ما هو غاز الميثان؟
الميثان (CH4) هو غاز عديم اللون والرائحة يستخدم عادة كوقود - المكون الرئيسي للغاز الطبيعي. إنه هيدروكربون ، وبالتالي فهو عضوي بطبيعته. وهو أيضًا أحد الغازات التي ينشأ عنها الكربون والتي تلعب دورًا رئيسيًا في تأثير الاحتباس الحراري. كما تدعي وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) ، فإن 10 بالمائة من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ناتجة عن استخدام غاز الميثان. الغاز أخف من الهواء ويمكن أن يكون في شكل غازي فقط.
إنه شكل من أشكال الوقود الأحفوري الذي يحدث بشكل طبيعي تحت سطح الأرض كمنتج نهائي للتحلل اللاهوائي بواسطة الميثانوجينات ، حيث يوجد مع أنواع الوقود الأحفوري الأخرى مثل الفحم والنفط. يمكن أيضًا إنتاج غاز الميثان في المختبر عن طريق تسخين خليط من إيثانوات الصوديوم وجير الصودا.
نظرًا لنوعية وكمية الهيدروكربونات ، فهو غاز سريع الاشتعال. يحترق بسهولة في الهواء مع لهب شاحب غير مضيء من خلال التفاعل مع الأكسجين لإصدار ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء والكثير من الحرارة. تسعى هذه المقالة إلى تسليط الضوء على مصادر واستخدامات وتأثيرات غاز الميثان.
مصادر غاز الميثان
1. الوقود الأحفوري
الوقود الأحفوري هو إلى حد بعيد أكبر مصدر للطاقة في العالم - يستخدم لقيادة المحركات في السيارات والتوربينات والآلات الأخرى. يُستخرج الوقود الأحفوري من المواد العضوية المتحللة التي تحللت على مدى ملايين السنين تحت حرارة شديدة مما أدى إلى تفكك المادة وتحويلها إلى وقود.
ونتيجة لذلك ، فهي تتكون أساسًا من الكربون ، وهو مصدر رئيسي لغاز الميثان. يحدث غاز الميثان بشكل طبيعي تحت سطح الأرض ، ولأنه في شكل غازي ، فليس من السهل احتجازه أو استخراجه. يتم إنتاجه من الهيدروكربونات الأخرى في الحالة السائلة والصلبة مثل النفط والفحم ، على التوالي.
2. الأراضي الرطبة
قد تؤثر الأراضي الرطبة الاصطناعية مثل السدود والبرك على وجود غاز الميثان. تنتج الأراضي الرطبة حوالي 30٪ من انبعاثات الميثان ، بما في ذلك البرك والبحيرات والأنهار. من الشائع أن نجد أن مثل هذه المناطق قد أزيلت من الغطاء النباتي لاستعادتها للبناء. بعد ذلك ، تستمر المادة العضوية الميتة في التحلل في قاعدة هذه الهياكل مما يؤدي إلى إنتاج غاز الميثان في الماء.
يؤدي وجود الماء وقلة الهواء الطلق النقي إلى إعاقة عملية تعفن المادة العضوية الميتة. عملية التحلل هذه هي التي تؤدي إلى توليد غاز الميثان في قاع الأراضي الرطبة. الأراضي الرطبة التي تحدث بشكل طبيعي لها نفس التأثير.
3. النمل الأبيض
النمل الأبيض مصدر طبيعي مهم للميثان. ينتج كل نمل أبيض كميات صغيرة من الميثان على أساس يومي. ولكن عندما يتضاعف عدد النمل الأبيض في العالم ، تتراكم انبعاثاته ، مما ينتج عنه إجمالي 23 مليون طن من الميثان سنويًا.
أثناء عملية الهضم الطبيعية للنمل الأبيض ، يتم إنتاج الميثان. يأكل النمل الأبيض السليلوز ولكنه يعتمد على الكائنات الحية الدقيقة في أمعائه لهضمه. تنتج هذه الكائنات الدقيقة غاز الميثان أثناء العملية ، والذي يمثل 12٪ من انبعاثات الميثان الطبيعية.
4. المحيطات
المحيطات هي مصدر طبيعي مهم آخر للميثان. الميكروبات المنتجة للميثان والتي تعيش في المحيط تخلق هذه الانبعاثات. هذا يخلق 10٪ من انبعاثات غاز الميثان الطبيعي. على الصعيد العالمي ، تنتج المحيطات 19 مليون طن من الميثان سنويًا.
