Jakou látku lze použít k výrobě metanu?

Tento výbušný plyn se často nazývá „bažinový plyn“. Každý zná jeho specifickou vůni, ale ve skutečnosti se jedná o speciální přísady „s vůní plynu“, které se přidávají za účelem jeho rozpoznání. Při spálení nezanechává prakticky žádné škodlivé produkty. Tento plyn se mimo jiné poměrně aktivně podílí na vzniku známého skleníkového efektu.

Metan je plyn běžně spojovaný s živými organismy. Když byl v atmosférách Marsu a Titanu objeven metan, vědci začali doufat, že na těchto planetách existuje život. Metanu je na Rudé planetě málo, ale Titan je jím doslova „zaplaven“. A když ne pro Titan, tak pro Mars jsou biologické zdroje metanu stejně pravděpodobné jako geologické. Hodně metanu je na obřích planetách – Jupiter, Saturn, Uran a Neptun, kde vznikl jako produkt chemického zpracování hmoty z protosolární mlhoviny. Na Zemi je vzácný: jeho obsah v atmosféře naší planety je pouze 1750 dílů na miliardu objemu (ppbv).

Zdroje a produkce metanu

Metan je nejjednodušší uhlovodík, bezbarvý plyn bez zápachu. Jeho chemický vzorec je CH₄. Málo rozpustný ve vodě, lehčí než vzduch. Při použití v každodenním životě a průmyslu se obvykle do metanu přidávají odoranty se specifickým „plynovým zápachem“. Hlavní složkou přírodní (77-99 %), přidružené ropné (31-90 %), důlní a bažinné plyny (odtud jiné názvy pro metan – bažina či důlní plyn).

90–95 % metanu je biologického původu. Býložraví kopytníci, jako jsou krávy a kozy, vypouštějí pětinu ročních emisí metanu z bakterií v jejich žaludcích. Mezi další důležité zdroje patří termiti, neloupaná rýže, bažiny, filtrace zemního plynu (produkt minulého života) a fotosyntéza rostlin. Sopky přispívají k celkové bilanci metanu na Zemi méně než 0,2 %, ale zdrojem tohoto plynu mohou být i organismy minulých epoch. Průmyslové emise metanu jsou zanedbatelné. Objev metanu na planetě jako je Země tedy naznačuje přítomnost života na ní.

Metan vzniká při tepelném zpracování ropy a ropných produktů (10-57 % obj.), koksování a hydrogenaci uhlí (24-34 %). Laboratorní metody přípravy: fúze octanu sodného s alkálií, působení vody na methylmagneziumjodid nebo karbid hliníku.

V laboratoři se připravuje zahříváním sodného vápna (směs hydroxidu sodného a draselného) nebo bezvodého hydroxidu sodného s kyselinou octovou. Pro tuto reakci je důležitá nepřítomnost vody, proto se používá hydroxid sodný, protože je méně hygroskopický.

Vlastnosti metanu

Metan hoří ve vzduchu namodralým plamenem a uvolňuje energii asi 39 MJ na 1 m 3 . Se vzduchem tvoří výbušné směsi. Obzvláště nebezpečný je metan, který se uvolňuje při hlubinné těžbě nerostných surovin v důlních dílech, dále v úpravnách uhlí a briketách a v třídírnách. Když je tedy obsah ve vzduchu do 5–6 %, metan hoří v blízkosti zdroje tepla (teplota vznícení 650–750 °C), od 5–6 % do 14–16 % exploduje, přes 16 % může shořet příliv kyslíku zvenčí. Snížení koncentrace metanu může vést k výbuchu. Navíc výrazné zvýšení koncentrace metanu ve vzduchu může způsobit udušení (např. koncentrace metanu 43 % odpovídá 12 % O₂).

ČTĚTE VÍCE

Jak často můžete zalévat okurky bylinkovým nálevem?

Výbušné hoření se šíří rychlostí 500–700 m/s; tlak plynu při výbuchu v uzavřeném prostoru je 1 Mn/m2. Po kontaktu se zdrojem tepla dochází s určitým zpožděním ke vznícení metanu. Na této vlastnosti je založeno vytváření bezpečnostních výbušnin a nevýbušných elektrických zařízení. Na místech, která jsou nebezpečná přítomností metanu (hlavně uhelné doly), tzv. plynový režim.

Při 150-200 °C a tlaku 30-90 atm se metan oxiduje na kyselinu mravenčí.

Metan tvoří inkluzní sloučeniny – plynové hydráty, které jsou v přírodě rozšířené.

