يعتبر غاز الميثان أحد المركبات الكيميائية البسيطة، وهو نوع من الهيدروكربونات الذي يحمل الصيغة الكيميائية 4HC. وفي شكله النقي، لا يمتلك غاز الميثان أي رائحة.

ومع ذلك، عند استخدامه لأغراض تجارية، غالبًا ما يتم تخلط غاز الميثان بكميات ضئيلة من مركبات الكبريت ذات الرائحة القوية، مثل الإيثيل مركبتان، مما يجعل من السهل تتبع أي تسريبات تحدث.

ما هي مكونات غاز الميثان؟

• يعتبر غاز الميثان أحد مكونات الغاز الطبيعي، وهو يعد من أنواع الوقود الحيوية الهامة.
• عند احتراق كمية واحدة من غاز الميثان في وجود الأكسجين، ينتج جزء من ثاني أكسيد الكربون 2OC وجزئين من الماء O2H.
• يعتبر غاز الميثان أيضًا واحدًا من غازات الاحتباس الحراري، حيث يُعتقد أنه يتمكن من تسخين البيئة بنسبة تصل إلى خمسة وعشرين مرة أكثر من تأثير غاز ثاني أكسيد الكربون.

المصادر الطبيعية لغاز الميثان

يمكن استخراج غاز الميثان من الرواسب الجيولوجية، حيث يوجد مع أنواع أخرى من الوقود الهيدروكربوني. كما يتم الحصول على الغاز من المصادر الطبيعية التالية:

• تحلل المخلفات العضوية.
• المستنقعات، حيث تساهم بنسبة تصل إلى ثلاثة وعشرين بالمائة في إنتاج الغاز.
• وقود الحفريات، الذي يُعزى إليه حوالي عشرين بالمائة من الغاز.
• عملية الهضم في الحيوانات الماشية، مُنتجةً حوالي سبعة عشر بالمائة من الغاز.
• توجد كميات كبيرة من غاز الميثان في قاع البحر، حيث يُعتقد أن هناك احتياطيات هائلة من الغاز الطبيعي المتجمد.
• تشير التقديرات إلى أن احتياطي هيدرات الميثان تحت قاع المحيطات يُعادل حوالي ثلاثة آلاف غيغا طن، مما يمثل ضعف الاحتياطات المتاحة من مصادر الطاقة التقليدية مثل الفحم والنفط.
• لذا تسعى العديد من الدول، بما في ذلك الصين واليابان وكوريا الجنوبية والهند والبرازيل والولايات المتحدة، لاستخراج هيدرات الميثان من أعماق البحار لتلبية احتياجاتها من الطاقة.
• البكتيريا في حقول الأرز تعتبر أيضًا مصدرًا طبيعيًا لغاز الميثان.
• يمكن إنتاج الغاز نتيجة تسخين أو حرق الكتلة الحيوية في ظروف لاهوائية.
• تشير التقديرات إلى أن حوالي ستين بالمائة من انبعاثات غاز الميثان الناتجة عن الأنشطة البشرية، وخاصة الزراعية، قد ارتفعت خلال القرون المئتين الماضية مما أدى لمضاعفة تركيزه في الغلاف الجوي.
• يمكن اعتبار الميثان كتلة حيوية، ويمكن إنتاجه عبر التحلل اللاهوائي لمجموعة متنوعة من المواد العضوية.

المصادر الصناعية لغاز الميثان

يمكن إنتاج غاز الميثان واستخدامه عبر عمليات صناعية من خلال تفاعلات كيميائية مثل تفاعل ساباتيه أو عملية فيشر تروبش.

• وفقًا للتقديرات الأخيرة، فإن الميثان الرسوبي في المحيطات يُعتقد أنه حوالي عشرة آلاف مليار طن.
• تم اقتراح نظريات تفيد بأن هذه الكميات الكبيرة من غاز الميثان يمكن أن تُطلق بشكل مفاجئ، مما قد يؤدي لارتفاع كبير في درجات الحرارة.
• غاز الميثان هو أبسط الهيدروكربونات، حيث يحمل الصيغة الكيميائية 4HC، وفي حالته النقية، لا يكون له رائحة، لكن عند استخدامه تجاريًا، يتم خلطه بكميات قليلة من مركبات الكبريت.

