Метан вода реакция: CH4 + H2O = ? уравнение реакции

Метан: способы получения и свойства

Метан CH₄ – это предельный углеводород, содержащий один атом углерода в углеродной цепи. Бесцветный газ без вкуса и запаха, легче воды, нерастворим в воде и не смешивается с ней.

Все алканы — вещества, схожие по физическим и химическим свойствам, и отличающиеся на одну или несколько групп –СН₂– друг от друга. Такие вещества называются гомологами, а ряд веществ, являющихся гомологами, называют гомологическим рядом.

Самый первый представитель гомологического ряда алканов – метан CH₄, или Н–СH₂–H.

Продолжить гомологический ряд можно, последовательно добавляя группу –СН₂– в углеводородную цепь алкана.

Общая формула гомологического ряда алканов C_nH_2n+2.

Первые четыре члена гомологического ряда алканов – газы, C₅–C₁₇ – жидкости, начиная с C₁₈ – твердые вещества. 

В молекуле метана встречаются связи C–H. Связь C–H ковалентная слабополярная. Это одинарная σ-связь. Атом углерода в метане образует  четыре σ-связи. Следовательно, гибридизация атома углерода в молекуле метана– sp³:

При образовании связи  С–H происходит перекрывание sp³-гибридной орбитали атома углерода и s-орбитали атома водорода:

Четыре sp³-гибридные орбитали атома углерода взаимно отталкиваются, и располагаются в пространстве так, чтобы угол между орбиталями был максимально возможным.

Поэтому четыре гибридные орбитали углерода в алканах направлены в пространстве под углом 109^о 28′  друг к другу:

Это соответствует тетраэдрическому строению молекулы.

Для  метана не характерно наличие изомеров – ни структурных (изомерия углеродного скелета, положения заместителей), ни пространственных.  

Метан – предельный углеводород, поэтому он не может вступать в реакции присоединения.

Для метана характерны реакции:

• разложения,
• замещения,
• окисления.

Разрыв слабо-полярных связей С – Н протекает только по гомолитическому механизму с образованием свободных радикалов.

Поэтому для метана характерны только радикальные реакции.

Метан устойчив к действию сильных окислителей (KMnO₄, K₂Cr₂O₇ и др.), не реагирует с концентрированными кислотами, щелочами, бромной водой.

1. Реакции замещения

Для метана характерны реакции радикального замещение.

1.1. Галогенирование

Метан реагирует с хлором и бромом на свету или при нагревании.

При хлорировании метана сначала образуется хлорметан:

Хлорметан может взаимодействовать с хлором и дальше с образованием дихлорметана, трихлорметана и тетрахлорметана:

Химическая активность хлора  выше, чем активность брома, поэтому хлорирование протекает быстро и неизбирательно.

Бромирование протекает более медленно.

Реакции замещения в алканах протекают по свободнорадикальному механизму.

 Свободные радикалы R∙ – это атомы или группы связанных между собой атомов, которые содержат неспаренный электрон.

Первая стадия. Инициирование цепи.

Под действием кванта света или при нагревании молекула галогена разрывается на два радикала:

Свободные радикалы – очень активные частицы, которые стремятся образовать связь с каким-либо другим атомом.

Вторая стадия. Развитие цепи.

Радикал галогена взаимодействует с молекулой алкана и отрывает от него водород.

При этом образуется промежуточная частица – алкильный радикал, который в свою очередь взаимодействует с новой нераспавшейся молекулой хлора:

Третья стадия. Обрыв цепи.

При протекании цепного процесса рано или поздно радикалы сталкиваются с радикалами, образуя молекулы, радикальный процесс обрывается.

Могут столкнуться как одинаковые, так и разные радикалы, в том числе два метильных радикала:

1.2. Нитрование метана

Метан взаимодействует с разбавленной азотной кислотой по радикальному механизму, при нагревании до 140^оС и под давлением.  Атом водорода в метане замещается на нитрогруппу NO₂.

2. Реакции разложения метана (дегидрирование, пиролиз)

При медленном и длительном нагревании до 1500^оС метан разлагается до простых веществ:

Если процесс нагревания метана проводить очень быстро (примерно 0,01 с), то происходит межмолекулярное дегидрирование и образуется ацетилен:

Пиролиз метана – промышленный способ получения ацетилена.

3. Окисление метана

Алканы – малополярные соединения, поэтому при обычных условиях они не окисляются даже сильными окислителями (перманганат калия, хромат или дихромат калия и др.).

3.1. Полное окисление – горение

Алканы горят с образованием углекислого газа и воды. Реакция горения алканов сопровождается выделением большого количества теплоты.

