Klumpen von Magnetit

Magnetit: Verwendungen und Anwendungen in Aufzeichnungsträgern, Pigmenten / Farbstoffen und dem Fischer-Tropsch-Verfahren

Kurze Einführung in Magnetit

Magnetit, Eisen(ii,iii) Oxid, ist ein hauptes Erz von Eisen und findet daher seine primäre Verwendung als Eisenquelle und für die Stahlproduktion. Es ist schwarz, undurchsichtig und hat die chemische Formel Fe3O4, die Eisen in Oxidationszuständen 3+ (ferrisch) und 2+ (eisenhaltig) besitzt. Es ist weit verbreitet als großflächige Ablagerungen, in igneous und metamorphen Gestein, zusätzlich zu in schwarzen Sand und in Fossilien(1).

Neben Eisen und Stahl wird Magnetit in der Wasseraufbereitung weit verbreitet, das Haber-Bosch-Verfahren, in der Medizin und zur Schadstoffentfernung aus industriellen Prozessen. Hier werden wir uns mit drei Anwendungen von Magnetit befassen: in Aufnahmemedien, dem Fischer-Tropsch-Verfahren zur Herstellung synthetischer Kohlenwasserstoffe und im Beschichtungs-, Pigment- und Farbraum.

Container Fracht Frachtschiff mit Arbeitskran

Aufnahmemedien

Magnetband ist eine der ältesten Methoden zur Speicherung von Daten (analoge Sprache/Musik und digitalisierte Computer-Back-ups, zum Beispiel) und trotz seiner wahrgenommenen Obsoleszenz verlassen sich viele Unternehmen immer noch auf ein Magnetband-basiertes System innerhalb ihres gesamten Datenmanagement-Regimes. 77 der befragten Unternehmen(2) gaben an, magnetband im Rahmen ihres Datenmanagements verwendet zu haben. Magnetband ist bekannt für seine Langlebigkeit unter optimalen Lagerbedingungen und ist nach wie vor ein wichtiger Bestandteil vieler Archivierungsdienste(3). Erst 2014 kündigte Sony ein neues Magnetband mit einer Kapazität von 185 GB an, angeblich für den Serverbetrieb. Magnetit als Hauptquelle von Eisenoxid, war ein frühes Material, das für die Herstellung von Magnetband verwendet wurde(4).

Wie funktioniert es?

Da Magnetit (und dieses Eisen(iii)-Oxid) ferrimagnetisch ist, wird das Passieren durch eine Magnetspule die magnetischen Momente des Eisenoxids in eine einzige Richtung ausrichten. Bei Aufnahmemedien ist die Magnetspule ein Ferromagnet und ein Elektromagnet und wird als Aufnahmekopf bezeichnet. Zur Aufzeichnung wird ein Strom des zu erfassenden Signals an die Ferromagnetspule gepulst, was wiederum das Band über ein induziertes Magnetfeld proportional zum Signal magnetisiert. Für die Wiedergabe (oder Dekodierung) wird ein bereits magnetisiertes Band durch dieselbe Spule geleitet, dies induziert eine Spannung in der Spule, die weiter übertragen werden kann. Die gleiche Grundidee wird auf allen magnetischen Bandmedien verwendet, mit Variationen nur in der Frage, ob die Aufnahmemethode linear oder scanbasiert ist(2).

Kassettenbänder mit Magnetit

Warum Magnetit? Wie wird es benutzt?

Magnetbandrolle aus Magnetit

Magnetit ist als kostengünstige und hochreine Quelle von Eisen(iii)-Oxid bekannt, und seine Natur als ferrimagnetisches Material bedeutet, dass es als Bestandteil eines Speichermediums nützlich ist. Kurz gesagt, wird eine Emulsion von Eisenoxid auf eine Kunststofffolie mit einem Bindemittel abgelagert. Dieses nicht magnetisierte Eisenoxid ist stabil und das Band wird auf einen Aufnahmekopf fortschreiten. Magnetit wurde nicht allein eingesetzt, sondern bereits in den 1950er Jahren mit anderen Elementen gedopt, wie Kobalt(5) leisten Bänder mit viel gleichmäßigerer Signalleistung. Bei der Herstellung des Magnetitfilms wird amorpher Magnetit (Fe2 O3) auf einen Film auf, erhitzen, bis er die alpha-kristalline Phase, und dann auf Magnetit reduzieren(6), führt dies zu einem einzigen, kontinuierlichen Film von reinem Magnetit, sehr günstig für hochwertige Aufnahmemedienanwendungen, z. B. in einer Rechenzentrumsumgebung.

