氦气是怎么提取出来的？空气里面都有什么气体？
你想了解氦气的提取过程和空气的成分，这可是个好问题！让我来给你好好讲讲。
空气里到底有什么宝贝？
我们每天呼吸的空气，虽然看起来很“空”，但里面其实藏着不少“住户”。最主要的成分大家应该都知道，那就是：
氮气 (N₂)：大约占空气体积的 78%。氮气非常稳定，它就像一个“稀释剂”，让氧气不会那么活跃。你想想，如果空气里全是氧气，那别说火灾了，连金属都可能自燃！氮气就是靠着它的“高冷”来维持空气的平衡。
氧气 (O₂)：大约占空气体积的 21%。这是我们生命赖以生存的气体，没有它，我们根本活不下去。植物通过光合作用释放氧气，我们动物呼吸氧气，这是一种绝妙的物质循环。
氩气 (Ar)：大约占空气体积的 0.93%。这是空气中含量最多的惰性气体，也就是化学性质非常不活泼的那种。它虽然不参与我们身体的代谢，但它的存在对空气的性质也有一定影响。
二氧化碳 (CO₂)：虽然含量不高，大约 0.04% 左右（这个比例会根据地区和活动有所浮动），但它可不是个“小角色”。它是植物光合作用的“口粮”，同时也是温室气体，对调节地球温度很重要。不过，含量过高就会导致全球变暖，所以它的“分寸感”也很关键。
除了这几种“大户”，空气里还有一些微量气体，它们的含量非常非常少，通常以百万分之一 (ppm) 来计算，但它们同样有自己的作用：
氖气 (Ne)
氦气 (He)
氪气 (Kr)
氙气 (Xe)
氢气 (H₂)
甲烷 (CH₄)
一氧化二氮 (N₂O)
臭氧 (O₃) (主要存在于高层大气)
还有一些水蒸气 (H₂O)，这个含量变化很大，从几乎没有到4%都有可能。
氦气，这个“轻盈”的家伙是怎么找出来的？
好了，重点来了，我们这个“轻飘飘”的朋友——氦气，是怎么从空气这个大杂烩里被“揪”出来的呢？
首先要明白一点：空气中氦气的含量极低，大约只有 0.0005% (或 5 ppm)。这点量，你想想，就像在大海里捞一粒沙子，难度可想而知。所以，我们不能直接从空气中大规模提取氦气，成本太高，效率太低。
那么，我们现在市面上能买到的氦气，主要来自于哪里呢？答案是：天然气！
没错，就是我们用来做饭、取暖的天然气。你可能会觉得奇怪，这风马牛不相及的两样东西怎么会扯上关系？
原来，在某些地质构造中，地下深处的放射性元素（比如铀、钍）会发生衰变，这个过程中会释放出 α 粒子。α 粒子就是氦原子核（2个质子，2个中子）。这些带有正电荷的氦原子核在地下深处会“捡”到两个电子，变成完整的氦原子 (He)。
而这些氦原子，由于它的化学性质非常稳定（是个惰性气体），不容易与其他物质发生反应，所以就“老老实实”地积聚在地下岩石的孔隙中。与天然气（主要成分是甲烷）的生成环境恰好有重叠。
所以，天然气中的氦气，实际上是地下放射性元素衰变产生的，然后随着天然气一起被开采出来的。
提取过程是这样的：
1. 开采含有氦气的天然气：首先，需要找到并开采富含氦气的天然气田。不是所有的天然气田都含有足够多的氦气，通常需要对天然气成分进行分析，筛选出氦气含量较高的气田。
2. 初步净化：开采出来的天然气含有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氮气、二氧化碳、硫化氢等多种成分。第一步通常是对天然气进行初步的脱水、脱碳、脱硫等处理，去除一些影响后续分离的杂质。
3. 深冷分离（液化分离）：这是提取氦气的核心步骤。这个过程利用了不同气体在极低温度下的沸点不同。
冷却和加压：将净化后的天然气混合物在高压下进行冷却。
分级液化：随着温度的降低，天然气中的各种成分会依次液化。首先是甲烷、乙烷等更容易液化的重组分，它们会变成液体。而氦气（以及一部分氮气）由于沸点极低（氦气的沸点是 268.93°C），在相对“温和”的低温下仍然保持气态。
