Magnetit-Anwendungen und -Anwendungen
Einführung in Magnetit
Magnetitoxid ist eine der wichtigsten Erte von Eisen, und die magnetischste aller natürlich vorkommenden Mineralien in der Natur. Seine primäre Verwendung ist als Quelle von Eisen. Magnetit, das den Namen Eisen(ii,iii) der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) hat, ist ein metallisches, schwarzes, undurchsichtiges Mineral, das die chemische Formel Fe3O4hat und somit vier Sauerstoffatome für jedes drei Eisen enthält. Magnetit enthält Eisen in zwei Oxidationszuständen, Eisen (Fe3+) und Eisen (Fe2+),das unter den Eisenoxiden einzigartig ist. Seine Struktur ist ein inverser Spinell, wobei die Oxidionen ein flächenzentriertes kubisches Gitter bilden, wobei Eisen den Raum in den interstitiellen Stellen einnimmt.
Natürlich vorkommender Magnetit wird meist als Oktaederkristall gefunden. Als Hauptquelle von Eisen wird es in einem Hochofen behandelt, um Schwamm oder Roheisen herzustellen, die beide für die großflächige Stahlherstellung verwendet werden. Magnetit ist weit verbreitet auf der ganzen Welt, vor allem als großflächige Ablagerungen, in igneous und metamorphen Gestein, in Fossilien über einen Biomineralisierungsprozess und auch in schwarzem Sand. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass sich Fe3O4 auch über einen Biomineralisationsprozess in Säugetiergeweben, einschließlich des menschlichen Gehirns, ablagert (1).
Magnetit und Magnetismus
Der Hinweis ist im Namen - viele historische Anwendungen von Magnetit sind aufgrund seiner Natur als magnetisches Material. Magnetit ist ferrimagnetisch, was bedeutet, dass er von einem Magneten angezogen wird und magnetisiert werden kann, um ein Permanentmagnet zu werden. Es wird weithin berichtet, dass Vögel Magnetfelder verwenden, um bei ihrer Navigation zu helfen - dieses Magnetionphänomen ist auf die Reaktion von Einkristallmagnetit zurückzuführen, dessen physikalische Grundlage für viele Arten und Organismen gilt, die auf eine Empfindlichkeit gegenüber Magnetfelder (2). Es wurde auch oft berichtet, dass eine hohe Präsenz von Magnetitoxid Störungen auf dem Kompass eines Schiffes verursachen kann - sehr zum Nachteil vieler Seeleute in bestimmten Teilen der Welt.
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.
Magnetit-Anwendungen
Trotz der vielen Anwendungen von Magnetit in der Nanopartikelform hat es auch mehrere Anwendungen auf der Mikro- und bis zur Makroskala. Industrielle Prozesse wie in der Stahlherstellung (die hier nicht weiter behandelt werden), als Oxidquelle und im Gegensatz zu Wirkstoffen in der medizinischen Bildgebung. Weitere Verwendungen wie Katalysatoren, Ferrofluide, Pigmente und Tinten werden diskutiert.
Industrielle Prozesse
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 Beladung von 1 g/l bei neutralem pH-Wert verwendet, um den Abbau von Peroxid zu Hydroxylradikalen schnell zu katalysieren, was schnell zur Zersetzung des vorhandenen para-Nitrophenols führte(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).
Medizinische Anwendungen
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. Es hat sich gezeigt, dass Magnetit ein leistungsstarkes
schwarzes Pigment
in thermischen Beschichtungen ist, das eine höhere Lichtabsorption aufweist als andere gängige anorganische schwarze Pigmente(23). Es wird in Tonerkassetten in Druckanwendungen verwendet.
Magnetit wurde
in großem Umfang bei der Wasseraufbereitung eingesetzt
und zusammen mit Styrol und Divinylbenzol zu polymeren Mikrokugeln geformt, um magnetische Ionenaustauscherharze herzustellen(24), die eine gute Wirksamkeit bei der Entfernung giftiger Kobalt- und Nitratverunreinigungen aus dem Wasser zeigen. 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).
In Bezug auf die fortschrittlichsten Filtrationsverfahren für das am stärksten verunreinigte Wasser wird Magnetit häufig zusammen mit anderen Verbindungen verwendet. Der gesamte organische Kohlenstoffrückstand kann in saurem Abwasser in nur zwei Stunden um fast zwei Drittel reduziert werden, wenn Magnetit als Co-Katalysator neben herkömmlichem Eisenoxid bei Raumtemperatur vorhanden ist (27). Darüber hinaus kann Magnetit in Kombination mit verwandtem Hämatit die Entfernung von 75 % der organischen Kohlenstoffrückstände in Abwässern von kosmetischen Pflanzen bewirken, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass auch gelöste Stickstoffspezies fast vollständig entfernt werden(28).
