يُعتبر غاز الميثان أحد المركبات الكيميائية البسيطة في مجموعة الهيدروكربونات، وله الصيغة الكيميائية 4HC. عادةً ما يكون الميثان النقي عديم الرائحة، إلا أنه يتم إضافة كميات ضئيلة من مركبات الكبريت ذات الروائح القوية عند استخدامه تجاريًا، مما يسهل تتبع أي تسرب قد يحدث.
ما هو تكوين غاز الميثان؟
- غاز الميثان هو مكون رئيسي من الغاز الطبيعي ويُعتبر من أنواع الوقود الهامة.
- عند حرق غاز الميثان بوجود الأكسجين، ينتج جزء من ثاني أكسيد الكربون 2OC، وجزئين من الماء O2H.
- يُصنف غاز الميثان كأحد غازات الاحتباس الحراري، حيث يمتلك القدرة على تسخين الجو بما يقارب خمسة وعشرين مرة، وهو أكثر تأثيرًا من غاز ثاني أكسيد الكربون.
المصادر الطبيعية لغاز الميثان
يمكن الحصول على غاز الميثان من الرواسب الجيولوجية المرتبطة بأنواع مختلفة من الوقود الهيدروكربوني. وتشمل المصادر الطبيعية ما يلي:
- تحلل المخلفات العضوية.
- المستنقعات، والتي تشكل حوالي 23% من المصادر.
- الوقود الأحفوري، ويشكل نحو 20%.
- عملية الهضم في الماشية بمتوسط 17%.
- تحت قاع البحر، حيث تتواجد كميات كبيرة من الغاز الطبيعي المجمد.
- تقديرات الخبراء تشير إلى أن احتياطي هيدرات الميثان تحت قاع المحيطات يبلغ نحو 3000 جيجا طن، أي حوالي 3 مليارات كيلوغرام، وهو ما يمثل ضعف الاحتياطات المتاحة في المصادر التقليدية مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي.
- تسعى دول مثل الصين واليابان وكوريا الجنوبية والهند والبرازيل والولايات المتحدة إلى استخراج هيدرات الميثان من أعماق البحار لتلبية احتياجاتها من الطاقة.
- أخيرًا، البكتيريا في زراعات الأرز تُعتبر أيضًا مصدرًا لغاز الميثان.
- الإحتراق الهوائي للكتلة الحيوية ينجم عنه انبعاثات غاز الميثان، حيث تشير البيانات إلى أن 60% من هذه الانبعاثات ناتجة عن الأنشطة البشرية، وبصفة خاصة الزراعة.
المصادر الصناعية لغاز الميثان
يمكن إنتاج غاز الميثان صناعيًا من خلال تفاعلات كيميائية مثل تفاعل ساباتيه وعملية فيشر-تروبش. على الرغم من أن التقديرات تشير إلى وجود غاز الميثان في شكل رسوبي في المحيط، فإن هذه الكميات قد تُقدَّر بحوالي 10,000 مليار طن.
- تشير النظريات إلى أن كميات غاز الميثان الكبيرة قد تطلق فجأة، مما يؤدي إلى ارتفاعات كبيرة في درجات الحرارة.
- غاز الميثان هو أبسط الهيدروكربونات، وصيغته الكيميائية 4HC، ويُستخدم بشكل واسع في التطبيقات التجارية بعد مزجه بمركبات الكبريت المميزة للرائحة.
- تساعد مركبات الكبريت أيضًا في تتبع آثار غاز الميثان في حالة التسريبات.
الإحتراق
- تمر عملية احتراق غاز الميثان بعدة خطواتفهو يتحول أولاً إلى جذر الميثيل ثم يتأكسد إلى الجذر 3HC، ليسفر عن إنتاج الفورمالديهايد.
- قد يتحول الفورمالديهايد بدوره إلى الجذر فورمال OCH، مما ينتج أول أكسيد الكربون OC.
- تتم هذه العمليات بسرعة كبيرة، وفي أقل من ميلي ثانية يكتمل التحلل والتفاعل.
- بعد الانتهاء من العملية، يُستخدم OC ويتحول إلى 2OC، مما يؤدي إلى إنتاج قدر كبير من الحرارة، على الرغم من أن تلك الخطوة تستغرق مزيدًا من الوقت.
تنشيط الهيدروجين
- تعتبر الروابط بين الكربون والهيدروجين في غاز الميثان من أقوى الروابط الهيدروجينية، مما يعرض استخدامها كمواد أولية في صناعة البتروكيماويات لبعض القيود.
- ويستمر البحث عن وسائل فعالة لتكسير الروابط بين H-C في غاز الميثان والألكانات الأخرى.
الهلجنة
- يمكن أن يتفاعل غاز الميثان مع الهالوجينات المتعددة بحسب المعادلة العامة، حيث يُعتبر التفاعل استبدالاً يحدث في ضوء الشمس غير المباشر.
غاز الميثان في الفضاء
هناك اعتقاد بأن غاز الميثان تم تحديده في عدة مناطق في النظام الشمسي، حيث يُعتقد أن وجوده يعود إلى عمليات غير عضوية مرتبطة بتطور النظام الشمسي:
- كوكب المشتري: والذي يحتوي غلافه الجوي على حوالي 0.3% من غاز الميثان.
- المريخ: حيث يحتوي على حوالي 10 أجزاء من البليون (bpp).
- كوكب زحل: الذي يحوي غلافه الجوي على 4.0% من غاز الميثان، بما في ذلك أقمار أيابيتوس وتيتان.
- كوكب نبتون، الذي يحتوي على قمر تريتون.
- كوكب أورانوس، مع أقمار مثل أريل وميراندا وأوبيرون وتيتانيا وأمبرلي، بالإضافة إلى مذنبات هالي وهيكوتاكي.
- توجد أيضًا آثار لغاز الميثان في الغلاف الرقيق للقمر التابع للأرض، بالإضافة إلى اكتشافات عديدة لوجوده في السحب بين النجوم.
استخدامات غاز الميثان
غالبًا ما يُستخدم غاز الميثان للعديد من الأغراض:
- يعتبر مصدرًا موثوقًا ومربحًا للطاقة ويتواجد في مناجم الفحم وأنظمة الزيت والغاز والمواقع المخصصة لردم النفايات وسماد الحيوانات.
- في مناجم الفحم، يُستخدم غاز الميثان لتقليل مخاطر الانفجارات، حيث يتم إزالة الغاز من المناجم قبل وأثناء وبعد عمليات التعدين.
- تُتاح أيضًا استخدامات أخرى مربحة للغاز من المناجم، مثل حقن الغاز في شبكات توزيع الغاز الطبيعي أو استخدامه في توليد الطاقة الكهربائية أو كوقود للمركبات.
- في مناطق ردميات النفايات، يُمكن تقليل انبعاثات غاز الميثان عبر إدارة فعالة للنفايات، مما يتضمن جمع وحرق الغاز الناتج.
- تُركز تكنولوجيا استخدام الغاز من مناطق الردميات على توليد الطاقة الكهربائية أو الاستخدام المباشر للغاز، من خلال توزيعه عبر شبكات الأنابيب واستخدامه كوقود للمولدات أو التوربينات.