分离：这样，就形成了一种富含氦气的气体混合物，其中仍然可能含有少量氮气和其他低沸点气体。
4. 精制（吸附或膜分离）：为了获得高纯度的氦气（例如医用或工业用的99.999%以上），还需要进一步精制。
变压吸附 (PSA)：利用某些吸附剂（如活性炭、分子筛）对不同气体的吸附能力差异，在不同压力下交替吸附和解吸，从而分离出纯净的氦气。
膜分离：利用特殊的薄膜，让某些气体（比如氦气）比其他气体更容易渗透过去，从而达到分离的目的。
5. 压缩和储存：最后，纯度极高的氦气会被压缩并储存在高压钢瓶中，以便运输和使用。
总结一下，我们现在用的氦气，主要不是从空气里直接分离的，而是从含有氦气的天然气里，通过复杂的深冷分离和精制技术提取出来的。
你可能会好奇，那为什么不直接从空气里分离呢？主要原因就是前面提到的：空气中氦气的含量实在太少了（0.0005%），即使是使用最先进的分离技术，也需要处理海量的空气才能得到少量的氦气，经济上完全不划算。
希望我这样解释，把这个过程讲得够清楚、够细致了！下次你看到飞艇里飘的氦气球，或者医院里用的核磁共振仪里的液氦，就可以知道它们来自地下深处的天然气了。
空气里到底有什么宝贝？
我们每天呼吸的空气，虽然看起来很“空”，但里面其实藏着不少“住户”。最主要的成分大家应该都知道，那就是：
氮气 (N₂)：大约占空气体积的 78%。氮气非常稳定，它就像一个“稀释剂”，让氧气不会那么活跃。你想想，如果空气里全是氧气，那别说火灾了，连金属都可能自燃！氮气就是靠着它的“高冷”来维持空气的平衡。
氧气 (O₂)：大约占空气体积的 21%。这是我们生命赖以生存的气体，没有它，我们根本活不下去。植物通过光合作用释放氧气，我们动物呼吸氧气，这是一种绝妙的物质循环。
氩气 (Ar)：大约占空气体积的 0.93%。这是空气中含量最多的惰性气体，也就是化学性质非常不活泼的那种。它虽然不参与我们身体的代谢，但它的存在对空气的性质也有一定影响。
二氧化碳 (CO₂)：虽然含量不高，大约 0.04% 左右（这个比例会根据地区和活动有所浮动），但它可不是个“小角色”。它是植物光合作用的“口粮”，同时也是温室气体，对调节地球温度很重要。不过，含量过高就会导致全球变暖，所以它的“分寸感”也很关键。
除了这几种“大户”，空气里还有一些微量气体，它们的含量非常非常少，通常以百万分之一 (ppm) 来计算，但它们同样有自己的作用：
氖气 (Ne)
氦气 (He)
氪气 (Kr)
氙气 (Xe)
氢气 (H₂)
甲烷 (CH₄)
一氧化二氮 (N₂O)
臭氧 (O₃) (主要存在于高层大气)
还有一些水蒸气 (H₂O)，这个含量变化很大，从几乎没有到4%都有可能。
氦气，这个“轻盈”的家伙是怎么找出来的？
好了，重点来了，我们这个“轻飘飘”的朋友——氦气，是怎么从空气这个大杂烩里被“揪”出来的呢？
首先要明白一点：空气中氦气的含量极低，大约只有 0.0005% (或 5 ppm)。这点量，你想想，就像在大海里捞一粒沙子，难度可想而知。所以，我们不能直接从空气中大规模提取氦气，成本太高，效率太低。
那么，我们现在市面上能买到的氦气，主要来自于哪里呢？答案是：天然气！
没错，就是我们用来做饭、取暖的天然气。你可能会觉得奇怪，这风马牛不相及的两样东西怎么会扯上关系？
原来，在某些地质构造中，地下深处的放射性元素（比如铀、钍）会发生衰变，这个过程中会释放出 α 粒子。α 粒子就是氦原子核（2个质子，2个中子）。这些带有正电荷的氦原子核在地下深处会“捡”到两个电子，变成完整的氦原子 (He)。
