小到升空气球,大到航空航天、核磁共振……不能离开一种气体——氦气,它是高科技产业高质量发展不可或缺的稀有战略性物资之一,而我国95%以上的氦气需要进口。近日,我国科研人员从含氦煤层气中,顺利提取出纯度99.999%以上的高纯氦气,为氦资源的可持续供应,提供了新的解决方案。

  一般人或许对氦气不是很了解,但逛街时,你可能会看到一些人在兜售很美的气球,里面充的多是氦气。

  我们知道,一些气体可以直接从空气中提取,但氦在空气中的含量非常低,只有约0.000524%,从空气中提取氦的成本,可能比等体积的黄金还要贵(这也是它被称为黄金气体的原因),并不具备工业提取价值。

  实际上,氦多数藏身于地壳深处,但一旦被开采出来,就会像氦气球一样飘散到天空,消失无踪。所以,目前人类使用的氦气,大部分来源于天然气,通常当天然气中的氦浓度达到0.05%或0.1%时,就被认为有工业利用价值,但这种极低含量提取到的氦气,远远不足工业中的使用量。

  南开大学化学学院教授汤平平介绍,氦的化学元素符号为He,是一种无色无味、低密度、不可燃的惰性气体,被大范围的应用于军工、石化、制冷、医疗、半导体、超导实验、深海潜水等领域,是高科技产业高质量发展不可或缺的稀有战略性物资之一。

  氦气是地球上沸点最低的气体,为零下268.9℃,在超导材料及制冷领域发挥着关键作用,能够使超导磁铁维持磁性,保证磁共振设备准确成像,诊断脑肿瘤、中风、脊髓损伤、肝脏疾病和癌症等。

  天文学家利用液氦来冷却探测仪器,可避免热噪声的干扰,更准确地接收来自遥远星系的讯息。

  氦气化学性质极不活泼,几乎不与任何物质反应,可用于原子反应堆和加速器、激光器、冶炼和焊接时的保护气体,在高端装备的气密性检查、航天发射和飞艇等领域也不可或缺。

  氦气很轻、无毒、不可燃烧,且难溶于水,可将氦气加到氧气中,用来医治气喘和窒息,并预防潜水员在上浮过程中极易发生的“减压症”；氦气也可以稀释易燃的麻醉剂,还可用于氩氦刀以治疗癌症。

  此外,氦气还具备优秀能力的导热性能,可实现半导体芯片零部件制作的完整过程中的快速导热,提高生产率并减少缺陷。

  生活中,我们最常与氦气接触的地方是在超市,收银处使用的条形码扫描器,正是用了氦氖激光器进行识别。除了条形码扫描器,氦氖激光器也被用在显微镜、光谱仪和光盘驱动器等设备中。

  尽管氦是宇宙中储量第二丰富的元素,但是氦气在地球上的含量极少。氦气非常轻,地球的引力抓不住它,地球形成之初的那些氦气,早就跑到宇宙中去了。

  地球上现在的氦气,都是由地壳中的放射性元素,经过自然的α衰变产生的,非常稀少且不可再生。有专家分析,全球氦气资源可能只够持续使用200年。氦气之所以稀缺,一种原因是由于其用途十分普遍,另一方面是无法通过人工制备获得。

  中国科学院院士张锁江介绍,氦资源在全球分布极不均衡。美国是氦气储藏量最丰富的国家,占世界总储量的40%以上；其次是卡塔尔、阿尔及利亚和俄罗斯。我国虽地大物博,但氦资源极其稀缺,据估计,我国氦气资源总量约11亿立方米,其中可直接采收的总量约为0.5亿立方米,不到全球储量的0.1%。

  据中国工业气体工业协会数据,我国是用氦大国,需求量居全球第二。从2012年到2022年,我国氦气年需求量从500万立方米增长到约2200万立方米,但95%依赖进口,国产仅5%。

  目前我国氦资源最大的最终用户,是高端装备制造中的半导体和光纤领域,约占氦气需求总量的45%；医用核磁共振和大科学工程(低温超导)约占需求总量的20%；航空航天领域,主要是航天发射试验场需求,约占需求总量的5%。

  全球的氦气资源,绝大多数来自天然气中的氦气提取。据美国地质勘探局数据,2013至2022年,全球氦气产量及需求量呈现出波动变化趋势,2022年全球氦气产量约为160百万立方米,需求量约为155百万立方米。

  中研普华产业院《2023-2028年中国氦气行业发展前途及投资风险预测分析报告》显示,2022年国内氦气行业市场规模快速地增长至38.95亿元,同比增速为77.13%。随着工艺技术的提高,我国氦气自产量正逐年增加,但仍远远小于市场需求量,处于供小于求的局面,严重依赖进口。

  据统计,2022年我国氦气行业产量仅195万立方米,同比增长50%；进口量达到2209.1万立方米,同比增长7.03%；需求量约为2414.1万立方米,同比增长10.03%。

