Methane là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Methane

Methane (CH₄) là hợp chất hydrocacbon đơn giản nhất, gồm một nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử hydro, tạo thành cấu trúc tứ diện đều. Đây là phân tử nhỏ, không phân cực, có khả năng bay hơi cao và là thành phần chính của khí tự nhiên, chiếm từ 70% đến 90% thể tích tùy mỏ khai thác.

Methane là khí không màu, không mùi trong trạng thái tinh khiết. Tuy nhiên, khí tự nhiên thương mại thường được pha thêm chất có mùi (như ethyl mercaptan) để dễ phát hiện rò rỉ. Methane nhẹ hơn không khí (khối lượng riêng khoảng 0.656 kg/m³ ở điều kiện tiêu chuẩn), và trong điều kiện bình thường, không độc nhưng có thể thay thế oxy gây ngạt nếu tích tụ ở nơi kín khí.

Về năng lượng, methane là nhiên liệu có chỉ số nhiệt cao, sinh nhiệt lượng khoảng 55.5 MJ/kg khi đốt cháy hoàn toàn trong điều kiện chuẩn. Tính chất cháy sạch, hiệu suất cao và dễ kiểm soát khiến methane được sử dụng phổ biến trong sản xuất điện, công nghiệp nhiệt và làm khí đốt dân dụng. Tuy nhiên, nó cũng là một trong những khí nhà kính mạnh nhất hiện diện trong khí quyển, với tiềm năng gây nóng lên toàn cầu vượt trội so với CO₂.

Nguồn gốc và chu trình Methane trong tự nhiên

Methane được hình thành qua hai quá trình chính: sinh học (biogenic) và phi sinh học (thermogenic hoặc abiotic). Quá trình sinh học chủ yếu do hoạt động của vi sinh vật yếm khí thuộc nhóm methanogen trong các môi trường nghèo oxy, như đầm lầy, ruộng lúa, hệ tiêu hóa động vật nhai lại và bãi chôn lấp rác hữu cơ. Đây là nguồn phát thải methane lớn nhất do con người tác động.

Quá trình phi sinh học diễn ra sâu trong lòng đất, nơi áp suất và nhiệt độ cao phân hủy chất hữu cơ cổ xưa thành hỗn hợp hydrocacbon khí, trong đó methane là thành phần chủ yếu. Methane từ nguồn này có thể thoát lên bề mặt thông qua nứt gãy địa chất, miệng núi lửa hoặc được khai thác trong các mỏ khí thiên nhiên.

Chu trình methane toàn cầu bao gồm các giai đoạn sản sinh, vận chuyển và phá hủy. Trong khí quyển, methane bị oxy hóa chủ yếu bởi hydroxyl radical (OH), phản ứng này chiếm tới 90% quá trình phân hủy methane tự nhiên. Một phần nhỏ khác bị oxy hóa sinh học tại lớp đất mặt nhờ hoạt động của vi khuẩn methane-oxidizing (methanotrophs).

Bảng sau đây tóm tắt các nguồn chính tạo và phá hủy methane trong hệ sinh thái:

Loại nguồn	Ví dụ	Tính chất
Sinh học tự nhiên	Đầm lầy, ruộng lúa, động vật nhai lại	Phụ thuộc vào vi sinh vật yếm khí
Sinh học nhân tạo	Bãi rác, xử lý nước thải	Do hoạt động đô thị và nông nghiệp
Phi sinh học	Mỏ khí, núi lửa, hydrates dưới biển	Không liên quan đến vi sinh vật
Phá hủy tự nhiên	Phản ứng với OH, vi khuẩn oxy hóa	Giảm nồng độ methane trong khí quyển

Tính chất hóa học và vật lý của Methane

Methane có khối lượng phân tử 16.04 g/mol, điểm sôi -161.5°C, điểm nóng chảy -182.5°C và là khí dễ hóa lỏng dưới áp suất cao hoặc nhiệt độ thấp. Ở trạng thái khí, methane ít tan trong nước nhưng dễ hòa tan trong dung môi hữu cơ như ethanol, ether. Tỷ trọng thấp và tính dễ cháy khiến nó cần được vận chuyển, lưu trữ và sử dụng theo tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt.