Zu den weiteren Verwendungen von Magnetit in Filtrationsanwendungen gehört die Entfernung von sechswertigem Uran aus dem Boden, wenn es von metallreduzierenden Bakterien Ochrobactrum(29) begleitet wird, bei denen das Vorhandensein von Magnetit nachweislich die Immobilisierung des Urans unterstützt - wobei ohne Magnetit eine deutlich geringere Entfernbarkeit berichtet wird. Es hat sich gezeigt, dass Magnetit die anaerobe Vergärung von Milchabwässern unterstützt(30).
Bei der Bohrung nach Erdöl wird häufig wasserbasierter Schlamm als Bohrspülung verwendet. In der Regel werden Verbindungen wie Baryt und Bentonit-Tone verwendet, um eine gute Schmierfähigkeit zu gewährleisten, und die Forschung hat sich mit anderen Materialien befasst, die vorteilhaft und/oder billiger sein können - aber vor allem toleranter gegenüber den heutigen Hochdruck- und Hochtemperatur-Bohrprozessen sind. Typischerweise wird für solche Anwendungen ein dichteres Material verwendet; Ein Schlamm mit höherem spezifischem Gewicht. Baryt kann 1:1 durch Magnetit ersetzt werden und ist wirksam(31). Untersuchungen haben gezeigt, dass die Dichte von 14,5 auf 14,9 ppg erhöht werden kann (d. h. eine höhere Dichte mit einer geringeren Menge an Feststoffen, wodurch die Kosten gesenkt werden). Es wurde eine flache Rheologie beobachtet und ein überlegenes Viskositäts-Elastizitäts-Profil festgestellt, was eine bessere Reinigung der Löcher in der Bohrausrüstung bedeutet. Auch die Filtrationseigenschaften wurden im Vergleich zu Baryt verbessert, mit einem fast 30 % geringeren Filtratvolumen und einem um 16 % geringeren Gewicht. Magnetit kann auch in Form von Nanopartikeln für maßgeschneiderte Bohrspülungen(32) verwendet werden, wobei Fließspannung und Temperatur in einem linearen Verhältnis zueinander stehen. Darüber hinaus kann Magnetit bei Öl- und Gasbohrungen bei der Entfernung von Sulfiden helfen(33). Ähnlich wie bei den dichteerhöhenden Eigenschaften von Schlamm auf Wasserbasis kann Magnetit analog als Beschwerungsmittel bei der Zementierung der Extraktionsbrunnen verwendet werden(34).
Energie
Während Magnetit seine Fähigkeiten bei der Gewinnung fossiler Brennstoffe unter Beweis gestellt hat, gibt es einige Beispiele dafür, dass es bei der Erzeugung von nutzbarer Energie auf nachhaltigere Weise verwendet wird. In einer mikrobiellen Brennstoffzelle wird nutzbarer Brennstoff erzeugt, wenn Elektrizität durch einen bestimmten bakterienreichen Elektrolyten geleitet wird, ähnlich wie Wasserstoff durch Elektrolyse erzeugt wird. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von Magnetit zu einem solchen System eine hervorragende Leistung für die Sauerstofftransportschritte bietet, was zu einer insgesamt höheren Systemeffizienz führt(35). Darüber hinaus ist das vorhandene Magnetit auch wirksam bei der Entfernung von Klärschlamm - falls das System kontaminiertes Wasser verwendet. Magnetit-immobilisierte Lipasen haben sich als effektive Produzenten von Biodieselkraftstoff erwiesen, genau wie andere Lipasen. Kritisch ist jedoch, dass pilzliche und nicht-probiotische Quellen von Lipasen mit schädlichen Nebenprodukten in Verbindung gebracht werden, während probiotische Lipasen im Vergleich zu ihren pilzlichen Gegenstücken nicht für ihre Stabilität und damit Effizienz bekannt sind. Die Immobilisierung dieser probiotischen Lipasen auf Magnetit ergibt ein leistungsfähiges System(36).
Beratung von Manganoxid
- Magnetit ist das häufigste Eisenerz, es wird von Magneten angezogen und kann selbst magnetisiert werden.
- Es wird hauptsächlich bei der Herstellung von Eisen und Stahl verwendet.
