Метан (CH4) - простейший представитель насыщенных углеводородов, называемых алканами. Это бесцветный газ без запаха, который является основным компонентом природного газа.
История открытия
CH4 (название вещества - метан) был впервые обнаружен в 1776 году итальянским физиком Алессандро Вольта на болотах озера Лаго-Маджоре. В 1778 году Вольта выделил чистый метан и продемонстрировал его воспламенение от электрической искры.
Вольта собирал газ, выделяемый со дна болота, и в 1778 году выделил чистый метан.
В 1813 году сэр Гемфри Дэви изучал состав рудничного газа и показал его качественное тождество болотному газу.
Современное название газ "метан" получил в 1866 году от немецкого химика Августа Вильгельма фон Гофмана, оно произошло от слова "метанол".
Физические и химические свойства:
- Бесцветный газ без запаха
- Молекулярная формула CH4
- Температура кипения при атмосферном давлении -164°C
- Плотность 0,717 кг/м3 при 0°C
- Хорошо горит, выделяя тепло
Метан относится к насыщенным углеводородам и не может вступать в реакции присоединения. Для него характерны реакции радикального замещения, например:
- Хлорирование
- Бромирование
- Нитрование
Концентрация метана в воздухе более 4% взрывоопасна. Чтобы определить утечки газа, в бытовой газ добавляют одоранты со специфическим запахом.
Применение
CH4 (название вещества - метан) широко используется в качестве топлива - для отопления зданий, приготовления пищи, в автомобилях:
- Высокая теплота сгорания - 55,7 кДж/г
- При сжигании выделяется больше энергии на единицу массы по сравнению с другими органическими веществами
- Производит меньше углекислого газа на единицу выделенного тепла по сравнению с другими видами углеводородного топлива
Также перспективно использование метана в жидком виде в ракетных двигателях.
| Преимущества метана как ракетного топлива: |
|
Кроме того, метан применяют как сырье для получения других важных химических веществ, в частности, метанола.
Метан в природе
CH4 (название вещества - метан) широко распространен в природе. Он является основным компонентом природного газа (77-99%) и попутных нефтяных газов (31-90%).
Метан образуется в анаэробных условиях:
- Болота
- Переувлажненные почвы
- Кишечник жвачных животных (биогенный синтез)
CH4 находится в гидратном состоянии на дне морей и в районах вечной мерзлоты. Также CH4 обнаружен в атмосферах планет-гигантов Солнечной системы.
Метан на других планетах
CH4 играет важную роль в астробиологии, поскольку является потенциальным биомаркером. Его наличие может свидетельствовать о существовании внеземной жизни.
На Марсе обнаружены сезонные выбросы CH4, что может указывать на наличие метаногенных микроорганизмов. На Титане - спутнике Сатурна - есть озера и реки из жидкой смеси метана и этана.
CH4: класс алканов
CH4 название вещества относится к классу предельных углеводородов с общей формулой CnH2n+2. Эти соединения называются алканами.
Алканы обладают следующими характерными свойствами:
- Насыщенные углеводороды, не способные к присоединению
- Малая реакционная способность
- Горят с образованием СО2 и Н2О
CH4 - первый и самый простой представитель этого ряда.
Добыча метана
Основными источниками добычи метана являются:
- Природный газ (до 99% состава)
- Попутный нефтяной газ (31-90%)
- Угольные пласты
- Биогаз из отходов сельского хозяйства
Для извлечения метана из этих источников применяются различные технологии:
- Разработка месторождений природного газа
- Переработка и фракционирование попутного нефтяного газа
- Дегазация угольных шахт
- Анаэробное сбраживание биомассы с получением биогаза
Хранение метана
Для хранения больших объемов метан используют в сжиженном виде при низких температурах. Также возможно хранение газа:
- В естественных подземных хранилищах
- В сорбентах (активированный уголь)
- В гидратном состоянии
Безопасное использование
Несмотря на нетоксичность, метан требует соблюдения мер безопасности при использовании:
- Контроль утечек и взрывобезопасность
- Добавление одорантов для обнаружения утечек по запаху
- Мониторинг состава воздуха в замкнутых помещениях
- Средства пожаротушения
Экологические аспекты
Хотя сам метан не токсичен, его влияние на окружающую среду двоякое:
- Парниковый эффект и глобальное потепление
- Альтернатива традиционным видам топлива, снижение выбросов вредных веществ
Необходим комплексный подход к регулированию эмиссии метана с учетом экологических факторов.
Мониторинг выбросов метана
Для оценки влияния метана на окружающую среду необходим регулярный мониторинг его выбросов из различных природных и антропогенных источников:
- Измерение фоновых концентраций в атмосфере
- Контроль выбросов при добыче и транспортировке природного газа
- Мониторинг эмиссии из полигонов ТБО и очистных сооружений
- Оценка выбросов метана при разработке месторождений угля
Снижение эмиссии метана
Для снижения выбросов используются различные методы:
- Применение современного оборудования и технологий добычи/транспортировки
- Улавливание и утилизация шахтного метана
- Сжигание попутного нефтяного газа
- Анаэробная ферментация навоза и отходов
Замена метана другими видами топлива
В перспективе возможна постепенная замена метана в качестве топлива на:
- Водород
- Синтетические углеводороды
- Биотопливо
Однако потребуются значительные капиталовложения в развитие этих отраслей.
Новые области применения метана
Помимо традиционного использования в качестве топлива, метан может применяться:
- Для производства водорода путем паровой конверсии
- В качестве сырья для химической промышленности
- Для получения углеродных наноматериалов
Требуются дополнительные исследования в этих областях.
Разработка новых месторождений метана
Помимо традиционных источников, перспективными для добычи метана являются:
- Газогидраты в многолетнемерзлых породах и на морском дне
- Угольные пласты, непригодные для шахтной добычи
- Сланцевый газ в низкопроницаемых коллекторах
Освоение этих ресурсов требует применения новых технологий:
- Бурение горизонтальных скважин
- Гидроразрыв пласта
- Подземная газификация угля
Повышение эффективности использования метана
Для снижения расхода топлива можно:
- Внедрять системы утилизации тепла на промышленных объектах
- Переходить на когенерацию - комбинированную выработку электроэнергии и тепла
- Строить здания по энергоэффективным технологиям
Международное сотрудничество по вопросам метана
Необходимы скоординированные усилия всех стран для решения проблем, связанных с метаном:
- Глобальный мониторинг выбросов парниковых газов
- Разработка единых стандартов и нормативов выбросов
- Обмен технологиями по эффективному использованию метана
Образование и просвещение в сфере метана
Необходимо повышать осведомленность общества о метане путем:
- Подготовки специалистов в данной области
- Публикации научно-популярной литературы
- Создания тематических информационных ресурсов
