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迪凱機(jī)電—研究院所中科研氦的應(yīng)用與回收之道

發(fā)布時(shí)間： 2024-08-12 作者：分享到：

二維碼分享

一、科研氦的廣泛應(yīng)用

低溫學(xué)研究

氦氣在低溫學(xué)研究中扮演著關(guān)鍵角色。它擁有極低的沸點(diǎn)，液態(tài)氦在零下 269℃就會(huì)沸騰，這一特性使其成為實(shí)現(xiàn)極低溫度的理想制冷介質(zhì)。在日本質(zhì)子加速器研究園區(qū)，每年消耗的氦-3 數(shù)量超過 10 萬(wàn)升，用于填充大型中子散放裝置，推動(dòng)相關(guān)研究。同時(shí)，低溫物理學(xué)家正在研究液氦中的顆粒物質(zhì)行為，期望開發(fā)出新的低溫技術(shù)。

航空航天

在航空航天領(lǐng)域，氦氣不可或缺。它能用于操縱各種氣動(dòng)閥門和部件，為火箭和飛行器的燃料箱增壓，還能用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的清洗。此外，氦氣可作為凈化和更換氣體，..液體推進(jìn)劑加注系統(tǒng)的純凈。對(duì)于液氫低溫閥門和某些處于液氫溫度下工作的氣動(dòng)閥件，氦氣更是..適用的選擇。

半導(dǎo)體與光纖制造

在半導(dǎo)體和光纖制造中，氦氣發(fā)揮著重要作用。它能實(shí)現(xiàn)零部件的快速冷卻，提高生產(chǎn)效率，控制熱傳遞速率，減少零部件缺陷。同時(shí)，氦氣還可充當(dāng)載運(yùn)氣體，..生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行。

核反應(yīng)堆

核反應(yīng)堆中，氦氣是重要的冷卻劑。其低中子吸收和高導(dǎo)熱性的特點(diǎn)，能有效吸收核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的多余熱量，提高核反應(yīng)堆的性能。同時(shí)，氦氣在維持反應(yīng)堆溫度、加強(qiáng)安全措施、減少?gòu)U物產(chǎn)生、降低反應(yīng)堆部件磨損等方面都有著顯著貢獻(xiàn)。

二、科研氦的回收現(xiàn)狀

變壓吸附

變壓吸附是一種常見的氦氣回收技術(shù)。其原理是利用固體吸附劑對(duì)不同氣體的吸附能力差異，當(dāng)氣體通過吸附床層時(shí)，部分氣體被大量吸附，其余氣體則大部分流出，從而實(shí)現(xiàn)氣體的分離提純。在氦氣回收中，通過改變壓力，實(shí)現(xiàn)吸附劑對(duì)氦氣和其他氣體的選擇性吸附與解吸。

變壓吸附的優(yōu)點(diǎn)在于操作相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備投資和運(yùn)行成本較低。但它也存在一些缺點(diǎn)，如吸附劑需要定期再生，氦氣的回收率相對(duì)不是特別高，且對(duì)于復(fù)雜的氣體組分分離效果可能不夠理想。

膜分離

膜分離技術(shù)在氦氣回收中應(yīng)用廣泛。其原理是依據(jù)不同氣體分子的大小和形狀差異，通過膜的選擇性滲透作用，讓氦氣從混合氣體中分離出來。

膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括分離效率較高、操作簡(jiǎn)便、能耗低等。然而，膜分離技術(shù)也有不足之處，比如膜的壽命較短，易受污染和損壞，需要定期更換；膜的選擇性有限，對(duì)于一些分子大小相近的氣體分離效果欠佳；膜的成本較高，大規(guī)模應(yīng)用時(shí)成本較高；對(duì)氣體流量和壓力的要求較為嚴(yán)格，需要..控制和調(diào)節(jié)。

其他方法

除了變壓吸附和膜分離技術(shù)，還有低溫分離法、吸附法等常見的氦氣回收方法。

低溫分離法利用氦氣的低溫凝結(jié)特性，將混合氣體通過低溫處理，使氦氣凝結(jié)成液體，然后分離出液態(tài)氦氣。其優(yōu)點(diǎn)是提純效果好、效率高，但需要昂貴的低溫冷卻設(shè)備和復(fù)雜操作技術(shù)。

吸附法利用吸附劑對(duì)氦氣的選擇性吸附和解吸來實(shí)現(xiàn)回收，優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低，缺點(diǎn)是吸附劑吸附容量有限，需頻繁更換。

總之，不同的氦氣回收方法和技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，研究院所在選擇時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮，以實(shí)現(xiàn)..、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的氦氣回收。

三、回收技術(shù)的創(chuàng)新與突破

新型吸附劑的研發(fā)

近年來，科研人員在氦氣回收的新型吸附劑研發(fā)方面取得了顯著進(jìn)展。例如，金屬有機(jī)框架材料（MOFs）因其具有高孔隙率和可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)，在氦氣吸附中展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。與傳統(tǒng)吸附劑相比，MOFs 能夠提供更多的活性吸附位點(diǎn)，從而提高氦氣的吸附容量。

多孔性聚合物也是新興的吸附劑之一，其獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氦氣的..選擇性吸附。這些新型吸附劑的研發(fā)，大大提高了氦氣回收的效率和純度。

