Extraction Et Raffinage: Hélium | Hackaday

Avec une liste apparemment interminable de pénuries d’articles de base parcourant quotidiennement les fils d’actualité, vous seriez pardonné de ne pas avoir remarqué une pénurie en particulier. Mais parmi les pénuries de tout, des œufs aux engrais en passant par la sauce sriracha, il y a une prise de conscience croissante que nous manquons peut-être de quelque chose de si fondamental que cela pourrait avoir des répercussions qui se feront sentir dans tous les aspects de notre société technologique : l’hélium.

Il est difficile d’exagérer à quel point l’hélium est au cœur de presque tous les aspects de la vie quotidienne. Les propriétés uniques de l’hélium, comme le fait qu’il reste liquide à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, contribuent à son utilisation dans d’innombrables processus industriels. De la détection des fuites et du soudage à la production de plaquettes de silicium et au refroidissement des aimants supraconducteurs qui rendent possible l’imagerie par résonance magnétique, l’hélium s’est ancré dans la technologie d’une manière qui dément sa relative rareté.

Mais d’où vient l’hélium ? Comme nous le verrons, le deuxième élément le plus léger du tableau périodique n’est pas facile à trouver, et des efforts considérables sont nécessaires pour l’extraire et le purifier suffisamment pour un usage industriel. Alors que de grands progrès sont réalisés vers l’amélioration des méthodes d’extraction et la découverte de nouveaux gisements, à toutes fins pratiques, l’hélium est une ressource non renouvelable pour laquelle il n’existe aucun substitut. Il est donc avantageux de savoir une chose ou deux sur la façon dont nous mettons la main dessus.

Un produit de décomposition

Bien qu’il soit le deuxième élément le plus abondant de l’univers visible, l’hélium est étonnamment rare sur Terre. Alors qu’il a été découvert pour la première fois dans les spectrographes du soleil et d’autres étoiles dans les années 1860, obtenir suffisamment d’hélium pour étudier et déterminer qu’il s’agit d’un élément attendrait encore 30 ans, lorsqu’un gaz avec la même signature spectrale a été libéré en dissolvant un échantillon de minerai d’uranium dans l’acide.

Série de désintégration de l’uranium. Lorsque l’U-238 se désintègre en Th-234 (en haut à gauche), il libère une particule alpha, qui est un noyau d’hélium. La particule capte rapidement deux électrons, créant un nouvel atome d’hélium. Source : Tosaka, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons

La découverte de l’hélium sur Terre est arrivée à un moment opportun dans l’histoire de la chimie. La fin des années 1800 et le début des années 1900 ont vu la chimie s’étendre des réactions impliquant les atomes dans leur ensemble au domaine subatomique, au niveau des électrons, des protons et des neutrons qui composent les atomes. La radioactivité venait de commencer à être explorée et l’existence des rayons alpha, bêta et gamma était déjà connue au moment où l’hélium a été isolé pour la première fois. Ainsi, lorsque Rutherford et Boyd ont découvert que les rayons alpha sont en fait des particules composées de deux protons et de deux neutrons, ce qui est identique au noyau d’un atome d’hélium, ils ont immédiatement suggéré un mécanisme expliquant comment l’hélium réussissait à être piégé dans le minerai d’uranium.

Comme tous les éléments radioactifs lourds, l’uranium se désintègre le long d’une série spécifique d’éléments. La série Uranium commence par l’isotope 238U, l’isotope naturel et relativement abondant de l’uranium. 238U a une demi-vie d’environ 4 milliards d’années, et lorsqu’il se désintègre, il le fait en libérant une particule alpha. La perte d’une paire de protons et d’une paire de neutrons transforme la 238U dans 234Th, ou thorium-234. La particule alpha libérée, qui est en réalité un noyau d’hélium, absorbe facilement deux électrons lorsqu’elle est absorbée par à peu près n’importe quelle matière dans laquelle elle se trouve, créant un atome d’hélium.

