हीलियम (He) का धातु विज्ञान और औद्योगिक निष्कर्षण

प्राकृतिक उपलब्धता और प्रमुख स्रोत

हीलियम (He) एक उत्कृष्ट गैस है और यह धातुओं की तरह रासायनिक यौगिक या “अयस्क” पारंपरिक अर्थों में नहीं बनाता है। इसका प्राथमिक प्राकृतिक स्रोत प्राकृतिक गैस भंडार है, जहाँ यह हाइड्रोकार्बन के साथ फँसा हुआ पाया जाता है।

• उत्पत्ति: हीलियम पृथ्वी की पपड़ी के भीतर भारी रेडियोधर्मी तत्वों, मुख्य रूप से यूरेनियम और थोरियम समस्थानिकों के अल्फा क्षय के माध्यम से लगातार उत्पन्न होता है। ये अल्फा कण (हीलियम नाभिक) इलेक्ट्रॉन ग्रहण करके तटस्थ हीलियम परमाणु बनाते हैं, जो फिर भूवैज्ञानिक जाल में चले जाते हैं और जमा हो जाते हैं, अक्सर प्राकृतिक गैस से जुड़े होते हैं।
• सांद्रता: प्राकृतिक गैस में हीलियम की सांद्रता काफी भिन्न होती है। आर्थिक रूप से व्यवहार्य जमाओं में आमतौर पर 0.3% से लेकर 7% से अधिक हीलियम आयतन के हिसाब से होता है। प्रमुख वैश्विक भंडार संयुक्त राज्य अमेरिका, कतर, अल्जीरिया और रूस में पाए जाते हैं।
• वायुमंडलीय उपस्थिति: हीलियम पृथ्वी के वायुमंडल में भी मौजूद है, लेकिन बहुत कम सांद्रता में (लगभग 5.2 पार्ट्स पर मिलियन आयतन के हिसाब से), जिससे वायुमंडल से इसका निष्कर्षण आर्थिक रूप से अव्यवहारिक हो जाता है।

प्राकृतिक गैस से हीलियम का सांद्रण

हीलियम के लिए “सांद्रण” की प्रक्रिया में इसे प्राकृतिक गैस के प्रमुख घटकों, मुख्य रूप से मीथेन और अन्य भारी हाइड्रोकार्बन से अलग करना शामिल है। यह मुख्य रूप से क्रायोजेनिक प्रभाजी आसवन के माध्यम से प्राप्त किया जाता है।

क्रायोजेनिक प्रभाजी आसवन प्रक्रिया

1. पूर्व-उपचार: कच्ची प्राकृतिक गैस को पहले जल वाष्प (बर्फ के निर्माण को रोकने के लिए), कार्बन डाइऑक्साइड (जो क्रायोजेनिक तापमान पर जम जाएगा), और सल्फर यौगिकों जैसी अशुद्धियों को दूर करने के लिए उपचारित किया जाता है। यह आमतौर पर आणविक छलनी या एमाइन स्क्रबर्स का उपयोग करके किया जाता है।
2. प्रारंभिक शीतलन और संघनन: पूर्व-उपचारित प्राकृतिक गैस को फिर धीरे-धीरे बहुत कम तापमान (आमतौर पर -100°C से -170°C) तक उच्च दबाव में ठंडा किया जाता है।
   • भारी हाइड्रोकार्बन (जैसे प्रोपेन, ब्यूटेन) उच्च तापमान पर संघनित होते हैं।
   • मीथेन (मुख्य घटक, क्वथनांक -161.5°C) कम तापमान पर संघनित होता है।
   • इन संघनित तरल पदार्थों को निकाल दिया जाता है, जिससे हीलियम और नाइट्रोजन से अत्यधिक समृद्ध गैस धारा बच जाती है, जिसमें कुछ अवशिष्ट मीथेन और ट्रेस अशुद्धियाँ होती हैं। इस धारा को अक्सर “कच्चा हीलियम” कहा जाता है।
3. कच्चे हीलियम का उत्पादन: परिणामी कच्ची हीलियम धारा में आमतौर पर 50-70% हीलियम, 20-40% नाइट्रोजन, और थोड़ी मात्रा में मीथेन, नियॉन और हाइड्रोजन होता है।

(आरेखीय विवरण): हीट एक्सचेंजर्स और विस्तार वाल्वों की एक श्रृंखला की कल्पना करें जो प्राकृतिक गैस को ठंडा करती है। जैसे-जैसे यह ठंडा होता है, विभिन्न घटक क्रमिक रूप से अलग-अलग चरणों में संघनित होते हैं, जिससे उन्हें तरल पदार्थ के रूप में हटाया जा सकता है। शेष गैसीय मिश्रण, जो हीलियम और नाइट्रोजन से भरपूर होता है, अगले चरण में आगे बढ़ता है।

आगे का पृथक्करण और “कच्ची धातु में कमी” सादृश्य

चूंकि हीलियम एक मौलिक गैस है, इसलिए “कच्ची धातु में कमी” जैसा कोई चरण नहीं होता है। इसके बजाय, यह चरण हीलियम को नाइट्रोजन से अलग करने पर केंद्रित है, जो कच्चे हीलियम धारा में प्रमुख अशुद्धि है। यह भी मुख्य रूप से क्रायोजेनिक आसवन या प्रेशर स्विंग अधिशोषण (PSA) के माध्यम से प्राप्त किया जाता है।

क्रायोजेनिक आसवन (नाइट्रोजन अस्वीकृति इकाई)

