มีเทนคลาเทรต

มีเทนคลาเทรต(Methane Clathrate) หรืออีกชื่อหนึ่งคือ มีเทนไฮเดรต (Methane Hydrate) เป็นสารที่ประกอบด้วยมีเทนในรูปผลึกโครงสร้างคล้ายน้ำแข็งแห้ง บางทีเราจะเรียกว่า น้ำแข็งไฟ ครั้งแรกถูกพบเกิดอยู่ภายนอกระบบสุริยะ ต่อมามีการค้นพบมีเทนคลาเทรต สะสมกับตะกอนที่อยู่ที่พื้นมหาสมุทรลึก
มีเทนคลาเทรต พบทั้งในตะกอนทะเลลึกหรือพบทั้งเป็นหินโผล่ขนาดใหญ่ที่พื้นทะเล เกิดจากการสะสมตัวของแก๊สที่ขึ้นมาจากบริเวณแนวรอยเลื่อนมีพลัง และจะตกผลึกเมื่อสัมผัสกับกระแสน้ำเย็น นอกจากนี้ยังพบมีเทนคลาเทรตในบริเวณแกนน้ำแข็งของขั้วโลกใต้อีกด้วย เราได้ศึกษาอายุและสรุปได้ว่าเมื่อแปดแสนปีก่อนในชั้นบรรยากาศของโลกเต็มไปด้วยมีเทนคลาเทรต
มีเทนคลาเทรตจะเสถียรที่อุณหภูมิประมาณ 0องศาเซลเซียสและมีความดันสูงมาก อย่างไรก็ตามบางครั้งก็พบเสถียรได้ถึง 18องศาเซลเซียส ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของมีเทนในโครงผลึกน้ำนั้น โดยทั่วไปแล้วจะพบมีเทนคลาเทรตอยู่ 1 mole ในน้ำ 5.75 moles และปริมาณ 1ลิตรของมีเทนคลาเทรตจะมีปริมาณมีเทนในรูปแก๊สอยู่ถึง 168 ลิตร

การตกสะสมตัว

มีเทนคลาเทรตจะไม่พบในทะเลตื้น(เช่น ตื้นกว่าสองพันเมตร) นอกจากนี้ยังมีเงื่อนไขในการเกิดคือจะพบแค่บางบริเวณของมหาสมุทรที่เป็นการตกสะสมตัวของหินตะกอนและบริเวณผิวน้ำมีอุณหภูมิต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส และที่ความลึกเกิน 300 เมตรมีอุณหภูมิอยู่ประมาณ 2 องศาเซลเซียส บางครั้งทะเลสาบน้ำลึกก็เป็นแหล่งสะสมตะกอนที่ดี เช่น ทะเลสาบไบคาลในเขตไซบีเรีย ของประเทศรัสเซีย และ ในรัฐอลาสก้าของสหรัฐอเมริกา มีการตกสะสมในชั้นหินทรายและหินทรายแป้ง (Siltstone) ที่ความลึกน้อยกว่า 800 เมตร การตกสะสมตัวในทะเลมักจะพบบริเวณไหล่ทวีปที่มีความลึกเหมาะสมจะพบการสะสมตัวของมีเทนคลาเทรตขนาดใหญ่มากได้