吸附過程動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化

在吸附過程動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化方面，研究人員通過..控制溫度、壓力等操作參數(shù)，顯著提高了吸附速率和吸附容量。同時(shí)，建立了更..的吸附過程動(dòng)力學(xué)模型，深入探究了吸附劑性質(zhì)與吸附效果之間的關(guān)系。

例如，通過優(yōu)化溫度，使得吸附劑在特定溫度下對(duì)氦氣的親和力增強(qiáng)，從而加快吸附速度。壓力的合理調(diào)控也有助于增加吸附劑對(duì)氦氣的吸附量。

這些創(chuàng)新帶來了顯著的效率提升。新型吸附劑的應(yīng)用使得氦氣回收率提高了[X]%，而吸附過程動(dòng)力學(xué)的優(yōu)化則減少了回收所需的時(shí)間，降低了能耗，綜合提高了氦氣回收的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

未來，隨著研究的不斷深入，相信在新型吸附劑和吸附過程動(dòng)力學(xué)優(yōu)化方面還會(huì)有更多的突破，為氦氣回收技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。

四、成功案例與經(jīng)驗(yàn)分享

國(guó)內(nèi)成功案例

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)：成功研發(fā)..首套含氦煤氣層提取高純度氦氣裝置，在窯街煤電集團(tuán)所屬海石灣煤礦實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，產(chǎn)出純度高達(dá) 99.999%以上的高純氦氣。其攻克了多組分煤層氣變壓吸附、脫碳濃縮、提氦一體化分離等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從煤層氣中提取氦氣的重大突破。這一成果得益于科研人員的努力攻關(guān)，為我國(guó)氦氣資源開發(fā)和利用提供了新途徑。

有研集團(tuán)有研工研院：其“氦氣回收提純技術(shù)與裝置”項(xiàng)目榮獲 2020 年“創(chuàng)客中國(guó)”北京市中小企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獎(jiǎng)項(xiàng)。該項(xiàng)目開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模塊化全自動(dòng)氦氣回收提純及存儲(chǔ)裝置，氦氣回收率高于 90%，用氣成本節(jié)約至少 70%，并在兵器 211 所、北航、北科大等單位獲得好評(píng)。

國(guó)外成功案例

日本東京大學(xué)物性研究所：在面臨“氦氣荒”的情況下，其回收設(shè)備可對(duì)使用過的氦氣進(jìn)行 90%左右的回收。一方面開足馬力進(jìn)行氦氣回收，另一方面與日本國(guó)內(nèi)公司討論回收可能性，以解決部分用氣需求。

林德工程和巴斯夫：聯(lián)合開發(fā)了從天然氣中回收高價(jià)值產(chǎn)品的新型工藝，包括氦氣、液態(tài)烴和純化的二氧化碳等。該工藝融合了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，提高了氦氣的提純濃度和收率，同時(shí)產(chǎn)生了額外的價(jià)值流，具有較高的..率。

這些成功案例展示了不同研究院所在氦氣應(yīng)用及回收方面的創(chuàng)新和努力，其經(jīng)驗(yàn)和成果可為其他院所提供寶貴的借鑒，推動(dòng)氦氣領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

五、未來發(fā)展趨勢(shì)與展望

未來可能出現(xiàn)的新技術(shù)

隨著科技的不斷進(jìn)步，科研氦應(yīng)用及回收領(lǐng)域有望出現(xiàn)更多創(chuàng)新技術(shù)。例如，基于人工智能和大數(shù)據(jù)的智能回收系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化氦氣回收過程，提高回收效率和精度。此外，新型的材料和吸附劑研發(fā)也將取得突破，進(jìn)一步提升氦氣的吸附和分離效果，降低回收成本。

納米材料的應(yīng)用：納米材料因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在氦氣回收領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。例如，納米碳管、納米沸石等材料可能具有更高的氦氣吸附能力和選擇性。

生物技術(shù)的融合：生物技術(shù)的發(fā)展可能為氦氣回收帶來新的思路，如利用生物酶或微生物來促進(jìn)氦氣的分離和提純。

新應(yīng)用場(chǎng)景

在未來，科研氦將在更多..領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

量子計(jì)算：量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展需要極低溫環(huán)境，氦氣的低溫特性將為其提供關(guān)鍵的冷卻支持。

太空探索：隨著太空探索的深入，氦氣可能用于太空站的生命保障系統(tǒng)、航天器的推進(jìn)系統(tǒng)等。

能源存儲(chǔ)：研究人員正在探索利用氦氣在特定條件下的特性，開發(fā)新型的能源存儲(chǔ)技術(shù)。

對(duì)資源可持續(xù)利用的影響

未來科研氦應(yīng)用及回收技術(shù)的發(fā)展，將對(duì)資源可持續(xù)利用產(chǎn)生積極影響。

減少資源依賴：..的回收技術(shù)將減少對(duì)新開采氦氣資源的依賴，延長(zhǎng)現(xiàn)有氦氣資源的使用年限。

促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)：推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)向更加環(huán)保、..的方向發(fā)展，提高資源利用效率，降低對(duì)環(huán)境的壓力。

保障關(guān)鍵領(lǐng)域供應(yīng)：..在醫(yī)療、科研等關(guān)鍵領(lǐng)域的穩(wěn)定供應(yīng)，支撐這些領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展。

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二、科研氦的回收現(xiàn)狀

變壓吸附

膜分離

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三、回收技術(shù)的創(chuàng)新與突破

新型吸附劑的研發(fā)

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四、成功案例與經(jīng)驗(yàn)分享

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