Pigmente, Farbstoffe und Beschichtungen

Als natürlich vorkommendes und hochbeständiges Material hat Magnetit mehrere Verwendungen im Bereich Pigmente/Farbstoffe/Beschichtungen gefunden. Magnetit, der für seine relative Härte (ca. 6 Mohs) und die Beständigkeit gegen Hitze, Druck und Verwitterung geschätzt wird, wird vor allem für die Beschichtung von Stahl- und Eisenkonstruktionen, mechanischen Geräten und mehr verwendet.

Warum Magnetit? Wie wird es benutzt?

In Bezug auf Beschichtungen ist die Fähigkeit von Magnetit, Licht zu absorbieren, höher als die vieler anderer gängiger anorganischer Pigmente(7), seine hohe Leistung ist besonders aufgrund seiner niedrigen Kosten und hohen Verfügbarkeit bemerkenswert. In Pigment- und Färbesituationen hat sich gezeigt, dass Magnetit eine hohe Färbefestigkeit und eine gute Ölaufnahme hat(8). Diese zweite Qualität ist besonders wichtig, wenn man bedenkt, dass der Hauptbestandteil der Farbe auf Ölen und/oder Chemikalien auf Kohlenwasserstoffbasis basiert. Die Dispersion der Eisenoxidpartikel erfolgte im Mikron-Maßstab. Magnetit ist ein Pigment, das eine schwarze Farbe bietet. Es wurde als Pigment zumindest bereits im antiken Griechenland verwendet, wo die charakteristischen Figuren auf Terrakotta-Keramik zumindest teilweise mit Magnetitpigment hergestellt wurden(9).

Sammlung von bunten Pulver

Die Tatsache, dass solche Ornamente heute in einem so guten Zustand überleben, ist ein Beweis für die Stabilität des Magnetites. Beim Drucken von Tinten wurde Magnetit verwendet, indem es zu einem sikkativen Öl(10) hinzugefügt wurde. Aufbauend auf der wahrgenommenen Stabilität und relativen Trägheit von Magnetit wurden magnetithaltige Antikorrosivfarben zum Schutz von Stahlkonstruktionen und -maschinen(11) mit Stahlbeschichtungen zwischen 50 und 80 Mikrometern verwendet. Es wird berichtet, dass Magnetit-basierte Anti-Korrosive-Behandlungen übertreffen ihre Hämatit-basierten kommerziell verfügbaren Pendants. Die Verwendung von Magnetit mit Epoxidharzen hat sich als nützliche Hybridlackbeschichtung für marine Anwendungen erwiesen(12). Insgesamt werden Magnetithaltige Pigmente und Beschichtungen für ihre Beständigkeit gegen eindringenvon Wasser und milden Säuren und Basen hoch gelobt.

Der Fischer-Tropsch-Prozess

Das Fischer-Tropsch (F-T) Verfahren ist ein wesentlicher Bestandteil der modernen globalen petrochemischen Industrie. Es handelt sich um ein industrielles Verfahren, das minderwertiges Kohlenmonoxid und Wasserstoff (zusammen als Synthesegas "Syngas" bezeichnet) in höherwertige Kohlenwasserstoffprodukte umwandelt, die durch Rissbildung, Isomerisierung und Reformierung zu wesentlichen Produkte wie Dieselkraftstoffe und Flugkraftstoffe. Das F-T-Verfahren stellt sicher, dass synthetische Öle und Kraftstoffe immer auf dem Markt verfügbar sind, was der Weltwirtschaft eine Versicherung gegen Probleme mit der Rohölproduktion bietet. F-T setzt auf hohe Temperaturen und Drücke - und vor allem einen Metallkatalysator - um Syngas in nutzbare Brennstoffe umzuwandeln. Eine oft zitierte Perspektive legt nahe, dass einige natürlich vorkommende Kohlenwasserstoffablagerungen aufgrund eines magnetitisch katalysierten F-T-ähnlichen Prozesses an tektonischen Plattengrenzen im Nahen Osten entstanden sind(13). Das F-T-Verfahren kann auch Kohlendioxid bei der Herstellung von Kraftstoffen nutzen(14).

Raffinerie, die Magnetit in ihren Prozessen verwendet

Wie funktioniert es?

