度。
2. 空分法
原理：空氣中含有約 0.00052% 的氦氣?？辗址ㄊ抢每諝庵懈鹘M分沸點(diǎn)不同，在低溫下將空氣液化后，通過(guò)精餾等方法分離出氦氣。不過(guò)，由于空氣中氦氣含量極低，這種方法制取氦氣的成本相對(duì)較高。
步驟：
空氣壓縮和凈化：首先將空氣進(jìn)行壓縮，使其壓力升高到一定程度，以便后續(xù)的液化過(guò)程。同時(shí)，對(duì)空氣進(jìn)行凈化，去除其中的雜質(zhì)，如灰塵、水分和二氧化碳等。二氧化碳可以通過(guò)堿液吸收等方式去除，水分則可以使用冷凍干燥或吸附干燥的方法除去。
空氣液化：經(jīng)過(guò)壓縮和凈化后的空氣通過(guò)換熱器與低溫制冷劑進(jìn)行熱交換，被冷卻到接近其液化溫度。然后，利用膨脹機(jī)等設(shè)備使空氣進(jìn)一步降溫并液化。液化后的空氣進(jìn)入精餾塔。
精餾分離：在精餾塔中，根據(jù)不同氣體的沸點(diǎn)差異，通過(guò)多次部分汽化和部分冷凝的過(guò)程，將各種氣體逐步分離。氦氣由于沸點(diǎn)最低，會(huì)在精餾塔的頂部富集。但是由于空氣中氦氣含量很低，要得到高純度的氦氣還需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的多級(jí)精餾和提純過(guò)程。
3. 放射性礦物衰變法
原理：某些放射性礦物（如鈾礦和釷礦）在衰變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氦氣。這是因?yàn)榉派湫栽厮プ儠r(shí)會(huì)釋放出 α 粒子，α 粒子實(shí)際上就是氦 - 4 原子核。當(dāng)這些 α 粒子獲得電子后就形成了氦原子。不過(guò)，這種方法制取的氦氣產(chǎn)量較低，而且還會(huì)受到放射性物質(zhì)管理等諸多限制。
步驟：
礦物開(kāi)采和處理：首先要開(kāi)采含有放射性元素的礦石，然后對(duì)礦石進(jìn)行破碎、研磨等處理，以增大礦石的表面積，方便后續(xù)的氦氣提取過(guò)程。在處理過(guò)程中，需要采取嚴(yán)格的輻射防護(hù)措施，防止放射性物質(zhì)對(duì)人體和環(huán)境造成危害。
氦氣收集和提純：經(jīng)過(guò)處理的礦石被放置在密封的容器中，讓氦氣自然產(chǎn)生并積累。由于產(chǎn)生的氦氣中可能夾雜著其他放射性衰變產(chǎn)物和礦石中的雜質(zhì)氣體，需要通過(guò)吸附、過(guò)濾等方法對(duì)氦氣進(jìn)行提純。但是，由于這種方法得到的氦氣純度較低，而且產(chǎn)量有限，一般只在一些特殊的研究或小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景中使用。

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