హీలియం (He) లోహ సంగ్రహణశాస్త్రం మరియు పారిశ్రామిక వెలికితీత

సహజ లభ్యత & ప్రధాన వనరులు

హీలియం (He) ఒక జడ వాయువు మరియు లోహాల వలె సాంప్రదాయ అర్థంలో రసాయన సమ్మేళనాలను లేదా “ధాతువులను” ఏర్పరచదు. దీని ప్రాథమిక సహజ వనరు సహజ వాయు నిల్వలు, ఇక్కడ ఇది హైడ్రోకార్బన్‌లతో పాటు చిక్కుకొని ఉంటుంది.

• పుట్టుక: హీలియం భూమి పొరలో భారీ రేడియోధార్మిక మూలకాలైన, ప్రధానంగా యురేనియం మరియు థోరియం ఐసోటోప్‌ల ఆల్ఫా క్షయం ద్వారా నిరంతరం ఉత్పత్తి అవుతుంది. ఈ ఆల్ఫా కణాలు (హీలియం కేంద్రకాలు) ఎలక్ట్రాన్‌లను సంగ్రహించి తటస్థ హీలియం పరమాణువులను ఏర్పరుస్తాయి, ఇవి తరువాత భౌగోళిక ఉచ్చులలో (geological traps) వలసపోయి పేరుకుపోతాయి, తరచుగా సహజ వాయువుతో సంబంధం కలిగి ఉంటాయి.
• సాంద్రీకరణ: సహజ వాయువులో హీలియం సాంద్రత గణనీయంగా మారుతూ ఉంటుంది. ఆర్థికంగా లాభదాయకమైన నిల్వలు సాధారణంగా 0.3% నుండి 7% కన్నా ఎక్కువ హీలియంను ఘనపరిమాణం ప్రకారం కలిగి ఉంటాయి. ప్రధాన ప్రపంచ నిల్వలు యునైటెడ్ స్టేట్స్, ఖతార్, అల్జీరియా మరియు రష్యాలో ఉన్నాయి.
• వాతావరణంలో లభ్యత: హీలియం భూమి వాతావరణంలో కూడా ఉంటుంది, కానీ చాలా తక్కువ సాంద్రతలలో (సుమారు 5.2 పార్ట్స్ పర్ మిలియన్ ఘనపరిమాణం ప్రకారం), వాతావరణం నుండి దాని వెలికితీతను ఆర్థికంగా లాభదాయకం కానిదిగా చేస్తుంది.

సహజ వాయువు నుండి హీలియంను సాంద్రీకరించడం

హీలియం కోసం “సాంద్రీకరణ” ప్రక్రియలో, దీనిని సహజ వాయువు యొక్క ప్రధాన భాగాలైన, ముఖ్యంగా మీథేన్ మరియు ఇతర భారీ హైడ్రోకార్బన్‌ల నుండి వేరు చేయడం జరుగుతుంది. ఇది ప్రధానంగా క్రయోజెనిక్ ఫ్రాక్షనల్ డిస్టిలేషన్ (cryogenic fractional distillation) ద్వారా సాధించబడుతుంది.

క్రయోజెనిక్ ఫ్రాక్షనల్ డిస్టిలేషన్ ప్రక్రియ

1. ముందు చికిత్స (Pre-treatment): ముడి సహజ వాయువును మొదట నీటి ఆవిరి (మంచు ఏర్పడకుండా నిరోధించడానికి), కార్బన్ డయాక్సైడ్ (క్రయోజెనిక్ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఘనీభవిస్తుంది) మరియు సల్ఫర్ సమ్మేళనాలు వంటి మలినాలను తొలగించడానికి శుద్ధి చేస్తారు. ఇది సాధారణంగా మాలిక్యులర్ సీవ్‌లు లేదా అమైన్ స్క్రబ్బర్‌లను ఉపయోగించి చేస్తారు.
2. ప్రారంభ శీతలీకరణ మరియు సాంద్రీకరణ: ముందు చికిత్స చేసిన సహజ వాయువును అధిక పీడనం కింద క్రమంగా చాలా తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలకు (సాధారణంగా -100°C నుండి -170°C వరకు) చల్లబరుస్తారు.
   • భారీ హైడ్రోకార్బన్‌లు (ఉదాహరణకు, ప్రొపేన్, బ్యూటేన్) అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఘనీభవిస్తాయి.
   • మీథేన్ (ప్రధాన భాగం, మరిగే స్థానం -161.5°C) తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఘనీభవిస్తుంది.
   • ఈ ఘనీభవించిన ద్రవాలను తీసివేసిన తర్వాత, హీలియం మరియు నైట్రోజన్‌తో అధికంగా సమృద్ధమైన వాయు ప్రవాహం మిగిలి ఉంటుంది, కొద్ది మొత్తంలో మీథేన్ మరియు ఆనవాళ్ళ మలినాలు ఉంటాయి. ఈ ప్రవాహాన్ని తరచుగా “ముడి హీలియం” అని పిలుస్తారు.
3. ముడి హీలియం ఉత్పత్తి: ఫలితంగా వచ్చే ముడి హీలియం ప్రవాహం సాధారణంగా 50-70% హీలియం, 20-40% నైట్రోజన్, మరియు తక్కువ మొత్తంలో మీథేన్, నియాన్ మరియు హైడ్రోజన్‌ను కలిగి ఉంటుంది.