CH₄ + 2O₂  → CO₂ + 2H₂O + Q

Уравнение сгорания алканов в общем виде:

C_nH_2n+2 + (3n+1)/2O₂ → nCO₂ + (n+1)H₂O + Q

При горении алканов в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.

Промышленное значение имеет реакция окисления метана кислородом до простого вещества – углерода:

CH₄ + O₂ → C + 2H₂O

Эта реакция используется для получения сажи.

3.2. Каталитическое окисление

• При каталитическом окислении метана кислородом возможно образование различных продуктов в зависимости от условий проведения процесса и катализатора. Возможно образование метанола, муравьиного альдегида или муравьиной кислоты:

• Важное значение в промышленности имеет паровая конверсия метана: окисление метана водяным паром при высокой температуре.

Продукт реакции – так называемый  «синтез-газ».

1. Взаимодействие галогеналканов с металлическим натрием (реакция Вюрца)

Это один из лабораторных способов получения алканов. При этом происходит удвоение углеродного скелета.  Реакция больше подходит для получения симметричных алканов. Получить таким образом метан нельзя.

2. Водный или кислотный гидролиз карбида алюминия

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄

Al₄C₃ + 12HCl = 4AlCl₃ + 3CH₄

Этот способ получения используется в лаборатории для получения метана.

3. Декарбоксилирование солей карбоновых кислот (реакция Дюма)

Реакция Дюма — это взаимодействие солей карбоновых кислот с щелочами при сплавлении.

R–COONa + NaOH → R–H + Na₂CO₃

Декарбоксилирование — это отщепление (элиминирование) молекулы углекислого газа из карбоксильной группы (-COOH) или органической кислоты или карбоксилатной группы (-COOMe)  соли органической кислоты.

При взаимодействии ацетата натрия с гидроксидом натрия при сплавлении образуется метан и карбонат натрия:

4. Синтез Фишера-Тропша

 Из синтез-газа (смесь угарного газа и водорода) при определенных условиях (катализатор, температура и давление) можно получить различные углеводороды:

nCO + (3n+1)H₂ = C_nH_2n+2 + nH₂O

Это промышленный процесс получения алканов.

Синтезом Фишера-Тропша можно получить метан:

CO + 4H₂ = CH₄ + 2H₂O

5. Получение метана в промышленности

В промышленности метан получают из нефти, каменного угля, природного и попутного газа. При переработке нефти используют ректификацию, крекинг и другие способы.

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Энергия из воздуха, виски, фекалий и другие удивительные проекты

• Анастасия Зырянова
• Русская служба Би-би-си

27 октября 2017

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Автор фото, Wessex Water

Подпись к фото,

Биоотходы одного человека за год могут обеспечить такой автобус топливом на 60 км

Российские ученые разработали способ утилизации углекислого газа и преобразования его в топливо. В случае реализации их идея позволит аккумулировать и использовать энергию, добытую так называемым чистым путем — буквально из воздуха.

О возможности накапливать энергию и одновременно перерабатывать вредные выбросы в атмосферу сообщило 17 октября 2017 года издание сибирского отделения РАН «Наука в Сибири».

Водород (h3), который высвобождается в результате электролиза воды, при определенных условиях реагирует с углекислым газом (CO2), который ученые предлагают брать прямо из воздуха. В результате химической реакции получается метан Ch5 и вода.

• Исследование: закисление океана угрожает океанской жизни
• Почему полный переход на электромобили случится не сразу
• Летающая колония в атмосфере Венеры — реальность?

«Энергия в этом топливе хранится в форме химических связей, и ее можно использовать по мере потребности. Инфраструктура для таких технологий уже существует — способные транспортировать Ch5 на большие расстояния газопроводы, хранилища, системы доставки к конечному потребителю», — рассказала научный сотрудник Института катализа им. Г.К.Борескова СО РАН кандидат химических наук Жанна Веселовская.

Добыть углекислый газ можно где угодно, но для этого необходим сорбент, который будет «собирать», то есть концентрировать CO2. В качестве сорбента ученые новосибирского института использовали карбонат калия (K2CO3).

Чтобы ускорить процесс концентрации CO2, ученые подключили к реакции пористый носитель (похожий на губку с наноразмерными порами, пишет «Наука в Сибири»), специально разработанный ими для этой реакции.

