Metan

Metan - CH4. Brannbar gass og en kraftigvirkende drivhusgass som bidrar til drivhuseffekt. Metan blir laget av metanogene bakterier under anaerobe forhold.  Metan er en viktig bestanddel i naturgass, finnes i kulleier og kan slippes ut i atmosfæren fra olje- og gassvirksomhet. Metan lages også i  fermenteringsreaksjoner på oversvømte rismarker, i myrområder, sumplandskap, våtmarker, på bunnen av næringsrike innsjøer, på bunnen av dyphav, i vomma hos drøvtyggere, i komposthauger, søppelfyllinger, gjødselkjellere og kloakkrenseanlegg. Metan er den enkleste av alkanene bestående av ett karbonatom (C) og fire hydrogen (H). Metan kan også bli dannet abiotisk ved serpenteringsreaksjoner i tilknytning til alkaliske hydrotermiske kilder på store havdyp.

Drenering av myrområder og bruk av myr til å lage jordbruksjord frigjør store mengder metan. Metan i store mengder blir også produsert når permafrosten tiner.

I vomma på drøvtyggere er det mange bakterier som fermenterer cellulose og produktene blir korte fettsyrer for eksempel smørsyre (butyrat) og propionsyre som tas opp gjennom tarmveggen og gir dyret næring. Et av biproduktene ved fermenteringen er metan som skilles ut som flatulens.

Protozoer kan også inneholde metanogene endosymbionter. Metanogene bakterier forekommer i tarmen på insekter som spiser treverk f.eks. termitter. Metanogene endosymbionter kan bruke hydrogen laget av protozooer som fordøyer cellulose som elektronkilde.

Metanogenese er mer vanlig i ferskvann og terrestre økosystemer enn i havet. Dette skyldes at hav og marine sedimenter inneholder store konsentrasjoner av sulfat og sulfatreduserende bakterier. Disse konkurrerer med de metanogene bakteriene om hydrogen og acetat. Metylerte substrater (metanol, metylamin, trimetylamin) brukes i liten grad av sulfatreduserende bakterier, men kan utnyttes av de metanogene bakteriene. Metan kan slippe ut på havbunnen i tilknytning til kalde ventiler og gassoppkomme i  hydrotermiske undervannskilder. På havbunnen og i permafrost  ved stort trykk og lav temperatur kan man også finne metanhydrater (metanklatrat) hvor metan er hektet inn i vannmolekyler.

Ved brenning av biomasse blir det dannet metan og andre hydrokarboner (etan, eten mfl. I en rentbrennende vedovn brenner man også opp disse slik at de ikke slipper ut i atmosfæren. 

Global metansyklus

Metanogene bakterier som lever i miljøer uten oksygen lager metan, mens metanotrofe bakterier som lever aerobt kan oksidere metan til karbondioksid og bruke metan som elektronkilde og karbonkilde og inngår derved i en metansyklus med omsetning av metan. Halveringstiden for metan i atmosfæren er ca. 10 år, ca. 1/10 av den for CO2, men i tillegg er metan ca. 20-30 ganger mer effektiv i absorbsjon av varmestråling sammenlignet med CO2. Konsentrasjonen av metan er stadig økende, er nå ca. 2 ppm, og øker vesentlig grunnet menneskelig aktivitet.  Atmosfæren virker oksiderende hvor spesielt hydroksylradikalet med fritt og uparet elektron er meget reaktivt. I atmosfæren kan metan inngå i en atmosfærisk metansyklus i komplekse kjemiske reaksjoner blant annet med hydroksylradikalet (OH•) i samvirke med nitrogenmonoksid (NO) og nitrogendioksid (NO2). Øverst i atmosføren kan ultrafiolett stråling i reaksjon med vann og ozon gi hydroksylradikler. Hydroksylradikalet kan også inngå i Fenton-reaksjoner og Haber-Weissreaksjoner. Noen av dem:

CH4 + OH• → CH3• + H2O

CH3• + O2 → CH3O2

CH3O2• + NO → NO2 + CH3O•

CH3O• + O2 → CH3O + HO2

Biogass

Biogass er metan og andre nedbrytningsprodukter dannet ved bakteriell anaerob nedbrytning av organisk materiale utført av metanogene bakterier. I biogassanlegg blir det laget metan fra matavfall, i kloakkrenseanlegg fra kloakkslam, på søppelfyllinger fra søppel.   