(పట వివరణ): సహజ వాయువును చల్లబరచడానికి హీట్ ఎక్స్ఛేంజ్‌లు మరియు ఎక్స్‌పాన్షన్ వాల్వ్‌ల శ్రేణిని ఊహించుకోండి. అది చల్లబడుతున్నప్పుడు, వివిధ భాగాలు వేర్వేరు దశలలో వరుసగా ఘనీభవిస్తాయి, వాటిని ద్రవాలుగా తొలగించడానికి వీలు కల్పిస్తుంది. హీలియం మరియు నైట్రోజన్‌తో సమృద్ధమైన మిగిలిన వాయు మిశ్రమం తదుపరి దశకు వెళుతుంది.

తదుపరి విభజన మరియు “ముడి లోహానికి తగ్గింపు” అనలాగ్

హీలియం ఒక మూలక వాయువు కాబట్టి, “ముడి లోహానికి తగ్గింపు” దశ ఉండదు. బదులుగా, ఈ దశ ముడి హీలియం ప్రవాహంలో ప్రధాన మలినంగా ఉన్న నైట్రోజన్ నుండి హీలియంను వేరు చేయడంపై దృష్టి సారిస్తుంది. ఇది కూడా ప్రధానంగా క్రయోజెనిక్ డిస్టిలేషన్ (cryogenic distillation) లేదా ప్రెషర్ స్వింగ్ అడ్సార్ప్షన్ (PSA) ద్వారా సాధించబడుతుంది.

క్రయోజెనిక్ డిస్టిలేషన్ (నైట్రోజన్ రిజెక్షన్ యూనిట్)

1. లోతైన క్రయోజెనిక్ శీతలీకరణ: ముడి హీలియం మిశ్రమాన్ని ఇంకా తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలకు ( -190°C కంటే తక్కువ) మరియు అధిక పీడనాలకు చల్లబరుస్తారు.
2. నైట్రోజన్ సాంద్రీకరణ: ఈ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, నైట్రోజన్ (మరిగే స్థానం -196°C) ద్రవంగా ఘనీభవిస్తుంది, అయితే హీలియం (మరిగే స్థానం -269°C) వాయువుగా మిగిలిపోతుంది.
3. విభజన: ద్రవ నైట్రోజన్‌ను తొలగించిన తర్వాత, సాధారణంగా 95-98% స్వచ్ఛమైన హీలియం వాయు ప్రవాహం మిగిలి ఉంటుంది. ఈ ప్రవాహాన్ని తరచుగా “గ్రేడ్ A” హీలియం అని పిలుస్తారు.

(పట వివరణ): ముడి హీలియం మిశ్రమం ప్రవేశించే పొడవైన డిస్టిలేషన్ కాలమ్‌ను ఊహించుకోండి. అది చల్లబడుతున్నప్పుడు, ద్రవ నైట్రోజన్ కాలమ్ అడుగున పేరుకుపోతుంది, అయితే వాయు హీలియం పైకి లేచి, అక్కడ సేకరించబడుతుంది.

ప్రెషర్ స్వింగ్ అడ్సార్ప్షన్ (PSA)

• విధానం: PSA అనేది క్రయోజెనిక్ కాని ప్రత్యామ్నాయ లేదా అనుబంధ పద్ధతి. ఇది అధిక పీడనం వద్ద నైట్రోజన్ మరియు ఇతర మలినాలను ఎంపిక చేసుకునే రంధ్రాలు గల అధిశోషక పదార్థాలను (మాలిక్యులర్ సీవ్‌ల వంటివి) ఉపయోగిస్తుంది.
• ప్రక్రియ: ముడి హీలియంను అధిశోషక పడకల (beds) గుండా పంపిస్తారు. నైట్రోజన్ అధిశోషించబడుతుంది, అయితే హీలియం గుండా వెళుతుంది. పడకలు సంతృప్తమైనప్పుడు, పీడనం తగ్గించబడుతుంది, నైట్రోజన్‌ను అపశోషించి, తదుపరి చక్రం కోసం అధిశోషకాన్ని పునరుత్పత్తి చేస్తుంది.
• అనువర్తనం: PSAను 99.995% స్వచ్ఛమైన హీలియంను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపయోగించవచ్చు, అయితే ఇది తరచుగా తక్కువ స్వచ్ఛత అవసరాల కోసం లేదా తుది క్రయోజెనిక్ శుద్ధికి ముందు ముందస్తు శుద్దీకరణ దశగా ఉపయోగించబడుతుంది.