而这些氦原子，由于它的化学性质非常稳定（是个惰性气体），不容易与其他物质发生反应，所以就“老老实实”地积聚在地下岩石的孔隙中。与天然气（主要成分是甲烷）的生成环境恰好有重叠。
所以，天然气中的氦气，实际上是地下放射性元素衰变产生的，然后随着天然气一起被开采出来的。
提取过程是这样的：
1. 开采含有氦气的天然气：首先，需要找到并开采富含氦气的天然气田。不是所有的天然气田都含有足够多的氦气，通常需要对天然气成分进行分析，筛选出氦气含量较高的气田。
2. 初步净化：开采出来的天然气含有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氮气、二氧化碳、硫化氢等多种成分。第一步通常是对天然气进行初步的脱水、脱碳、脱硫等处理，去除一些影响后续分离的杂质。
3. 深冷分离（液化分离）：这是提取氦气的核心步骤。这个过程利用了不同气体在极低温度下的沸点不同。
冷却和加压：将净化后的天然气混合物在高压下进行冷却。
分级液化：随着温度的降低，天然气中的各种成分会依次液化。首先是甲烷、乙烷等更容易液化的重组分，它们会变成液体。而氦气（以及一部分氮气）由于沸点极低（氦气的沸点是 268.93°C），在相对“温和”的低温下仍然保持气态。
分离：这样，就形成了一种富含氦气的气体混合物，其中仍然可能含有少量氮气和其他低沸点气体。
4. 精制（吸附或膜分离）：为了获得高纯度的氦气（例如医用或工业用的99.999%以上），还需要进一步精制。
变压吸附 (PSA)：利用某些吸附剂（如活性炭、分子筛）对不同气体的吸附能力差异，在不同压力下交替吸附和解吸，从而分离出纯净的氦气。
膜分离：利用特殊的薄膜，让某些气体（比如氦气）比其他气体更容易渗透过去，从而达到分离的目的。
5. 压缩和储存：最后，纯度极高的氦气会被压缩并储存在高压钢瓶中，以便运输和使用。
总结一下，我们现在用的氦气，主要不是从空气里直接分离的，而是从含有氦气的天然气里，通过复杂的深冷分离和精制技术提取出来的。
你可能会好奇，那为什么不直接从空气里分离呢？主要原因就是前面提到的：空气中氦气的含量实在太少了（0.0005%），即使是使用最先进的分离技术，也需要处理海量的空气才能得到少量的氦气，经济上完全不划算。
希望我这样解释，把这个过程讲得够清楚、够细致了！下次你看到飞艇里飘的氦气球，或者医院里用的核磁共振仪里的液氦，就可以知道它们来自地下深处的天然气了。
网友意见
氦气一般是从天然气中提取出来的[1]——没错，就是天然气。我也不知道为什么，但是天然气中氦气的含量高达7%[1]！如果有知道原因的朋友欢迎补充，让我也知道一下原因。
天然气中含有这些气体[1]，它们分别的沸点注明在括号中：甲烷（112 K），乙烷，丙烷，丁烷（乙烷丙烷丁烷的沸点均高于甲烷），二氧化碳（217 K），硫化氢（213 K），氮气（77 K），氖（27 K）和氦（4 K）。我们可见，其他气体（除了氖之外）的沸点都高于氦至少90 K，而氖的沸点也高于氦的23 K。
那么如果我们对天然气进行降温和加压的话，其他的气体基本都会冷凝，而氦依然保持气态，这样我们就可以大致除掉其他的气体得到粗制的氦气。此后，对该粗制的氦气进行多次降温冷凝进一步除去其他气体，可以使得氦气的纯度进一步提升。最后，使用活性炭对氦气进行进一步的纯化——因为其他气体都具有更强的分子间作用力所以更容易被活性炭所吸附——最终氦气的纯度可以达到99.995%以上，此时的杂质主要是沸点最接近的氖气[1]。
干燥的空气中包括78%的氮气，21%的氧气，0.9%的氩气，0.04%的二氧化碳，和痕量的其他气体[2]。
参考
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