มหาสมุทร

พบการตกสะสมตัวสองแบบหลักๆ แบบแรกกว่า 99% คือพบในรูปของ มีเทนคลาเทรตโครงสร้างแบบที่หนึ่ง (a structure I Chlarate) ที่มักพบเกิดกับตะกอนที่อยู่ลึก เกิดจากการสลายแยก CO2 จากพวกแบคทีเรีย มีเทนคลาเรตแบบนี้เชื่อว่าเกิดจากการผลิตมีเทนของแบคทีเรียที่อาศัยอยู่บริเวณนั้น ณ บริเวณนี้เป็นบริเวณที่มีความลึกปานกลาง คือ 300-500 เมตร เป็นบริเวณที่แก๊สมีเทนสามารถละลายเข้าไปอยู่ตามช่องว่างของโครงสร้างน้ำได้ ถ้าเกิดเหนือรับความลึกนี้แก๊สมีเทนจะลอยขึ้นสู่ผิวน้ำทั้งหมด และถ้าอยู่ใต้ระดับนี้แก๊สมีเทนก็จะคงสถานะแก๊สอยู่ต่อไป
แบบที่สองของการเกิดมีเทนคลาเทรต (a structure II Chlarate) เกิดใกล้บริเวณพื้นผิวของตะกอน เป็นสายไฮโดรคาร์บอนยาวต่อกัน ในโครงสร้างแบบนี้สัณนิษฐานว่าน่าจะเกิดจากการพัดพาแก๊สมีเทนมาจากทะเลลึกโดยแก๊สมีเทนเป็นผลผลิตจากกระบวนการเน่าเปื่อยผุพังโดยความร้อนของสารอินทรีย์ ตัวอย่างสถานที่ที่พบเช่น อ่าวเม๊กซิโก หรือทะเลสาบแคสเปียนบางครั้งเราอาจพบโครงสร้างแบบผสมที่มีเทนเกิดจากการย่อยสลายของแบคทีเรียและการผุพังจากความร้อน
ปกติแล้วการเกิดมีเทนคลาเรตมักเกิดในสภาวะที่มีออกซิเจนต่ำ โดยขั้นตอนจะเกิดบริเวณที่มีการตกสะสมตัวของตะกอนใต้ทะเลลึก ซึ่งบริเวณพื้นผิวของตะกอนที่ตกสะสมตัวจะพบ Aerobic bacteria ซึ่งเป็นแบคทีเรียที่ใช้ออกซิเจนในการหายใจและเปลี่ยนเป็น CO2 ซึ่งในกรณีที่มีอัตราการตกสะสมตัวต่ำคือ มากกว่า 1เซนติเมตรต่อปี จะทำให้สารอินทรีย์มีน้อยและมีการย่อยสลายโดยแบคทีเรียน้อย จะพบปริมาณออกซิเจนมาก จะไม่ค่อยเกิดมีเทนคลาเรต ในทางกลับกันในกรณีที่มีอัตราการตกสะสมตัวสูง แบคทีเรียจะใช้ออกซิเจนที่มีไปกับการย่อยสลายสารอินทรีย์จนหมด จะเกิดสภาวะ Anoxic (ออกซิเจนต่ำ) ในช่องว่างของตะกอนที่ตกสะสมตัว เมื่อนั้นมีเทนจะถูกผลิตมากโดย Anaerobic bacteria ซึ่งเป็นแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนในการดำรงชีวิตที่อาศัยอยู่ตามช่องว่างของตะกอนนั้น มีเทนที่ถูกผลิตจะฝังและตกผลึกเป็นมีเทนคลาเทรตนั่นเอง นอกจากนี้ยังมีเงื่อนไขในการเกิดอื่นๆ เช่น ค่าความเป็นกรดเบสต้องอยู่ระหว่าง 6-8 จึงจะเกิดได้เป็นต้น

ขนาดของแหล่งกักเก็บ

ขนาดของแหล่งกักเก็บมีเทนคลาเทรตในทะเลยังไม่สามารถประเมินได้แน่ชัด แต่จากการประเมินในช่วงแรกๆ แล้วคาดว่ามีมีเทนคลาเทรตปูอยู่ตามพื้นท้องทะเล แต่ภายหลังพบว่ามีเทนคลาเทรตสามารถเกิดในบริเวณที่ลึกและแคบเช่นบริเวณไหล่ทวีป จนปัจจุบันมีการประเมินปริมาณมีเทนคลาเทรตทั่วโลกได้ประมาณ 1.5 ล้านลูกบาศก์กิโลเมตร ซึ่งจะมีปริมาณคาร์บอนสะสมอยู่กว่า 500-2500 จิกะตัน และมีปริมาณสะสมมากที่สุดอยู่บริเวณมหาสมุทรอาร์กติก จากปริมาณสำรองที่มีการประเมินทำให้มีการตื่นตัวในการพยายามนำมีเทนคลาเรตมาใช้ให้ได้อย่างคุ้มทุนและเพื่อทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลอื่นๆ

แผ่นทวีป

มีเทนคลาเทรตที่เกิดในทวีปจะถูกกักเก็บอยู่ในหินทรายและหินทรายแป้งที่ความลึกน้อยกว่า 800 เมตร กระบวนการเกิดเกิดจากอุณหภูมิที่เหมาะสมกับการย่อยสลายจากแบคทีเรียที่ช่วยแยกแก๊สออกจากสารไฮโดรคาร์บอนที่หนักกว่า ในพื้นทวีปพบบริเวณ อลาสก้า, ไซบีเรีย และตอนเหนือของแคนาดา