Автор фото, Sean Gallup/Getty Images

Подпись к фото,

Содержание углекислого газа в атмосфере планеты стремительно растет

«Тот факт, что карбонат калия взаимодействует с углекислым газом на воздухе, хорошо известен и открыт не нами. Сорбенты на основе карбоната калия тоже изучались ранее. Вместе с тем работ по применению этих материалов для сорбции углекислого газа из воздуха практически не было — равно как и по совмещению технологии концентрирования атмосферного CO2 с его последующим метанированием», — передает издание слова Веселовской.

В действительности все не так просто. Из школьного курса химии известно, что водород и углекислый газ реагируют напрямую лишь при высокой температуре, что требует дополнительной энергии.

Однако недавно химики из университета Дьюка в США нашли способ упростить эту реакцию. Они обнаружили, что при наличии ультрафиолета и катализатора — наночастиц родия — реакция получения метана из водорода и углекислого газа протекает легко и быстро.

Такой процесс получения синтетического газового топлива становится не только энергоэффективным, но и максимально чистым.

Резкий скачок

Мы уже привыкли к тому, что энергия добывается из воды, из ветра, из солнечных лучей. Но они есть не везде.

Воздух же и углекислый газ в его составе есть всюду. И концентрация СО2 в земной атмосфере растет — люди дышат, печи горят, двигатели выбрасывают отработанный газ.

Диоксид углерода — один из парниковых газов. Сейчас содержание углекислого газа в атмосфере планеты равно 400 ppm (долей на миллион). Это значит, что в одном кубометре воздуха 400 мл CO2.

На протяжении сотен тысяч лет в атмосфере Земли не было такого объема CO2, какой мы наблюдаем в последние несколько десятков лет. Это заставляет ученых искать новые способы добычи чистой энергии.

Холодно, тепло, горячо

Существуют проекты, позволяющие добывать энергию из лавы, растительного масла, человеческих тел и отходов жизнедеятельности, а также микроорганизмов, мусора и некоторых напитков.

Самым очевидным из вышеперечисленного кажется жидкая магма: она раскаленная, у нее огромный объем тепловой энергии — так почему бы этим не воспользоваться?

Но использование жидкой магмы в качестве источника энергии не распространено: за это пока взялись лишь в Исландии. В рамках проекта Iceland Deep Drilling бур «Тор» сверлит Срединно-Атлантический хребет земной коры, который проходит через остров Исландия.

Автор фото, HALLDOR KOLBEINS/AFP/Getty Images

Подпись к фото,

Геотермальная электростанция в Исландии, участвующая в проекте The Iceland Deep Drilling

На глубине в несколько километров, в условиях огромного давления вода нагревается расплавленной магмой до сверхкритического состояния, при котором исчезает различие между жидкостью и газом. Сверхкритическая вода, имеющая температуру 400-600 градусов по Цельсию, извлекается на поверхность и используется в качестве источника энергии.

Как замечает в своей статье Пит Роули, вулканолог из Университета Портсмута, сверхкритическая вода может генерировать энергию объемом до десяти раз больше, чем обычные геотермальные источники. Потенциальными местами ее добычи могут стать территории, где находятся молодые вулканы.

Автор фото, BERNARD MERIC/AFP/Getty Images

Подпись к фото,

Нагретая лавой до сверхкритического состояния вода может быть источником энергии

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Подкаст

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

эпизоды

Конец истории Подкаст

В качестве альтернативных и возобновляемых источников энергии ученые рассматривают не только высокотемпературные. Некоторые специалисты уверены, что температуры человеческого тела может быть вполне достаточно.

Шведская компания Jernhusen еще несколько лет назад придумала, как обогревать здание в Стокгольме энергией теплом тел пассажиров расположенного рядом Центрального вокзала.

Как отмечала компания, она не отнимала тепло у пассажиров, а лишь использовала избыточное — то, что все равно бы ушло в атмосферу.

Этот способ экологичен, но у него есть свои минусы. Для того, чтобы транспортировать такую энергию из одного здания в другое, нужно, чтобы они находились относительно близко, а людской поток в помещении-источнике должен быть интенсивным. Это сужает возможности применения технологии.

То же самое можно сказать о способе, который предложила американская компания EnGoPlanet: она установила в Лас-Вегасе фонари, которые обеспечиваются электричеством благодаря кинетической энергии — аккумуляторы заряжаются, когда мимо кто-то проходит.

Один человеческий шаг генерирует 4-8 ватт, но чтобы фонари работали всю ночь, нужно много прохожих. Это реально, но применимо не везде.

Шокирующие технологии

В Дании, Швеции и Британии крематории продают избытки энергии, которая получается в результате сжигания тел умерших. Эта энергия идет на обогрев домов, а британский крематорий в Дареме даже преобразовывает ее в электричество.