- Es wird in den Haber-Bosch- und Fischer-Tropsch-Prozessen als Katalysator zur Herstellung von Ammoniak bzw. Kohlenwasserstoffen eingesetzt; und als Werkzeug zur Degradierung von Schadstoffen aus industriellen Prozessen.
- In der Medizin wurden Ferrofluide von Magnetit zur Behandlung von Unterkühlung untersucht. Andere Anwendungen wurden in hyperthermischen Therapien, in MRT-Kontrastmitteln und in DNA-Extraktionstechniken gezeigt.
- Magnetit wurde in Aufzeichnungsmedien, als Pigmentmaterial und zur Wasserreinigung verwendet, wo die Entfernung von organischem Material und Uran untersucht wurde
- Es wird in der Öl- und Gasindustrie als Bestandteil von Bohrspülungen verwendet und ersetzt oft Baryt
- Magnetit wird bei der Herstellung nachhaltiger Energieträger verwendet und unterstützt den Sauerstofftransport und/oder die Stabilität
Verweise:
1 B. J. Woodford et al., PNAS, 1992, 89, 7683
2 C. E. Diebel et al., Curr. Opin. Neurobiol., 2001, 11. 462
3 D. Ficai et al., Curr. Nach oben. Med. Chem., 2015, 15, 1622
4 L. Blaney, The Lehigh Review, 2007, 15, 5
5 B. Elvers (Anm.) Ullmann es Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2002
6 A. Mittasch und W. Frankenburg, Adv. Catal.Transportjahr 1950, 2, 81
7 C. N. Satterfield et al., Ind. Eng. Chem. Prozess-Dev., 1986, 25, 401
8 H. G. Stenger Jr. und C. N. Satterfield, Ind. Eng. Chem. Prozess-Dev., 1985, 24, 415
9 K. R. P. M. Rao et al., Hyperfine Interactions, 1994, 93, 1745
10 H. He et al., Sci. Rep., 2015, 5, 1
11 G. D. Fang et al., J. Hazard. Mater., 2013, 250, 68
12 K. Hanna et al., Chemosphere, 2012, 87, 234
13 P. Faure et al., Kraftstoff, 2012, 96, 270
14 D. Vione et al., Appl. Catal. B: Umwelt, 2014, 154, 102
15 M. J. Davies et al., J. Chromatog. proTransportjahr 2000, 890.159
16 M. afa-kova und I. Biotech. TechnikenTransportjahr 1999, 13, 621
17 C. H. Chia et al., Ceramics Int., 2010, 36, 1417
18 J. W. M. Bulte et al., Magnetresonanz inder Medizin , 1992, 23, 215
19 A. Taketomi-Takahasi et al., Bin. J. RoentgenologieTransportjahr 2007, 188, 1026
20 R. Hiergeist et al., J. Magnetismus und Magnetische Mater., 1999, 201, 420
21 S. A. M. Abdel-Hameed et al., Keramik Int. 2009, 35, 1539
22 S. Onodera et al., MRS Bull., 1996, 21, 35
23 K. Ghani et al., J. Coatings Tech. Res., 2015, 12, 1065
24 B. Jung et al., J. Appl. Polym. Sci.Transport , 2003, 89, 2058
25 B. A. Bolto und T.H. Spurling, Wasserreinigung mit magnetischen Partikeln im Vierten Symposium über unsere Umwelt, Dordrecht, Niederlande, 1991
26 I. C. Mac Rae, Water Res., 1986, 20, 1149
27 J. Bogacki et al., Catalysts, 2021, 11, 9
28 M. Krupa et al., Prozesse, 2020, 8, 1343
29 B. Zheng et al., Env. Tech. Innov., 2022, 28, 102616
30 C. Lee et al., Biores. Tech., 2020, 297, 122443
31 S. Slkatatny et al., Araber. J. Geosci., 2021, 14, 1913
32 C. Zimmermann, J. Pet. Tech., 2017, 69, 41
33 V. S. Saji, Rev. Chem. Eng., 2019, 37, 663
34 D. Alvayed et al., Schwergewichtiges Magnetit als neuartiges Gewichtungsmaterial für die Zementierung von HPHT-Formationen, in: ARMA US Rock Mechanics/Geochemics Symposium, Atlanta, 2023
35 N. I. Madondo u. a., Chem. -Asien. J., 2023, 18, e2023002 (online verfügbar)
36 J. R. Dutta et al., Green Chem., 2022, 24, 8800
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