Về mặt hóa học, methane khá bền, ít phản ứng ở điều kiện thường do các liên kết C–H mạnh và phân tử không phân cực. Tuy nhiên, trong điều kiện oxy hóa hoặc có xúc tác, methane phản ứng mạnh mẽ, đặc biệt là phản ứng cháy tạo CO₂ và H₂O:

$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + \Delta H$

Ngoài ra, methane có thể phản ứng với các gốc tự do, đặc biệt là hydroxyl radical (OH), thông qua cơ chế khởi đầu chuỗi phản ứng phá vỡ liên kết C–H, tạo thành radical methyl và tiếp tục phản ứng oxy hóa. Đây là phản ứng quan trọng trong khí quyển, kiểm soát vòng đời của methane và ảnh hưởng đến tầng ozone.

Vai trò của Methane trong năng lượng và công nghiệp

Methane là nguồn năng lượng hóa thạch phổ biến nhất sau than và dầu mỏ. Nó là thành phần chính của khí tự nhiên và được sử dụng trong sản xuất điện, đun nấu dân dụng, làm nguyên liệu cho quá trình steam methane reforming (SMR) – một bước trung gian quan trọng trong sản xuất hydro công nghiệp và amoniac cho phân bón.

So với than, methane có tỷ lệ carbon thấp hơn, nên đốt cháy methane phát thải ít CO₂ hơn trên mỗi đơn vị năng lượng sinh ra. Vì vậy, nhiều quốc gia sử dụng methane như một giải pháp quá độ từ than sang năng lượng tái tạo, đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất điện. Ngoài ra, các phương pháp nén (Compressed Natural Gas – CNG) và hóa lỏng (Liquefied Natural Gas – LNG) cho phép vận chuyển methane hiệu quả trên toàn cầu.

Danh sách một số ứng dụng công nghiệp của methane:

• Nhiên liệu trong tua-bin khí và lò hơi công nghiệp
• Sản xuất hydro bằng phản ứng SMR: $CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3H_2$
• Sản xuất metanol, axit axetic và các hydrocacbon cao hơn
• Đốt trong ngành luyện kim, xi măng và gốm sứ

Trong một số trường hợp, methane cũng được sử dụng như nguồn carbon trong công nghệ tổng hợp vật liệu nano như graphene hoặc carbon nanotube, qua quá trình pyrolysis có kiểm soát.

Methane và biến đổi khí hậu

Methane là khí nhà kính mạnh thứ hai sau carbon dioxide về tổng lượng phát thải nhân tạo, nhưng lại có tiềm năng làm nóng toàn cầu (GWP – Global Warming Potential) cao hơn đáng kể. Trong khoảng thời gian 20 năm, 1 tấn methane có thể gây hiệu ứng nhà kính tương đương 84–87 tấn CO₂; trong khoảng 100 năm, GWP của methane giảm còn khoảng 28–36 lần tùy điều kiện khí quyển.

Mặc dù thời gian lưu trú của methane trong khí quyển ngắn hơn CO₂ (khoảng 12 năm), nhưng tác động ngay tức thì của nó lớn hơn. Vì vậy, giảm phát thải methane được xem là giải pháp khí hậu cấp tốc để làm chậm tốc độ tăng nhiệt toàn cầu trong ngắn hạn. Báo cáo của IPCC năm 2021 khẳng định giảm phát thải methane là đòn bẩy quan trọng để đạt mục tiêu giữ nhiệt độ toàn cầu dưới 1.5°C.

Các nguồn phát thải methane do con người gồm:

• Chăn nuôi (thông qua lên men dạ cỏ của gia súc như bò, cừu)
• Canh tác lúa nước (môi trường yếm khí sinh methane)
• Khai thác và phân phối dầu khí (rò rỉ từ mỏ, ống dẫn, thiết bị)
• Xử lý chất thải hữu cơ và nước thải sinh hoạt

Bên cạnh đó, có các nguồn phát thải tự nhiên như vùng đất ngập nước, băng vĩnh cửu đang tan và hydrates dưới đáy biển. Các nguồn này có thể bị tăng cường bởi biến đổi khí hậu, tạo phản hồi tích cực cho hệ thống khí hậu.