Methan použití

Metan je tepelně nejstabilnější nasycený uhlovodík. Je široce používán jako domácí a průmyslové palivo a jako surovina pro průmysl. Chlorací methanu tak vzniká methylchlorid, methylenchlorid, chloroform a chlorid uhličitý.

Nedokonalým spalováním metanu vznikají saze a katalytická oxidace formaldehyd. , při interakci se sírou – sirouhlík.

Tepelně-oxidační krakování a elektrokrakování metanu jsou důležité průmyslové metody výroby acetylenu.

Základem průmyslové výroby kyseliny kyanovodíkové je katalytická oxidace směsi metanu a čpavku. Metan se používá jako zdroj vodíku při výrobě čpavku, dále k výrobě vodního plynu (tzv. syntézního plynu): CH₄ + H₂O → CO + 3H₂, sloužící k průmyslové syntéze uhlovodíků, alkoholů, aldehydů apod. Významným derivátem metanu je nitromethan.

Automobilové palivo

Metan je široce používán jako motorové palivo pro automobily. Hustota přírodního metanu je však tisíckrát nižší než hustota benzínu. Pokud tedy natankujete do auta metan za atmosférického tlaku, tak na stejné množství paliva jako na benzín budete potřebovat nádrž 1000x větší. Abychom nevezli obrovský přívěs s palivem, je nutné zvýšit hustotu plynu. Toho lze dosáhnout stlačením metanu na 20–25 MPa (200–250 atmosfér). Pro skladování plynu v tomto stavu se používají speciální lahve, které jsou instalovány na autech.

Metan a skleníkový efekt

Metan je skleníkový plyn. Pokud je stupeň dopadu oxidu uhličitého na klima konvenčně brán jako jedna, pak skleníková aktivita metanu bude 23 jednotek. Hladiny metanu v atmosféře za poslední dvě století velmi rychle vzrostly.

Nyní průměrný obsah metanu CH₄ v moderní atmosféře se odhaduje na 1,8 ppm (Díly na milión, Díly na milión). A ačkoli je to 200krát méně než jeho obsah oxidu uhličitého (CO₂), na jednu molekulu plynu je skleníkový efekt metanu – tedy jeho příspěvek k rozptylu a zadržování tepla vyzařovaného sluncem ohřátou Zemí – výrazně vyšší než u CO₂. Metan navíc absorbuje záření Země v těch „oknech“ spektra, která jsou průhledná pro jiné skleníkové plyny. Žádné skleníkové plyny – CO₂, vodní páry, metanu a některých dalších nečistot by průměrná teplota na zemském povrchu byla pouze –23 °C, nyní je však asi +15 °C.

ČTĚTE VÍCE

K čemu se používá prášek z černé mrkve?

Metan prosakuje na dně oceánu trhlinami v zemské kůře a ve značném množství se uvolňuje při těžbě a při vypalování lesů. Nedávno byl objeven nový, zcela nečekaný zdroj metanu – vyšší rostliny, ale mechanismy vzniku a význam tohoto procesu pro samotné rostliny nebyly dosud objasněny.

Nedaleko Santa Barbary se ze dna oceánu ve velkých objemech uvolňuje metan, aktivní skleníkový plyn.

Metan je zvláště nebezpečný při těžebních operacích

Metan místo benzínu? Snadno

Když byl v atmosféře Marsu objeven metan, měli vědci naději, že na planetě najdou stopy života

Nejjednodušší uhlovodíková sloučenina, metan, se používá v průmyslu, dopravě a každodenním životě a nachází široké uplatnění jak jako surovina pro organickou syntézu, tak jako konečný produkt. Metan potřebuje mnoho odvětví hospodářství a jeho produkce se neustále rozšiřuje.

Obecná charakteristika metanu

Metan je lehký, bezbarvý, hořlavý plyn bez zápachu. Distribuován v přírodě jako hlavní složka zemního plynu a souvisejících ropných plynů. Chemický vzorec – .

Metan vstupuje do atmosféry jako součást sopečných plynů a je také produktem životně důležité činnosti řady mikroorganismů. Nachází se ve významném množství ve formě plynných hydrátů na dně oceánů a v permafrostu. Je to jeden z nejdůležitějších skleníkových plynů.

Jako zástupce řady nasycených uhlovodíků vykazuje nízkou chemickou aktivitu. Vzhledem ke své nízké rozpustnosti ve vodě a chemické inertnosti je metan považován za málo toxickou látku (třída nebezpečnosti – IV), ale při vysokých koncentracích v ovzduší (4,4 – 17 %) je výbušný a další nárůst metanu obsah vede k udušení nedostatkem kyslíku.

