Metanización
El metano (del griego methy vino, y el sufijo -ano) es el hidrocarburo alcano más sencillo, cuya fórmula química es CH
4.
Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido al carbono por medio de un enlace covalente. Es una sustancia no polar que se presenta en forma de gas a temperaturas y presiones ordinarias. Es incoloro, inodoro e insoluble en agua.
En la naturaleza se produce como producto final de la descomposición anaeróbica de las plantas. Este proceso natural se puede aprovechar para producir biogás. Muchos microorganismos anaeróbicos lo generan utilizando el CO
2 como aceptor final de electrones.
El gas natural lo contiene en diversas proporciones según el yacimiento de donde es extraído, desde el 83 % al 97 %. El gas natural comercializado es mayoritariamente metano con algunos otros hidrocarburos añadidos en pequeña proporción, como etano, propano, butano y algo de nitrógeno. En las minas de carbón se le llama grisú y es muy peligroso, ya que es fácilmente inflamable y explosivo. No obstante, en las últimas décadas ha cobrado importancia la explotación comercial del gas metano de carbón como fuente de energía.
El metano es un gas de efecto invernadero relativamente potente que contribuye al calentamiento global del planeta Tierra, ya que tiene un potencial de calentamiento global de 23. Esto significa que en una medida de tiempo de 100 años cada kilogramo de CH
4 calienta la Tierra 23 veces más que la misma masa de CO
2, sin embargo, hay aproximadamente 220 veces más dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra que metano por lo que el metano contribuye de manera menos importante al efecto invernadero.
El metano no es tóxico. Su principal peligro para la salud son las quemaduras que puede provocar si entra en ignición. Es altamente inflamable y puede formar mezclas explosivas con el aire. El metano reacciona violentamente con agentes oxidantes, halógenos y algunos compuestos halogenados.[cita requerida] El metano también es asfixiante y puede desplazar al oxígeno en un espacio cerrado. La asfixia puede sobrevenir si la concentración de oxígeno se reduce por debajo del 19,5 % por desplazamiento. Las concentraciones a las cuales se forman las barreras explosivas o inflamables son mucho más pequeñas que las concentraciones en las que el riesgo de asfixia es significativo.[cita requerida] Si hay estructuras construidas sobre o cerca de vertederos, el metano desprendido puede penetrar en el interior de los edificios y exponer a los ocupantes a niveles significativos de metano. Algunos edificios tienen sistemas por debajo de sus cimientos para capturar este gas y expulsarlo del edificio. Un ejemplo de este tipo de sistema se encuentra en el edificio Dakin, en Brisbane, California.[cita requerida]
Las principales reacciones del metano son: combustión, reformación con vapor (steam reforming) para dar gas de síntesis (syngas), y halogenación. En general, las reacciones del metano son difíciles de controlar. Por ejemplo, la oxidación parcial para llegar a metanol es difícil de conseguir; la reacción normalmente prosigue hasta dar dióxido de carbono y agua.
En la combustión del metano hay involucrados una serie de pasos:
Se cree que el metano reacciona en primer lugar con el oxígeno para formar formaldehído (HCHO o H
2CO). Acto seguido el formaldehído se descompone en el radical formil, que a continuación da dióxido de carbono e hidrógeno. Este proceso es conocido en su conjunto como pirólisis oxidativa.
Siguiendo la pirolisis oxidativa, el H
2 se oxida formando H
2O, desprendiendo calor. Este proceso es muy rápido, siendo su duración habitual inferior a un milisegundo.
Finalmente el CO se oxida, formando CO
2 y liberando más calor. Este proceso generalmente es más lento que el resto de pasos y requiere unos cuantos milisegundos para producirse.
El enlace covalente carbono-hidrógeno se encuentra entre los más fuertes de todos los hidrocarburos, y por tanto su uso como materia prima es limitado. A pesar de la alta energía de activación necesaria para romper el enlace CH, el metano es todavía el principal material de partida para fabricar hidrógeno mediante reformación con vapor. La búsqueda de catalizadores que puedan facilitar la activación del enlace CH en el metano y otros alcanos ligeros es un área de investigación de gran importancia industrial.
El metano reacciona con los halógenos bajo las condiciones adecuadas. La reacción tiene lugar de la siguiente manera.