غالبًا ما يتم إنتاج انبعاثات غاز الميثان المحيطية في طبقات الرواسب العميقة في المناطق الساحلية المنتجة. هذا يمثل 75٪ من انبعاثات غاز الميثان في المحيط. يختلط الميثان الناتج عن هذه الميكروبات بالمياه المحيطة. بعد مرور بعض الوقت ، تنبعث من سطح المحيط في الغلاف الجوي.
5. التسميد
يعتبر التركيب من أكثر الطرق الموصى بها للتخلص من النفايات ، خاصة بالنسبة للنفايات العضوية. يتضمن التسميد وضع أنواع مختلفة من المواد العضوية في طبقات لإعادة تدوير النفايات وإعادتها إلى الأرض بطريقة آمنة وودية.
وبالتالي ، يؤدي خليط المواد العضوية الميتة إلى إنتاج غاز الميثان في الغلاف الجوي. ومع ذلك ، فإن عملية التسميد تطلق كميات صغيرة من الغاز مقارنة بمصادر الغاز الأخرى ، وبالتالي فهي ليست خطرة.
6. تربية الماشية
تنتج تربية الماشية 90 مليون طن من الميثان سنويًا ، وبينما يربي البشر الحيوانات المجترة مثل الأبقار والأغنام والماعز للحصول على الغذاء ، ينتج عن التخمر المعوي في حيوانات المزرعة 27٪ من انبعاثات غاز الميثان البشرية.
أثناء عملية الهضم الطبيعية ، تفرز كميات كبيرة من الميثان. يحدث التخمر المعوي بسبب الكائنات الحية الدقيقة في معدة هذه الحيوانات. ينتج عن هذا الميثان كمنتج ثانوي إما أن يزفره الحيوان أو يتم إطلاقه عبر غازات البطن. هذا هو السبب في أن اللحوم التي نأكلها كل يوم لها تأثير كبير على إجمالي انبعاثات الميثان.
7. فضلات الحيوانات
في محاولة لتوفير مصادر الطاقة غير المتجددة ، شجع العالم أنظمة الإنتاج الحيواني على ممارسة إنتاج الغاز الحيوي لتوفير طاقة رخيصة ومعقولة التكلفة. أدى الإنتاج الحيواني إلى نمو مصدر الطاقة المتجددة هذا لأنه يوفر جميع المواد اللازمة لإنشاء المصنع. وقد أدى ذلك إلى إطلاق المزيد من غاز الميثان في الغلاف الجوي من خلال تخمير فضلات الحيوانات.
8. التحلل اللاهوائي
ينتج غاز الميثان عندما يكون هناك تحلل بكتيري لاهوائي. هذا يعني أن عملية تحلل المواد العضوية لا تتطلب الأكسجين ؛ بدلا من ذلك ، يتطلب وسائط مناسبة للبكتيريا لتزدهر. غالبًا ما يحدث أثناء تحلل النفايات العضوية في مدافن القمامة ، وتحلل المواد العضوية في مياه الصرف الصحي من المصادر المنزلية والبلدية والصناعية وأثناء إدارة كميات كبيرة من السماد باستخدام أنظمة معالجة النفايات الكبيرة وصهاريج التخزين في تربية الماشية.
9. إدارة النفايات
تتم معالجة مياه الصرف الصحي الخام حتى يتم اعتبارها آمنة لإعادتها إلى المجاري المائية. أثناء المعالجة ، تُترك الحمأة كمخلفات ، وبما أن الحمأة غالبًا ما تكون مزيجًا من المركبات وخاصة المواد العضوية ، فإن البكتيريا المناسبة تجعلها موطنًا لها وتساعد في التحلل مما يؤدي إلى إنتاج غاز الميثان.
10. تعدين الفحم
الفحم هو أكثر أشكال الوقود الأحفوري كثافةً المستخرجة من سطح الأرض ، وبسبب ذلك ، فهو صلب في الحالة ويشغل مساحة كبيرة ، وبالتالي يحبس غاز الميثان تحته. يؤدي تعدين الفحم إلى تحرير غاز الميثان في الغلاف الجوي لأنه لا يمكن حجزه بسهولة.
11. حقول الأرز
لكي ينمو الأرز ، يُزرع في حقول محشوة تغمرها المياه. يؤدي الكثير من الماء إلى استنفاد الأكسجين الموجود في التربة ويؤدي أيضًا إلى تحلل المواد العضوية الموجودة ، مما يوفر وسيطًا مناسبًا لإنتاج غاز الميثان. يتم إطلاق الغاز من خلال الانتشار في الغلاف الجوي. تعد حقول الأرز غير المقشور من بين أكبر مصادر غاز الميثان المنبعث في البيئة.
