گاز متان (Methane) با فرمول شیمیایی CH4 ساده ترین نوع از آلکان ها (هیدروکربن های سیرشده زنجیری) است که در دسته سوخت های فسیلی جای دارد. به بیان دیگر می توان گفت که این گاز اولین ترکیب از سلسله هیدروکربن های اشباع شده می باشد.
سوختن پاک، دسترسی راحت و فراوان بودن گاز متان از جمله مشخصاتی هستند که باعث محبوبیت بیشتر این گاز شده و موارد استفاده از آن را گسترش داده اند.
خوب است بدانید که متان در زندگی روزمره ما به طور مستقیم دخیل بوده و کاربرد فراوانی دارد. بیش از 97% از گاز طبیعی و سوخت شهری از این گاز تشکیل شده است. به همین علت از آن به عنوان ترکیب اصلی گاز طبیعی نیز یاد می شود.
اتم های تشکیل دهنده گاز متان
مولکول متان در واقع متشکل از دو نوع اتم است که با ساختار مشخصی در کنار هم قرار گرفته اند. به همین علت نمی توان عنوان عنصر را به آن اختصاص داد. وجود بیش از یک نوع اتم در ساختار مولکولی این گاز، آن را به یک ترکیب شیمیایی ساده اما بسیار کاربردی تبدیل نموده است.
نوع اتم های گاز متان چیست؟
گاز متان از کنار هم قرار گرفتن یک نوع اتم کربن و چهار اتم هیدروژن به دست می آید. زمانی که یک اتم کربن همراه با چهار اتم هیدروژن در یک مولکول با ساختار مشخص قرار داشته باشد، می توان آن را متان نامید.
شکل مولکول و پیوندها
مولکول متان به شکل یک چهار وجهی منتظم است. در این ساختار اتم کربن در مرکز قرار گرفته و اتم های هیدروژن در اطراف آن با زاویه 109.47 درجه به عنوان رئوس این چهار وجهی قرار گرفته اند.
پیوند میان این اتم ها کووالانسی است؛ این نکته بدین معنا است که یک جفت الکترون اشتراکی میان هر یک از اتم های هیدروژن با اتم کربن مرکزی می باشد.
تاریخچه
تاریخچه استفاده از این گاز به چندین هزار سال قبل برمی گردد. در سال 1778 هنگام بررسی گازهای مرداب لاک ماجیور، یک فیزیکدان ایتالیایی به نام آلساندرو ولتا آن را کشف کرد.
در حدود سال 940 قبل از میلاد، مردم از نی های تو خالی برای استخراج گاز طبیعی و رساندن آن به محل خشکی استفاده می کردند. این کار به آن ها در جوشاندن آب دریا و استحصال کمک می کرد.
حفر چاه های گاز در حدود سال 600 قبل از میلاد نیز گزارش شده است. حتی به گفته برخی از صاحب نظران نیز، چینی ها چاه های گاز را تا عمق 600 حفر می کردند.
این کار تنها به این ملیت محدود نشده و سایر تمدن های باستانی نیز متوجه خروج گاز از زمین شده بودند و حتی می دانستند که قابل سوختن و اشتعال پذیر است.
این شعله های جاودان برای مردم پر رمز و راز بوده و احترام آن ها را به خود جلب کرده بود. از این رو معابدی برای محصور نگه داشتن این شعله ها و نمایش آن به بازدیدکنندگان بنا شد. همچنین گزارش های مختلفی از ستون های آتش و آبی جوشان و سحر آمیز ثبت شده است که می توانند همانند روغن شعله ور شوند.
با وجود تمام این ها، اهمیت اصلی گاز طبیعی و متان در زندگی بشر و کاربرد آن ها به عنوان سوخت از اواخر قرن 20 مشخص شد. در این بازه زمانی، این گاز به منبع مهم و حیاتی برای تامین انرژی در جهان صنعتی تبدیل شد. همین نکته تا حد زیادی روی توسعه اقتصادی در جهان و گسترش نیاز صنایع مختلف به خرید گاز متان تاثیرگذار بوده است.