En donde X es un halógeno: flúor (F), cloro (Cl), bromo (Br) y a veces yodo (I). El mecanismo de esta reacción es el de halogenación por radicales libres.
El metano es importante para la generación eléctrica ya que se emplea como combustible en las turbinas de gas o en generadores de vapor.
Si bien su calor de combustión, de unos 802 kJ/mol, es el menor de todos los hidrocarburos, si se divide por su masa molecular (16 g/mol) se encuentra que el metano, el más simple de los hidrocarburos, produce más cantidad de calor por unidad de masa que otros hidrocarburos más complejos. En muchas ciudades el metano se transporta en tuberías hasta las casas para ser empleado como combustible para la calefacción y para cocinar. En este contexto se le llama gas natural. En Colombia, así como en otros países en desarrollo, el gas natural es empleado como combustible alterno por algunos vehículos de transporte.
El metano es utilizado en procesos químicos industriales y puede ser transportado como líquido refrigerado (gas natural licuado, o GNL). Mientras que las fugas de un contenedor refrigerado son inicialmente más pesadas que el aire debido a la alta densidad del gas frío, a temperatura ambiente el gas es más ligero que el aire. Los gasoductos transportan grandes cantidades de gas natural, del que el metano es el principal componente.
En la industria química, el metano es la materia prima utilizada para la producción de hidrógeno, metanol, ácido acético, anhídrido acético. Cuando se emplea para producir cualquiera de estos productos químicos, el metano se transforma primero en gas de síntesis, una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, mediante reformación por vapor. En este proceso el metano y el vapor de agua reaccionan con la ayuda de un catalizador de níquel a altas temperaturas (700-1100 °C).
La proporción de monóxido de carbono frente al hidrógeno puede ser ajustada mediante la reacción de desplazamiento de gas de agua al valor deseado.
Otros productos químicos menos importantes derivados del metano son el acetileno (obtenido haciendo pasar metano a través de un arco eléctrico) y los clorometanos (clorometano, diclorometano, cloroformo, y tetracloruro de carbono), producidos por medio de la reacción del metano con cloro en forma de gas. Sin embargo, el uso de estos productos está disminuyendo; el acetileno está siendo reemplazado por sustitutos más económicos y los clorometanos debido a motivos de salud y medioambientales.
El 60 % de las emisiones en todo el mundo es de origen antropogénico. Proceden principalmente de actividades agrícolas y otras actividades humanas.
La mayor fuente de metano, es su extracción de los depósitos geológicos conocidos como campos de gas natural. Se encuentra asociado a otros hidrocarburos combustibles y a veces acompañado por helio y nitrógeno. El gas, especialmente el situado en formaciones poco profundas (baja presión), se forma por la descomposición anaeróbica de materia orgánica y el resto se cree que proviene de la lenta desgasificación de los materiales primordiales situados en las partes más profundas del planeta, tal como lo demuestra la presencia de hasta un 7 % de helio en ciertos yacimientos de gas natural. En términos generales los depósitos de gas se generan en sedimentos enterrados a mayor profundidad y más altas temperaturas que los que dan lugar al petróleo.
También se puede extraer el metano de los depósitos de carbón (CMB son sus siglas en inglés) mediante la perforación de pozos en las capas de carbón, bombeando a continuación el agua de la veta para producir una despresurización que permite la desabsorción del metano y su subida por el pozo hasta la superficie. Con esta técnica se produce el 7 % del gas natural de los Estados Unidos, si bien puede haber problemas medioambientales debido a la bajada del nivel de los acuíferos y a la presencia de contaminantes en el agua extraída.
Los hidratos de metano o clatratos (combinaciones de hielo y metano en el fondo marino) son una futura fuente potencial de metano, si bien hasta ahora no existe ninguna explotación comercial de los mismos.
La metanogénesis en una ruta metabólica de organismos anaerobios denominados organismos metanogénicos. Los procesos en la digestión y defecación de animales (especialmente del ganado): 17 %. Las bacterias en plantaciones de arroz: 12 %. La digestión anaeróbica de la biomasa.[cita requerida]
Además de los campos de gas natural una forma alternativa de obtener metano es mediante el biogás generado por la fermentación de materia orgánica que se encuentra en los estiércoles, en los lodos de las aguas residuales, en la basura doméstica, o en cualquier otra materia prima biodegradable, bajo condiciones anaeróbicas.
