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.
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).
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