در حال حاضر به دلیل افزایش گاز اکسیژن، مقدار متان کاهش یافته و غلظت آن در نیمکره شمالی زمین بیشتر است. لازم به ذکر است که این غلظت ها به طور مستقیم با تغییرات فصلی در ارتباط هستند و همزمان با تغییرات آب و هوایی، شاهد تغییر غلظت گازها نیز هستیم.
مشخصات و ویژگی ها
- بدون بو
- بی رنگ
- بسیار فرار
- قابل اشتعال در هوا
- خفه کننده و اختقان آور
- سبک تر از هوا
- قدرت نفوذ بیشتر از هوا
- دارای بیشترین سازگاری با محیط زیست
- تقریبا نامحلول در آب (حلالیت جزئی)
- وزن مخصوص 554.0
- چگالی 655.6 µg/ml
- چگالی نسبی 0.4
- چگالی بخار 544 در 0˚C
- جرم مولی (وزن مولکولی) 16.04 g/mol
- نقطه ذوب -182.5 ˚C
- نقطه جوش -161.5 ˚C
- در حالت مایع سبک تر از آب
- انحلال پذیری در آب 22.7 mg/L
کاربرد گاز متان چیست؟
متان فراوان ترین ترکیب روی زمین است، به همین علت سوختی بسیار اقتصادی و مقرون به صرفه برای توربین، خودرو، فر و … به شمار می رود. به کار گیری توربین ها و تولید برق از جمله دیگر موارد استفاده از گاز متان است.
برخی دیگر از موارد کاربرد گاز متان در صنایع مختلف به شرح زیر است:
- به عنوان گاز شهری برای پخت و پز و گرمایش منازل
- نقش کلیدی در تولید گاز هیدروژن با مقادیر بالا
- در تولید آمونیاک برای ساخت کودها و مواد منفجره
- به عنوان سوخت در توربین گاز یا دیگ بخار
- در فرایند تولید برق و انرژی
- به عنوان سوخت خودرو، راکت و موشک
- برای نشت یابی و به عنوان شناساگر در نیروگاه ها
- در سنتز بعضی از مواد شیمیایی مثل استیلن، اسید استیک، حشره کش ها و …
- به عنوان نقطه مرجع برای اندازه گیری PCI هیدروکربن ها و زغال سنگ
- برای تولید متانول در مقیاس آزمایشگاهی (از طریق اکسایش متان)
- به عنوان سوخت در صنایع پتروشیمی همراه با گاز پروپان تحت عنوان (P.G-گاز مایع) جهت تولید انرژی
- با خلوص بالا و یا مخلوط با گاز آرگون در دستگاه های شناسایی و آنالیز مواد، به عنوان مثال فلوئورسانس اشعه ایکس (XRF)
تاثیر این گاز به عنوان یک گاز گلخانه ای
این گاز توانایی جذب گرمای بالایی دارد و به همین علت اثر گلخانه ای آن در مقایسه با کربن دی اکسید، بیشتر است. از طرف دیگر، میزان گاز کربن دی اکسید در هوا نسبت به متان بیشتر می باشد. از این رو دی اکسید کربن به عنوان یک گاز گلخانه ای و عامل اصلی اثر گلخانه ای شناخته شده و گاز متان عنوان دومین گاز تاثیرگذار در افزایش اثر گلخانه ای را به خود اختصاص داده است.
تولید گاز متان
این گاز در زمین به صورت طبیعی وجود داشته و از طریق یک سری فرایندهای شیمیایی تولید می شود. گاز متان در کنار بعضی از هیدروکربن ها و در برخی از مواقع گاز نیتروژن و هلیوم، گاز طبیعی را تشکیل می دهد.
برای تولید گاز متان به باقی مانده نباتی یا حیوانی یا زغال سنگ نیاز است. این گاز فراورده پایانی تجزیه غیرهوازی گیاهان است که در معادن زغال سنگ نیز به عنوان گاز قابل احتراق و منفجرشونده شناخته می شود.
