Helium: Sifat, Produksi, dan Pasokan Global

Latar Belakang

Helium adalah elemen kedua terang dalam tabel periodik dan salah satu gas yang paling kimiawi iners. Densitas rendahnya dan tidak mudah terbakar menjadikannya tak tergantikan untuk aplikasi penerbangan, dari pengangkat blimp dan balon hingga menyediakan atmosfer aman untuk pengelasan dan pertumbuhan kristal dalam manufaktur semikonduktor. Helium cair juga kritis dalam penelitian yang memerlukan suhu mendekati nol absolut, seperti eksperimen superkonduktivitas.

Meskipun elemen ini melimpah di alam semesta, atmosfer Bumi hanya mengandung jumlah kecil. Helium pertama kali diidentifikasi pada 1868 ketika astronom Pierre Janssen dan Sir Joseph Lockyer mengamati garis spektral kuning yang tidak dikenal selama gerhana matahari. Lockyer mendatangkan nama “helium” dari bahasa Yunani helios (matahari).

Pada 1895, Sir William Ramsay mengekstrak helium dari mineral uranium cleveite, mengonfirmasi keberadaannya di Bumi. Beberapa tahun kemudian, gas alami dari sumur dekat Dexter, Kansas, mengungkap konsentrasi hingga 2%. Survei dunia menunjukkan tingkat helium yang bervariasi, dengan AS secara umum menempati deposit terkaya.

Pesawat lebih ringan dari udara awal abad ke-20 hampir esclusif mengandalkan hidrogen, meski mudah terbakar. AS mengakui keuntungan strategis helium selama Perang Dunia I, menetapkannya sebagai bahan strategis perang dan membatasi ekspor. Helium Conservation Act 1925 melarang penggunaan non-pemerintah. Setelah bencana Hindenburg pada 1937, regulasi longgar, dan helium menggantikan hidrogen untuk kapal udara komersial.

Selama Perang Dunia II, helium lagi terbukti vital; digunakan untuk mengisi ban pembangkit jarak jauh, mengurangi berat pesawat dan memperpanjang jangkauan. Permintaan pasca perang melonjak, memicu Helium Act Amendments 1960 untuk mendirikan program penyimpanan nasional. Pada 1971, produksi telah plateau dan program ditunda sementara, hanya untuk dilanjutkan nanti. Pada 1993, penyimpanan pemerintah mencapai sekitar 35 miliar kaki kubik (1 miliar meter kubik).

Saat ini, sebagian besar lapangan gas alami yang mengandung helium terletak di AS, dengan cadangan penting juga di Kanada dan Polonia.

Bahan Baku

Helium berasal di bawah tanah saat partikel alpha—produk dari keradioaktifan elemen berat seperti uranium dan torium—membentuk inti helium. Beberapa helium menyebar ke permukaan dan melarikan diri ke angkasa, sementara sisanya terperangkap di bawah lapisan batuan yang tidak lerap dan bercampur dengan reservoir gas alami. Konsentrasi helium bervariasi dari tidak signifikan hingga hingga 4% menurut volume, tetapi hanya deposit yang melebihi 0,4% yang komersial viable.

Helium juga dapat diekstrak melalui pemisahan udara kriogenik, meskipun proses ini mahal dan menghasilkan pemulihan sangat rendah, sehingga tidak praktis untuk produksi skala besar.

Proses Manufaktur

Helium terutama dipulihkan sebagai hasil samping dari pengolahan gas alami. Gas berisi metana dan hidrokarbon lainnya, yang menyediakan konten energi gas alami. Untuk memenuhi spesifikasi energi pasar, impuritas—termasuk nitrogen, uap air, karbon dioksida, dan helium—harus dihapus dalam tahap upgrading.

Ketika aliran gas mengandung lebih dari ~0,4% helium, destilasi kriogenik digunakan untuk mengisolasi helium. Helium mentah yang dihasilkan kemudian difinisihkan untuk mencapai kemurnian komersial di atas 99,99%.

Pretreating

Karena kolom kriogenik bawah aliran beroperasi pada suhu sangat rendah, semua komponen yang dapat mengeras—uap air, CO₂, hidrokarbon berat—harus dihapus sebelumnya untuk mencegah pemblokiran pipa.

