Comment l'hélium est-il obtenu ?
L'hélium, gaz inerte incolore, inodore et sans saveur, est le deuxième gaz le plus abondant dans l'univers après l'hydrogène. Cependant, l'hélium utilisé dans des applications comme la chromatographie en phase gazeuse (CG) est extrait du gaz naturel, une ressource qui s'épuise et entraîne la raréfaction de l'hélium.
Si l'hélium est abondant dans l'espace, produit par les réactions de fusion stellaire, celui que nous trouvons sur Terre et stockons dans des bouteilles pour de nombreuses applications critiques est limité. Ce type d'hélium, appelé hélium-4, est produit naturellement sous terre par la décomposition radioactive d'éléments lourds comme l'uranium et le thorium. Ces réactions libèrent des particules alpha, composées de deux neutrons et de deux protons. Ces fragments capturent ensuite des électrons de leur environnement et se transforment en hélium, qui remonte ensuite à la surface de la Terre et peut même s'échapper dans l'espace.
Heureusement, une partie de cet hélium-4 se piège et se mélange au gaz naturel présent sous la croûte terrestre. L'hélium-4 est ensuite extrait du sol par des puits forés. La concentration d'hélium dans le gaz naturel est variable, allant de presque nulle à environ 4 % de son volume. Le gaz naturel contenant de l'hélium-4 subit ensuite un processus de distillation cryogénique pour séparer les particules d'hélium. Une fois séparé du gaz naturel, l'hélium-4 est raffiné pour atteindre une pureté de 99,99 % et plus avant d'être commercialisé.
Réserves d'hélium et chaîne d'approvisionnement fragile
La demande mondiale en hélium ne cesse d'augmenter, ce qui suscite des inquiétudes quant à la finitude de cette ressource et fragilise la chaîne d'approvisionnement. Le problème de l'extraction de l'hélium est que peu de gisements de gaz naturel contiennent des concentrations élevées d'hélium, et l'extraction dans ces gisements serait trop coûteuse pour les faibles quantités de gaz obtenues. Selon Gas World, 75 % de l'hélium consommé mondialement provient principalement de trois sites : Ras Laffan Industrial City au Qatar, ExxonMobil dans le Wyoming et la réserve nationale d'hélium au Texas.
Face à la raréfaction de l'hélium, certains chercheurs ont proposé la production d'hélium à partir d'air liquéfié, mais le coût de production serait trop élevé car la quantité d'hélium contenue dans l'air est trop faible.
Alternatives à l'hélium pour la chromatographie en phase gazeuse (CG)
Les caractéristiques uniques de l'hélium le rendent précieux pour de nombreuses applications dans divers secteurs. Cependant, en raison de l'incertitude sur l'approvisionnement futur et de la hausse inévitable des coûts, de nombreuses industries cherchent des alternatives.
La chromatographie en phase gazeuse est l'une de ces applications qui utilise d'autres gaz comme gaz vecteur à la place de l'hélium. Le choix du gaz vecteur dépend de la composition de l'échantillon, mais l'hydrogène est l'un des principaux substituts à l'hélium. Grâce à sa très faible viscosité, l'hydrogène offre la plus grande mobilité de tous les gaz vecteurs, réduisant ainsi le temps d'analyse des échantillons.
Le coût est un autre facteur à prendre en compte lors du choix d'un gaz vecteur alternatif. L'hydrogène, contrairement à l'hélium, peut être produit sur site par électrolyse de l'eau déminéralisée à l'aide d'un générateur d'hydrogène, et ce à la pureté requise pour une analyse efficace. Contrairement au stockage de l'hélium ou de l'hydrogène en bouteilles, un générateur d'hydrogène permet d'accéder à l'hydrogène à la demande, en garantissant que la quantité produite correspond aux besoins de l'application et qu'aucun excédent ne doit être commandé à l'avance.
La sécurité de l'hydrogène est souvent une préoccupation des chercheurs qui cherchent une alternative au gaz vecteur. Les bouteilles de gaz sous pression, qu'elles contiennent de l'hydrogène ou de l'hélium, peuvent présenter un risque pour la sécurité en raison du volume important de gaz stocké. Toutefois, ce risque est atténué par le faible volume de gaz stocké et la technologie de sécurité robuste
References
Gasworld - Qatar mulls Helium 4 plant possibilities
National Geographic - The versatile gas lies at the center of a complex, fragile global market.
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