برای تولید نمونه خالص آن نیز باید گاز طبیعی را به صورت جزء به جزء تقطیر کرد تا بر اساس اختلاف نقطه جوش اجزای مختلف آن از هم تفکیک شوند. اگرچه تولید متان خالص نیازمند استفاده از گاز طبیعی می باشد، با این حال همچنان کاربرد اصلی آن به عنوان سوخت بوده و تولید متان در اولویت دوم قرار دارد.
روش دومی که برای تولید این گاز وجود دارد، تجزیه بدون هوا یا بی هوازی مواد آلی مانند کود شیمیایی، آب پسماند، پسماندهای جامد شهری و سایر مواد قابل زیست تجزیه شدنی می باشد. همچنین از طریق یکی از روش های دفع زباله به نام کمپوست منیز امکان تولید آن وجود دارد.
متان مورد نیاز برای مصارف صنعتی را نیز می توان از برخی واکنش های شیمیایی میان گازهای موجود در جو و هیدروژن به دست آورد. واکنش میان سدیم استات و سود از جمله این واکنش ها می باشد.
متان در طبیعت
نزدیک به 40% از کل میزان گاز متان در تالاب ها و مرداب ها یافت می شود. 60% مابقی آن، از طریق سوزاندن مواد سوختنی و پرورش دام تامین می شود. شاید برایتان جالب باشد که بدانید فرایندهای هوازی برخی از حیوانات و گیاهان، بخش دیگری از متان موجود در طبیعت را تولید می کند.
همچنین موریانه ها و فرایند هضم غذا، آتشفشان ها، دریچه های کف اقیانوس و رسوبات هیدرات متان (موجود در حاشیه قاره، زیر یخ قطب جنوب و یخ زدگی قطب شمال) نیز از جمله دیگر منابع متان در طبیعت هستند.
ترکیبات متان
این گاز تنها به صورت خالص در صنعت کاربرد ندارد و در برخی از موارد نیز به صورت ترکیب با گازهای دیگر به کار می رود. از جمله ترکیب های کاربردی متان می توان به گاز کالیبراسیون P10 اشاره کرد. این گاز از ترکیب 10% متان و 90% آرگون به دست می آید و در دستگاه های XRF کاربرد دارد.
گاز LEL50% ترکیب دیگری از این گاز است که حاوی 2.5% متان در گاز هوای خشک ای همان Z-Air می باشد. این ترکیب به عنوان مخلوط گاز در شناساگرهای گازی در نیروگاه ها، خطوط انتقال گاز و تست نشت یابی در معادن بیشتری کاربرد را دارد.
گاز مرداب
همان طور که پیش از این نیز اشاره کردیم، متان نوعی سوخت فسیلی است که با گذشت سالیان طولانی و در اثر تجزیه و پوسیده شدن مواد آلی به دست می آید. علاوه بر این، فساد گیاهان در مرداب ها یکی دیگر از مواردی است که به تولید گاز متان در طبیعت منجر می شود.
همین نکته موجب شده است تا از این گاز با عناوین دیگری نظیر «گاز مرداب»، «گاز باتلاق» یا «بیو گاز» نیز یاد شود.
لازم به ذکر است که تمام گاز موجود در این مرداب ها متان نیست و تنها حدود 60 تا 70 درصد آن را تشکیل می دهد. با این حال، این رقم نیز درصد قابل قبول و خوبی است که آن را در لیست منابع انرژی تجدیدپذیر جای داده است.
با توجه به نکته ذکر شده می توان نتیجه گرفت که تولید متان به روش بیولوژیک به مرور زمان باعث جایگزین شدن آن با استخراج منابع انرژی تجدیدناپذیر می شود.
بوی خاصی که در محیط اطراف مرداب ها به مشام می رسد، به گاز متان ارتباطی ندارد. این گاز کاملا فاقد بو می باشد. گاز مرداب حاوی گاز دیگری به نام سولفید هیدروژن نیز می باشد که بوی خاصی داشته و سمی است. این همان گازی است که در سیستم فاضلابی هم به مشام می رسد.