శుద్ధి మరియు శుద్దీకరణ

అనేక అధునాతన అనువర్తనాలకు అవసరమైన అతి-అధిక స్వచ్ఛమైన హీలియంను (99.999% లేదా అంతకంటే ఎక్కువ) సాధించడానికి, తదుపరి శుద్ధి దశలు అవసరం.

అధిశోషణ శుద్దీకరణ

1. తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత అధిశోషణ: 95-98% స్వచ్ఛమైన హీలియంను చాలా తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలకు (ఉదాహరణకు, ద్రవ నైట్రోజన్ లేదా ద్రవ హైడ్రోజన్ ఉష్ణోగ్రతలు) చల్లబరచిన యాక్టివేటెడ్ చార్‌కోల్ లేదా మాలిక్యులర్ సీవ్‌ల పడకల గుండా పంపిస్తారు.
2. మలినాల తొలగింపు: ఈ క్రయోజెనిక్ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, నియాన్ (మరిగే స్థానం -246°C), హైడ్రోజన్ (మరిగే స్థానం -252.9°C), మరియు ఏదైనా మిగిలి ఉన్న నైట్రోజన్ లేదా మీథేన్ ఆనవాళ్ళు వంటి అవశేష మలినాలు చార్‌కోల్/సీవ్ ఉపరితలాలపై అధిశోషించబడతాయి. హీలియం, దాని అత్యంత తక్కువ మరిగే స్థానం కారణంగా, అధిశోషించబడకుండానే గుండా వెళుతుంది.
3. ఫలితం: ఈ ప్రక్రియ 99.999% (5N గ్రేడ్) మరియు 99.9999% (6N గ్రేడ్) కంటే ఎక్కువ స్వచ్ఛతతో హీలియంను ఉత్పత్తి చేయగలదు.

(పట వివరణ): శీతలీకరణ జాకెట్‌లో కప్పబడిన, అధిశోషక పదార్థంతో నిండిన పాత్రల శ్రేణిని ఊహించుకోండి, దాని గుండా ద్రవ నైట్రోజన్ ప్రవహిస్తుంది. అపరిశుభ్రమైన హీలియం ఒక చివర నుండి ప్రవేశిస్తుంది, మరియు అతి-స్వచ్ఛమైన హీలియం మరొక చివర నుండి బయటకు వస్తుంది.

మెమ్బ్రేన్ విభజన

• సూత్రం: హీలియం దాని చిన్న పరమాణు పరిమాణం మరియు అధిక వ్యాప్తి సామర్థ్యం (diffusivity) కారణంగా ఇతర వాయువుల కంటే వేగంగా ఎంపిక చేసుకునే విధంగా ప్రత్యేక మెమ్బ్రేన్‌ల గుండా వెళ్ళగలదు.
• అనువర్తనం: భారీ శుద్దీకరణకు ఇది ప్రాథమిక పద్ధతి కానప్పటికీ, మెమ్బ్రేన్ సాంకేతికతను ముందస్తు సాంద్రీకరణ (pre-concentration) లేదా స్వచ్ఛతను మెరుగుపరచడానికి, ముఖ్యంగా హైడ్రోజన్ లేదా నైట్రోజన్‌ను తొలగించడానికి ఉపయోగించవచ్చు.

స్వచ్ఛత స్థాయిల సారాంశం:

• ముడి హీలియం: 50-70% He (ప్రారంభ సహజ వాయు ప్రాసెసింగ్ నుండి).
• గ్రేడ్ A హీలియం: 95-98% He (నైట్రోజన్ తొలగించిన తర్వాత).
• వాణిజ్య హీలియం: సాధారణంగా 99.995% He (తదుపరి క్రయోజెనిక్ అధిశోషణం తర్వాత).
• అతి-అధిక స్వచ్ఛమైన హీలియం: 99.999% మరియు అంతకంటే ఎక్కువ (ప్రత్యేక అనువర్తనాల కోసం).