Methaan gids
Methaan is een chemische verbinding van koolstof en waterstof. Het is een kleurloos, reukloos en brandbaar gas met de molecuulformule CH4 en is het eenvoudigste lid van de groep koolwaterstoffen. Andere namen voor de stof, hoewel niet altijd helemaal correct in sommige gevallen, zijn aardgas, methylwaterstof, carban en moerasgas.
Methaan is het hoofdbestanddeel van aardgas en biogas en vormt ook een belangrijk deel van houtgas. Industriële en demografische ontwikkelingen in de moderne tijd hebben ertoe geleid dat methaangas na kooldioxide (CO2) de tweede plaats inneemt onder de broeikasgassen waarvoor de mens verantwoordelijk is.
Het is in kleinere hoeveelheden aanwezig in de atmosfeer dan CO2, maar de effecten zijn ongeveer 20 tot 30 keer groter. Als bestanddeel van aardgas wordt methaan niet alleen gewonnen uit eindige ondergrondse reservoirs, maar het wordt ook steeds opnieuw geproduceerd als gevolg van biologische en geologische processen. De mens gebruikt het om warmte en energie op te wekken, maar ook als basisproduct voor tal van organische verbindingen.
Het volgende artikel is bedoeld als een gids over methaan, waarin de belangrijkste eigenschappen en feiten over deze chemische verbinding worden beschreven.
Historische feiten over methaangas
Het verschijnsel methaan is al zo’n 4000 jaar bekend. Als onderdeel van ontsnappend aardgas voedt het vlammen die bekend staan als “eeuwige branden”. Dergelijke branden zijn terug te vinden in rapporten en verslagen die over lange perioden zijn geschreven. Ze doen zich vaak voor in gebieden waaronder olie is opgeslagen en die blootstaan aan tektonische breuken.
Een “eeuwig vuur” in de Iraakse Baba Gurgur zou bijvoorbeeld de vurige oven kunnen zijn die wordt beschreven in het Bijbelboek Daniël. De toenmalige heerser Nebukadnessar gooide er een aantal metgezellen van Daniël in als straf omdat ze weigerden een gouden beeld te aanbidden.
De Tempel van Apollo in Delphi, Griekenland, waar het beroemde gelijknamige orakel zich bevond, werd rond 1000 voor Christus boven zo’n eeuwige vlam gebouwd. Er wordt gespeculeerd dat de waarzeggerij van de priesteressen die daar dienst deden, werd beïnvloed door de inademing van methaan, ethaan en etheen, allemaal licht verdovende gassen.
In China werd aardgas al in de 4e eeuw voor Christus gebruikt om pekel te verdampen. Pekel en methaan ontsnapten soms tegelijkertijd uit de bijbehorende boorgaten. Het gas werd van “droge” boorgaten naar de pekelverwerkingslocaties geleid via pijpleidingen van bamboebuizen.
De structuur van methaan was tot de 17e eeuw onbekend. Het was echter al in de Middeleeuwen bekend als onderdeel van rottende gassen en het gevaar van mijngas, dat ontstaat als een gasmengsel van methaan, koolmonoxide en lucht ontbrandt, werd al vroeg in de mijnbouw onderkend.
Het eerste gedetailleerde onderzoek naar methaan werd in de jaren 1660 uitgevoerd door de Engelsman Thomas Shirley, iets meer dan een eeuw later gevolgd door de Italiaan Alessandro Volta. Rond 1800 werden pogingen gedaan om een mengsel van methaangas, waterstof, stikstof en koolmonoxide te gebruiken voor straatverlichting in steden.
In 1812, na een ernstig mijnongeluk in de Felling Mine in Engeland, realiseerde de Engelse scheikundige Humphry Davy zich dat het mijngas dat gevreesd werd in ondergrondse mijnbouw grotendeels uit methaan bestond. De ramp, die 92 levens eiste, leidde tot de ontwikkeling van de zogenaamde Davy-lamp met een speciaal scherm dat fungeerde als een soort vlamdover, waardoor het gas niet kon ontbranden.
