如何提取空气中的氦气提高纯度
为了实现氦资源的循环利用，有必要对氦进行回收和纯化。本文介绍了国内外氦净化技术的发展现状，对这些方法的应用原理进行了综合分析和比较.根据各自的使用特点，提出了几种详细的净化过程实现方法，为促进我国氦净化技术的发展提供了新的思路。
1引言
氦是宇宙中的一种自然资源，也是卫星飞船上不可再生的稀缺战略资源.导弹武器工业.飞艇等浮空器.低温超导研究.半导体生产.核磁共振成像.特殊的金属冶炼和气体泄漏检测具有重要的用途。氦在世界各地的储量分布非常不均匀，北美.北非、俄罗斯等地氦资源丰富，氦资源严重短缺，四川只储存少量氦。长期以来，我国工业生产和科学试验氦（含液氦）基本依赖国外进口，国内氦价格相对较高，批量供应周期长。与此同时，随着我国国防工业技术的发展，对氦的需求也越来越大。一旦氦在很长一段时间内被禁止，它将在很大程度上影响中国的国防安全和经济发展。
因此，为了节约氦资源，降低使用成本，对氦的回收和纯化具有重要意义。目前，工业上常用的氦净化方法主要有化学反应法.选择吸附法.低温精馏法.薄膜扩散法。本文介绍了氦提氦技术的现状，综合比较了几种方法的应用原理.优缺点和发展趋势为促进我国氦提氦技术的发展提供了新的思路。
2低温精馏法
低温蒸馏法主要利用冷却后各种气体成分的不同沸点，气体可在低温下形成固体.液态.气态分离了不同相态的成分。半导体工业中使用的氦利用低温将氦中的杂质固化在低温冰箱中，然后通过滤器过滤固化杂质。过滤后的氦可用于半导体生产。图1显示了年日本TAIYOSANSOCOLTD获得的一项将
氦液化设备专利中的装置图。该专利的创新主要是将真空绝缘罐插入每个低温冰箱的冰箱头部，将氦冷却到液化温度以下，产生液氦。
1.气柜；2.压缩机；3.5.换热器；4.液氮槽；6.液氢槽；
7.固化器
图2液氢冷凝分离法
低温精细镀法不仅用于半导体工业氦净化和超导研究所需的液氦提取，还用于从天然气中分离混合氦和氦。液氢和液态霓虹作为工业冷凝剂。液氢冷凝法是常压液氢温度(20).4）K)或负压液氢温度(13)~15)K)，氦固化，氦呈气态，氦纯度可控制在99.约9%。液氢冷凝工艺流程图见图2。
(1)含氦天然气预处理净化
在氦气源中H2S.CO2.进入低温装置前，应净化水甚至汞等杂质，以免影响管道在低温下.阀门和设备堵塞.腐蚀和恶化工艺条件。
常用的酸气去除方法有：醇胺法.热钾碱法.磺胺法。天然气氦气提升工艺。H2S.CO2残留量要求如下：H2S≤4ppm，ppm=M/22.4(mg/m3),M分子量，下同]，CO2≤ppm。考虑到提氦的效益，应选择有利于降低提氦成本的去除方法。
(2)粗氦提取
二次冷凝后，天然气产生的氦含量为60%~70%的粗氦，冷凝所需的冷量为常压液甲烷.常压液氮或负压液甲烷供应。一次冷凝要求无乙烷以上馏分，二次冷凝要求甲烷含量小于1%。同时，釜液液烃氦含量应小于10ppm,提高氦气回收率。
(3)氦气精制
随着氦浓度浓缩在粗氦中，天然气中难以液化的氢需要在精制前去除。催化氧化脱氢法一般用于工业，储氢合金等脱氢工艺也在发展中。不到10ppm在随后的高压冷凝吸附过程中，残留氢和氮.同时去除少量甲烷等杂质。
3选择吸附法