Cela explique parfaitement pourquoi l’hélium se trouvait à l’intérieur de cet échantillon de minerai d’uranium – au fil du temps, la désintégration de l’uranium a libéré des particules alpha qui ont été absorbées par la roche, gagnant les électrons nécessaires pour devenir des atomes d’hélium. L’hélium s’est accumulé au fil du temps, s’accumulant dans les pores de la roche, pour être libéré lorsque les minéraux de la roche ont finalement été dissous. Et ce même processus, bien qu’à l’échelle géologique, est la clé de la production industrielle d’hélium.

Un gaz dans un gaz

Contrairement à la plupart des gaz industriels, l’hélium n’est pas présent dans l’atmosphère à une concentration significative. Tout hélium qui n’est pas séquestré d’une manière ou d’une autre après sa production se retrouvera dans l’atmosphère et sera rapidement perdu, montant rapidement dans la haute atmosphère et finalement dans l’espace. Il n’est donc pas pratique d’isoler l’hélium de l’air comme nous le faisons pour l’oxygène, l’azote, l’argon et d’autres gaz. Nous devons plutôt chercher sous nos pieds d’importants réservoirs d’hélium.

Heureusement, les mêmes conditions géologiques qui ont tendance à piéger le gaz naturel dans les réservoirs souterrains ont également tendance à piéger l’hélium, et les puits de gaz naturel sont donc la plus grande source d’hélium. Historiquement, les États-Unis ont été le principal fournisseur d’hélium sur les marchés mondiaux, la plupart provenant de puits de gaz naturel dans l’Oklahoma, le Kansas et le Texas. Ici, le gaz sortant du sol contient jusqu’à 7% d’hélium, ce qui est plus que suffisant pour une extraction rentable.

Le gaz naturel est un mélange de méthane, d’azote, de dioxyde de carbone et d’alcanes gazeux supérieurs comme l’éthane et le propane. Lorsqu’une quantité suffisante d’hélium est mélangée – tout ce qui dépasse 0,4% est considéré comme rentable – l’extraction et la purification de l’hélium sont effectuées par distillation fractionnée. L’hélium a le point d’ébullition le plus bas de tous les éléments, ce qui signifie que tous les autres gaz peuvent être isolés en abaissant la température et en contrôlant la pression.

La première étape de la production d’hélium consiste à nettoyer tout CO2 et le sulfure d’hydrogène (H2S) du gaz naturel. Cela se fait dans un traitement aux amines, où la monoéthanolamine chimique (MEA) est pulvérisée dans le flux de gaz à l’intérieur d’un récipient de réaction. Le MEA ionise les composés acides et les rend solubles dans l’eau, leur permettant d’être lavés du gaz naturel. Le gaz lavé est ensuite prétraité en le faisant passer sur un tamis moléculaire, tel que la zéolite, et un lit de charbon actif, pour éliminer la vapeur d’eau et tous les hydrocarbures plus lourds.

Schéma d’un processus générique de distillation industrielle. Source : H. Padlekas, CC-BY-3.0

Ce qui reste après ces étapes de prétraitement est principalement du méthane et de l’azote, mais aussi du néon et de l’hélium. Le gaz est refroidi en le faisant passer à travers un échangeur de chaleur, puis à travers une vanne de détente dans une colonne de fractionnement à chicanes. La chute soudaine de pression abaisse suffisamment la température du gaz pour que le méthane, qui bout à -161,5°C, se condense en un liquide et s’écoule au fond de la colonne.

Le gaz restant, maintenant principalement de l’azote et de l’hélium, passe à travers un condenseur qui refroidit encore plus le flux. Lorsque la température du mélange descend en dessous de -195,8°C, l’azote se condense sous forme liquide. Avec le méthane liquide, l’azote liquide est acheminé vers les échangeurs de chaleur qui étaient initialement utilisés pour refroidir le gaz de procédé prétraité entrant. L’azote et le méthane désormais gazeux, tous deux précieux, sont acheminés vers des réservoirs de stockage.

Environ la moitié du gaz de procédé restant est de l’hélium, le reste étant un mélange de méthane et d’azote contaminants, avec un peu d’hydrogène et de néon. Ce mélange est appelé hélium brut froid et doit maintenant subir une purification supplémentaire pour atteindre le niveau de pureté requis pour une utilisation industrielle. La purification commence par un autre échangeur de chaleur qui laisse tomber le mélange d’hélium brut en dessous du point d’ébullition de l’azote, pour condenser les contaminants restants d’azote et de méthane. Cette étape amène l’hélium brut à une pureté d’environ 90 %.