De eerste commercieel bruikbare bron van aardgas werd in 1821 in de VS ontdekt door de Amerikaan William Hart. Het gas werd lokaal gebruikt voor verlichting. Hart richtte later het eerste aardgasbedrijf in de VS op. In 1856 slaagde de Franse scheikundige Marcelin Berthelot erin om methaan kunstmatig te produceren uit de twee stoffen waterstofsulfide en koolstofdisulfide.
In de begindagen van de oliewinning werd het aardgas dat tegelijkertijd aan het licht kwam, met zijn hoofdbestanddeel methaan, nog nutteloos afgefakkeld aan de kop van de putten. Een van de eerste grote pijpleidingen met een lengte van 193 kilometer werd in 1891 aangelegd en vervoerde aardgas van boorlocaties in Indiana naar Chicago. Ten tijde van de uitbreiding van pijpleidingnetwerken in de jaren 1930 waren er echter nog steeds problemen met methaanhydraat, dat zich in de pijpen vormde uit methaan en water en tot verstoppingen leidde.
Het gebruik van aardgas of methaan, zoals we dat vandaag de dag kennen in de industrie en particuliere huishoudens, werd pas mogelijk na de Tweede Wereldoorlog dankzij technische ontwikkelingen en vooruitgang in de aanleg van pijpleidingen. Door de sterke stijging van de wereldwijde vraag naar energie werd methaan steeds belangrijker voor de wereldwijde levering van primaire energie.
Fysische en chemische eigenschappen van methaangas
Het kleurloze, reukloze, brandbare methaan heeft een lagere dichtheid dan lucht, zodat het in vrijgekomen vorm opstijgt naar de bovenste lagen van de atmosfeer. Het smeltpunt is -182,6 °C en het kookpunt is -161,7 °C. Bij ontsteking brandt het met een blauwachtige vlam en zonder roetvorming.
Onder normale omstandigheden ontbindt methaan in de lucht, d.w.z. onder invloed van zuurstof, in CO2 en water. Deze chemische reactie tussen één methaanmolecuul en twee zuurstofmoleculen produceert één CO2-molecuulen twee watermoleculen. De halveringstijd van dit proces is echter relatief lang, naar schatting 14 jaar.
Methaan is bijna onoplosbaar in water door zijn apolaire structuur. Hetzelfde geldt voor aceton. Het is echter zeer goed oplosbaar in ethylalcohol, benzeen en diethylether. Als methaangas wordt ontstoken in een omgeving die voldoende verrijkt is met zuurstof, verbrandt het tot kooldioxide en water.
Samen met lucht vormt het een explosief mengsel bij een volumeconcentratie van 5% tot 15%. Dergelijke mengsels van methaan en lucht, soms in combinatie met kolenstof, zijn erg gevreesd door mijnwerkers in kolenmijnen. Mengsels van methaan, zuivere zuurstof en chloor kunnen leiden tot hevige ontploffingen. Tijdens oxidatie, d.w.z. de reactie met zuurstof, worden de afzonderlijke moleculen volledig uit elkaar gescheurd. Bij chlorering daarentegen worden methylchloride, chloroform, dichloormethaan en tetrachloormethaan gevormd. Uit methaan worden ook andere methylverbindingen afgeleid, waaronder methanol, methylhalogeniden en alkanen met een langere keten.
Het voorkomen van methaan
Er zijn veel verschillende afzettingen van methaan op aarde. Het wordt bijvoorbeeld voortdurend geproduceerd door ontbindingsprocessen van planten, onder andere in moerassen en moerassen. Het is ook het hoofdbestanddeel van aardgas (85% tot 98%) en het is ook overheersend in de mijngassen die in kolenmijnen zijn opgesloten. Methaan kan in diepere aardlagen ontstaan onder hoge temperaturen en hoge druk. Deze bronnen komen meestal vrij bij vulkanische activiteit over de hele wereld.