الاحتراق

• توجد مراحل متعددة تتعلق باحتراق غاز الميثان. في البداية، يمكن أن يتحول غاز الميثان إلى الجذر ميثيل، والذي بدوره يمكن أن ينقلب إلى الجذر ميثيل 3HC، الذي يُمكن أن يتحول بعد ذلك إلى فورمالديهايد.
• الفورمالديهايد قد يتحول إلى الجذر فورمال OCH، الذي يصبح أول أكسيد الكربون OC. هذه العمليات تتم أثناء التحلل الحراري التأكسدي.
• بعد إتمام عملية التحلل، يحدث أكسدة 2H لتشكل O2H، مما يطلق حرارة في زمن قياسي أقل من ميلي ثانية.
• وفي النهاية، يتأكسد OC إلى 2OC، مما يُنتج كميات كبيرة من الحرارة، وتحتاج هذه العمليات إلى أوقات مختلفة لتكتمل.

نشاط الهيدروجين

• الرابطة القوية بين الكربون والهيدروجين في غاز الميثان تُعد من أقوى الروابط الهيدروجينية، مما يقيّد استخدامه كمادة أولية في صناعة البتروكيماويات.
• لا يزال البحث مستمراً لاكتشاف طرق مناسبة لتكسير الرابطة بين H-C في غاز الميثان والألكانات منخفضة الوزن الجزيئي.

الهلجنة

• غاز الميثان يمكن أن يتفاعل مع غاز الهالوجينات المتعددة وفق المعادلة الخاصة به.
• في ضوء الشمس غير المباشر، قد يتم ذلك عبر تفاعل استبدالي.

غاز الميثان خارج الأرض

يُعتقد أن غاز الميثان قد تم رصده في عدة مناطق داخل النظام الشمسي، ويُعتقد أن نشأته تعود لعمليات غير عضوية مرتبطة بتطور النظام الشمسي، ومنها:

• كوكب المشتري: يوجد به غلاف جوي يحتوي على حوالي 0.3% من غاز الميثان.
• كوكب المريخ: يحتوي على ما يعادل عشرة أجزاء من البليون (bpp) من الغاز.
• كوكب زحل: يحتوي غلافه الجوي على 4.0% من غاز الميثان، وتحديدًا من قمري أيابيتوس وتيتان.
• كوكب نبتون: بما في ذلك القمر تريتون.
• كوكب أورانوس: بما في ذلك أقمار أريل، ميراندا، أوبيرون، تيتانيا، وأمبريل، بالإضافة إلى المذنبات مثل هالي وهياكوتاكي.
• هناك أيضًا آثار لغاز الميثان في طبقة رقيقة على القمر التابع للأرض، وكذلك في السحب بين النجوم.

استخدامات غاز الميثان

توجد العديد من الاستخدامات التي يعتمد عليها غاز الميثان، منها:

• يمتلك غاز الميثان طاقة اقتصادية فعالة، حيث يمكن استخراجه من مناجم الفحم وأنظمة الزيت والغاز ومواقع النفايات الزراعية.
• في مناجم الفحم، يُستخدم غاز الميثان للحد من مخاطر الانفجارات بإزالته من المناجم قبل وأثناء وبعد عمليات التعدين.
• توجد أيضًا استخدامات أخرى لضخ غاز المناجم في شبكات توزيع الغاز الطبيعي، أو استخدامه لتوليد الطاقة الكهربائية أو كوقود للمركبات.
• يمكن أيضًا تقليل انبعاثات غاز الميثان من مواقع دفن النفايات عبر جمع الغاز الناتج من هذه المواقع وإعادة استخدامه.
• تتركز تكنولوجيا استخدام غاز مناطق الردميات في توليد الطاقة الكهربائية، واستخدام الغاز المباشر، مع إمكانية توزيعه عبر شبكات الأنابيب لوقود المحركات أو التوربينات.