Автор фото, YE AUNG THU/AFP/Getty Images

Подпись к фото,

В некоторых странах крематории продают избытки энергии, которая получается в результате сжигания тел

За одну кремацию выделяется энергия, которой хватит на питание полутора тысяч телевизоров в течение часа. Кого-то такой источник энергии может шокировать, но сторонники этой идеи считают, что вклад в экологию — достаточный аргумент.

Неоднозначным выглядит еще один источник энергии — фекалии. Так называемый Bio-Bus, который отправила на британские дороги бристольская компания GENeco, ездит на полученном из фекалий биогазе.

За один 15-мильный маршрут Bio-Bus отрабатывает отходы более 30 тысяч домохозяйств. Сначала он ездил между городами Бат и Бристоль, затем его пустили и по улицам Бристоля.

Технология подобная той, что использует GENeco, применяется широко по всему миру, рассказывает на своем сайте норвежская компания Cambi. Запатентованный ей способ термального гидролиза используют в более чем 20 странах мира.

Автор фото, Sean Gallup/Getty Images

Подпись к фото,

Фабрики по переработке навоза активно строят в Германии с 2000-х годов

Он применяется в том числе и на заводе по переработке биоотходов в Вашингтоне. Биомассу нагревают под высоким давлением примерно до 160℃, после чего она проходит процедуру анаэробного (то есть в отсутствие кислорода) разложения. В результате получается биогаз, который потом и становится источником энергии.

«Когда в следующий раз вы будете нажимать на кнопку слива в своем туалете в столице [американской] нации, учтите, что вы — или, точнее, то, что вы слили, — помогает генерировать чистую энергию», — писала газета Washington Post.

Не только биомасса годна для переработки в топливо, но и твердый мусор. Это хорошо усвоили в Швеции — процент мусора, который отправляется на свалки, там стремится к нулю. Почти все отходы перерабатываются, в том числе в тепло и электричество. Мусор же на свалках выделяет метан и вредит экологии.

С этим также пытаются бороться британские компании Bio-Bean и Celtic Renewables. Первая была основана в 2013 году и занимается переработкой отходов кофейной индустрии в биотопливо. Среди ее партнеров — крупная сеть кофеен Costa Coffee, чьи производственные отходы на территории Британии составляют примерно 3 тысячи тонн в год.

Celtic Renewables же занимается сбором и переработкой отходов от производства скотча, которым занимается сотня вискокурен в Шотландии. Чистый виски на выходе из дистиллятора составляет лишь 10% от общего объема сырья, остальное идет в отходы.

Celtic Renewables перерабатывает эти отходы в электричество, а также путем ABE-брожения (процесса ацетоно-бутилового разложения углеводов, открытого в начале XX века химиком Хаимом Вейцманом) синтезирует топливо для дизельных двигателей. В июле 2017 года компания впервые продемонстрировала автомобиль на своем «вискотопливе».

Автор фото, Alexander Hassenstein/Getty Images

Подпись к фото,

Современный самолет может летать не только на авиакеросине

Возможно, уже скоро заправка автомобиля топливом, полученным из виски или кофе, перестанет казаться чем-то из ряда вон выходящим. Как и самолет на растительном масле.

В мае 2017 года авиакомпания Singapore Airlines отправила в рейс Сан-Франциско — Сингапур первый лайнер, заправленный керосином с добавкой топлива из отработанного растительного масла. Тогда компания объявила, что планирует запустить по этому маршруту еще 12 таких рейсов в течение трех последующих месяцев.

Ранее на подобное решилась китайская авиакомпания Hainan Airlines в марте 2015 года — ее самолет выполнил рейс из Шанхая в Пекин на топливе, частично синтезированном из отработанного растительного масла.

Биотопливо, сделанное из масла, при сгорании выделяет меньше вредных веществ, чем нефтепродукты. Кроме того, его использование позволит снизить потребность в добыче углеводородов.

Но у него есть и минусы: эксперты опасаются, что переход на растительное биотопливо повлечет вырубку лесов ради расширения плантаций пальм, из которых добывают масло.

.

Метан в колодезной воде Миннесоты

Метан иногда встречается в подземных водах и колодцах Миннесоты. Неизвестно, что он представляет опасность для здоровья при попадании внутрь с водой. Однако, если метан концентрируется в воздухе замкнутого пространства, он может быть горючим и взрывоопасным, а также может вытеснять кислород, что приводит к удушью. Метан также может вызвать проблемы с работой скважинного насоса и системы водоснабжения. Метан из колодца, резервуаров для хранения воды, водонагревателей и любых очистных устройств должен выбрасываться в атмосферу за пределы закрытых помещений, таких как колодцы или жилые дома. Удаление метана из воды обычно включает аэрацию.