Er zijn afzettingen van vast methaanhydraat op de bodem van zeeën en oceanen. Ze worden gevormd wanneer het gas uit de zeebodem ontsnapt en wordt samengeperst door de immense waterdruk en lage temperaturen. Hoewel de eerste pogingen tot winning al zijn gedaan, zijn deze niet zonder gevaar. Sommige experts vrezen dat grootschalige winning ertoe kan leiden dat de continentale hellingen, die grotendeels uit methaanijs bestaan, instabiel worden en wegglijden. De wereldwijde mariene reserves worden momenteel geschat op 500 tot 3.000 Gt (Gt = gigaton = 1.000.000.000 ton). Ter vergelijking: de bekende steenkoolreserves bedragen 900 Gt.
De winning en het gebruik van methaanhydraat zou een aantal energieproblemen kunnen oplossen. Maar ten eerste is er nog geen technologie om het uit de zee te halen. En ten tweede zou er bij de winning zoveel methaan vrijkomen in de atmosfeer dat dit zou bijdragen aan een nog grotere opwarming en het verder vrijkomen van methaan als broeikasgas. Er wordt ook gevreesd dat de klimaatverandering en de daarmee gepaard gaande opwarming van de oceanen het methaanhydraat zal doen smelten, verdampen en zo in de atmosfeer zal brengen.
Vorming van methaan door afbraakprocessen
Micro-organismen leveren een belangrijke bijdrage aan de vorming van methaangas. Dit gebeurt wanneer organisch materiaal afbreekt in afwezigheid van lucht. In moerassen, hoogvenen en op de bodem van sterk vervuilde watermassa’s wordt zogenaamd moerasgas gevormd, een mengsel van methaan en CO2. Ook biogas bestaat voornamelijk uit methaan (ongeveer 60 %) en CO2 (ongeveer 35 %). De resterende 5 % bestaat uit waterstof, stikstof en waterstofsulfide.
De micro-organismen die verantwoordelijk zijn voor de biologische vorming van methaan zijn methanogenen, speciale soorten archaea. Deze reduceren eenvoudige organische verbindingen zoals methanol of CO2 tot methaan om energie voor zichzelf op te wekken. Dit proces staat bekend als methanogenese.
Ongeveer 70% van alle microbieel geproduceerde methaanemissies op aarde – naar schatting zo’n 500 miljoen ton per jaar – zijn nu toe te schrijven aan menselijke activiteiten, bijvoorbeeld door teelt en veeteelt in de landbouw. Alleen al de veeteelt is verantwoordelijk voor 39% van deze uitstoot en de natte rijstteelt voor 17%.
Buitenaardse afzettingen
Methaan komt niet alleen op aarde voor, maar is ook gedetecteerd op andere planeten en manen binnen ons zonnestelsel. Hieronder vallen Mars, Saturnus, Jupiter, Neptunus, Uranus en de dwergplaneet Pluto, evenals Saturnus’ manen Titan en Enceladus. Methaan komt ook buiten het zonnestelsel voor.
De atmosfeer van Mars bevat ongeveer 10,5 ppb methaan. Er zijn ook methaanuitbarstingen gemeld op de rode planeet. In de regel kan het gas niet in de atmosfeer blijven. Er is geen bewijs voor de oorsprong van meteorieten. Daarom wordt aangenomen dat het pas gevormd is op Mars, wat een teken van leven daar zou kunnen zijn. Een andere mogelijke oorzaak is een vulkanische oorsprong, hoewel daar nog geen bewijs voor is.
Een bijzonderheid is Saturnus’ maan Titan. Deze heeft een temperatuur van -180 °C en een atmosferische druk van ongeveer 1,6 bar, wat ruwweg overeenkomt met het zogenaamde tripelpunt van methaan. Daarom kan het op Titan in alle drie de aggregatietoestanden voorkomen. Er zijn methaanwolken die methaan naar beneden laten regenen, methaanrivieren en -meren waaruit het weer verdampt en zo een gesloten cyclus vormt, vergelijkbaar met de waterkringloop hier op aarde. Er wordt ook aangenomen dat er ijsbergen op Titan zijn die uit methaan en ethaan bestaan.