El metano también se puede obtener industrialmente empleando como materias primas el hidrógeno (el cual se puede obtener mediante electrólisis) y el dióxido de carbono mediante el proceso Sabatier.
El metano es un gas de efecto invernadero muy importante en la atmósfera de la Tierra con un potencial de calentamiento de 23 sobre un período de 100 años. Esto implica que la emisión de un kilogramo de metano tendrá 23 veces el impacto de la emisión de un kilogramo de dióxido de carbono durante los siguientes cien años. El metano tiene un gran efecto por un breve período (aproximadamente 10 años), mientras que el dióxido de carbono tiene un pequeño efecto por un período prolongado (unos 100 años). Debido a esta diferencia en el efecto y el periodo, el potencial de calentamiento global del metano en un plazo de 20 años es de 63.
La concentración de metano en la atmósfera ha aumentado durante los últimos cinco mil años. La explicación más probable de este aumento continuado reside en las innovaciones asociadas al comienzo de la agricultura, sobre todo debido probablemente al desvío de los ríos para el riego del arroz.
Hace unos siete mil años en Oriente Próximo se descubrió la técnica del regadío y luego esta práctica se extendió hasta el sureste asiático y el sur de China, creando así humedales artificiales. En estos humedales la vegetación crecía, moría, se descomponía y emitía metano.
La concentración de metano se ha incrementado un 150 % desde 1750 hasta 1998 y es responsable del 20 % del forzante radiativo total de todos los gases de efecto invernadero de larga vida y distribución global.
La concentración media de metano en la superficie de la tierra el año 1998 era de 1,745 ppb y el año 2018 era 1857,5 ppb. En el 2019 Howarth concluyó que la creciente producción de gas de esquisto en América del Norte ha contribuido significativamente al reciente aumento del metano atmosférico global.
Su concentración es más alta en el hemisferio norte porque la mayoría de las fuentes (naturales y antropogénicas) son mayores en ese hemisferio. Las concentraciones varían estacionalmente con un mínimo a finales del verano.
El metano se forma cerca de la superficie y es transportado a la estratosfera por el aire ascendente de los trópicos. El aumento de metano en la atmósfera de la Tierra es controlado naturalmente (aunque la influencia humana puede interferir en esta regulación) por la reacción del metano con el radical hidroxilo, una molécula formada por la reacción del oxígeno con el agua.
Al principio de la historia de la Tierra, aproximadamente hace 3500 millones de años, había mil veces más metano en la atmósfera que en la actualidad. El metano primordial fue liberado por la actividad volcánica. Fue durante esta época cuando apareció la vida en la Tierra. Entre las primeras formas de vida se encontraban bacterias metanógenas que mediante el hidrógeno y el dióxido de carbono generaban metano y agua.
El oxígeno no fue un componente mayoritario de la atmósfera hasta que los organismos fotosintéticos aparecieron más tarde en la historia de la Tierra. Sin oxígeno el metano podía permanecer en la atmósfera más tiempo, y además en otras concentraciones, que en las actuales condiciones.
El cambio climático puede incrementar los niveles de metano atmosférico al aumentar la liberación de metano en ecosistemas naturales.
Houweling y cols. (1999) dan los siguientes valores para las emisiones de metano (Tg/a: teragramos por año):
Casi la mitad de la emisión total se debe a la actividad humana. Las plantas (p. ej. los bosques) han sido recientemente identificadas como una importante fuente de metano. Un artículo de 2006 calculó unas emisiones anuales de 62-236 millones de toneladas y que esta nueva fuente podía tener implicaciones importantes. Sin embargo los autores también señalaban que sus descubrimientos eran preliminares respecto a la importancia exacta de esta emisión de metano. Las medidas a largo plazo del metano por la NOAA muestran que el aumento de metano en la atmósfera ha disminuido de manera drástica después de casi triplicarse desde la época preindustrial. Se cree que esta reducción se debe a la disminución de las emisiones industriales y a la sequía en las zonas de humedales.