На этой странице:
Метан
Врастание в Wells
Health and Seange
Метан и скважины
Проверка на метан
Вентиляция
Удаление и лечение метана
Aeration
.

Метан (CH ₄ ) — простой углеводород, состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Метан не имеет цвета, вкуса и запаха. Метан является основным компонентом природного газа, который обычно содержит от 50% до 9%.0 процентов метана. Сероподобный запах природного газа вызван не метаном или другими углеводородами, а одорантом под названием «меркаптан», специально добавленным для облегчения идентификации этого коммерческого продукта. Метан мало растворим в воде и будет выделяться из раствора при температуре выше 58 градусов по Фаренгейту (F). Грунтовые воды обычно находятся в диапазоне от 42 до 48 градусов по Фаренгейту. Метан будет выделяться, когда грунтовые воды выкачиваются на поверхность и температура повышается. Метан легче воздуха, поэтому он поднимется к потолку, если выпустить его внутрь здания или другого замкнутого пространства.

Метан в основном образуется при бактериальном разложении органических материалов. «Болотный газ» в основном состоит из метана, образующегося в результате бактериального разложения растительности. «Канализационный газ» часто частично состоит из метана. Метан также может образовываться «термогенным образом» в результате геологических процессов, таких как вулканическая деятельность. Большая часть метана в подземных водах Миннесоты является «природной», то есть он появляется в подземных водах из-за разложения растительности или другого органического материала, смешанного с отложениями, тысячи или даже миллионы лет назад. Однако метан может образовываться в результате разложения отходов в анаэробных (без кислорода) условиях из таких источников, как свалки, сточные воды, навоз или другие органические вещества. В других частях страны метан связан с угольными месторождениями или добычей нефти и природного газа. В Миннесоте не было обнаружено экономически выгодных количеств природного метана (природного газа).

Перейти > вверх.

Нахождение в колодцах

Большинство колодцев в Миннесоте не содержат метан. Те из них, которые, вероятно, составляют менее 1 процента, в основном являются скважинами, пробуренными в ледниковых отложениях. Подрядчики скважин часто сообщают о нахождении древесины, восстановленных (черных или коричневых) отложений или других органических материалов в буровом шламе ледниковых скважин, производящих метан. Метан реже встречается в других геологических образованиях, включая меловые отложения в западной Миннесоте и метаосадочные образования в северо-восточной Миннесоте. За исключением района в центральной части округа Ренвилл, появление метана, как правило, носит спорадический характер: наличие метана в одной скважине, как правило, не является предвестником того, что он появится в других близлежащих скважинах. Несмотря на то, что метан в колодце мог образоваться в результате тех же процессов, которые производят современный «болотный газ», наличие близлежащего болота не является предвестником того, что метан будет находиться в колодце, а современное болото не является вероятным источником метана. . Некоторое количество метана было датировано изотопами и может оказаться на удивление старым.

Метан нечасто встречается в скважинах Миннесоты, заканчивающихся в осадочных породах, таких как известняк или песчаник, и редко встречается в магматических образованиях, таких как гранит. Кроме того, уровень грунтовых вод или «неограниченные» скважины редко производят метан, поскольку для улавливания метана обычно требуется ограничивающий слой или «заглушка».

Здоровье и безопасность

Исследования не связывают потребление воды, содержащей метан, с какими-либо краткосрочными (острыми) или долгосрочными (хроническими) последствиями для здоровья, однако было проведено очень мало исследований. Хотя большая часть метана в колодезной воде не вызвана активным источником загрязнения, существует небольшая вероятность того, что метан может указывать на сточные воды, твердые отходы, навоз, нефть или другие источники, содержащие вредные для здоровья загрязняющие вещества. По этим причинам рекомендуется проверять скважины, добывающие метан, на наличие колиформных бактерий и нитратного азота.

Метан имеет предел взрываемости от 5 до 14 процентов. Это означает, что если концентрация метана в воздухе находится между этими числами, он может воспламениться и взорваться. Концентрация метана в воде всего 1 миллиграмм на литр (мг/л) может привести к взрывоопасным уровням, если газ будет накапливаться в плохо вентилируемом замкнутом пространстве. Уровни, намного превышающие 1 мг/л, были измерены в колодцах Миннесоты. Искра от контрольного выключателя в колодце или пламя водонагревателя в подвале могут воспламенить метан с катастрофическими последствиями.