Hier is een overzicht van het methaangehalte in de atmosfeer van sommige planeten in delen per miljoen:
Erde: ~ 1,8 ppm
Mars: ~ 0,0105 ppm
Jupiter: 3.000 ± 1.000 ppm
Saturnus: 4.500 ± 2.000 ppm
Uranus: 20.000 – 40.000 ppm
Neptunus: 15.000 ± 5.000 ppm
Winning en productie
Er zijn verschillende methoden om kunstmatig methaan te produceren onder laboratoriumomstandigheden. Hierbij wordt voornamelijk gebruik gemaakt van aluminiumcarbide, natriumacetaat, koolmonoxide (CO) en kooldioxide.
- Aluminiumcarbide reageert met water onder hitte om aluminiumhydroxide en methaan te vormen.
- Aluminiumcarbide en zoutzuur worden aluminiumchloride en methaan.
- Natriumacetaat en natriumhydroxide reageren met warmte tot natriumcarbonaat en methaan.
- Koolmonoxide en waterstof worden methaan en water.
- Kooldioxide reageert ook met waterstof om methaan en water te vormen (Sabatier-proces, genoemd naar de Franse scheikundige en Nobelprijswinnaar Paul Sabatier).
Vooral synthese uit koolmonoxide is een belangrijk proces. In dit proces kan CO, dat normaal ongewenst of onbruikbaar is vanwege zijn giftigheid, nuttig worden gebruikt.
Naast deze klassieke laboratoriummethoden wordt methaan nu ook geproduceerd als brandstof in biogasinstallaties en bij houtvergassing.
Beoogd gebruik
De bacteriële afbraak tijdens het rottingsproces van organische verbindingen wordt economisch benut om biogas te produceren. Organisch afval, drijfmest, mest en rioolslib dienen hiervoor als basis. Bij houtvergassing, dat al enige tijd wordt toegepast, wordt methaan uit hout verkregen door pyrolyse – een thermochemische ontbinding van organische verbindingen in afwezigheid van zuurstof. Biogas en andere methaangasmengsels worden gebruikt om warmte en energie op te wekken. Tijdens de Tweede Wereldoorlog werd houtgas onder andere gebruikt om voertuigen aan te drijven.
Methaan is ook een belangrijk basisproduct voor de synthese van methanol, waterstof, waterstofcyanide, ethine, koolstofdisulfide en methylhalogeniden. Uit de reacties met zuurstof en andere stoffen ontstaan talloze stoffen die van groot belang zijn voor de chemische industrie.
Methaan kan een belangrijke rol spelen in toekomstige Marsmissies. De Mars Society, een non-profitorganisatie die in 1998 is opgericht en zich inzet voor de verkenning en kolonisatie van Mars, heeft hiervoor een concept ontwikkeld. Volgens dit concept moet methaan worden gewonnen uit de CO2 in de atmosfeer van de planeet met behulp van het bovengenoemde Sabatier-proces en worden gebruikt als brandstof voor de terugkeer naar de aarde.
Biologie en milieueffecten van methaangas
Naast waterdamp en ammoniak was methaan een belangrijk bestanddeel van de oeratmosfeer. Het heeft waarschijnlijk een belangrijke rol gespeeld in de ontwikkeling van de huidige aardatmosfeer. De Amerikaanse scheikundige en bioloog Stanley Miller voerde hier in 1953 een beroemd experiment mee uit. In zijn experimentele apparatuur bootste hij wat hij aannam als de oeratmosfeer en de oeroceaan van de vroegste periode op Aarde na en stelde deze bloot aan elektrische ontladingen waarmee hij bliksem simuleerde.