Metan som energikilde (energibærer)

Metan er en hovedbestanddel i naturgass hvor metan utgjør fra 70-90% av innholdet. Metan i naturgass, i tillegg til å være laget av metanogene bakterier, kommer fra katalyttisk spalting av lange hydrokarbonkjeder under høyt trykk og temperatur.

Ved forbrenning av metan (CH4) med oksygen (O2) som elektronakseptor blir det laget karbondioksid (CO2) og vann (H2O):

CH4 + 2O2 → CO2 + H2

Ved redusert tilgang på oksygen blir det dannet karbonmonoksid eller kullos (CO):

CH4 + 3/2O2 → CO + 2H2O

Det kan også bli dannet karbon (C) i form av sot som kan bli brukt i gummihjul som fyllstoff, til blekk eller i produksjon av batterier.

CH4 + O2 → C + 2H2O

Fra metan til kunstgjødsel og metanol

Metan blir brukt som utgangsmateriale for å lage hydrogen (H2) i produksjon av kunstgjødsel med Haber-Bosch-metoden.

Ved høy temperatur og trykk i nærvær og vanndamp og en katalysator med nikkel omdannes i første trinn i produksjon av syntesegass (syngas) fra metan til hydrogen:

CH4 + H2O →CO + 3H2

CH4 + 2H2O →CO2 + 4H2

Karbonmonoksid blir fjernet i i et trinn i Haber-Boschprosessen i en katalyttisk reaksjon med vanndamp:

CO + H2O → CO2 + H2

CO2 kan fjernes i en reaksjon med kaliumkarbonat (K2CO3) i vann hvor det blir dannet kaliumhydrogenkarbonat (KHCO3), en type CO2-fangst.

CO2 + H2O + K2CO3 → 2KHCO3

Reaksjonen kan reverseres ved høy temperatur ca. 100-120oC og man får dannet ren kaliumkarbonat og CO2.

 I Haber-Bosch-prosessen kan det bli laget ren CO2 som kan brukes i næringsmiddelindustri til karbonfisering av drikkevann, øl og minealvann. I tillegg kan CO2 bli brukt i vannrenseanlegg etter prinsippet med diffusioforese. Diffusioforese deltar i forflytning av kolloidale partikler under vannrensingen.

Hvis ikke noe CO2 slipper ut i atmosfæren er dette en måte å lage «grønn hydrogen» fra metan.

I gasskraftverk blir naturgass omdannet til elektrisk energi ved forbrenning i en gassturbin. Gasskraftverk er varmekraftverk som drives med naturgass. I Norge har gasskraftverk skapt mye uenighet. 

Metan kan også bli brukt i produksjon av metanol (CH3OH) i Fischer-Tropsch-prosessen, navn etter de tyske kjemikerne Franz Fischer (1877-1947) og Hans Tropsch (1889-1935) ved Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie i 1926. Denne gjorde det mulig å omdanne kull til flytende hydrokarboner, eller fra hydrogen og karbonmonoksid ved metallkatalyse (kobolt, jern, molybden, nikkel, ruthenium) og høy temperatur:

(2n+1)H2 + nCO → CnH2n+2 + nH2O

Disse kan deretter bli brukt til å lage syntetisk olje eller syntetisk drivstoff ved høy temperatur (400oC) og høyt trykk (150 atmosfærer) og katalysator (krom- og zinkoksider)

CO + 2H2 → CH3OH

Metanol kan deretter bli brukt til å lage dimetyleter og andre hydrokarboner som kan fungere som drivstoff i forbrenningsmotorer. 

Delvis oksidasjon av metan med en zeolitt transisjonsmetallkatalysator: e.g. kobberzeolitt

CH4 + 1/2O2 → CH3OH

Litteratur

Russell MJ, Nitschke W. Methane: Fuel or Exhaust at the Emergence of Life?. Astrobiology 17(10) (2017)1053-1066. doi:10.1089/ast.2016.1599

Tilbake til hovedside

Publisert 4. feb. 2011 10:35 - Sist endret 15. des. 2021 10:22