غاز الميثان هو أحد المركبات الكيميائية البسيطة في مجموعة الهيدروكربونات، وله الصيغة الكيميائية 4HC. الميثان النقي عادة ما يكون عديم الرائحة، ولكن تتم إضافة كميات ضئيلة من مركبات الكبريت ذات الرائحة القوية عند استخدامه تجاريا، مما يسهل تتبع أي تسرب قد يحدث.
ما هو تكوين غاز الميثان؟
- يعد الميثان أحد المكونات الرئيسية للغاز الطبيعي وهو وقود مهم.
- عند احتراق الميثان في وجود الأكسجين، يتم إنتاج جزء واحد من ثاني أكسيد الكربون (2OC) وجزئين من الماء (O2H).
- ويصنف الميثان ضمن الغازات الدفيئة، حيث أن له القدرة على تسخين الغلاف الجوي حوالي خمسة وعشرين مرة، وهو أكثر فعالية من ثاني أكسيد الكربون.
المصادر الطبيعية لغاز الميثان
يمكن الحصول على الميثان من الرواسب الجيولوجية المرتبطة بأنواع مختلفة من الوقود الهيدروكربوني. المصادر الطبيعية تشمل:
- تحلل النفايات العضوية.
- المستنقعات والتي تشكل حوالي 23% من المصادر.
- الوقود الأحفوري ويمثل حوالي 20%.
- تبلغ نسبة الهضم في الماشية 17%.
- تحت قاع البحر، حيث توجد كميات كبيرة من الغاز الطبيعي المتجمد.
- وتشير تقديرات الخبراء إلى أن احتياطي هيدرات الميثان تحت قاع المحيط يصل إلى نحو 3000 جيجا طن، أي حوالي 3 مليارات كيلوغرام، وهو ما يمثل ضعف الاحتياطيات المتوفرة في المصادر التقليدية مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي.
- وتسعى دول مثل الصين واليابان وكوريا الجنوبية والهند والبرازيل والولايات المتحدة إلى استخراج هيدرات الميثان من أعماق البحار لتلبية احتياجاتها من الطاقة.
- وأخيرًا، تعد البكتيريا الموجودة في محاصيل الأرز أيضًا مصدرًا لغاز الميثان.
- وينتج عن الاحتراق الهوائي للكتلة الحيوية انبعاث غاز الميثان، وتشير البيانات إلى أن 60% من هذه الانبعاثات تنتج عن الأنشطة البشرية، وخاصة الزراعة.
المصادر الصناعية للميثان
يمكن إنتاج الميثان صناعيا من خلال التفاعلات الكيميائية مثل تفاعل ساباتييه وعملية فيشر تروبش. وعلى الرغم من أن التقديرات تشير إلى وجود الميثان في شكل رسوبي في المحيط، إلا أن هذه الكميات قد تقدر بحوالي 10.000 مليار طن.
- وتشير النظريات إلى أنه يمكن إطلاق كميات كبيرة من غاز الميثان فجأة، مما يؤدي إلى ارتفاع كبير في درجات الحرارة.
- غاز الميثان هو أبسط الهيدروكربونات، وصيغته الكيميائية 4HC، ويستخدم على نطاق واسع في التطبيقات التجارية بعد خلطه مع مركبات الكبريت ذات الرائحة المميزة.
- تساعد مركبات الكبريت أيضًا على تتبع آثار الميثان في حالة حدوث تسرب.
الاحتراق
- تمر عملية احتراق غاز الميثان بعدة خطوات. يتم تحويله أولاً إلى جذر الميثيل ومن ثم أكسدته إلى جذر 3HC، مما يؤدي إلى إنتاج الفورمالديهايد.
- قد يتحول الفورمالديهايد بدوره إلى OCH الجذري الرسمي، وينتج أول أكسيد الكربون (OC).
- تحدث هذه العمليات بسرعة كبيرة، وفي أقل من مللي ثانية يكتمل التحلل والتفاعل.
- بعد الانتهاء من العملية، يتم استخدام OC وتحويله إلى 2OC، مما ينتج عنه كمية كبيرة من الحرارة، على الرغم من أن هذه الخطوة تستغرق وقتًا أطول.
تفعيل الهيدروجين
- تعتبر روابط الكربون والهيدروجين الموجودة في الميثان من بين أقوى الروابط، مما يعرض استخدامه كمادة خام في صناعة البتروكيماويات مع بعض القيود.
- يستمر البحث عن وسائل فعالة لكسر روابط HC في الميثان والألكانات الأخرى.
أيون الهالوجين
- يمكن لغاز الميثان أن يتفاعل مع الهالوجينات المتعددة حسب المعادلة العامة، حيث يكون التفاعل عبارة عن استبدال يحدث في ضوء الشمس غير المباشر.
غاز الميثان في الفضاء
هناك اعتقاد بأنه تم التعرف على غاز الميثان في عدة مناطق في النظام الشمسي، حيث يعتقد أن وجوده يرجع إلى عمليات غير عضوية مرتبطة بتطور النظام الشمسي:
- المشتري: يحتوي غلافه الجوي على حوالي 0.3% من الميثان.
- المريخ: يحتوي على حوالي 10 أجزاء في المليار (bpp).
- زحل: يحتوي غلافه الجوي على 4.0% غاز الميثان، ومن ضمنه قمريه أبيتوس وتيتان.
- كوكب نبتون الذي يحتوي على القمر تريتون.
- كوكب أورانوس، وله أقمار مثل آرييل وميراندا وأوبيرون وتيتانيا وأمبرلي، بالإضافة إلى مذنبات هالي وهيكوتاكي.
- كما توجد آثار للميثان في الغلاف الجوي الرقيق لقمر الأرض، بالإضافة إلى اكتشافات عديدة لوجوده في السحب بين النجوم.
استخدامات غاز الميثان
غالبًا ما يستخدم غاز الميثان لأغراض عديدة:
- إنه مصدر موثوق ومربح للطاقة ويوجد في مناجم الفحم وأنظمة النفط والغاز ومواقع دفن النفايات والسماد الحيواني.
- في مناجم الفحم، يتم استخدام غاز الميثان لتقليل مخاطر الانفجارات، حيث يتم إزالة الغاز من المناجم قبل وأثناء وبعد عمليات التعدين.
- كما أن هناك استخدامات أخرى مربحة للغاز من المناجم، مثل حقن الغاز في شبكات توزيع الغاز الطبيعي أو استخدامه لتوليد الطاقة الكهربائية أو كوقود للمركبات.
- وفي مناطق دفن النفايات، يمكن تقليل انبعاثات غاز الميثان من خلال الإدارة الفعالة للنفايات، والتي تشمل جمع الغاز الناتج وحرقه.
- وتركز تقنية استخدام الغاز من مناطق الردم على توليد الطاقة الكهربائية أو استخدام الغاز بشكل مباشر، من خلال توزيعه عبر شبكات الأنابيب واستخدامه كوقود للمولدات أو التوربينات.