A altas presiones, como las que existen en el fondo del océano, el metano forma un clatrato sólido con el agua, conocido como hidrato de metano. La cantidad de metano que se encuentra atrapada en esta forma en los sedimentos oceánicos es desconocida, pero posiblemente sea muy grande, del orden del billón de toneladas.
La hipótesis del "fusil de clatratos" es una teoría que sugiere que si el calentamiento global produce un aumento de la temperatura suficiente de estos depósitos, todo este metano se podría liberar repentinamente a la atmósfera. Debido a que el metano es veintitrés tres veces más potente (para el mismo peso, en un periodo de 100 años) que el dióxido de carbono como gas de efecto invernadero, amplificaría de manera inmensa el efecto invernadero, calentando la Tierra hasta niveles sin precedentes. Esta teoría serviría también para explicar la causa del rápido calentamiento global en el pasado lejano de la Tierra, como en el máximo térmico del Paleoceno-Eoceno hace 55 millones de años.
Aunque menos dramático que los de los clatratos, pero ya produciéndose, es un aumento en las emisiones de metano por parte de las turberas mientras el permafrost se funde. Aunque los registros del permafrost son limitados, en años recientes (1999 y 2001) se han batido los récords de deshielo en el permafrost en Alaska y Siberia.
Las medidas recientes en Siberia también muestran que el metano liberado es cinco veces mayor que las estimaciones previas.
El principal mecanismo de eliminación de metano de la atmósfera es mediante la reacción con el radical hidroxilo, el cual se forma por el bombardeo de los rayos cósmicos sobre las moléculas de vapor de agua.
Esta reacción en la troposfera da al metano una vida de 9,6 años. Dos sumideros más son el suelo (160 años de vida) y la pérdida estratosférica por la reacción con los elementos químicos ·OH, Cl y O (2
D) en la estratosfera (120 años vida), dando lugar a una vida neta de 8,4 años.
La presencia demostrada de metano en Marte constituye todavía un misterio y es un posible signo de vida en el planeta. La variación estacional de este gas en la atmósfera marciana sugiere que hay una fuente activa de origen geológico o biológico.
Syrtis Major es una de las regiones del planeta rojo donde se origina el metano.
El metano en Marte se descubrió en el año 2003 y aparece en la atmósfera marciana en una proporción de 10 partes por 1000 millones dentro de una atmósfera que en un 95 % se compone de dióxido de carbono.
La sonda europea Mars Express confirmó la presencia permanente de metano que, dada la degradación fotoquímica que sufre, solo se puede explicar si hay una fuente renovable de este gas.
El origen del metano marciano puede ser geológico (volcánico, aunque sin evidencias de volcanes superficiales) o biológico. En este segundo caso deberían ser microbios anaerobios que quizá podrían vivir bajo la superficie en una posible agua líquida.
Según publicó la revista Science en enero de 2009, se han empleado detectores de infrarrojos desde telescopios terrestres y se ha podido observar la evolución del metano a lo largo de tres años marcianos (equivalentes a 7 terrestres) y se ha visto que el metano muestra variaciones en el tiempo y acumulación en ciertas regiones.
Concretamente se ha visto que la fuente principal contenía 19 000 toneladas con una emisión de 600 gramos por segundo.
La vida media del metano en Marte es muy corta, de cuatro años terrestres, y quizás lo degradan oxidantes presentes en el polvo en suspensión.
Una hipótesis apunta a la presencia de microbios bajo el hielo marciano, donde la radiación podría producir hidrógeno a partir de agua líquida y el CO2 proporcionar el carbono para producir finalmente metano.
El rover marciano MSL, más conocido como "Curiosity", está equipado con sistemas para medir metano y determinar qué isótopo de carbono contiene. En caso de tratarse de carbono-12, sería biológico.
Los orígenes principales de metano son:
El 60 % de las emisiones en todo el mundo es de origen antropogénico. Proceden principalmente de actividades agrícolas y otras actividades humanas. La concentración de este gas en la atmósfera se ha incrementado de 0,8 a 1,7 ppm, pero se teme que lo haga mucho más a medida que se libere, al aumentar la temperatura de los océanos, el que se encuentra almacenado en el fondo del Ártico.