Метан легче воздуха, поэтому он может подниматься к потолку здания и вытеснять кислород. Кислород составляет примерно 21 процент воздуха, которым мы дышим. Если содержание кислорода упадет ниже 19 процентов, и человек войдет в пространство, может наступить потеря сознания и смерть. Поэтому важно выпускать метан за пределы любого здания или закрытого помещения.

Перейти > вверх.

Метан и скважины

Метан может растворяться в грунтовых водах так же, как пузырьки (двуокись углерода) в газировке. Когда вода, содержащая метан, выкачивается на поверхность, температура повышается, а давление падает, что приводит к выделению метана из воды, подобно тому, как пузырьки в газировке выделяются при открытии контейнера. Нагрев воды ускорит выделение метана. Вот почему проблема с метаном (или другим растворенным газом) часто усугубляется в кране с горячей водой.

Анализ на метан

«Бурчащий» или «плевающийся» кран, булькающий звук из колодца или «гидроудар» (стук водопроводных труб) могут указывать на метан или другие растворенные газы. Газы, такие как азот или двуокись углерода, или другие углеводороды, такие как этан или бутан, могут встречаться отдельно или в сочетании с метаном.

Присутствие видимых пузырьков газа в пробе воды также может свидетельствовать о присутствии метана. Вода может казаться прозрачной с пузырьками, молочной, пенистой или иметь голубоватый оттенок. Если пузырьки поднимаются в сосуде с водой, а вода очищается снизу вверх, вероятно, присутствует растворенный газ.

Однако наличие пузырьков газа или брызги из крана могут быть вызваны не метаном, а другими растворенными газами или воздухом, попадающим в систему водоснабжения из-за отказа регулятора объема воздуха; выпускной клапан; протечка в колодце, водопроводе или оборудовании для кондиционирования воды; кран-аэратор; или неисправность насоса, например погружной насос, который нарушает всасывание.

Некоторые лаборатории по анализу воды могут проверять воду на наличие метана. Это включает в себя специализированный процесс сбора и анализа образцов. Во избежание дегазации метана пробу не следует аэрировать, что может потребовать переворачивания бутыли с пробой под воду. Лаборатории перечислены в телефонном справочнике в разделе «Лаборатории – Испытания». Список аккредитованных лабораторий по тестированию воды доступен на сайте MDH.

Портативные детекторы газа могут определять концентрацию метана в воздухе.

Простая проверка, требующая осторожности, также позволяет обнаружить газ метан. Наполните небольшую пластиковую бутылку (не используйте стекло или другие материалы) водой, оставив небольшое незаполненное пространство, и быстро закройте бутылку крышкой. Вынесите бутылку на улицу, встряхните бутылку, снимите крышку, держите бутылку подальше от себя или чего-либо легковоспламеняющегося и осторожно, но быстро проведите небольшим пламенем над отверстием. Если присутствует метан, при воспламенении метана произойдет короткое пламя или «хлопок».

Перейти > вверх.

Вентиляция

Правила Миннесоты требуют, чтобы новые скважины имели вентилируемую крышку или крышку для выпуска газа, такого как метан или сероводород. Однако многие старые скважины не вентилируются. Доступны различные колпачки для колодцев со встроенным вентиляционным отверстием на нижней стороне колпачка. Также доступны отдельные вентиляционные отверстия, направленные вниз. Важно правильно установить эти заглушки и вентиляционные отверстия, чтобы правильно вентилировать колодец и предотвратить попадание паводковых вод, загрязняющих веществ или насекомых и мелких животных в колодец. Колодцы в колодезных домах, колодезные ямы и подвалы особенно проблематичны, потому что метан может накапливаться в замкнутом пространстве, если его не выпускать наружу.

Резервуары для хранения воды, водонагреватели и резервуары для очистки воды также должны вентилироваться.

Вентиляционные отверстия должны располагаться над поверхностью земли и вдали от любых зданий или источников воспламенения.

Удаление и очистка метана

Метан не удаляется обычными устройствами для очистки воды, такими как фильтры осадка, умягчители воды или угольные фильтры. Большинство методов удаления или лечения включают аэрацию. В некоторых случаях газовый кожух, прикрепленный к погружному насосу в скважине, может облегчить ситуацию. Использовались фитинги, которые сливают обратно или аэрируют часть воды в колодец, но могут быть не одобрены или неэффективны и могут вызвать другие проблемы.

Перейти > вверх.