1. गहरा क्रायोजेनिक शीतलन: कच्चे हीलियम मिश्रण को और भी कम तापमान (–190°C से नीचे) और उच्च दबाव पर ठंडा किया जाता है।
2. नाइट्रोजन संघनन: इन तापमानों पर, नाइट्रोजन (क्वथनांक –196°C) एक तरल में संघनित होता है, जबकि हीलियम (क्वथनांक –269°C) गैस बना रहता है।
3. पृथक्करण: तरल नाइट्रोजन को निकाल लिया जाता है, जिससे हीलियम की एक गैसीय धारा बच जाती है जो आमतौर पर 95-98% शुद्ध होती है। इस धारा को अक्सर “ग्रेड ए” हीलियम कहा जाता है।

(आरेखीय विवरण): एक ऊँचे आसवन कॉलम की कल्पना करें जहाँ कच्चा हीलियम मिश्रण प्रवेश करता है। जैसे-जैसे यह ठंडा होता है, तरल नाइट्रोजन कॉलम के निचले भाग में जमा हो जाता है, जबकि गैसीय हीलियम शीर्ष पर पहुँच जाता है, जहाँ इसे एकत्र किया जाता है।

प्रेशर स्विंग अधिशोषण (PSA)

• तंत्र: PSA एक गैर-क्रायोजेनिक विकल्प या पूरक विधि है। यह झरझरा अधिशोषक सामग्री (जैसे आणविक छलनी) का उपयोग करता है जो उच्च दबाव पर नाइट्रोजन और अन्य अशुद्धियों को चुनिंदा रूप से अधिशोषित करती है।
• प्रक्रिया: कच्चा हीलियम अधिशोषक के बिस्तरों से होकर गुजरता है। नाइट्रोजन अधिशोषित हो जाती है, जबकि हीलियम गुजरता है। जब बिस्तर संतृप्त हो जाते हैं, तो दबाव कम किया जाता है, नाइट्रोजन को अधिशोषित किया जाता है, और अगले चक्र के लिए अधिशोषक को पुनर्जीवित किया जाता है।
• अनुप्रयोग: PSA का उपयोग 99.995% शुद्ध हीलियम का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है, लेकिन इसे अक्सर कम शुद्धता की आवश्यकताओं के लिए या अंतिम क्रायोजेनिक शोधन से पहले एक पूर्व-शुद्धिकरण चरण के रूप में नियोजित किया जाता है।

शोधन और शुद्धिकरण

अति-उच्च शुद्धता हीलियम (99.999% या अधिक) प्राप्त करने के लिए, जिसकी कई उन्नत अनुप्रयोगों के लिए आवश्यकता होती है, आगे शोधन चरणों की आवश्यकता होती है।

अधिशोषक शुद्धिकरण

1. कम तापमान अधिशोषण: 95-98% शुद्ध हीलियम को सक्रिय चारकोल या आणविक छलनी के बिस्तरों से गुजारा जाता है जिन्हें बहुत कम तापमान (जैसे तरल नाइट्रोजन या तरल हाइड्रोजन तापमान) तक ठंडा किया जाता है।
2. अशुद्धि हटाना: इन क्रायोजेनिक तापमानों पर, नियॉन (क्वथनांक -246°C), हाइड्रोजन (क्वथनांक -252.9°C), और नाइट्रोजन या मीथेन के किसी भी शेष निशान जैसी अवशिष्ट अशुद्धियाँ चारकोल/छलनी की सतहों पर अधिशोषित हो जाती हैं। हीलियम, अपने अत्यधिक कम क्वथनांक के साथ, बिना अधिशोषित हुए गुजर जाता है।
3. परिणाम: यह प्रक्रिया 99.999% (5N ग्रेड) और यहां तक कि 99.9999% (6N ग्रेड) से अधिक शुद्धता वाला हीलियम प्राप्त कर सकती है।

(आरेखीय विवरण): अधिशोषक सामग्री से भरे बर्तनों की एक श्रृंखला की कल्पना करें, जो एक शीतलन जैकेट में बंद है जिससे तरल नाइट्रोजन प्रवाहित होता है। अशुद्ध हीलियम एक सिरे से प्रवेश करता है, और अति-शुद्ध हीलियम दूसरे सिरे से बाहर निकलता है।

मेम्ब्रेन पृथक्करण

• सिद्धांत: विशेष मेम्ब्रेन अपने छोटे परमाणु आकार और उच्च विसारकता के कारण हीलियम को अन्य गैसों की तुलना में तेज़ी से चुनिंदा रूप से पारगम्य कर सकते हैं।
• अनुप्रयोग: जबकि यह थोक शुद्धिकरण के लिए प्राथमिक विधि नहीं है, मेम्ब्रेन तकनीक का उपयोग पूर्व-सांद्रण या शुद्धता के सूक्ष्म-समायोजन के लिए किया जा सकता है, विशेष रूप से हाइड्रोजन या नाइट्रोजन को हटाने के लिए।

शुद्धता स्तरों का सारांश:

• कच्चा हीलियम: 50-70% He (प्रारंभिक प्राकृतिक गैस प्रसंस्करण से)।
• ग्रेड ए हीलियम: 95-98% He (नाइट्रोजन अस्वीकृति के बाद)।
• वाणिज्यिक हीलियम: आमतौर पर 99.995% He (आगे क्रायोजेनिक अधिशोषण के बाद)।
• अति-उच्च शुद्धता हीलियम: 99.999% और उससे अधिक (विशेष अनुप्रयोगों के लिए)।