氦氣

氦元素是僅次於氫元素的宇宙中含量第二的元素，占星系星體大約24%的質量。早在1868年，法國天文學家簡森（Janssen P J C，1824-1907）和洛克耶（Joseph Norman Lockyer）在觀察日全食時，就曾在太陽光譜上觀察到一條黃線D，這和早已知道的鈉光譜的D1和D2兩條線不相同。同時，英國天文學家洛克耶爾（Lockyer J N，1836-1920）也觀測到這條黃線D。當時天文學家認為這條線只有太陽才有，並且還認為是一種金屬元素。所以洛克耶爾把這個元素取名為Helium，這是由兩個字拼起來的，helio是希臘文太陽神的意思，後綴-ium是指金屬元素而言。中譯名為氦。

1895年，英國化學家拉姆齊（William Ramsay）爵士和另一位英國化學家特拉弗斯（Travers M W，1872-1961）合作，在用硫酸處理瀝青鈾礦時，產生一種不活潑的氣體，用光譜鑒定為氦氣，證實了氦氣也是一種稀有氣體，這種氣體地球上也有，並且氦元素是非金屬元素。

1903年，美國的天然氣油田中發現了大量的氦。

在室溫和大氣壓力下，氦是無色、無味的單原子氣體。它在干空氣中的體積含量為5.24×10-6。是人類發現臨界溫度最低的物質。進行低壓放電時顯深黃色。

氦不能僅靠將飽和液體冷卻到絕對零度而固化。要使氦固化，必須施以相應壓力。在2.173K，氦將或多少從正常液體轉變成一種具有獨特性質的流體。溫度高於2.173K的液體稱為氦Ⅰ。低於此溫度的液體稱為氦Ⅱ。氦Ⅱ為超流體。它的熵為零，熱導率極高，黏度幾乎為零。液化后溫度降至2.174K時，具有表面張力很小、導熱性很強、黏度極低等特殊性質。利用液態氦可以得到接近絕對零度的低溫。

由於液氦溫度低，用液氦冷卻某些金屬或金屬化合物，金屬或金屬化合物的電阻會完全消失，這種現象稱為超導電性，此溫度稱為臨界溫度。

因為氦氣傳播聲音的速度差不多為空氣的三倍，所以吸入氦氣的人說話的聲音會變高頻率。這個有趣的現像，使得吸入氦氣的人說話尖聲細氣，就好像舊時的卡通人物一樣。

氦是單原子氣體，化學性質不活潑。化學性能穩定，進行低壓放電時顯深黃色。一般不生成化合物，在低壓放電管中受激發可形成He+、HeH等離子及分子。一般狀態下很難和其他物質發生反應，在特定條件下和某些金屬可形成化合物。液態氦在溫度下降至2.18K時，性質會發生突變，黏度極小，成為一種超流體，能沿容器壁向上流動，熱傳導性為銅的800倍，成為導熱性能極佳的熱導體，其比熱容、表面張力、壓縮性都是反常的。這種異常的液體叫做液氦Ⅱ，正常的液態氦叫做液氦Ⅰ。

氦氣廣泛應用于軍工、科研、石化、製冷、醫療、半導體、管道檢漏、超導實驗、金屬製造、深海潛水、高精度焊接、光電子產品生產等。

1、低溫冷源：利用液氦的-268.9℃的低沸點，液氦可以用於超低溫冷卻。而超低溫冷卻技術在超導技術等領域有較廣泛的應用，超導材料需要在低溫（100K左右）中才能表現出超導特性，大多數情況下只有液氦能比較簡便地實現這樣的極低溫。超導技術在交通行業的磁懸浮列車，醫療領域的核磁共振成像設備都有較大的應用。

2、氣球充氣：由於氦氣密度遠小於空氣（空氣的密度為1.29kg/m3，氦氣的密度為0.1786kg/m3），而且化學性質極不活潑，較氫氣安全（氫氣可以在空氣中燃燒，可能會引起爆炸），氦氣常用於飛船或廣告氣球中的充入氣體。

3、檢驗分析：儀器分析中常用的核磁共振分析儀的超導磁體需要利用液氦降溫，氣相色譜分析中氦氣常作為載氣，利用氦氣滲透性好、不可燃的特點，氦氣還應用於真空檢漏，如氦質譜檢漏儀等。

4、保護氣：利用氦氣不活潑的化學性質，氦氣常用於鎂、鋯、鋁、鈦等金屬焊接的保護氣。

5、氦氣可作為火箭液體燃料的壓送劑和增壓劑，大量用於導彈、宇宙飛船和超音速飛機上。

6、氦氣有優良的滲透性，用於核反應堆的冷卻，火箭和核反應堆的一些管道及電子和電氣裝置等的檢漏。

7、氦氣是具有理想氣體的氣體，是極低溫度下蒸氣壓溫度計的理想用氣。

8、氦氣的質量密度、重量密度都低，且不易燃，可用來填充燈泡、霓虹燈管，也是理想的氣球及飛艇用氣。

9、氦氣惰性氣體的一種，在血液中的溶解度較氮氣低，因而其麻醉性低於氮氣，所以常將氦氣與氧氣混合，作為潛水員的呼吸用氣體。

10、其他方面：氦氣可用作高真空裝置、原子核反應堆在火箭、宇宙飛船上用作輸送液氫、液氧等液體推進劑的加壓氣體。氦氣還用作原子反應堆的清洗劑，在海洋開發領域的呼吸用混合氣體中，氣體溫度計的填充氣等。

