Nanopartikel aus Magnetit
Viele der hochkarätigen Verwendungen von Magnetit sind, wenn Magnetit in Form eines Nanopartikels ist - d.h. in der Partikelgröße unterhalb der Mikrometerskala (3). Solche Beispiele für Nanopartikelmagnetit sind wie in Ferrofluiden, die sich als nützlich bei der Medikamentenabgabe (4) und wasserreinigend erwiesen haben. Einige dieser Anwendungen verwenden mikroskalige Magnetit zusätzlich zu Nanoskalige.
Industrieller Prozess
Die wohl bekannteste Anwendung von Magnetit-Schwarzsand ist in der industriellen Synthese von Ammoniak durch das Haber-Bosch (H-B) Verfahren (5). Das H-B-Verfahren erzeugt Ammoniak, indem atmosphärischer Stickstoff unter erhöhten Temperaturen und Drücken mit Wasserstoff umgewandelt wird, wobei ein heterogener Eisenkatalysator verwendet wird. Magnetit ist das primäre Ausgangsmaterial dafür. Der Bodenmagnetit wird teilweise reduziert, wodurch er von einem Teil seines Sauerstoffs befreit wird, so dass ein Katalysator einen Magnetitkern mit einer äußeren Schale aus Eisenoxid (FeO, Würstit) trägt. Der Vorteil dieses Katalysators liegt in seiner Porosität und ist somit ein hochaktives, hochflächenreiches Material. Ammoniak ist ein wichtiger chemischer Rohstoff und ein Wichtiger Bestandteil bei der Herstellung von Düngemitteln, und die Verwendung von Magnetit in H-B bietet einen kostengünstigen und zuverlässigen Katalysator für diesen weltweit wichtigen Prozess (6).
Eine weitere wichtige Anwendung von Magnetit-Schwarzsand liegt im Fischer-Tropsch (F-T)-Verfahren, bei dem Kohlenmonoxid und Wasserstoff in kleine, gerade Kettenkohlenwasserstoffe umgewandelt werden, die dann einem Riss-/Reformierungsprozess/Isomerisierung sprozessieren deiner Kunststoffe unterzogen werden können. F-T ist ein wesentlicher Bestandteil des globalen Erdölsektors, der die Versorgung mit Kohlenwasserstoffen sicherstellt, wenn die traditionelle Produktion gehemmt wird, und durch die konsequente Herstellung schwefelarmer Dieselprodukte. Die F-T-Reaktion zwischen Kohlenmonoxid und Wasserstoff (Synthesegas) wird typischerweise durch einen Übergangsmetallkatalysator wie Nickel, Kobalt oder Ruthenium katalysiert. Eisenbasierte Katalysatoren sind auch aufgrund ihrer Allgegenwart und relativ preiswerten Natur eine beliebte Wahl – Magnetitoxid ist ein solches Beispiel. Pulvermagnetit wird teilweise mit Wasserstoff reduziert und erzeugt einen Katalysator mit geringer Porosität, geringer Porengröße mit Durchmessern im Bereich von 100 Mikrometern. Der Magnetitkatalysator ist bei geringer Belastung eines Promotors wie Kieselsäure und bei typischen Reaktortemperaturen von 340°C (7) aktiv. Eisenkatalysatoren, wie Magnetit, haben sich auch bei F-T-Prozessen mit niedrigerer Temperatur als wirksam erwiesen, die flüssige Kohlenwasserstoffe und Wachse produzieren. Eisenkatalysatoren sind weniger empfindlich gegenüber Vergiftungen durch Schwefelwasserstoff (ein gewöhnlicher Kontaminant im Synthesegas) als Kobaltkatalysatoren und von Natur aus billiger als ihre Ruthenium-Gegenstücke (8). Darüber hinaus ist Magnetit in der Wasser-Gas-Verschiebungsreaktion aktiv, die die wichtigsten F-T-Reaktionen begleitet (9).
Natürlich vorkommender Magnetit wurde als Katalysator für den hocheffizienten Abbau von Wasserstoffperoxid in Hydroxylradikale verwendet, die dann verwendet wurden, um Para-Nitrophenol zu abbauen. Magnetit-Schwarzsandpulver mit einer Partikelgröße von 75 Mikrometern wurde bei einer Belastung von 1 g/L bei neutralem pH-Wert verwendet, um den Abbau von Peroxid zu Hydroxylradikalen schnell zu katalysieren, was schnell zur Zersetzung der para-nitrophenolvorhanden(10). Para-Nitrophenolist ein bekannter Kontaminant aus einer Vielzahl von industriellen Verfahren, wie petrochemische, Pestizide und Papierherstellung; und einen bekannten Schadstoff. Magnetit-Schwarzoxid wurde in ähnlicher Weise beim Abbau von 2-Chlorobphenyl über das Superoxid vermittelte, magnetitunterstützte Produktion von Hydroxylradikalen nachgewiesen(11). In beiden Fällen wurde festgestellt, dass eine geringe Menge des Schadstoffs durch Oberflächenhaftung am Magnetitkatalysator entfernt wurde.