Na slechts één week was ongeveer 15% van het methaan omgezet in organische verbindingen. Hiertoe behoorden ook de aminozuren in eiwitten. Met dit experiment slaagde Miller erin aan te tonen dat biologisch belangrijke bouwstenen van het leven onder natuurlijke maar abiotische omstandigheden kunnen worden gecreëerd.
Na kooldioxide wordt methaan nu beschouwd als een belangrijk broeikasgas, met een opwarmingspotentieel dat 20 tot 30 keer groter is dan dat van CO2. Natuurlijke methaanproducenten vormen een groot probleem met betrekking tot het broeikaseffect. Planten produceren het gas voortdurend en dragen bij aan het methaangehalte in de atmosfeer. Van bijzonder belang zijn de wijdverspreide teelt van natte rijst en de veeteelt. Een enkele koe produceert tussen de 150 liter en 250 liter methaan per dag, omdat bacteriën in de maag van de koe deels verantwoordelijk zijn voor de afbraak van cellulose.
Veiligheidsaspecten
Methaan vormt explosieve mengsels met een aandeel van 5% tot 15% in het luchtvolume. Daarom leiden onopgemerkte lozingen van aardgas, waarvan methaan het hoofdbestanddeel is, vaak tot gasexplosies met ernstige gevolgen voor mensen en materiële goederen. Het vlampunt van -188 °C en de ontbrandingstemperatuur van 600 °C maken methaan zeer ontvlambaar en dus gevaarlijk om te hanteren.
Containers met het gas moeten daarom altijd worden geplaatst op voldoende geventileerde plaatsen waar geen ontstekingsbronnen in de buurt zijn. Er moeten ook doeltreffende maatregelen worden genomen om mogelijke elektrische oplading te voorkomen. Opslag vindt plaats onder hoge druk (ongeveer 150 bar in gascilinders) of bij zeer lage temperaturen, waardoor de dichtheid toeneemt (op tankwagens bij ongeveer -160 °C).
Methaan heeft geen giftig effect op mensen. Inname gedurende korte tijd kan echter leiden tot een verhoogde hartslag en hyperventilatie. Andere effecten, veroorzaakt door een gelijktijdig zuurstoftekort, zijn lage bloeddruk, slaperigheid, lichte geestelijke verwarring, geheugenverlies en gevoelloosheid in de ledematen. Het gas veroorzaakt geen blijvende schade. Als de bovenstaande symptomen optreden, verlaat dan het getroffen gebied zo snel mogelijk en adem een tijdje diep in en uit. Als de symptomen niet verdwijnen, moeten de getroffen personen in het ziekenhuis worden opgenomen voor medische behandeling.
Als vloeibaar methaan dat bij zeer lage temperaturen is opgeslagen, snel uit een vat onder druk ontsnapt, kunnen mensen in de buurt onderkoeld raken en bevriezing van hun huid oplopen.
Detectie van methaan
De feiten in onze methaangids laten zien dat er voorzichtig moet worden omgegaan met methaan vanwege de hoge ontvlambaarheid en het explosiegevaar. Onopzettelijke lekkage van methaan uit opslagtanks en productiefaciliteiten moet daarom zoveel mogelijk worden voorkomen. Dit vereist constante metingen in de gevaarlijke gebieden. Moderne en veelgebruikte methoden hiervoor zijn metingen met katalytische sensoren of infraroodtechnologie.
Als erkend fabrikant van gasdetectie- en gasmeetapparatuur levert Compur Monitors hiervoor stationaire en mobiele meettechnologie, die een betrouwbare en nauwkeurige meting van de methaanniveaus in de omgevingslucht mogelijk maakt. Deze omvatten de Statox 501 en Statox 503, Infratox, Micro 5 en Microclip, HRC, ARE, MC IR en LC IR modellen. Alle apparaten zijn eenvoudig te kalibreren en maken het mogelijk om methaanconcentraties snel te registreren en af te lezen.
We geven je graag advies
Heb je vragen over onze producten of wil je een vrijblijvend adviesgesprek? We horen graag van je.