1.冷凝法：天然氣提氦在工業上採用冷凝法該法工藝包括天然氣的預處理凈化、粗氦製取及氦的精製等工序，製得99.99%的純氦氣。

2.空分法：一般採用分凝法從空氣裝置中提取粗氦、氖混合氣，由粗氦、氖混合氣制純氦、氖混合氣經分離及純化，製得99.99%的純氦氣。

3.氫液化法：工業上採用氫液化法從合成氨尾氣中提氦。該法工藝是低溫吸附清除氮、精餾得到粗氦加氧催化除氫及氦的純化，製得99.99%的純氦氣。

4.高純氦法：將99.99%的純氦進一步用活性炭吸附純化製得99.9999%的高純氦氣。

如果大量吸入氦氣，會造成體內氧氣被氦取代，因而發生缺氧（呼吸反射是受體內過量二氧化碳驅動，而對缺氧並不敏感），嚴重的甚至會死亡。另外，如果是由高壓氣瓶中直接吸入氦氣，那麼其高流速就會嚴重地破壞肺部組織。大量而高壓的氦和氧會造成高壓緊張癥狀Highpressurenervoussyndrome（HPNS），不過少量的氮就能夠處理這個問題。大量及長時間吸入氦氣可導致腦損傷甚至死亡。在大部分薯條類包裝袋裡也含有少量氦氣，不過不必擔心，沒有危害。

氦氣是無毒的，但它可以通過置換空氣中的氧而造成窒息危險。較長時間吸入含氧<10%的空氣可導致腦組織損傷或死亡，最初的癥狀包括噁心、嘔吐和哮喘，暴露在這樣的大氣中的人不能自救或呼救。吸入純氦氣會立即失去知覺並且幾乎立即死亡。在大量使用氣態氦或液氦時，應在通風良好的地方進行，以避免形成缺氧空氣。

1、包裝

氦氣一般用高壓鋼瓶包裝，鋼瓶顏色為灰色，標綠色“氦”字，氣態氦的充裝應按照國標GB14194進行，中國包裝貯運危險性分類：第2.2類不燃氣體，中國危險貨物包裝標誌：5。

2、貯運

氦氣無腐蝕性，常溫下可使用任何通用材料貯存，低溫下主要採用銅、鋁和不鏽鋼材質。可用氣態和液態方式貯存，氣瓶應貯存於陰涼、通風的倉庫內，溫度不宜超過30℃，遠離火種和熱源，防止陽光直射，應與易燃易爆、可燃物分開存放。

氦氣可用管道輸送也可用運輸式罐裝容器直接輸送，其罐裝容器為1L~30m。液氦在工業上使用液氦運輸貯槽或固定貯罐來運輸和長期貯存，其容積一般100~500L。

氦氣應在通風良好、安全且不受天氣影響的地方直立存儲，存儲溫度不可高於52℃。存儲區域內不應有可燃性材料並遠離頻繁出入處和緊急出口，沒有鹽或其他腐蝕性材料存在。對於還未使用的氣瓶應保護好閥蓋和輸出閥的密封完好，將空瓶與滿瓶分開存放。避免過量存儲和存儲時間過長，保持良好的存儲記錄。

1、壓力通常有15MPa，使用時應用YQY-12或152IN-125等減壓器減壓后使用，使用前應用肥皂水檢漏氣體管道，確保氣體管道不漏氣。

2、確保氦氣不泄露、工作場所保持通風，當氦氣含量增加導致氧氣含量低於19.5%時，患者先出現呼吸加快、注意力不集中、共濟失調；繼之出現疲倦無力、煩躁不安、噁心、嘔吐、昏迷、抽搐，以致死亡。

3、每瓶氦氣在使用到尾氣時，應保留瓶內餘壓在0.5MPa，最小不得低於0.25MPa餘壓，應將瓶閥關閉，以保證氣體質量和使用安全。

4、瓶裝氦氣在運輸儲存、使用時都應分類堆放，不準靠近明火和熱源，應做到勿近火、勿沾油蠟、勿曝晒、勿重拋、勿撞擊，嚴禁在氣瓶身上進行引弧或電弧，嚴禁野蠻裝卸，短距離移動氦氣鋼瓶應使用鋼瓶專用手推車，長距離移動鋼瓶應用危險品運輸車輛運輸。液氦的溫度為4.25K，與皮膚接觸能引起嚴重凍傷。

5、存貯氦氣的鋼瓶使用和檢驗遵照國家質量技術監督局《氣瓶安全監察規程》的規定，氣瓶充氣壓力不得超過規定壓力。安全帽要隨時裝上，一保護氣閥，氣瓶每三年檢驗一次（特殊情況例外）做外表檢查及進行水壓試驗，試驗合格後方可繼續使用，檢驗在充氣單位進行。