吸附的选择是利用固体吸附剂对气体中各种成分的吸附能力来分离或净化气体。物理吸附的力是范德华力，物理吸附是可逆的。物理吸附剂吸附各种气体杂质达到饱和后，必须在继续使用前再生。物理吸附中常用硅胶、分子筛和活性炭作为吸附剂。物理吸附通常与其他纯化方法合作，如化学吸附和低温冷凝，以形成氦的纯化过程。
氦净化技术是低温系统的关键技术之一，是北京大型科学工程正负电子对撞机重大改造中的氦净化技术。中国科学院高能物理研究所在国家大型科学工程中使用的氦净化技术是一种低温吸附技术。本专利主要利用吸附剂吸中的杂质，并将氦作为气球的浮气净化。
马克核聚变实验设备(EAST)中国科学院等离子体物理研究所采用低温吸附法对氦进行纯化。EAST氦净化系统的主要设备包括滤油器、常温活性炭吸附器、13X分子筛干燥器、除尘器、液氮温度区活性炭吸附器和低温区霓虹灯吸附器。其中，通过固定床吸附器中的吸附剂对杂质气体（包括常温区和低温区）进行净化。
年，日本还采用了氧化铜床、分子筛、活性炭到高温冷却反应器的方法(HTGRs)氦气净化系统。
4化学反应法
化学吸附是吸附剂和吸附剂之间的关键作用。其吸附热类似于化学热，化学吸附是不可逆的。使用铂、钯和其他催化剂，气体中的一些杂质可以转化为另一种容易去除的杂质。这些方法还与其他方法一起净化氦。
年，清华大学和中国核电技术研究所在核反应堆氦净化系统中调查了法国氦压力和化学控制实验装置(HPC)氦净化系统，清华大学核能与新能源技术研究所10MW采用氧化铜床等技术，改进了高温气冷实验堆氦净化系统。
5薄膜扩散法
薄膜材料是一种选择性地扩散各种气体成分的薄膜材料，通常用于空气分离。薄膜扩散材料主要包括天然材料、合成聚合物材料和金属材料。
截至20世纪80年代末，氢气纯化用于工业气体的分离和纯化，航空航天用于呼吸气体(CO2和O2)分离，分离天然气和石油气等。钯合金扩散纯化氢是最成功的。年膜法提氦Stern经过研究，但工业化进程缓慢。我国研究的膜分离技术采用国产聚啶/硅橡胶中空纤维膜，常温下一级膜分离可浓缩氦5~5.氦收率63%~75%。但是这种技术还没有工业化，需要进一步研究证明膜的可靠性和稳定性。在这项研究的基础上，中国研究人员提出了膜分离+采用低温分离法从天然气中提取氦。天然气中的氦膜分离可以大大降低温度分离的规模和投资成本，但是技术问题并没有真正的工业意义。年，俄罗斯科学院西伯利亚分公司开发了一种从天然气中分离氦的氦。这个过程使用的薄膜由很小的玻璃珠从气流中吸收氦气，但还没有投入大规模的工业生产，需要进一步的研究和开发。年，南京化工学院提出了采用深冷法提氦和膜法，采用深冷法混合提氦的工艺流程。实验后，后者能耗低，纯度高，工艺简单。
6膜渗透法
随着膜材料的发展，膜渗透法的应用前景越来越好。各种气体对膜有一定的渗透性，不同气体的渗透性不同，因此天然气中的氦可以通过渗透法提取。工业渗透膜应具有：大渗透常数，保证产量，减少膜面积；分离因子大，工艺简化；化学、机械、热稳定性好，长期使用性能好。
结束语
综上所述，氦分离技术的主流技术仍然是物理吸附技术，主要采用硅胶、分子筛、活性炭等吸附剂。化学反应需要催化剂的参与，需要加热到高温才能达到催化剂的活化温度。催化剂的不可再生可能导致能源消耗和设备的增加。低温蒸馏不能单独纯化氦，需要与其他方法结合。薄膜设备简单，能耗低，但不能纯化原料气体的纯度。同时，由于薄膜技术不成熟，该技术不能广泛应用于工业中。
