متان چیست؟

به گزارش رکنا، 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.

ساختار مولکول 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.

ویژگی ها و مشخصات گاز متان

    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 گلخانه ای گاز متان

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 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.

تولید گاز 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 متان (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.

متان اتمسفری

باتوجه به فرایند تولید این گاز، اغلب در اعماق زمین و مرداب ها یافت می شود. در صورتی که متان به اتمسفر و سطح زمین راه یابد، آن را «متان اتمسفری» می نامند.

دمای شعله گاز متان

شعله گاز متان آبی کم رنگ، کمی نورانی و تا حد بسیار زیادی داغ است.

واکنش های گاز متان

در دمای اتاق و تحت فشار استاندارد، متان به سادگی در هوا (اکسیژن) می سوزد. آب و کربن دی اکسید فراورده های حاصل از این واکنش هستند.

تجزیه ناشی از اکسیداسیون حرارتی این گاز نیز گازهای خطرناک مونو اکسید کربن (CO) و دی اکسید کربن (CO2) را تولید می کند.

خطرات گاز متان

این گاز اشتعال پذیر بوده و حتما باید دور از حرارت، شعله و جرقه نگهداری شود.

راه ورود آن به بدن، از طریق تماس پوستی یا استنشاق می باشد. با توجه به این که در دسته گازهای خفه کننده ساده جای دارد، استنشاق آن علائم زیر را می تواند به دنبال داشته باشد:

    ضعف

    مسمومیت پوست

    تنفس سریع

    اختلال در بینایی

    ایجاد مشکل در تکلم

    تهوع

    استفراغ

    سرگیجه

    کاهش هوشیاری

    اختلال در حافظه

    بیهوشی

    تشنج

    کما

    و حتی مرگ!

اگرچه این گاز برای چشم و پوست عامل محرک به شمار نمی رود؛ اما گازی خفه کننده است که با بالا رفتن غلظت می تواند جای اکسیژن را گرفته و طبعات جبران ناپذیری را به دنبال داشته باشد.

برای جلوگیری از بروز این مشکلات، حتما در زمان کار با گاز متان از دستکش، عینک، لباس حفاظتی، کفش ایمنی و دستگاه تنفسی استفاده فرمایید.

متان یک ترکیب ناقطبی است و می تواند چربی را در خود حل کند. از این رو در صورت تماس با چشم یا پوست، ناحیه آلوده را با آب فراوان شستشو دهید.

استانداردها

با توجه به خاصیت اشتعال پذیری این گاز، رنگ سیلندر آن اغلب به صورت یکپارچه قرمز است. همین نکته موجب شده است تا شیر سیلندر آن نیز چپ گرد و اغلب از نوع DIN1 یا BS4 باشد.

روش استاندارد برای حمل و نقل سیلندر، استفاده از چرخ دستی یا ترولی حمل سیلندر و مهار کردن آن با زنجیر روی چرخ می باشد.

اطلاعات ایمنی

گاز متان در دمای -136.11 ˚C آتش گرفته و در دمای 537 ˚C به خود اشتعالی می رسد. حد بالا و پایین انفجار این گاز به ترتیب 15 و 5 درصد حجمی می باشد.

در صورت نشتی، به اداره ایمنی و آتش نشانی اطلاع دهید. منابع جرقه و گرما را حذف نمایید. از ابزارهای ضدجرقه و کنترل کننده آن استفاده کنید. برای خنثی کردن آن از اسپری آب کمک گرفته و مانع از حضور افراد غیر در محل شوید.

برای شناسایی آن در مصارف عمومی از مرکاپتان با بوی تخم مرغ گندیده در گاز طبیعی استفاده می شود. اضافه کردن بوی شیمیایی توسط شرکت سازنده یا ترکیب با سولفید هیدروژن از جمله راه های دیگری است که می تواند این بو را ایجاد کرده و در شناسایی نشتی این گاز به مصرف کندگان کمک نماید.

در صورتی که مخازن گاز متان در معرض آتش قرار گرفتند، جریان گاز را قطع کرده و از اسپری آب یا کپسول دی اکسید کربن برای خنک کردن آن ها استفاده نمایید.

در زمان اطفای حریق توجه داشته باشید که حتما در ابتدا جریان گاز را قطع کرده و سپس نسبت به مهار آتش اقدام نمایید. در غیر این صورت، غلظت و تمرکز گاز هر لحظه بیشتر شده و احتمال انفجار و اشتعال مجدد آن نیز افزایش می یابد.

بهترین راه برای اطفا حریق، قطع جریان گاز و استفاده از کپسول تنفسی می باشد.

نحوه نگهداری و حمل و نقل متان

متان در شرایط عادی در حالت گازی است. به همین علت برای ذخیره سازی آن از کربن فعال استفاده می شود. آن را در محوطه ای با تهویه مناسب، هوای خنک و دور از تابش مستقیم نور خورشید نگهداری فرمایید.

این ماده در دمای اتاق، حین انجام کارهای روزمره و در سیلندرهای تحت فشار در بسته پایدار است. این نکته بدین معنا است که در این شرایط پلیمریزاسیون خطرناک رخ نمی دهد.

توجه: با توجه به قابلیت اشتعال پذیری متان، در صورتی که غلظت اکسیژن در محیط بالا باشد، احتمال انفجار وجود دارد. بنابراین آن را دور از مواد و کپسول گازهای اکسیدکننده مانند گاز اکسیژن، نیتروز اکساید، کلرین و پراکسید نگهداری کنید.

با توجه به این که حمل و نقل و انتقال آن به مصرف کننده کمی دشوار و هزینه بردار است، اغلب به یکی از چهار روش زیر انجام می شود:

    خطوط لوله انتقال گاز

    سرد سازی و کاهش حجم گاز طبیعی (روش LNG)

    تبدیل گاز طبیعی به فراورده های هیدروکربوری مایع در فرایند GTL و صادرات این محصولات

    تبدیل گاز طبیعی به محصولات پایه پتروشیمیایی نظیر متانول و آمونیاک و صادرات این محصولات