• 1. Gas alami dipresurisasi ke ~800 psi (5,5 MPa) dan dialirkan melalui scrubber monoethanolamine untuk menyerap CO₂.
• 2. Unit molecular-sieve memisahkan uap air, memungkinkan hanya molekul kecil yang lolos; air kemudian dibalik dan dikeluarkan.
• 3. Tempurung aktif menangkap hidrokarbon berat; aliran gas sekarang sebagian besar metana, nitrogen, dan jejak helium, hidrogen, dan neon.

Separating

Destilasi fraksional, sering disebut nitrogen rejection, mengisolasi komponen utama—metana dan nitrogen—sebelum aliran kaya helium dikirim ke pemrosesan kriogenik. Prosedur diilustrasikan dalam diagram di bawah ini.

• 4. Plate-fin heat exchanger menyejukkan aliran masuk sementara aliran metana dan nitrogen yang sangat dingin mengalir sebaliknya dan memanaskan gas.
• 5. Gas mengembung melalui klep, menurunkan tekanan ke ~145–360 psi (1,0–2,5 MPa). Ekspansi cepat menyejukkan campuran dan memulai pengliquefakian metana.
• 6. Gas yang sebagian cair memasuki kolom tekanan tinggi; saat naik, metana terus mengliquefy di bawah sementara nitrogen naik ke atas.
• 7. Metana cair (crude methane) diekstrak, disubcool, dan dilewatkan melalui klep ekspansi kedua ke ~22 psi sebelum memasuki kolom tekanan rendah. Di sini, sebagian besar nitrogen dihapus, menghasilkan metana cair kaya dengan ≤4% nitrogen. Cairan kemudian dipanaskan, dipanaskan, dan diupgrade menjadi gas alami, sementara nitrogen dianginkan atau didaur ulang.
• 8. Gas dari kolom tekanan tinggi didinginkan dalam kondensor; nitrogen mengembun sebagai uap, dan gas yang tersisa—helium mentah—berisi 50–70% helium, 1–3% metana yang tidak tercair, jumlah kecil hidrogen dan neon, dan sisa nitrogen.

Purifying

Helium mentah melalui pemurnian multi-tahap untuk mencapai tingkat kemurnian komersial.

• 9. Pendinginan hingga –315 °F (–193 °C) mengembun nitrogen dan metana, menghasilkan ~90% helium.
• 10. Menambahkan udara memperkenalkan oksigen; gas dipanaskan awal, kemudian dilewatkan melalui katalis yang bereaksi hidrogen dengan oksigen untuk membentuk uap air, yang kemudian dikondensasi dan dikeluarkan.
• 11. Unit pressure-swing adsorption (PSA) menangkap kontaminan yang tersisa. Ribuan partikel pori mikron menyerap nitrogen, metana, dan sisa air. Depresurisasi berikutnya melepaskan gas yang terserap, menghasilkan helium ~99,99% murni.

Distributing

Helium dikirim sebagai gas pada suhu ruang atau sebagai cair pada suhu kriogenik. Helium gas disimpan dalam tabung baja atau alloy aluminium pada 900–6.000 psi (6–41 MPa). Helium cair dalam jumlah besar diangkut dalam wadah terinsulasi dengan kapasitas hingga ~14.800 gallon (56.000 L).

• 12. Untuk helium cair atau ultra-murni, cryogenic adsorber menghapus neon yang tersisa dan impuritas jejak pada –423 °F (–253 °C), mencapai ≥99,999% kemurnian.
• 13. Gas kemudian melewati heat exchanger dan expander dalam liquefier, mencapai –452 °F (–269 °C) untuk mengliquefy.
• 14. Pengiriman besar helium cair menggunakan trailer atau wadah double-shell, vacuum-insulated. Shell dalam berisi helium; shell luar memberikan insulasi, dan dalam pengiriman luar negeri shell sekunder dengan nitrogen cair menyerap panas, menguap saat panas.

Kontrol Kualitas

Compressed Gas Association mengklasifikasikan helium berdasarkan konten impuritas. Grade komersial dimulai dengan M (99,995% murni) dan berlanjut ke N, P, dan G (99,9999% murni). Sampling dan analisis reguler memverifikasi kepatuhan dengan standar ini.

Masa Depan

Pada 1996, pemerintah AS mengusulkan untuk mengakhiri program penyimpanan helium yang dibiayai negara, memicu kekhawatiran di kalangan ilmuwan. Helium pada dasarnya adalah hasil samping dari pengolahan gas alami; tanpa penyimpanan, sebagian besar akan dianginkan ke atmosfer dan hilang. Beberapa pakar memperingatkan bahwa cadangan global dapat habis pada 2015 jika program berhenti.