Khí công nghiệp heli - khí công nghiệp Đồng Nai

Khí công nghiệp Heli — Tổng quan

Heli (viết đúng là Helium, ký hiệu He, số nguyên tử 2) là một khí hiếm, nhẹ, trơ, không màu, không mùi, không dẫn điện, không bắt lửa và có nhiều tính chất đặc biệt khiến nó rất giá trị trong khoa học, y tế, công nghiệp. Tên "Helium" bắt nguồn từ Helios trong tiếng Hy Lạp nghĩa là “mặt trời” — vì lần đầu tiên người ta phát hiện ánh sáng có bước sóng đặc biệt của nó trong quang phổ Mặt Trời.

Helium là nguyên tố nhẹ thứ hai sau hydro, song không phản ứng hóa học trong điều kiện bình thường vì nó là khí hiếm, đã có lớp điện tử ổn định đầy đủ. Vì vậy, nó rất “trơ” – không kết hợp với các nguyên tố khác dễ dàng.

Một số đặc tính vật lý nổi bật:

• Trọng lượng phân tử rất thấp, khí nhẹ hơn không khí khá nhiều.

• Nhiệt độ sôi thấp: khoảng −269 °C (4.2 K). 

• Khó hóa lỏng, hóa rắn – cần áp suất rất cao để đổi pha.

• Tính dẫn nhiệt khá tốt; khả năng khuếch tán cao.

Nguồn gốc & thu hoạch

Helium trên Trái Đất thường thu được từ khí tự nhiên (natural gas) tại các mỏ khí‑đốt chứa helium với tỉ lệ đủ cao. Khi khai thác khí tự nhiên, helium sẽ được tách ra – bằng các quá trình hóa học và vật lý để loại bỏ các tạp chất, làm sạch đến độ tinh khiết mong muốn.

Helium không tái tạo dễ dàng — nó là sản phẩm của sự phân rã phóng xạ của các nguyên tố nặng trong lòng đất (uranium, thorium), sau đó di chuyển lên lớp khí quyển rồi thoát ra không gian nếu không bị giữ lại trong các mỏ khí. Do đó trữ lượng helium có hạn, và việc khai thác đòi hỏi tìm mỏ khí tự nhiên có chứa helium hoặc có các biện pháp thu hồi từ các nguồn khác (ví dụ khí thải công nghiệp, khí thải hạt nhân trong một số trường hợp, thậm chí khí thoát từ các ứng dụng làm lạnh). 

Độ tinh khiết & phân phối

Helium công nghiệp có nhiều cấp độ tinh khiết tùy theo ứng dụng yêu cầu. Ví dụ:

• 99,9% ‑ 99,999% ‑ 99,9995% (viết là He 4.5, He 5.0, He 5.5, He 6.0 … tùy nhà sản xuất)

• Các chỉ tiêu tạp chất (như O₂, N₂, H₂O, CO, CO₂, Hydrocarbon, …) được kiểm soát rất chặt để phù hợp mục đích sử dụng (nhiệt độ cực thấp, thiết bị y tế, sản xuất điện tử, nghiên cứu khoa học, v.v.)

Về phân phối, helium có thể được cung cấp:

• Dạng khí (bình khí, chai, bundle, pallet, chai áp suất cao).

• Dạng lỏng (heli lỏng), sử dụng trong các ứng dụng cần nhiệt độ cực thấp, hoặc vận chuyển/ bảo quản khối lượng lớn.

• Bao bì, thiết bị chứa (chai, bình áp lực cao, bồn chứa, ISO tank, hệ thống lưu trữ) tùy theo quốc gia, nhà sản xuất.

Ưu điểm & nhược điểm

Ưu điểm

1. Tính trơ hóa học cao: Helium rất khó để phản ứng với các chất khác — điều này làm cho nó an toàn trong nhiều ứng dụng, đặc biệt trong thiết bị điện tử, hàn, môi trường cần độ sạch cao.

2. Khả năng chịu nhiệt và dẫn nhiệt tốt: Nhờ tỉ trọng thấp và tính dẫn nhiệt tốt, heli có thể truyền nhiệt nhanh hơn và giúp làm lạnh hiệu quả trong ứng dụng cryogenics.

3. Nhiệt độ sôi rất thấp: Đây là một ưu điểm lớn cho các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ cực thấp như trong MRI, siêu dẫn, nghiên cứu vật lý.

4. Tính nhẹ & khuếch tán nhanh: Có lợi trong các ứng dụng kiểm tra rò rỉ, sử dụng khí nâng (bóng bay, khí cầu), hoặc môi trường khí thở pha trộn (nếu phù hợp).

5. An toàn cao trong nhiều môi trường: Vì không cháy, không độc hại, không ăn mòn => ít nguy cơ về cháy nổ hoặc phản ứng hóa học ngoài ý muốn.

Nhược điểm

1. Chi phí cao: Vì nguồn thu được hạn chế, quá trình khai thác, tinh chế, vận chuyển (nhất là dạng lỏng), lưu trữ đều đòi hỏi công nghệ cao và chi phí lớn.

