هلیوم مایع

عنصرهلیوم چیست؟ 

عنصر هلیوم (Helium) با نماد شیمیایی He، عدد اتمی ۲ و وزن ۴/۰۰۲۶۰۲، در دسته ی گازهای نجیب یا بی اثر قرار دارد که واکنش پذیری پایینی دارد و در مقایسه با گازهای تک اتمی دیگر از خاصیت حل شدن کمی برخوردار است. دمای ذوب و جوش این عنصر نسبت به عناصر دیگر بسیار پایین و نزدیک به صفر مطلق است و به این علت بیشتر به شکل گاز وجود دارد اما تحت شرایط ویژه ای مایع سازی می شود که در این صورت نیز تنها مایعی است که با کاهش دما جامد نمی شود. در واقع، این ماده در فشار استاندارد تا دمای صفر مطلق به حالت مایع باقی مانده و تنها با افزایش فشار به جامد تبدیل می شود. از دیگر ویژگی های مهم این عنصر می توان به رسانش گرمایی و ظرفیت گرمایی بالا، بدون رنگ، بدون بو، بدون مزه، کاملا غیر سمی، تاثیرگذاری کم در طبیعت، سبک بودن، خاصیت خنک کنندگی و الکترونگاتیویته بسیار پایین اشاره کرد. 

 

نام عنصر: هلیوم	نماد شیمیایی : He
عدد اتمی : 2	جرم اتمی استاندارد : 4.003gr/mol
چگالی در فشار یک اتمسفر : 0.1786gr/L	چگالی مایع در نقطه جوش : 0.145gr/cm3
نقطه ذوب : -272.20ċ	نقطه چوش : -268.93ċ
گرمای تبخیر : 0.0829kj/mol	نقطه بحرانی : 0.227mpa , 5.19k
گرمای همجوشی : 0.0138kj/mol	ظرفیت گرمایی : 20.786j/mol . k

 

کاربردهای گاز هلیوم :

 

-به عنوان خنک کننده آهن رباهای ابر رساناها (دستگاه MRI و دستگاه NMR) و راکتورهای هسته ای

-تحقیقات فیزیک ذرات

-به عنوان گاز تخلیه کننده جهت وارد کردن فشار

-به عنوان بالابرنده ی بالن ها و کشتی های هوایی (برای تبلیغات، تحقیقات جوی، شناسایی‌های نظامی و...)

-به عنوان لایه محافظ یا پوشش در جوشکاری با قوس الکتریکی

-به عنوان نشت یاب در ابزارهای فوق العاده حساس

-به عنوان مکمل برای سوخت موشک های فضاپیما

-به صورت مخلوط با گاز اکسیژن، گاز نیتروژن و گاهی هم هیدروژن به عنوان کمک کننده برای اکسیژن رسانی بهتر به غواصان در عمق های بالا بویژه در جوشکاری های زیر آب

-بصورت ترکیب با برخی از گازها برای برش های لیزری

-به عنوان یک گاز حامل در دستگاه کروکاتوگرافی گازی

-به عنوان گاز محافظ در کشت بلورهای سیلیسیم و ژرمانیوم

-تمیز کردن مخازن سوخت

-پر کردن فضای خالی مخزن سوخت

-در دستگاه های مربوط به روشنایی مانند چراغ خودروها یا تابلوهای تبلیغاتی که این استفاده به دلیل خاصیت نشر و جذب امواج الکترومغنایس است

-تنفس گاز هلیوم به دلیل ویژگی کم بودن چگالی و حل شدن سخت در بافت های عصبی، تعداد تنفس در شخص را کاهش می دهد که این پدیده در بعضی از بیماران تنفسی مفید بوده و اثر درمانی دارد

-محافظت های عضوی در پزشکی

-مخلوط این گاز با نئون منجر به ایجاد لیزر با توان کم و پرتوی قرمز رنگ می شود که در دستگاه هایی مثل بارکدخوان و اشاره گر لیزری کاربرد دارد

-ترکیب گاز هلیوم با گاز هیدروژن به عنوان گاز سوختنی در تست های مربوط به آلایندگی خودروها

-ترکیب گاز هلیوم با گازهای سنگین تر مانند زنون که ظرفیت گرمایی بالایی دارد در سردکننده های گرمایی صوتی (ترمواکوستیک)

-گاز هلیوم یک اتمسفر حفاظتی در تولید مواد واکنش پذیر مثل تیتانیوم و زیرکونیم فراهم می سازد

 