Fyzikální vlastnosti

Hlavní fyzikální vlastnosti metanu za normálního atmosférického tlaku jsou uvedeny v tabulce.

Výroba metanu

Průmyslová výroba a výroba metanu v laboratoři jsou prováděny různými metodami. Existují také způsoby, jak získat plyn doma, například v soukromých domácnostech pro pokrytí potřeby paliva.

Průmyslové metody výroby metanu

Vzhledem k tomu, že plyn přichází ve velkém množství při těžbě ropných a plynových surovin, metody jeho výroby nejsou zaměřeny na umělou syntézu, ale na separaci během procesů rafinace ropy a plynu. Metan lze navíc získat při technologickém zpracování uhelných surovin.

ČTĚTE VÍCE

Co dělat s orchidejí, když všechny květy opadly?

Čištění a zpracování zemního plynu

Metan je hlavní složkou tak důležitého druhu hořlavých nerostů, jako je zemní plyn. Obsah metanu v plynu z různých oblastí je 70-98%.

Po vyčištění od pevných částic a nečistot (sirovodík, dusík, oxid uhličitý, helium) a vysušení (oddělení vodní páry) prochází zemní plyn nízkoteplotní frakcionací. Těžší uhlovodíkové složky plynu – ethan, propan a butan – přecházejí do kapalné fáze při vyšších teplotách než metan a jsou z ní postupně oddělovány v kondenzační koloně.

Rafinace ropy a souvisejícího plynu

V procesech tepelného rozkladu (pyrolýzy) vysokomolekulárních alkanů, které tvoří ropu, se metan získává mezi produkty:

Metan je součástí plynu odděleného od ropy během procesu krakování (rozklad při vysokém tlaku a teplotách asi 450 – 550 ℃ nebo pomocí katalyzátoru). Metan navíc tvoří značnou část přidružených plynů, od kterých se separuje separací.

Zpracování uhlí

Koksování uhlí. Velké množství metanu (v průměru 34 %) je obsaženo v koksárenském plynu vznikajícím při tepelném zpracování uhelných surovin. Kromě jiných uhlovodíků se z vsázky odděluje metan při .
Hydrogenace uhlí. Metan vzniká, když se uhelná hmota zpracovává vodíkem (zkapalňování uhlí za účelem výroby kapalného paliva). Reakce probíhají na kovovém katalyzátoru:

Laboratorní syntéza metanu

V laboratorní praxi se používají dva hlavní způsoby výroby metanu:

hydrolýza karbidu hliníku;
alkalické tání octanu sodného.

Reakce karbidu hliníku s vodou (Moissanova metoda)

Anorganická binární sloučenina s krystalickou strukturou se při reakci s vodou rozkládá za vzniku methanu a nerozpustného hydroxidu hlinitého:

Reakce je nevratná a slouží jako jednoduchý a pohodlný způsob získání plynu v laboratoři.

Reakce octanu sodného s alkálií (Dumasova metoda)

Další jednoduchou laboratorní metodou výroby metanu je kalcinace sodné soli kyseliny octové s louhem sodným :

Podrobný pohled na laboratorní proces ukazuje, jak vyrobit metan z octanu sodného pomocí alkálie.

Přítomnost vody brání této reakci, proto je třeba octan sodný dehydratovat a hygroskopický hydroxid sodný smíchat s nehašeným vápnem (oxid vápenatý). Tato směs se nazývá sodné vápno. Musí být přítomen v přebytku 1:3 v reakční směsi, aby se zajistilo úplné využití octanu sodného.

Prášky činidel se dobře promíchají a umístí do baňky s výstupní trubicí nebo do zkumavky. Uvolněný plyn se shromažďuje vytěsněním vody do zkumavky. Při zahřívání baňky na plameni hořáku se používá azbestová síťka. Zkumavka se zahřívá nad otevřeným plamenem. K zachycení nečistot lze použít mycí láhev s alkalickým roztokem. Pro kontrolu výsledku experimentu se plyn ve zkumavce zapálí.

ČTĚTE VÍCE

Je možné jíst mražené houby?

Možnosti montáže zařízení na výrobu metanu v laboratoři jsou znázorněny na obrázku.

Výroba metanu doma

Metan může vznikat i jako produkt biologických procesů. Při metabolismu je uvolňován speciálními anaerobními mikroorganismy – metanogenními bakteriemi. Jsou široce rozšířeny v organickém odpadu živočišného a rostlinného původu.