ประโยชน์ทางเศรษฐกิจ

อย่างที่ทราบว่ามีเทนคลาเทรตมีปริมาณสำรองมากกว่าแก๊สธรรมชาติตั้งแต่ 2-10 เท่า ซึ่งมีความเป็นไปได้ที่จะนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงจากไฮโดรคาร์บอนอย่างหนึ่ง อย่างไรก็ตามในหลายๆที่นั้นการสกัดแยกมีเทนคลาเทรตออกมาใช้มีค่าใช้จ่ายที่สูงเกินไป ปัญหาอีกอย่างคือผลประโยชน์ทางธุรกิจและการบุกรุกแย่งชิงพื้นที่กักเก็บ จนถึงทุกวันนี้มีแหล่งมีเทนคลาเทรตเพียงแหล่งเดียวที่มีศักยภาพคุ้มทุนและเปิดเพื่อการค้าคือ แหล่งแก๊สเมสโสยัคคา (Messoyakha Gas Field) ในเขตนอริสค์ (Norilsk) ของรัสเซีย ส่วนในประเทศญี่ปุ่นมีการตั้งเป้าว่าจะประสบความสำเร็จในการพัฒนามีเทนคลาเทรตและนำมาใช้ได้ในปี 2016 ส่วนในจีนก็มีการวางโครงการทุ่มเงินกว่า 100 ล้านเหรียญสหรัฐเพื่อพัฒนาโครงการแก๊สมีเทนคลาเทรต ส่วนในอเมริกาก็มีการพัฒนาวิธีการนำมีเทนคลาเทรตเพราะมีแหล่งแก๊สอยู่มากโดยเฉพาะในอ่าวเม็กซิโก วิธีการคือ ฉีด CO2 เข้าไปเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ เพื่อแยกเอาแก๊สมีเทนออกมาใช้นั่นเอง

มีเทนคลาเทรตในกระบวนการผลิตแก๊สธรรมชาติ

มีเทนคลาเทรตมักจะพบอยู่ในกระบวนการผลิตแก๊สธรรมชาติ เป็นที่รู้กันว่าสารประกอบมีเทนเป็นโมเลกุลที่เล็กที่สุดในการเกิดไฮโดรคาร์บอนและสามารถเปลี่ยนเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นได้เช่น บิวเทน โปรเพน อย่างไรก็ตามยิ่งสายของโซ่ไฮโดรคาร์บอนยาวเท่าใดมันก็จะใหญ่เกินกว่าจะสามารถแทรกฝังอยู่ตามช่องว่างของน้ำได้ เมื่อนั้นมันจะไม่เสถียรและจะลดรูปกลับมาเป็นมีเทนเช่นเดิม ในบางครั้งสายการผลิตก็อาจมีปัญหาจากคุณสมบัตินี้ได้ เราแก้ได้โดยปรับลดความดัน เพิ่มความร้อน รวมถึงการใส่สารเคมีลงไปเช่น เอทีลีน ไกลคอล, เมทานอล ทั้งนี้การควบคุมปริมาณมีเทนต้องมีการทำอย่างเข้มงวด มิฉะนั้นอาจจะพบกับปัญหาเรื่องมวลของมีเทนที่เพิ่มขึ้นมากจะไปอุดตันในอุปกรณ์ท่อส่งต่างๆและความเสี่ยงจากความดันที่เพิ่มจากการชนกันก็เป็นได้ ปัจจุบันมีวิธีใหม่คือการผลิตตัวเหนี่ยวนำสารประกอบมีเทนคลาเทรต ซึ่งมีหน้าที่ป้องกันไม่ให้มีเทนคลาเรตจับตัวกันเป็นก้อนและไปอุดตันในท่อแก๊สได้
จีนมีแหล่งน้ำแข็งติดไฟ 3 แห่งกระจายตัวอยู่ในทะเลจีนใต้ และทะเลตะวันออกของประเทศ และมีแผนดำเนินการขุดเจาะน้ำแข็งติดไฟระหว่างปี 2010-2015 และจะดำเนินการขุดเจาะเชิงพาณิชย์ในปี 2020