هلیوم مایع چیست؟

هلیوم مایع به عنوان مبرد و خنک کننده استفاده می شود. همانطور که اشاره شد عنصر هلیوم در دما و فشار استاندارد به حالت گاز وجو دارد اما در صورتی که دما تا حدود ۴ درجه کلوین (۲۷۰- درجه سلسیوس یا  ۴۵۲/۲- درجه فارنهایت) در فشار استاندارد سرد شود این عنصر به حالت مایع در می آید. نقاط جوش و میعان هلیوم بستگی به نوع ایزوتوپ آن دارد و رایج ترین نوع ایزوتوپ هلیوم، هلیوم ۴ است و ایزوتوپ هلیوم ۳ کمیاب است. ایزوتوپ های ۳ و ۴ تنها ایزوتوپ های پایدار هلیوم به شمار می روند.دمای لازم برای تولید هلیوم مایع بسیار پایین است زیرا اتم های هلیوم جاذبه ی بسیار کمی نسبت به هم دارند و نیروهای بین مولکولی در هلیوم بسیار ضعیف اند زیرا هلیوم یک گاز نجیب است. هلیوم در جو زمین به میزان بسیار کم براثر فرسایش مواد معدنی خاص یافت می شود، در بعضی از آب های معدنی هم وجود دارد. هلیوم در گازهای طبیعی خاصی بصورت مقادیر قابل تهیه تجاری وجود دارد. امروزه بیشتر هلیوم تجاری از گاز طبیعی در طول یک فرایند برودتی جداسازی می شود. در حالت عادی کمتر از ۱٪ حجم گاز طبیعی را هلیوم تشکیل داده است. گاز هلیوم جداسازی و تصفیه می شود و تبدیل به مایع می شود. هلیوم مایع از محل تولید برای ذخیره و بعد مصرف منتقل می شود. تانکرهای انتقال در رنج اندازه های ۵۰۰۰ تا ۱۱۰۰۰ گالن دارای یک فضای عایق شده با خلا یا گاز محافظ نیتروژن و عایق چند لایه  هستند. این طراحی انتقال حرارت و تبخیر هلیوم را در طول مسیر انتقال کاهش می دهد. هلیوم مایع نیز مانند هلیوم گاز بی رنگ، بی بو و خنثی است. هلیوم مایع آتش زا و خورنده نمی باشد بنابراین برای حمل و نقل و جابه جایی محدودیت ویژه ای برای آن در نظر گرفته نمی شود. تنها نکته برای ظروف نگهدارنده هلیوم مایع این است که باید نسبت به دمای بسیار پایین هلیوم مایع مقاوم باشند و اتصالات محفظه باید فشار بالای ان را تحمل کنند. هلیوم را در مخازنی با اندازه های مختلف با توجه به نیاز مصرف کننده عرضه می کنند.کپسول هلیوم مایع دارای دو جداره است. هوای بین دو جداره را تخلیه کرده و از چند لایه عایق استفاده می کنند. برای استفاده از کپسول های هلیوم لازم است رگولاتور مخصوص برای کاهش فشار در نظر گرفته شود.مخزن کرایوجنیک یا کرایوژنیک که با نام تجاری Dewar، وسیله ای است که برای ذخیره سازی موادی که نقطه جوش آن ها بسیار پایین تر از دمای اتاق است (مانند هلیم) استفاده می شود. این مخازن می توانند مواد را در دما و فشار مناسب برای حمل و نقل ذخیره کنند. از این مخازن برای نگهداری گازها در حداکثر فشار کاری ۱۸، ۲۲ و ۳۶ بار و دمای طراحی ۵۰ تا ۲۷۰- درجه سانتی گراد استفاده می شوند. مخازن کرایوژنیک از دو یا چند لایه ساخته شده که بین این لایه ها خلاء است. این امر باعث ایجاد عایق حرارتی بسیار خوبی بین داخل و خارج مخزن کرایوژنیک می شود که سرعت تبخیر مایع درون مخزن را کاهش می دهد.

-مخازن کرایوجنیک از جنس فولاد ضد زنگ و آلومینیوم به صورت عمودی و افقی ساخته می شوند.

-مخازن کرایوژنیک باید به صورت ایستاده و مهار شده و در محیطی با تهویه مناسب انبار و استفاده شوند.

 

بیشترین مصرف هلیوم مایع در چه زمینه ای است؟

مگنت های غول پیکر دستگاه های MRI در سراسر دنیا برای خنک شدن به هلیوم مایع نیاز حیاتی دارند و این دستگاه خود نیز ابزاری حیاتی در تشخیص های پزشکی است و می توان گفت هلیوم مایع به طور غیر مستقیم در نجات جان انسان ها نقش دارد.میزان مصرف هلیوم مایع برای یک دستگاه MRI را به طور دقیق نمی توان مشخص کرد زیرا با توجه به تعداد عکس برداری ها میزان مصرف و نیاز به خنک سازی بیشتر خواهد شد اما به طور کلی می توان گفت یک دستگاه  تا ۶ هزار لیتر هلیوم مایع مصرف می کند. هلیوم مایع تاکنون موثرترین و بی خطرترین مبرد برای دستگاه های MRI بوده است.

 

فروش گاز هلیوم به چه صورت است؟

-هلیوم در حالت گاز معمولا در کپسول های ۵۰ لیتری و فشار ۱۵۰ تا ۲۰۰ بار به فروش می رسد.گاز هلیوم گاز وارداتی است و با  خلوص ۹۹/۹۹۹٪ (گرید ۵)، ۹۹/۹۹۹۹٪ (گرید ۶) و ۹۹/۹۹۹۵٪ (گرید ۵/۵) به فروش می رسد.گاز هلیوم بدلیل بی اثر بودن دارای شیر راست گرد می باشد. شیر سیلندرهای گاز هلیوم معمولا BS3 و یا DIN6 است.

-هلیوم در حالت مایع معمولا در مخازنی که به دوئر یا دوار معروف است، عرضه می گردد که این مخازن بیشتر در حجم های ۲۰۰ ، ۲۵۰ و ۴۰۰ لیتری موجود است.

 

اطلاعات ایمنی هنگام کار با هلیوم

-دمای هلیوم مایع بسیار پایین است و ممکن است فرد دچار سوختگی در اثر سرما شود.

-استنشاق هلیوم در مقدار زیاد می تواند منجر به پارگی ناگهانی شش ها و فشارزدگی گوش میانی به دلیل شدت جریان بالا، شود.سرگیجه، خواب آلودگی، یخ زدگی، خستگی، تهوع، استفراغ، از دست دادن هوشیاری و مرگ دیگر اثرات آن می باشد. این مرگ ممکن است از اشتباه در تصمیم گیری، سردرگمی و یا از دست دادن آگاهی حاصل شود.

-نشت بسیار زیاد هلیوم  باعث کم شدن غلظت اکسیژن شده و در عرض چند ثانیه و بدون هشدار قبلی باعث مرگ می شود.