  一方面是日益减少的氦气库存,另一方面是逐渐扩大的氦气用量,供不应求的情况下,氦气涨价是不可避免的事。

  据东吴证券研报数据,2022年3月以来,氦气价格快速上行。2022年6月,俄罗斯颁布限制惰性气体出口令,全球对于氦气供应表现出史无前例的担忧,中国氦气价格持续上涨至420—460元/立方米,涨幅超300%。

  可即使如此,地球上的氦气库存也用不了多久了。为此,科研人员纷纷开动脑筋想办法。

  最直接的办法是节流。2014年,我国科学家研发出首台工业氦气循环使用系统,能回收使用过的含杂质氦气并提纯,然后再次利用。目前这套系统的提纯能力,可将纯度仅为10%的氦气提纯至99.5%以上。

  既然超导磁体是氦气使用的大头,那么有没有很好的方法减少这一领域的使用量呢?目前,国内外多家企业均已启动对超导磁共振的技术攻关。

  现在医院里常用的核磁共振仪,基本都安装着密闭性良好、减少蒸发量的液氦装置,大幅度减少了液氦的需求量。全世界内,包括飞利浦、西门子、鑫高益、万东医疗等在内的企业,都在探索无液氦超导磁共振技术的突破。

  2022年,万东医疗无液氦核磁共振、鑫高益无液氦超导磁共振成像系统上市,使我国在无液氦核磁共振领域实现全球领跑。

  浙江宁波诺丁汉大学和浙江大学医学院等多个科研单位,联合开发的使用无液氦超导磁体的核磁共振成像仪也已投入到正常的使用中。这台成像仪的超导磁体,用成本低、安全性高的铜带,代替了原来的制冷剂液氦,通过直接传导冷却技术来制冷。

  当然,开源才是保证氦气源源不断的根本方法。地球大气中的氦尽管很少,但在氦气供不应求时,人们还是会利用气体沸点不同的原理,将氦气从大气中分离出来。

  我国已探明氦资源储地,最重要的包含鄂尔多斯盆地、塔里木盆地、渭河盆地以及长庆气田等。这些储地中,天然气的含氦浓度普遍很低(0.1%～0.3%),工业开采利用面临诸多挑战。中国科学院院士张锁江表示,如果能研发出贫氦天然气的高效低成本提取技术,使上述氦气资源得到开发利用,可满足我国40%以上的需求。

  也就是说,对于像中国这样需要大量氦气的国家来说,在保护有限氦气资源的同时,研发先进的天然气提氦技术,对于保障国家用氦安全具备极其重大意义。

  2020年7月,北京中科富海低温科技有限公司宣布,在提氦领域用“闪蒸汽提氦”的方法,成功提取氦气,重要的是,这是在天然气废料中对氦气进行提取,意味着我国提氦事业取得了里程碑式的突破。

  2023年底,我国科研人员还成功从煤气层中,提取到99.999%的高纯氦气,为氦资源的可持续供应,提供了新的解决方案。

  中国煤科院煤化工分院炭材料研究所副所长郭昊乾介绍,此次开发的煤层气提取高纯氦气装置,应用于海石湾煤矿。该煤矿的煤层气,属于我国极为稀少的含氦煤层气资源。

  煤层气作为一种非常规天然气,相较于天然气,成分更复杂,提取氦气难度更大。

  为解决含氦煤层气制备高纯氦气难题,自2021年开始,我国科研人员进行了一系列攻关,创新开发了“变压吸附+膜分离+精制纯化”的煤层气提氦工艺。

  “这种煤层气提氦工艺,不同于天然气液化提氦,攻克了多项关键技术,提取的氦气纯度最高可达99.9999%以上。”郭昊乾说,不仅如此,提取氦气后的煤层气,可继续用作发电原料气,使煤层气和氦气资源同时高效利用。

  郭昊乾介绍,下一步,提氦成套工艺技术,将推广至常规天然气提氦领域,以增加我国氦气资源供给途径,为我国低温超导、半导体制造、高温气冷堆和大科学装置等领域发展提供资源保障。

  地球上的氦本就不多，美国研究人员还惊讶地发现：地球内部竟然在不停地向外泄露氦-3。据计算，地球每年大约会泄露2000克的氦-3，可谓“屋漏偏逢连阴雨”。

  不过，科学家在月球表面和月壳中，发现了较高浓度的氦元素，特别是在月球的极地区域，氦含量更加显著。这些氦元素主要来自于太阳风中的带电粒子，它们不断地轰击月球表面，使得月球上的岩石和尘埃颗粒逐渐富集氦元素。

  据科学家估计，月球表面每立方厘米平均含有20至200个氦原子，比地球大气中的含量高出3到5倍。因此，月球被认为是未来获取氦资源的一个重要潜在来源之一。

  科学家计算发现，将月壤加热到80℃，大约2亿吨的月壤中，能提取出1吨氦元素，而等量的地球土壤仅能生产10千克氦。嫦娥五号带回来的月壤里还有氦3，这是最理想的可控核聚变材料，科学家预估月球上氦-3的储量，在100万吨以上。也许未来月球能成为地球的能源基地，让我们摆脱氦气不足的危机。