12. حرق الوقود الخشبي
يعد استخدام الحطب والفحم أمرًا شائعًا لأنه طريقة رخيصة لتوليد طاقة الطهي والتدفئة. ومع ذلك ، كلما تم استخدام وقود الخشب ، فإنه يطلق غاز الميثان في الغلاف الجوي. كما تطلق حرائق الغابات الغاز في الغلاف الجوي.
13. حرق الكتلة الحيوية
الكتلة الحيوية هي مادة من المواد العضوية الحية أو الميتة. يتسبب حرق الكتلة الحيوية في كمية كبيرة من انبعاثات الميثان. الحرائق المفتوحة واسعة النطاق من قبل البشر لتدمير نفايات المحاصيل وتطهير الأرض للاستخدامات الزراعية أو غيرها من الاستخدامات تخلق 11 ٪ من انبعاثات غاز الميثان البشري. يمكن أن تساهم حرائق الغابات الطبيعية في ذلك. لكن الغالبية العظمى من حرق الكتلة الحيوية سببها البشر. ينتج عن حرق الكتلة الحيوية 38 مليون طن من الميثان سنويًا.
14. الوقود الحيوي
ينتج الوقود الحيوي 12 مليون طن من الميثان كل عام. أي كتلة حيوية تستخدم لإنتاج الطاقة للأغراض المنزلية أو للأغراض تعتبر وقودًا حيويًا. يستخدم ما يقدر بـ 80٪ من الوقود الحيوي للطبخ المنزلي والتدفئة والإضاءة عن طريق حرق الأخشاب أو النفايات الزراعية أو روث الحيوانات. هذا هو أكبر مساهم في انبعاثات الوقود الحيوي العالمية.
يستخدم حوالي 2.7 مليار شخص ، أي ما يقرب من نصف سكان العالم ، الوقود الحيوي الصلب للطهي وتدفئة منازلهم بشكل يومي. معظمهم من الفقراء ويعيشون في البلدان النامية. المصادر الأخرى للوقود الحيوي هي المؤسسات منخفضة التكنولوجيا مثل أفران صنع الطوب أو البلاط والمطاعم ومركبات النقل وما إلى ذلك.
15. مدافن النفايات والنفايات
تنتج مكبات النفايات والنفايات 55 مليون طن من الميثان سنويًا. تمتلئ مقالب القمامة ومقالب القمامة المكشوفة بالمواد العضوية مثل بقايا الطعام والصحف والعشب المقطوع والأوراق. بينما نستمر في إلقاء نفايات جديدة فوق القمامة القديمة ، يتم احتجاز المواد العضوية في قمامتنا في ظروف لا يوجد فيها أكسجين. يوفر هذا ظروفًا ممتازة للميكروبات المنتجة للميثان لتفكيك النفايات ، وإنتاج كميات كبيرة من انبعاثات الميثان. حتى بعد إغلاق المطمر ، ستستمر البكتيريا في تحلل النفايات المدفونة وتواصل انبعاث غاز الميثان لسنوات.
ما هي استخدامات غاز الميثان
1. يستخدم في الطبخ
الميثان مادة هيدروكربونية وأخف من الهواء. لذلك فهي تنتج طاقة أكبر لكل وحدة وزن مقارنة بالنفط والفحم. كما أنه مفضل للطهي لأنه لا يحمل أي رائحة ولا يترك سخامًا على أواني الطهي.
2. الاستخدامات السكنية
الاستخدامات الأخرى للميثان هي لتدفئة منازلهم وتبريدها. تستخدم بعض المنازل غاز الميثان الطبيعي لتسخين المياه. استخدام شائع آخر في المنزل هو مدفأة تعمل بالغاز الطبيعي. توجد أيضًا مجففات تعمل بالغاز الطبيعي للملابس ، ولكنها ليست شائعة جدًا.
3. يستخدم لتوفير الإضاءة
يمكن تسخير غاز الميثان لتوليد الكهرباء للمنازل وكذلك للمكاتب والصناعات. من خلال عملية تسمى التوليد الموزع ، يمكن للميثان في الغاز الطبيعي أن يولد الكهرباء. يمكن أن تنتج التوربينات الدقيقة (المحركات الحرارية) وخلايا وقود الغاز الطبيعي طاقة كهربائية كافية.
4. يستخدم في إنتاج المركبات الأخرى
غاز الميثان ضروري لتكوين الميثانول (كحول الميثيل) ، وهو مكون رئيسي للكحول. كما أنه مهم في التصنيع الاصطناعي للهيدروجين لاستخدامه في الصناعات المختلفة.
حمض الهيدروكلوريك ، أحد الأحماض الأكثر شيوعًا المستخدمة في المختبرات ، يتم تصنيعه باستخدام غاز الميثان كمكون. ثلاثي كلورو ميثان مركب آخر يتطلب غاز الميثان. يُعرف أيضًا باسم الكلوروفورم ، ويستخدم على نطاق واسع كمذيب ومخدر.
