Нахождение метана в природе и классификация по происхождению

Лекция № 2

Классификация газа метана по происхождению.

Свойства метана

 

План лекции

1. Нахождение метана в природе, классификация по происхождению

2. Химические свойства метана;

3.

Нахождение метана в природе и классификация по происхождению

 

Если молекулы метана попадают в атмосферу, то они вовлекаются в процессы переноса и вступают в химические реакции, которые хорошо известны как качественно, так и количественно.

Метан попадает в атмосферу как из естественных, так и из антропогенных источников. Мощность антропогенных источников в настоящее время существенно превышает мощность естественных. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) содержания метана в воздухе не должна превышать 0,5%.

К естественным источникам метана относятся болота, тундра, водоемы, насекомые, геохимические процессы.

К антропогенным - рисовые поля, шахты, животные, потери при добыче газа и нефти, горение биомассы, свалки.

Значительные количества основных компонентов природного газа - метана и этана - образуются при бактериальном брожении биомассы растительного и животного происхождения, а также в процессах переработки органического сырья.

Большой поток метана от рисовых полей обусловлен резким ускорением транспорта метана внутри полостей в стеблях риса, так как диффузия метана происходит в воздушной среде, а не в воде. Поток метана с рисовых полей достигает в среднем 2,3 мг/(м²/ч).

Шахтный метан возникает в процессе трансформации органических остатков в уголь под влиянием высоких давлений и температур. В глубинах земли происходит пиролиз органических веществ. Растительные остатки содержат большое количество лигнина, в структуре которого имеется много метильных групп. В ходе термической переработки происходит освобождение метильных радикалов, которые затем отрывают атом водорода от органических молекул и превращаются в метан.

Добыча 1 т угля сопровождается выделением 13 м³ чистого метана.

Повышение температуры планеты скажется на возрастании потоков метана, так как изменение температуры на один градус меняет интенсивность выделения метана в микробиологических процессах (болота, рисовые поля, свалки) примерно на 10%.

Потенциально опасный источник метана, который может включиться при повышении температуры - это гидраты метана. Запасы метангидратов огромны. Повышение температуры вызовет дестабилизацию метангидратов и начнется их распад, что иногда наблюдается и сейчас. В настоящее время оценка мощности потока метана от метангидратов невелика и составляет около 1% от общего потока.

Увеличение поступления потока метана в атмосферу вызовет дальнейшее ускорение в повышении температуры атмосферы, что будет иметь огромные негативные последствия.

В настоящее время общее количество метана в атмосфере оценивают в пределах 4600-5000 тераграмм Тг (Тг = 10¹²г). В южном полушарии концентрация метана несколько ниже, чем в северном полушарии. Такое различие обычно связывают с меньшей мощностью источников метана в южном полушарии: считается, что основные источники метана расположены на континентах, а океаны не вносят заметного вклада в глобальный поток метана. Время жизни метана в атмосфере 8-12 лет.

Метан по происхождению бывает:

- бактериальный (микробный) - образован в результате жизнедеятельности бактерий (микроорганизмов);

- биогенный - образован как результат химических превращений органических веществ;

- термогенный - образован в ходе термохимических процессов;

- абиогенный - образован в результате химических реакций неорганических соединений, например, при взаимодействии карбидов металлов с водой.

Бактериальный метан образуется в донных отложениях болот и других водоемов, в результате процессов пищеварения в желудках насекомых и животных (преимущественно жвачных).

Получения метана из угольного пласта за счет его микробиологического воспроизводства включает бурение скважин, подачу в угольный пласт бактерий, образующих метан, выдерживание до образования метана и извлечение метана. Последовательно подают кислородоокисляющие и водородообразующие бактерии и выдержку осуществляют без доступа кислорода до образования промышленных концентраций метана. Причем водородообразующие бактерии подают после 90% окисления свободного кислорода в угольном пласте, а в качестве водородообразующих используют бактерии рода Clostridium.

Таким образом, процесс микробиохимического техногенного метанообразования включает следующие стадии развития: окисление свободного кислорода специальными бактериями; микробиологическое образование водорода; образование метана в результате реакции:

CO₂+ 4H₂= CH₄ + 2H₂O

Условия многих шахт (температура 15-20^oС и pH 6,4-7,5) способствуют протеканию подобных микробиохимических процессов целенаправленного образования техногенного метана. А так как образование метана протекает в анаэробной среде, то для развития этих процессов необходимо понизить концентрацию кислорода в угольном пласте.

Термогенный метан возникает в осадочных породах при их погружении на глубины 3-10 км, где осадочные породы подвергаются химической трансформации в условиях высоких температур и давлений.

Абиогенный метан образуется обычно на больших глубинах в мантии Земли.