Weitere Abbauprozesse, die durch Magnetitdünger katalysiert werden, sind solche, die polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, n-Alkane und feuerfeste Ölrückstände als Verunreinigungen in Böden eliminieren. In zwei Studien wurde pulverisierter Magnetitdünger als hochwirksamer Katalysator für die Fenton-ähnlichen (Peroxid-zu-Hydroxyl-, wie oben) und überzeugenden Oxidationsabbauwege nachgewiesen(12). Magnetit übertraf einen löslichen Fe2+-Katalysator bei der Entfernung von 80 bis 90 Rohölrückständen aus dem Boden in einer Woche, verglichen mit nur 10-15 für den regulären Eisenkatalysator(13). Die Verwendung von Magnetitdünger als Bodenverunreinigungsmittel wird aufgrund der relativ geringen toxischen Natur von Magnetit besonders begrüßt. Es hat sich auch als wirksamer Katalysator beim Abbau von Phenol - einem weiteren industriellen Nebenprodukt - unter ultravioletter Bestrahlung gezeigt, bei dem die Reduktion von Fe3+ auf Fe2+ als eine Schlüsselrolle bei der Katalysatoraktivität angesehen wurde, wobei die Größe von Magnetit-Schwarzoxidpartikeln unwichtig war(14).
Medizinischer Gebrauch
Magnetit hat breite Verwendung im medizinischen Bereich gefunden. Es hat sich gezeigt, dass DNA aus Maiskernen extrahiert wird, die die Verwendung von Magnet- und Magnetit-Silica-Kompositen betrafen, die beide besser abschneiden als kommerziell erhältliche DNA-Extraktionskits. Die Extraktion mit Magnetit-Schwarzoxid war ertragreich und führte zu Extrakten, die für die Enzymverdauung und den Polymerase-Kettenreaktionsprozess geeignet waren(15). 5 Mikron Magnetitpulver wurde als Farbstoff in gefärbter Gelatine für den Test der proteolytischen Aktivität verwendet - der Abbau von Proteinen in kleinere Polypeptide und/oder Aminosäuren(16).
Magnetresonanztomographie (MRT) Kontrastmittel werden oft als hochwirksam Anwendungen für Magnetit aufgrund ihrer superparamagnetischen Eigenschaften berichtet - sie werden magnetisch innerhalb des starken Magnetfeldes des MRT-Instruments, verlieren aber diesen Magnetismus, wenn das Feld nicht mehr angewendet wird und stark nachweisbar ist(17). Vivo-Studien mit Ratten haben gezeigt, dass es in Kombination mit Dextran (einem langkettigen Polysaccharid) die Blut-Hirn-Schranke überschreitet und effektive Kontrasteigenschaften bietet(18). Ein Bericht zeigte, dass die absichtliche Einnahme von pulverisiertem Magnetit eine unerwartete Quelle von Kontrastmittel erwies, obwohl es zu beachten ist, dass der absichtliche Verzehr von Magnetit als Nahrungsergänzungsmittel für Eisen nicht empfohlen wird(19).
Als Ferrofluid hat Fe3O4 eine mögliche Verwendung bei der Behandlung von Unterkühlung(20) gefunden, wobei eine Lösung aus metallischen Materialien (in diesem Fall Magnetit) in einem kommerziellen Gel aufgehängt wurde, um Säugetiergewebe nachzuahmen. Durch die Übergabe eines Stroms über das Magnetit-haltige Gel wurde lokalisierte Wärme induziert. Ein Ferrofluid ist eine Dispersion einer Eisensubstanz in einem flüssigen Medium. In ähnlicher Weise wurde Magnetit in die Herstellung von ferrimagnetischen Glaskeramik enden und als "Thermosate" für die hyperthermische Behandlung von Krebszellen mit einem Magnetitgehalt von bis zu 60 verwendet. Solche "Thermosaaten" werden um Tumore in körniger Form implantiert und eine hyperlokalisierte Erwärmung wird durch die Anwendung eines magnetischen Magnetitfeldes induziert(21), das den Zelltod verursacht.
Andere Verwendungen
Als Bestandteil in Aufnahmemedien wurde Magnetit verwendet - obwohl er oft auf Gamma-Fe2O3 für hochwertige Aufnahmeanwendungen reduziert wird(22), dotiert mit kleinen Mengen Kobalt für eine optimale Lesbarkeit. Magnetit hat sich als leistungsstarke schwarzes Pigment in thermischen Beschichtungen, mit einer höheren Lichtabsorption als andere gängige anorganische schwarze Pigmente(23). Es wird in Tonerkassetten in Druckanwendungen verwendet.
Magnetit wurde in der Wasseraufbereitung ausgiebig eingesetzt und wurde zu polymeren Mikrosphären neben Styrol und Divinylbenzol gebildet, um magnetische Ionenaustauscherharze herzustellen(24), was eine gute Effizienz bei der Entfernung giftiger Kobalt- und Nitratkontaminanten aus dem Wasser zeigt. In einer Anlage in Australien wurde Magnetit im Mikron-Maßstab als Reagenz zur Reinigung und Klärung von Wasser verwendet, wodurch eine Trinkwasserversorgung aus minderwertigem Boden- und Oberflächenwasser entsteht. Die Probleme im Zusammenhang mit einem schwer zu entfernenden "beladenen" Reagenz wurden durch die magnetische Magnetitnatur gelöst (25). Chlorierte Kohlenwasserstoffe können über Bakterien, die auf Magnetit adsorbiert wurden, aus dem Wasser entfernt werden, die dann mit einem Magnetfeld entfernt werden können(26).
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