Рассмотрим в статье, что такое метан, его применение, характеристики и свойства. Химическая формула: СН4 (один атом углерода скреплен четырьмя атомами водорода). Газ содержится в атмосфере земли, и поскольку он один из наиболее парниковых, то его высокая концентрация может приводить к изменению климата. Он образуется в том числе в результате анаэробного разложения органических веществ в природе. Именно за это его называют «болотный газ». Выделяется со дна стоячих водоемов в результате гниения ила и других остатков растительного и животного происхождения. Встречается в твердом состоянии в виде гидратов природных газов, или клатратов, — кристаллических соединений, образующихся при определённых термобарических условиях из воды и газа.
Естественные источники метана
- Болота и трясины. Микроорганизмы, проживающие в воде и грязи, разлагают органический материал в условиях низкого содержания кислорода, что приводит к выделению метана.
- Желудок крупного рогатого скота. Рубец содержит микроорганизмы, способные разлагать пищу и выделять метан в процессе пищеварения.
- Океаны. Газ выделяется с его поверхности в результате разложения органического материала.
Также важную роль в глобальном цикле углерода и климатических изменениях играют грунт, вулканы, растения, морские отложения, термокарстовые озера, образующиеся в результате таяния многолетней мерзлоты, колонии термитов и сжигание биомассы в результате пожаров.
Как метан получают в промышленности?
Метан получают в промышленности несколькими способами:
- Извлечение из природного газа. После добычи он подвергается процессу очистки и отделения от других компонентов, таких как этилен и пропан. Очищенный метан может быть использован в различных отраслях промышленности.
- Анаэробное биологическое разложение. Этот процесс используется для получения метана из органического материала, такого как животные отходы, сточные воды и органические отходы пищевой промышленности. Их разложение в специальных реакторах без доступа кислорода приводит к выделению метана в виде биогаза.
- Газификация каменного угля. Этот процесс включает нагрев угля до очень высоких температур в отсутствие кислорода. В результате происходит химическая реакция. Образуется синтез-газ, содержащий метан. Он очищается и используется в различных промышленных процессах.
- Гидраты метана. Образуются при очень низкой температуре и высоком давлении на дне океана или в перманентно замороженных почвах. Метан может быть извлечен из гидратов и использован в качестве энергетического источника.
Физические свойства
- Без цвета и без запаха.
- Легче воздуха и может подниматься вверх. Плотность равна 0,717 кг/м3. При содержании метана 98-99 % плотность природного газа составляет 0,72 кг/м3.
- Высокая горючесть. Нижний концентрационный предел воспламенения метана в воздухе составляет 4,4% по объему, верхний — 17%. Взрывоопасная концентрация в воздухе находится в диапазоне от 4,4 до 17%. Это предельно допустимые уровни.
- Очень низкая температура кипения (-161,5 °C), поэтому он хранится и транспортируется в специальных изоляционных сосудах.
- Низкая растворимость в воде: около 30 л на 1 м3 при нормальных условиях.
- Высокая теплопроводность 0,0361 Вт/(м·К) при 50 °C и атмосферном давлении 1 атм.
- Токсичность. В высоких концентрациях метан может быть опасным для здоровья, так как вызывает кислородное голодание и удушье.
- Влияние на климат. Один из главных парниковых газов, способствующих глобальному потеплению.
Для чего используют метан?
Газ широко используется в различных сферах применения, включая:
- Энергетика. Один из основных компонентов природного газа, который используется для производства электроэнергии и тепла. Он применяется в генераторах и котельных установках для обеспечения энергией домов, предприятий и индустрии.
- Транспорт. Газ может использоваться в качестве топлива для автомобилей, автобусов и грузовиков. Это позволяет снизить выбросы вредных веществ, уменьшить расходы и сократить зависимость от нефти.
- Промышленность. Востребован в различных процессах, включая производство химических веществ, стекла, керамики и других материалов. Применяется для сварки и резки металлов в силу способности к горению.
- Сельское хозяйство. В новых биотехнологиях метан используется для повышения урожайности культур. С помощью газа получают биостимуляторы, которые увеличивают сопротивляемость растений грибам, вирусам, бактериям и нематодам, а также способствуют ускоренной выработке гормонов роста. Все это позволяет сократить потребности в азотных удобрениях.
- Научные исследования. Например, метан используется в анализе состава атмосферы и изучении климатических изменений.
- Домашнее использование. Используется в бытовых газовых плитах и котлах для обогрева домов и приготовления пищи.
Это лишь некоторые из сфер применения метана, и его потенциал все еще исследуется и расширяется.
Парниковый эффект
После водяного пара и двуокиси углерода (СО) метан третий по значимости парниковый газ в атмосфере Земли. Парниковый эффект — это явление, при котором атмосфера Земли задерживает тепло, излучаемое поверхностью планеты, и создает тепловую изоляцию. Это позволяет поддерживать жизнеспособные условия на Земле.
Метан имеет высокий потенциал прогрева воздуха. Он способен задерживать в атмосфере больше тепла, чем углекислый газ, но его концентрация в атмосфере значительно ниже. Основными источниками метана являются растительный и животный метаболизм, а также различные антропогенные деятельности, такие как сельское хозяйство, скотоводство, отходы и нефтяная промышленность.
Увеличение концентрации метана в атмосфере приводит к усилению парникового эффекта. Это может привести к изменению климата, включая увеличение температуры поверхности Земли, изменение осадков и уровня морей, а также другим негативным последствиям для экосистем и человеческого здоровья.
Поэтому контроль концентрации метана в атмосфере — важная задача для снижения воздействия парниковых газов на климат и борьбы с его изменением. Это может быть достигнуто путем сокращения выбросов метана в атмосферу, улучшения эффективности использования энергии, применения более экологически чистых технологий и управления отходами.