氦氣在使用過程中應採取先進先出原則，用合適的手推車來移動容器，不能拉、滾動或滑動鋼瓶，不要試圖抓住氣瓶的蓋子來拎起它；應保證氣瓶在使用的全過程中為固定狀態，用一個減壓調節閥或獨立的控制閥安全地從氣瓶內釋放氣體，單向閥來防止倒流；不要加熱氣瓶以使壓力和排出量加大，如果使用者在操作氣瓶閥時有困難，需停止使用；應使用可調節的帶扳手來打開過緊或生鏽的閥蓋，不可將工具（如扳手，螺絲刀，撬棍等）插入閥蓋內，否則會損壞閥並引起泄漏；氦氣與所有的普通材料都是相容的，管線和設備的設計要滿足壓力的需要。

若發生泄漏，應迅速撤離泄漏污染區人員至上風處，並進行隔離，嚴格限制出入。建議應急處理人員戴自給正壓式呼吸器，穿一般作業工作服。儘可能切斷泄漏源。合理通風，加速擴散。如有可能，即時使用。漏氣容器要妥善處理，修復、檢驗后再用。

按氣相色譜法測定。條件：柱為不鏽鋼柱，長6m，內徑4mm。充填料為PoraPakQ，或類似品。載氣為氫氣[99.99%（V/V）]，流量40ml/min。用環線進樣器。檢測器為熱電導檢測器。柱溫為60℃。檢測器溫度130℃。操作：將標本氦經氣體進樣閥送入氣相色譜儀。選擇GC的操作條件，使標準峰信號相當於不低於滿刻度讀數的70%，這樣可使氮和氧完全從氦中分出（氮和氧彼此可能無法分清）。由供試樣本所得的峰響應值所顯示的滯留時間，應與由空氣一氦檢定標準樣本（由工業級氦中混入1.0%空氣，由廠商提供）所得的峰響應相當，並表示出不超過1.0%的空氣量（體積），而He的含量應不低於99.0%（體積）。

氦氣是國防軍工和高科技產業發展不可或缺的稀有戰略性物資之一。含氦天然氣迄今仍是工業化生產氦氣的唯一來源。我國氦氣資源相當貧乏，含量很低，提取難度大，成本高。因此，在保護有限氦氣資源的同時，研究開發先進的天然氣提氦技術對於提高氦氣生產的經濟性、保障國家用氦安全和促進我國天然氣提氦工業的發展具有重要意義。通過對提氦技術的分析介紹，低溫冷凝法較為成熟，但能耗、成本較高；吸附法、吸收法和膜滲透法等其他提氦技術各具特點，但限於適用條件尚不能規模化工業應用。隨著新材料、新技術的發展，天然氣提氦技術不斷改進創新，吸附法、膜滲透法等提氦工藝發展迅速，聯產法、聯合法工藝有著良好的應用前景，這些都為促進天然氣提氦技術的發展提供了新的思路。

項目名稱指標

氦氣純度：≥99%

氖（氫）、氧（氬）、氮、甲烷總含量，%≤1

水分含量，露點，≤-43℃

項目名稱指標

優等品一等品合格品

氦氣純度，%≥99.99599.99399.99

氖含量，ppm≤152540

氫含量，ppm≤357

氧（氬）含量，ppm≤355

氮含量，ppm≤101725

一氧化碳，ppm≤111

二氧化碳，ppm≤111

甲烷量，ppm≤111

水分含量，ppm≤101520

氦氣純度>99.999%，

雜質含量（ppm）：

O2≤0.5，

N2≤1.0，

CO≤0.5，

CO2≤0.5，

CH4≤0.5，

H2O≤0.5，

Ne≤8.0；

氦氣純度>99.9999%，

雜質含量（ppm）：

N2≤0.5，

O2≤0.5，

Ne≤0.5，

CO≤0.1，

CO2≤0.1，

THC≤0.1，

H2O≤0.2；

2016年6月28日，牛津大學和杜倫大學的研究人員在坦尚尼亞的東非大裂谷發現了巨量的氦氣田。這一發現很可能改變全球氦氣資源的“遊戲規則”。

牛津大學和杜倫大學同挪威的一家氦氣勘探公司合作，在坦尚尼亞這一“不可能”的地點發現了這一氦氣田。

牛津大學聲明，這一位於東非大裂谷的氦氣田是經火山活動從較深底層的遠古岩石中帶出，並在較淺的位置形成了這樣一個氣田。杜倫大學的研究人員稱，具體調查結果將在今年的國際地球化學年會上公開。

含氦天然氣包括來自天然氣田的氣層、油氣田的氣層、油氣層中的天然氣，以及油層中的天然氣等。已知有工業價值的含氦天然氣，分佈在從寒武紀到新近紀等不同地質時代的地層中，主要產於古生界和中生界中，尤以古生界為最。此外，在溫泉分佈區、礦化熱滷水中及空氣中也含有氦。