Khám phá và đo lường Methane trong khí quyển

Việc theo dõi nồng độ methane toàn cầu là một phần thiết yếu trong giám sát biến đổi khí hậu. Nồng độ methane trong khí quyển đã tăng từ khoảng 700 ppb (trước thời kỳ công nghiệp) lên hơn 1900 ppb vào năm 2023, theo NOAA. Sự tăng nhanh từ năm 2007 đến nay được cho là do cả yếu tố tự nhiên và nhân tạo.

Các phương pháp đo methane gồm:

• Quan trắc mặt đất bằng máy đo hồng ngoại và cảm biến laser
• Hệ thống đo từ vệ tinh: GHGSat, Sentinel-5P (ESA), GOSAT (Nhật Bản)
• Lấy mẫu không khí và phân tích bằng sắc ký khí (gas chromatography)

Hình ảnh từ vệ tinh cho phép phát hiện "siêu phát thải" (super-emitters) – các điểm nguồn methane lớn như mỏ khí rò rỉ, bãi rác mở hay cơ sở xử lý chất thải công nghiệp. Các dữ liệu này ngày càng được công khai để gây áp lực cho các quốc gia và doanh nghiệp thực hiện kiểm soát phát thải hiệu quả hơn.

Công nghệ thu hồi và xử lý Methane

Để vừa giảm phát thải vừa tận dụng nguồn năng lượng, nhiều công nghệ đã được phát triển nhằm thu hồi và sử dụng methane từ các nguồn khác nhau. Trong ngành xử lý chất thải, các bãi rác hiện đại sử dụng hệ thống ống thu khí để thu methane sinh ra từ phân hủy rác hữu cơ (landfill gas recovery). Khí thu được có thể được đốt để sản xuất điện hoặc làm nhiên liệu.

Trong ngành khai thác dầu khí, khí đồng hành (associated gas) thường bị đốt bỏ (flaring) hoặc thải trực tiếp (venting) do khó vận chuyển. Tuy nhiên, các công nghệ mới như micro-LNG, nén khí tại chỗ (on-site compression) và mạng lưới tái sử dụng nội bộ đang giúp giảm lãng phí và giảm phát thải methane.

Trong nông nghiệp, xử lý chất thải chăn nuôi bằng hệ thống biogas khép kín giúp tạo khí methane sinh học (biomethane), sau đó được tinh chế để đạt chất lượng khí tự nhiên, có thể sử dụng cho đun nấu, chạy máy phát điện hoặc nạp vào lưới phân phối khí đốt. Công nghệ lọc khí hiện đại sử dụng màng lọc (membrane separation), hấp phụ dao động áp suất (PSA) hoặc hấp phụ xoay vòng nhiệt (TSA) để tách tạp chất như CO₂, H₂S.

Quy định quốc tế và kiểm soát Methane

Việc kiểm soát phát thải methane ngày càng được thúc đẩy trong các hiệp định và sáng kiến toàn cầu. Năm 2021, hơn 150 quốc gia đã tham gia "Cam kết Toàn cầu về Giảm Phát thải Methane" (Global Methane Pledge) do EU và Hoa Kỳ dẫn đầu, với mục tiêu giảm ít nhất 30% lượng phát thải methane toàn cầu vào năm 2030 so với mức năm 2020.

Một số biện pháp được khuyến khích thực hiện theo khuyến nghị của Global Methane Initiative:

• Xây dựng hệ thống kiểm kê khí nhà kính chi tiết
• Phát hiện và sửa chữa rò rỉ khí (Leak Detection and Repair – LDAR)
• Đầu tư công nghệ giảm phát thải tại các điểm nguồn lớn
• Thiết lập chính sách hỗ trợ biomethane và giảm flaring

Nhiều quốc gia đã ban hành luật kiểm soát khí methane, yêu cầu doanh nghiệp báo cáo định kỳ, cài đặt thiết bị kiểm tra liên tục và nộp thuế phát thải. Một số ví dụ điển hình như Luật Giảm Phát thải Mêtan của Canada (2020), quy định của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), và quy trình giám sát từ xa của EU.

Tài liệu tham khảo

1. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Climate Change 2021: The Physical Science Basis. IPCC Report.
2. International Energy Agency (IEA). Methane Tracker 2024. IEA.
3. U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Overview of Greenhouse Gases: Methane Emissions. EPA Website.
4. National Aeronautics and Space Administration (NASA). Carbon Monitoring System: Methane Research. NASA CMS.
5. Global Methane Initiative (GMI). Mitigation Approaches. GMI Portal.