Аэрация

Аэрация – это процесс смешивания воздуха с водой и выпуска смеси воздуха и метана в атмосферу. Аэрация, иногда называемая «отгонкой воздуха», может удалять метан, а также другие газы, такие как сероводород.

Очистные устройства варьируются от простых до сложных, а их стоимость может варьироваться от 10 долларов за аэратор, 100 долларов за напорный или накопительный бак и до 1000 долларов за большие системы очистки.

В простейшей системе очистки используется напорный бак без баллона или диафрагмы, часто называемый «оцинкованным» баком. Клапан выпуска воздуха, выбрасываемый в атмосферу, выпускает метан. Эта пассивная система относительно проста и недорога, не требует второго насоса или резервуара, но относительно неэффективна при очистке больших объемов воды или удалении больших количеств метана.

Более эффективной системой является добавление аспиратора или аэратора и клапана для выпуска воздуха к напорному баку. При каждом цикле насоса в резервуар нагнетается воздух. Для увеличения удаления метана можно добавить воздушный насос или компрессор. Эти системы имеют умеренную цену, относительно просты в установке, занимают мало места, но требуют дополнительного обслуживания. Важно вентилировать бак снаружи.

Водопадные, диффузионные или механические аэраторы — это устройства, которые более эффективно смешивают воздух с водой, что приводит к более быстрому и эффективному удалению, но увеличивает стоимость и обслуживание. Некоторые системы включают систему резервуаров для хранения/обработки с распылительными аэраторами, заключенными в резервуар. Вода впрыскивается в верхнюю часть резервуара и падает через столб воздуха. В некоторых системах используется каменный или пузырьковый диффузор на дне резервуара для смешивания воздуха с водой. В некоторых системах используется как распылительный или водопадный аэратор, так и диффузионный аэратор.

Для использования безнапорного аэротенка потребуются два насоса и два резервуара – скважинный насос и насос для повышения давления, а также резервуар для обработки и напорный резервуар. Обычно требуется время удерживания в несколько минут, чтобы обеспечить высвобождение метана. Эмпирическое правило заключается в том, что резервуар для обработки должен содержать объем воды, по крайней мере, в два раза превышающий скорость потока. Например, насос на 10 галлонов в минуту должен иметь бак минимум на 20 галлонов.

Рекомендуется, чтобы системы удаления метана, в которых используются вытяжные вентиляторы или другие электрические компоненты, были взрывозащищенными или «искробезопасными», чтобы избежать воспламенения метана.

Воздухоотделители, аналогичные устройствам, используемым в системах водяного отопления для удаления воздуха, также использовались для удаления метана.

В идеале аэрационные установки следует размещать в отдельном здании, чтобы метан удалялся до того, как вода попадет в жилое помещение. Установка этих устройств в подвале с вентиляционным отверстием, выходящим наружу, является менее желательной альтернативой.

Аэрация может также окислять другие материалы в воде. Это может быть полезно для таких вещей, как сероводород (запах тухлых яиц), но может быть нежелательным, когда железо окисляется (становится красным) или газы, которые придают воде часть ее вкуса, удаляются, и полученная вода имеет «плоский» вкус.

Вентиляционные клапаны, клапаны выпуска воздуха и другие механические детали могут выйти из строя или замерзнуть, если их неправильно спроектировать, установить и обслуживать. Системы, в которых используется резервуар без давления, могут подвергаться воздушно-капельному загрязнению водопроводной воды, если не будут тщательно установлены и обслуживаться. Все системы должны быть спроектированы так, чтобы быть гигиеничными и избегать перекрестных соединений.

Перейти > вверх.

Газовый кожух

В некоторых случаях подрядчики скважин уменьшают или устраняют проблемы с метаном или другими газами в скважине, устанавливая газовый «кожух» на погружном насосе. Это включает в себя размещение трубы или трубки, часто тонкостенной пластиковой трубы, сверху двигателя погружного насоса на расстоянии 10 или более футов над насосом. Кожух прилегает к верхней части двигателя погружного насоса ниже всасывающего патрубка насоса. Верхняя часть кожуха открыта и установлена ​​ниже уровня перекачиваемой воды. Метан поднимается через толщу воды в скважине, оставляя воду с пониженным содержанием метана в кожухе. Этот метод работает только с обсадной трубой диаметром 5 дюймов и более или с обсадной трубой диаметром 4 дюйма с 3-дюймовым погружным насосом, а также со скважинами, из которых за один раз перекачивается относительно небольшое количество воды. Еще одним ограничением является охлаждение двигателя, которое может уменьшить кожух.