5. يستخدم لتشغيل الآلات الصناعية
الميثان ، كشكل من أشكال الغاز الطبيعي ، مهم لمجموعة متنوعة من الصناعات. إنه مكون شائع من الأقمشة والبلاستيك ومضاد للتجميد والأسمدة. يستخدم غاز الميثان لتشغيل أو تشغيل المحركات والتوربينات في المصانع. تستخدم الصناعات مثل اللب والورق ومعالجات الأغذية ومصافي البترول والشركات التي تعمل بالحجر والطين والزجاج الطاقة التي تطلقها. يساعد الاحتراق المعتمد على الميثان الشركات على تجفيف منتجاتها وإزالة الرطوبة منها وذوبانها وتعقيمها. كما أنها تستخدم لتوفير الطاقة لأغراض الإضاءة.
6. يستخدم لإنتاج أسود الكربون
يمكن حرق غاز الميثان بشكل غير كامل ، مما يؤدي إلى تكوّن رواسب كربونية غير عادية. تُعرف هذه الرواسب باسم الكربون الأسود وتستخدم لتقوية المطاط المستخدم في صناعة إطارات السيارات. يستخدم أسود الكربون نفسه في صناعة الدهانات وحبر الطباعة.
7. هو مكون الأسمدة
مع إضافة الهيدروجين ، يتم استخدام غاز الميثان لتصنيع الأمونيا ، وهو مركب رئيسي في صناعة الأسمدة.
8. يستخدم كوقود للصواريخ
تترجم حالتها الغازية إلى رواسب كربونية أقل عند الاحتراق ، مما يجعلها مثالية لوقود الصواريخ. كما أنه لا يترك أي بقايا. تنبعث أنواع أخرى من الوقود ، مثل الكيروسين ، الكثير من الكربون ، مما يجعل غرفة احتراق الصاروخ معيبة.
آثار غاز الميثان على بيئتنا
1. الانفجارات
مزيج من الميثان والهواء شديد الانفجار بطبيعته. حوالي 20٪ من الهواء عبارة عن أكسجين ، ويصبح شديد التفاعل عندما يتلامس مع الميثان. ووقعت حالات انفجارات خاصة في مناجم الفحم حيث تنهار المناجم لمجرد التفاعل بين غاز الميثان في المنجم والأكسجين في الهواء.
كما شوهدت انفجارات في مدافن النفايات حيث تم ضغط النفايات العضوية ، ويتم إطلاق غاز الميثان بكميات كبيرة. تم الإبلاغ عن تفاعل عفوي مع الهواء حول المكب والذي قد يؤدي إلى اندلاع حريق.
2. تأثير الاحتباس الحراري
غاز الميثان بمفرده لا يضر بالبيئة أو الحياة. ومع ذلك ، مع زيادة تركيز الغاز إلى جانب وجود ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء ، هناك امتصاص كبير وحبس للحرارة في الغلاف الجوي مما يضر بالبيئة. تسمى النتيجة بتأثير غازات الاحتباس الحراري المرتبط بتغير المناخ والاحتباس الحراري.
3. الحروق
يمكن أن يتسبب غاز الميثان ، في شكله شديد البرودة ، في حدوث حروق عند ملامسته للجلد والعينين.
4. الاختناق
في التركيزات العالية والأماكن المغلقة ، يمكن للغاز أن يتفاعل مع كل الأكسجين الموجود ويخلص المنطقة من كل الأكسجين مما يؤدي إلى الاختناق.
5. المرض
تنبعث من المحركات الهيدروكربونات والأبخرة بسبب احتراق غاز الميثان ، والتي يمكن أن تكون خطيرة بمجرد استنشاقها في الجسم. من ناحية أخرى ، يمكن أن يؤدي التعرض لمستويات عالية من الميثان إلى الصداع والقيء والغثيان وفقدان الوعي.
6. تغير المناخ
بعد ثاني أكسيد الكربون ، الميثان مسؤول عن حوالي 23 ٪ من تغير المناخ في القرن العشرين وفقًا لوكالة ناسا. الميثان الذي يتم إطلاقه في الغلاف الجوي قبل احتراقه ضار بالبيئة. بالمقارنة مع غازات الدفيئة الأخرى ، فإن عمر الميثان في الغلاف الجوي قصير نسبيًا ، ولكنه أكثر كفاءة في حبس الحرارة من تلك الغازات الأخرى. نظرًا لأنه قادر على حبس الحرارة في الغلاف الجوي ، فإن الميثان يساهم في تغير المناخ.