2. Nguồn cung hạn chế & không thể tái tạo nhanh: Helium không được tái tạo nhanh — nó mất hàng triệu năm để hình thành. Việc sử dụng lãng phí hoặc hao hụt (rò rỉ, thất thoát) là cực kỳ đáng quan ngại.

3. Yêu cầu kỹ thuật khắt khe cho lưu trữ & vận chuyển: Áp suất cao, đôi khi cần làm lạnh cực thấp để hóa lỏng, bình chứa phải chịu được áp lực và cách nhiệt tốt, nguy cơ rò rỉ do phân tử nhỏ.

4. Khó hóa lỏng & giữ lạnh: Việc giữ heli lỏng đòi hỏi hạ xuống nhiệt độ rất thấp, cách nhiệt tốt, thiết bị chuyên dụng, hao năng lượng.

5. Giá biến động & ảnh hưởng từ suy thoái nguồn cung quốc tế: Helium là một hàng hóa toàn cầu — nếu nguồn cung từ một vài quốc gia mỏ gặp vấn đề, giá có thể tăng mạnh.

Tình trạng cung ‑ cầu & thách thức hiện nay

Tình trạng toàn cầu

• Helium được đánh giá là một tài nguyên nguy cấp. Có nhiều báo cáo cho thấy có thiếu hụt helium trong các năm gần đây, chủ yếu vì nhu cầu ngày càng tăng (y tế, điện tử, nghiên cứu, công nghệ cao) đồng thời nguồn cung ổn định lại không tăng nhanh.

• Các mỏ helium chất lượng cao (với hàm lượng helium trong khí tự nhiên cao) không nhiều; chi phí đầu tư để khai thác, tách, tinh chế helium rất lớn.

Một ví dụ mới: QatarEnergy ký kết hợp đồng dài hạn cung cấp hàng chục triệu feet khối helium tinh khiết cho công ty khí công nghiệp quốc tế để đáp ứng nhu cầu tăng cao trong ngành công nghệ.

Tình trạng tại Việt Nam

Một số thông tin từ các công ty khí công nghiệp ở Việt Nam:

• Các công ty như Air Liquide Vietnam có cung cấp helium mức tinh khiết cao (ví dụ 99.9999%) cho ứng dụng y tế, phân tích, điện tử.

• Công ty Sing Industrial Gas Vietnam có phân phối helium ở cả dạng khí và dạng lỏng, với nhiều dạng đóng gói (chai, bình, ISO tank) tùy vào nhu cầu công nghiệp hoặc y tế.

• Công ty Messer ở Việt Nam cũng liệt kê helium trong danh mục khí công nghiệp, nêu rõ các đặc điểm vật lý, đặc tính tinh khiết, các loại ứng dụng. 

• Về giá cả, có thể thấy sản phẩm helium tinh khiết đặt biệt (He 5.0, 5.5, 6.0) sẽ cao hơn đáng kể — nhưng các công ty thường không công khai niêm yết mà “giá liên hệ” do phụ thuộc vào số lượng, loại đóng gói, chất lượng yêu cầu.

Thách thức cụ thể

• Chi phí vận chuyển & lưu trữ: đặc biệt khi vận chuyển dưới dạng lỏng hoặc theo đúng yêu cầu nhiệt độ thấp, cách nhiệt, bình/chai/ISO tank chất lượng cao.

• Thua thiệt về cơ sở hạ tầng: nhiều nơi ở Việt Nam có thể thiếu các trạm nạp helium lỏng, hoặc các thiết bị cryogenics, hoặc công nghệ làm sạch khí để đạt cao độ tinh khiết.

• An toàn & quản lý: rò rỉ, hao hụt khí, tiêu hao do bảo trì, quản lý xuất nhập, kiểm soát chất lượng, kiểm định tạp chất — tất cả đều là thách thức.

• Giá cả biến động quốc tế: ảnh hưởng từ nguồn cung mỏ ở nước ngoài, giá vận chuyển quốc tế, thuế nhập khẩu, chi phí nhân công, chi phí năng lượng, chi phí bảo hiểm,…

• Ý thức sử dụng tiết kiệm: trong nhiều ứng dụng giải trí hay nhỏ lẻ (như bóng bay) đôi khi helium bị sử dụng lãng phí, mà lại là loại tài nguyên rất quý.

Kết luận

Helium là một khí cực kỳ đặc biệt và quý giá trong công nghiệp, y tế, khoa học. Nó không chỉ là “khí để bơm bóng bay” như nhiều người nghĩ, mà là thành phần hạ tầng thiết yếu trong máy MRI, sản xuất thiết bị điện tử, nghiên cứu vật lý cực thấp, công nghệ hàn cao cấp, kiểm tra rò rỉ, v.v.

Tuy nhiên, do nguồn cung hạn chế, chi phí cao, yêu cầu kỹ thuật khắt khe, nếu sử dụng không khôn ngoan thì có thể lãng phí tài nguyên quan trọng này. Việc tận dụng các giải pháp giảm thất thoát, nâng cao hiệu quả sử dụng, phát triển thị trường trong nước và cơ sở hạ tầng liên quan là con đường để đảm bảo helium tiếp tục phục vụ tốt nhu cầu phát triển công nghệ – y tế – công nghiệp cả trong tương lai.