હિલિયમ (He) નું ધાતુશાસ્ત્ર અને ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ

કુદરતી ઉપલબ્ધિ અને મુખ્ય સ્ત્રોતો

હિલિયમ (He) એક ઉમદા વાયુ છે અને પરંપરાગત અર્થમાં ધાતુઓની જેમ રાસાયણિક સંયોજનો કે “અયસ્ક” બનાવતો નથી. તેનો પ્રાથમિક કુદરતી સ્ત્રોત કુદરતી ગેસના ભંડારો છે, જ્યાં તે હાઇડ્રોકાર્બન સાથે ફસાયેલો જોવા મળે છે.

• ઉદ્ભવ: પૃથ્વીના પોપડામાં ભારે રેડિયોએક્ટિવ તત્વો, મુખ્યત્વે યુરેનિયમ અને થોરિયમના સમસ્થાનિકોના આલ્ફા ક્ષય દ્વારા હિલિયમ સતત ઉત્પન્ન થાય છે. આ આલ્ફા કણો (હિલિયમના ન્યુક્લિયસ) ઇલેક્ટ્રોન મેળવીને તટસ્થ હિલિયમ પરમાણુઓ બનાવે છે, જે પછી સ્થાનાંતરિત થાય છે અને ભૂસ્તરીય ફસાઈ ગયેલા વિસ્તારોમાં, ઘણીવાર કુદરતી ગેસ સાથે સંકળાયેલા, એકઠા થાય છે.
• સાંદ્રતા: કુદરતી ગેસમાં હિલિયમની સાંદ્રતા નોંધપાત્ર રીતે બદલાય છે. આર્થિક રીતે સક્ષમ ભંડારોમાં સામાન્ય રીતે કદના હિસાબે 0.3% થી 7% થી વધુ હિલિયમ હોય છે. મુખ્ય વૈશ્વિક ભંડારો યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ, કતાર, અલ્જેરિયા અને રશિયામાં જોવા મળે છે.
• વાતાવરણીય ઉપસ્થિતિ: પૃથ્વીના વાતાવરણમાં પણ હિલિયમ હાજર છે, પરંતુ અત્યંત ઓછી સાંદ્રતામાં (લગભગ 5.2 પાર્ટ્સ પર મિલિયન કદના હિસાબે), જેના કારણે વાતાવરણમાંથી તેનું નિષ્કર્ષણ આર્થિક રીતે અવ્યવહારુ છે.

કુદરતી ગેસમાંથી હિલિયમનું સાંદ્રતા

હિલિયમ માટે “સાંદ્રતા” ની પ્રક્રિયામાં તેને કુદરતી ગેસના મુખ્ય ઘટકો, પ્રાથમિક રીતે મિથેન, અને અન્ય ભારે હાઇડ્રોકાર્બનમાંથી અલગ કરવાનો સમાવેશ થાય છે. આ મુખ્યત્વે ક્રાયોજેનિક ફ્રેક્શનલ નિસ્યંદન દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે.

ક્રાયોજેનિક ફ્રેક્શનલ નિસ્યંદન પ્રક્રિયા

1. પૂર્વ-સારવાર: કાચા કુદરતી ગેસને સૌપ્રથમ પાણીની વરાળ (બરફ બનતો અટકાવવા માટે), કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (જે ક્રાયોજેનિક તાપમાને ઘન બની જશે), અને સલ્ફર સંયોજનો જેવી અશુદ્ધિઓને દૂર કરવા માટે સારવાર આપવામાં આવે છે. આ સામાન્ય રીતે મોલેક્યુલર સિવેસ અથવા એમાઇન સ્ક્રબર્સનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે.
2. પ્રારંભિક ઠંડક અને ઘનીકરણ: પૂર્વ-સારવાર કરાયેલ કુદરતી ગેસને પછી ઉચ્ચ દબાણ હેઠળ અત્યંત નીચા તાપમાને (સામાન્ય રીતે -100°C થી -170°C) ધીમે ધીમે ઠંડો કરવામાં આવે છે.
   • ભારે હાઇડ્રોકાર્બન (દા.ત., પ્રોપેન, બ્યુટેન) ઊંચા તાપમાને ઘનીકરણ પામે છે.
   • મિથેન (મુખ્ય ઘટક, ઉત્કલન બિંદુ -161.5°C) નીચા તાપમાને ઘનીકરણ પામે છે.
   • આ ઘનીકરણ પામેલા પ્રવાહીને કાઢી નાખવામાં આવે છે, જેનાથી હિલિયમ અને નાઇટ્રોજનથી સમૃદ્ધ ગેસનો પ્રવાહ રહે છે, જેમાં થોડું અવશેષ મિથેન અને ટ્રેસ અશુદ્ધિઓ હોય છે. આ પ્રવાહને ઘણીવાર “ક્રૂડ હિલિયમ” તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.
3. ક્રૂડ હિલિયમનું ઉત્પાદન: પરિણામી ક્રૂડ હિલિયમ પ્રવાહમાં સામાન્ય રીતે 50-70% હિલિયમ, 20-40% નાઇટ્રોજન, અને ઓછી માત્રામાં મિથેન, નિયોન અને હાઇડ્રોજન હોય છે.