Vzhledem k tomu, že metan lze použít jako palivo pro ohřívače vody, sporáky a kuchyňské vybavení, v soukromých domácnostech s velkým množstvím odpadu se stává ziskovým samostatně získávat metan a používat jej.

Získává se z organického živočišného odpadu

Metanogeny žijí ve střevním traktu obratlovců a účastní se trávicího procesu. Na farmách s chovem skotu, prasat nebo drůbeže lze proto živočišný odpad zpracovávat pomocí bioplynových stanic. Nerozložitelný zbytek slouží jako organické hnojivo.

Technologie výroby biogenního metanu se skládá z několika fází:

anaerobní fermentace biomasy ve speciálním tanku – fermentoru nebo bioreaktoru za teplotních podmínek;
odstranění uvolněné plynné směsi, ve které je podíl metanu až 70 %;
přeprava bioplynu do spotřebitelského zařízení;
pravidelné vykládání odpadní hmoty a zavážení bioreaktoru novými surovinami.

Některá zařízení mají systém čištění bioplynu od nečistot – oxidu uhličitého a sirovodíku.

Těžba ze dřeva

Rostlinný odpad, např. dřevní štěpka, lze také využít jako surovinu pro bioplynovou technologii. Nekvalitní dřevo (například poškozené škůdci nebo poškozené požáry), stejně jako odpad z těžby – větve, kůra apod., je vhodné pro použití v bioreaktoru.

Protože dřevo obsahuje pryskyřice, jeho zpracovatelské závody musí k čištění plynu používat katalyzátory. Jako katalyzátory jsou vhodné metalurgické strusky, zvláště účinné jsou strusky z otevřené nístěje.

Účinnost syntézy biometanu

V průměru zpracování 1 kg biomasy, 70% rozložitelné, dává:

Efektivita výroby bioplynu závisí na udržení požadované fermentační teploty, proto v chladných oblastech bude provoz bioplynové stanice vyžadovat dodatečné náklady na vytápění a spolehlivou tepelnou izolaci. Biochemická rovnováha hraje důležitou roli: výtěžnost plynu klesá s rostoucí kyselostí. V tomto případě je nutné přidat neutralizační činidlo.

Velké farmy si mohou dovolit najímat specialisty, instalovat plně automatizované bioreaktory s vysokým výkonem plynu a získávat další příjmy z jeho prodeje.

Pro efektivní provoz zařízení je nezbytný nepřetržitý přísun surovin, takže pro farmy s malým počtem zvířat není rentabilní produkovat biometan. Pokud množství biomasy umožňuje syntézu plynu v malé farmě, lze miniinstalaci pro její výrobu vyrobit svépomocí. Je třeba si uvědomit, že jeho výstavba bude vyžadovat vážné investice, vypracování technologického schématu, vypracování dokumentace, koordinaci s SES, požární a plynové kontroly.

ČTĚTE VÍCE

Jak dlouho trvá, než vyroste houbové mycelium?

Pokud má farma možnost instalovat bioplynový reaktor, získává významné výhody:

úspory nákladů na energii;
výroba hnojiv;
odstranění plýtvání a zlepšení ekologické situace v lokalitě.

Metan v organické syntéze

Metan se široce používá k výrobě mnoha vyhledávaných sloučenin, jako je acetylen, metanol nebo anilin.

Výroba acetylenu z metanu

V laboratorní praxi se provádí dehydrogenace metanu. Reakce vyžaduje vysoké teplo:

V průmyslu se používají následující metody:

Oxidační pyrolýza (Sachseův proces):

Tato reakce využívá teplo částečného spalování suroviny, díky kterému se reakční směs zahřeje na 1600 ℃.

Výroba metanolu z metanu

Methylalkohol lze získat:

Katalytická oxidace metanu:

Dvoustupňový proces, při kterém se nejprve vyrábí methanchlorid, který se poté podrobí alkalické hydrolýze:

Získávání anilinu z metanu

Aromatická sloučenina anilin se vyrábí v několika fázích:

Praskání metanu:
Trimerace acetylenu:
Nitrace benzenu:
Redukce nitrobenzenu:

Závěr

Metan je žádaný v mnoha oblastech. Růst jeho objemů produkce pro různé potřeby je usnadněn jeho poměrně vysokou prevalencí v přírodě. Metan se však nevyrábí pouze ve velkých průmyslových podnicích. Snadnost jeho výroby s využitím biologického odpadu stimuluje produkci na jednotlivých farmách, což prospívá situaci životního prostředí, snižuje nekontrolované hnití odpadu a uvolňování cenného produktu do atmosféry.