Проблемы с насосом

Присутствие метана или других газов может вызвать проблемы с насосом, включая газовую пробку или кавитацию, которая может привести к плохой подаче воды, или к коррозии и отказу насоса. Некоторые производители разработали модификации погружных насосов для газовых скважин. Просверливание отверстий в диффузорах погружных насосов может позволить перекачивать газообразную воду, но может привести к аннулированию гарантии. Может помочь перемещение обратного клапана с верхней части насоса на точку выше в отводной трубе. Струйные переводники, высокоскоростные насосы, насосы роторного типа, а также поршневые или цилиндрические насосы могут перекачивать газообразную воду более эффективно, чем погружной насос.

Перейти > вверх.

Предупреждение о метане и хлоре

Метан представляет проблему для систем водоснабжения, которые постоянно вводят хлор. Метан реагирует с хлором с образованием хлороформа. Перед обработкой хлором из воды необходимо удалить метан.

За дополнительной информацией обращайтесь к лицензированному подрядчику по бурению скважин или в Департамент здравоохранения штата Миннесота (MDH), к персоналу отдела управления скважинами.

Представляет интерес

Метан в колодезной воде

Печатная информационная брошюра

Метан в колодезной воде Миннесоты (PDF)

Вопросы

Секция управления скважинами
651-201-4600 или 800-383-9808
[email protected]

Перейти наверх

Конверсия метана в метанол — с водой и без нее

Основные энергетические науки

17 июня 2022 г.

Изображение сканирующего туннельного электронного микроскопа катализатора на основе оксида меди и цинка, который превращает метан в метанол с водой и без нее. На вставках показаны молекулярные структуры трех различных фаз (синий — цинк, красный — кислород).

Изображение предоставлено Брукхейвенской национальной лабораторией. Версия появляется в Huang E., et al., Селективное окисление метана до метанола на катализаторах ZnO/Cu2O/Cu(111): поведение, зависящее от множества сайтов. Журнал Американского химического общества 143, 45 (2021).

Наука

Химики искали эффективные катализаторы — вещества, ускоряющие химические реакции, — для превращения метана в метанол. Метан, основной компонент имеющегося в изобилии природного газа, иногда сжигается в скважинах как отходы. Метанол — легко транспортируемое жидкое топливо и строительный материал для производства других ценных химических веществ. Добавление воды в реакцию конверсии метана может помочь в производстве метанола, но также усложняет процесс для промышленности. Теперь ученые определили общий промышленный катализатор, который завершает преобразование по разным путям в зависимости от того, присутствует вода или нет. Полученные данные предлагают стратегии улучшения катализаторов для менее сложной безводной реакции.

The Impact

Ученые использовали воду, чтобы запустить реакцию метана в метанол, потому что она улучшает селективность — способность превращать реагенты в определенный желаемый продукт. Вода также облегчает извлечение метанола. Но вода усложняет и удорожает процесс. При температурах и количествах, необходимых для этой реакции, вода существует в виде большого количества пара. Этот пар необходимо контролировать, когда реакция используется в промышленных условиях. Поиск катализатора для завершения реакции без воды упростил бы синтез метанола из отработанного метана. Эффективный процесс потенциально может уменьшить количество метана, мощного парникового газа, превратив его в полезные продукты.

Резюме

В недавнем исследовании, посвященном другому катализатору для превращения метана в метанол, ученые обнаружили, что добавление воды повышает селективность. Он препятствует протеканию реакции и полностью окисляет метанол до монооксида углерода (CO) и диоксида углерода (CO ₂ ). В этом новом исследовании команда из Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL), Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL), Университета Стоуни-Бук и Центрального университета Венесуэлы протестировала другой катализатор, чтобы увидеть, сможет ли он достичь такой селективности без воды. Оксид меди-цинка, недорогой и легкодоступный катализатор, обладал наилучшей селективностью из всех протестированных катализаторов для производства метанола без воды и еще более высокой селективностью с водой. Команда использовала рентгеновские лучи для изучения катализатора в различных условиях реакции в усовершенствованном источнике света (ALS), пользовательском объекте Министерства энергетики (DOE) в LBNL. Сгенерированные рентгеновским излучением «химические отпечатки пальцев» отслеживали образование метанола и промежуточные продукты. Ученые также использовали вычислительные ресурсы в Центре функциональных наноматериалов BNL (CFN) и Национальном научно-исследовательском вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) в LBNL, оба объекта пользователей Министерства энергетики США, для определения активных центров на катализаторе и моделирования кинетики различных путей реакции. . В совокупности данные показывают, что реакция протекает по двум различным путям — с водой и без воды — с использованием двух разных участков катализатора.