(આકૃતિ વર્ણન): હીટ એક્સચેન્જર્સ અને વિસ્તરણ વાલ્વની શ્રેણીની કલ્પના કરો જે કુદરતી ગેસને ઠંડુ કરે છે. જેમ જેમ તે ઠંડુ થાય છે, તેમ તેમ અલગ અલગ ઘટકો અલગ અલગ તબક્કામાં ક્રમિક રીતે ઘનીકરણ પામે છે, જેનાથી તેમને પ્રવાહી તરીકે દૂર કરી શકાય છે. બાકી રહેલું વાયુ મિશ્રણ, હિલિયમ અને નાઇટ્રોજનથી સમૃદ્ધ, આગલા તબક્કામાં આગળ વધે છે.

વધુ અલગીકરણ અને “કાચી ધાતુમાં ઘટાડો” (Reduction to Crude Metal) સમકક્ષ

જેহেতু હિલિયમ એક તત્વીય વાયુ છે, તેથી “કાચી ધાતુમાં ઘટાડો” (reduction to crude metal) કરવાનો કોઈ તબક્કો નથી. તેના બદલે, આ તબક્કો હિલિયમને નાઇટ્રોજનથી અલગ કરવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે, જે ક્રૂડ હિલિયમ પ્રવાહમાં મુખ્ય અશુદ્ધિ છે. આ પણ મુખ્યત્વે ક્રાયોજેનિક નિસ્યંદન અથવા પ્રેશર સ્વિંગ એડસોર્પ્શન (PSA) દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે.

ક્રાયોજેનિક નિસ્યંદન (નાઇટ્રોજન રિજેક્શન યુનિટ)

1. ઊંડી ક્રાયોજેનિક ઠંડક: ક્રૂડ હિલિયમ મિશ્રણને વધુ નીચા તાપમાને ( -190°C થી નીચે) અને ઉચ્ચ દબાણે ઠંડુ કરવામાં આવે છે.
2. નાઇટ્રોજનનું ઘનીકરણ: આ તાપમાને, નાઇટ્રોજન (ઉત્કલન બિંદુ -196°C) પ્રવાહીમાં ઘનીકરણ પામે છે, જ્યારે હિલિયમ (ઉત્કલન બિંદુ -269°C) વાયુ તરીકે રહે છે.
3. અલગીકરણ: પ્રવાહી નાઇટ્રોજનને કાઢી નાખવામાં આવે છે, જેનાથી હિલિયમનો એક વાયુ પ્રવાહ રહે છે જે સામાન્ય રીતે 95-98% શુદ્ધ હોય છે. આ પ્રવાહને ઘણીવાર “ગ્રેડ A” હિલિયમ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

(આકૃતિ વર્ણન): એક ઊંચા નિસ્યંદન સ્તંભની કલ્પના કરો જ્યાં ક્રૂડ હિલિયમ મિશ્રણ પ્રવેશે છે. જેમ જેમ તે ઠંડુ થાય છે, પ્રવાહી નાઇટ્રોજન સ્તંભના તળિયે એકઠું થાય છે, જ્યારે વાયુમય હિલિયમ ટોચ પર વધે છે, જ્યાં તેને એકત્રિત કરવામાં આવે છે.

પ્રેશર સ્વિંગ એડસોર્પ્શન (PSA)

• કાર્યપ્રણાલી: PSA એક બિન-ક્રાયોજેનિક વૈકલ્પિક અથવા પૂરક પદ્ધતિ છે. તે છિદ્રાળુ અધિશોષક સામગ્રીઓ (જેમ કે મોલેક્યુલર સિવેસ) નો ઉપયોગ કરે છે જે ઉચ્ચ દબાણે નાઇટ્રોજન અને અન્ય અશુદ્ધિઓને પસંદગીપૂર્વક અધિશોષિત કરે છે.
• પ્રક્રિયા: ક્રૂડ હિલિયમને અધિશોષકના પથારીમાંથી પસાર કરવામાં આવે છે. નાઇટ્રોજન અધિશોષિત થાય છે, જ્યારે હિલિયમ પસાર થાય છે. જ્યારે પથારી સંતૃપ્ત થાય છે, ત્યારે દબાણ ઘટાડવામાં આવે છે, જેનાથી નાઇટ્રોજનનું વિશોષણ થાય છે, અને આગલા ચક્ર માટે અધિશોષક પુનર્જીવિત થાય છે.
• ઉપયોગ: PSA નો ઉપયોગ 99.995% શુદ્ધ હિલિયમ ઉત્પન્ન કરવા માટે થઈ શકે છે પરંતુ તેનો ઉપયોગ ઘણીવાર ઓછી શુદ્ધતાની જરૂરિયાતો માટે અથવા અંતિમ ક્રાયોજેનિક શુદ્ધિકરણ પહેલાં પૂર્વ-શુદ્ધિકરણ પગલા તરીકે થાય છે.