Purification finale

Pour se débarrasser de l’hydrogène, de l’oxygène est introduit et le mélange est chauffé en présence d’un catalyseur. L’hydrogène et l’oxygène forment de l’eau, qui peut être séparée du flux de gaz de procédé avant qu’il ne soit dirigé vers la purification finale par adsorption modulée en pression, ou PSA. L’adsorption par variation de pression est le même processus que celui utilisé dans les concentrateurs d’oxygène, y compris de nombreuses versions de bricolage que nous avons vues en réponse au COVID-19. Le PSA utilise la capacité des matériaux connus sous le nom de tamis moléculaires à adsorber sélectivement un gaz. Dans la purification de l’hélium, le gaz pur à 90 % est pompé dans un récipient sous pression contenant un tamis moléculaire, généralement de la zéolite. Les gaz contaminants sont préférentiellement adsorbés dans la zéolithe, laissant le flux de sortie d’hélium presque pur. Lorsque la première colonne est saturée de contaminants, le débit est commuté vers une deuxième colonne qui avait été préalablement régénérée en la balayant avec de l’hélium pur. Le flux gazeux alterne entre les deux colonnes, l’une purifiant l’hélium tandis que l’autre est régénérée. Le résultat est de l’hélium gazeux de grade A à une pureté de 99,995 %.

Le processus décrit ici n’est en aucun cas le seul moyen d’extraire l’hélium du gaz naturel, mais il représente le moyen le plus courant de produire le gaz, principalement parce que la plupart des étapes de prétraitement et de purification initiale sont déjà utilisées pour traiter le gaz naturel comme carburant. et comme matière première pour l’industrie chimique. D’autres méthodes incluent un processus entièrement PSA, qui peut utiliser du gaz naturel avec une concentration d’hélium de seulement 0,06%, et la séparation par membrane, qui repose sur le fait que l’hélium peut pénétrer une membrane semi-perméable beaucoup plus facilement que les molécules de méthane et d’azote beaucoup plus grosses. La technologie de séparation membranaire peut être beaucoup plus économe en énergie que la distillation fractionnée traditionnelle, car elle ne nécessite pas de changements de phase et l’énergie qu’ils nécessitent.

Mais sommes-nous à court ?

Connaissant l’abondance d’uranium 238 dans la lithosphère terrestre ainsi que sa demi-vie, il est possible d’estimer la quantité d’hélium produite par le processus radiogénique. Il s’avère que ce n’est pas beaucoup – seulement environ 3 000 tonnes métriques par an. Et presque tout cela s’échappe dans l’atmosphère et dans l’espace. Ainsi, de la même manière que le gaz naturel dans lequel on le trouve habituellement, l’hélium est effectivement une ressource non renouvelable.

Mais cela signifie-t-il que nous en manquons ? Oui, comme toute autre ressource limitée, nous finirons par extraire tout ce qu’il y a à extraire. Mais cela ne signifie pas nécessairement que nous avons trouvé tout l’hélium qu’il y a à trouver. L’exploration a conduit à de nouveaux gisements aux États-Unis et à des découvertes massives d’hélium dans des endroits comme l’Algérie, qui est devenue le deuxième producteur d’hélium au monde au début des années 2000. Le Qatar a également fait une énorme découverte d’hélium en 2013, ce qui l’a propulsé à la deuxième place mondiale. Ces découvertes, ainsi que la découverte récente de puits de gaz naturel en Afrique du Sud contenant jusqu’à 12 % d’hélium, promettent de répondre à certaines des préoccupations concernant la perte d’accès à ce gaz irremplaçable.

Mais en fin de compte, ces nouvelles découvertes ne font que repousser l’horloge et prévenir le jour inévitable où l’hélium s’épuisera enfin. Nous pourrions faire une pause si jamais la fusion à l’échelle commerciale devenait une chose, mais cette percée n’a été « qu’à vingt ans » au cours des 80 dernières années.