શુદ્ધિકરણ અને રિફાઇનિંગ

અત્યંત ઉચ્ચ શુદ્ધતા ધરાવતું હિલિયમ (99.999% કે તેથી વધુ) પ્રાપ્ત કરવા માટે, જે ઘણી અદ્યતન એપ્લિકેશનો માટે જરૂરી છે, વધુ શુદ્ધિકરણ પગલાં આવશ્યક છે.

અધિશોષક શુદ્ધિકરણ

1. નીચા-તાપમાનનું અધિશોષણ: 95-98% શુદ્ધ હિલિયમને અત્યંત નીચા તાપમાને (દા.ત., પ્રવાહી નાઇટ્રોજન અથવા પ્રવાહી હાઇડ્રોજન તાપમાને) ઠંડા કરાયેલા સક્રિય ચારકોલ અથવા મોલેક્યુલર સિવેસના પથારીમાંથી પસાર કરવામાં આવે છે.
2. અશુદ્ધિ દૂર કરવી: આ ક્રાયોજેનિક તાપમાને, નિયોન (ઉત્કલન બિંદુ -246°C), હાઇડ્રોજન (ઉત્કલન બિંદુ -252.9°C), અને નાઇટ્રોજન અથવા મિથેનના કોઈપણ બાકી રહેલા ટ્રેસ જેવી અવશેષ અશુદ્ધિઓ ચારકોલ/સિવેસની સપાટી પર અધિશોષિત થાય છે. હિલિયમ, તેના અત્યંત નીચા ઉત્કલન બિંદુને કારણે, અધિશોષિત થયા વિના પસાર થાય છે.
3. પરિણામ: આ પ્રક્રિયા 99.999% (5N ગ્રેડ) અને 99.9999% (6N ગ્રેડ) થી વધુ શુદ્ધતા ધરાવતું હિલિયમ આપી શકે છે.

(આકૃતિ વર્ણન): અધિશોષક સામગ્રીથી ભરેલા વાસણોની શ્રેણીની કલ્પના કરો, જે ઠંડક જેકેટમાં બંધ હોય અને તેમાંથી પ્રવાહી નાઇટ્રોજન વહેતું હોય. અશુદ્ધ હિલિયમ એક છેડેથી પ્રવેશે છે, અને અત્યંત શુદ્ધ હિલિયમ બીજા છેડેથી બહાર નીકળે છે.

પટલ અલગીકરણ (Membrane Separation)

• સિદ્ધાંત: તેના નાના પરમાણુ કદ અને ઉચ્ચ પ્રસરણક્ષમતાને કારણે વિશિષ્ટ પટલ (membranes) હિલિયમને અન્ય વાયુઓ કરતાં વધુ ઝડપથી પસંદગીપૂર્વક પસાર કરી શકે છે.
• ઉપયોગ: જોકે તે બલ્ક શુદ્ધિકરણ માટેની પ્રાથમિક પદ્ધતિ નથી, પટલ ટેકનોલોજીનો ઉપયોગ પૂર્વ-સાંદ્રતા અથવા શુદ્ધતાના ફાઇન-ટ્યુનિંગ માટે થઈ શકે છે, ખાસ કરીને હાઇડ્રોજન અથવા નાઇટ્રોજનને દૂર કરવા માટે.

શુદ્ધતા સ્તરોનો સારાંશ:

• ક્રૂડ હિલિયમ: 50-70% He (પ્રારંભિક કુદરતી ગેસ પ્રક્રિયામાંથી).
• ગ્રેડ A હિલિયમ: 95-98% He (નાઇટ્રોજન દૂર કર્યા પછી).
• વ્યાવસાયિક હિલિયમ: સામાન્ય રીતે 99.995% He (વધુ ક્રાયોજેનિક અધિશોષણ પછી).
• અત્યંત ઉચ્ચ શુદ્ધતા હિલિયમ: 99.999% અને તેથી વધુ (વિશિષ્ટ એપ્લિકેશનો માટે).