Das F-T-Verfahren ist eine Reihe chemischer Reaktionen, die zu verworren sind, um hier diskutiert zu werden, aber im Wesentlichen ist die Übergangmetall-katalysierte Reaktion zwischen Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die typischerweise kurzkettige Kohlenwasserstoffe und Wasser als Nebenprodukt produziert. Die Identität des Katalysators ist in der Regel Nickel, Kobalt, Ruthenium oder Eisenbasis. Magnetit wird oft als Katalysator verwendet, da es eine hohe Reinheit und kostengünstig ist, aufgrund seiner relativen Fülle, Quelle von Eisen. Eisenkatalysatoren sind deutlich billiger und von vergleichbarer Aktivität wie Ruthenium-Katalysatoren(15). Im Reaktor wird pulverisierter Magnetit teilweise durch den Wasserstoff im Syngas reduziert, wodurch ein kombinierter Eisen-Eisen-Oxid-Katalysator in situentsteht. Der hergestellte Katalysator zeichnet sich durch seine geringe Porosität und geringe Porengröße aus - mit Durchmessern im Bereich von 100 Mikrometern. Magnetit wird dem Reaktor neben Kieselsäure zugesetzt, die als Promotor der Reaktion wirkt. Magnetit-basierte Katalysatoren sind für ihre Stabilität im Laufe der Zeit bekannt und tragen so zu einem stabilen Gesamtprozess bei.

Warum Magnetit? Wie wird es benutzt?

Wie bereits erwähnt, ist die Allgegenwart und der Preis von Magnetit ein hauptgrund dafür, warum es als Katalysator eingesetzt wird. In einem typischen Großreaktor können Dutzende oder Hunderte von Kilogramm Katalysator verwendet werden, und es ist wichtig, eine Kostenexplosion zu verhindern. Eisenbasierte Katalysatoren haben sich unter einer Vielzahl von F-T-Bedingungen als nützlich erwiesen, einschließlich Reaktoren mit niedrigerer Temperatur zur Herstellung flüssiger Kohlenwasserstoffe und sogar Wachsen. Hochtemperatur-F-T produziert in der Regel sehr kurzkettige Kohlenwasserstoffe wie Propan. Ethan und Methan - die als Gase realisiert werden. Die Wasser-Gas-Verschiebungsreaktion ist ein entscheidender Teil des gesamten F-T-Prozesses und Magnetit ist dafür bekannt,in diesem(16) aktiv zu sein, und Eisenkatalysatoren wie Magnetit sind dafür bekannt, resistenter gegen Sulfidvergiftungen zu sein als ihre Kobalt-Gegenstücke(17) - Wasserstoff Sulfid ist ein häufiger Kontaminant in Syngas. Die Verwendung von F-T zur Herstellung von Dieselkraftstoff ist besonders vorteilhaft, da er oft einen Kraftstoff mit geringerem Schwefelgehalt produziert, als es bei konventioneller Produktion der Fall wäre. Studien haben gezeigt, dass Eisenbasierte Katalysatoren für die Olefinproduktion selektiver sind als andere Übergangsmetalle(18).

Magnetit roh

Viele Studien haben sich mit der Ergänzung von Magnetit im Reaktor befasst, um das Reaktionsergebnis zu optimieren - um beispielsweise eine Selektivitätsverzerrung für eine bestimmte Art von Brennstoff zu gewährleisten. Herkömmliches Eisenpulveroxid wurde mittels Imprägnierung mit bis zu 6 Gew. Kalium, Kobalt oder Molybdän(19) behandelt, wobei die Kalium- und Kobalt-dotierten Experimente eine erhebliche Selektivitätsverzerrung für Kerosin-Kohlenwasserstoffe (wie sie in Luftkraftstoffe) von bis zu 30. Wenn Natrium als Promotor verwendet wurde, verringerte sich die Selektivität für Methan, aber seine Auswirkungen auf die Gesamteffizienz der F-T-Reaktion sind nur dann bemerkenswert, wenn der Eisenkatalysator auf Aluminiumoxid unterstützt wird(20). Darüber hinaus wurde Kupfer als Promotor verwendet, wodurch die F-T-Raten erhöht wurden(21). Im Biomasse-zu-Flüssigkeits-Prozess zur Herstellung nachhaltiger Brennstoffe aus Abfallprodukten mit dem F-T-Verfahren können Eisenoxidkatalysatoren verwendet werden(22), es wird jedoch darauf hingewiesen, dass große Kristalle von Magnetit zugunsten kleinerer Beispiele aufgrund der Gefahr von Hartmetall vermieden werden sollten. Bildung(23).

Zusammenfassung

  • Magnetit ist eine weit verbreitete und kostengünstige Quelle von Eisenoxiden, die in einer Vielzahl von Operationen verwendet werden kann
  • Magnetit wurde in Aufnahmemedien für die Herstellung von Magnetbändern verwendet und findet auch heute noch Verwendung in hochwertigen Bändern für Rechenzentrumsanwendungen.
  • In Beschichtungen, Pigmenten und Farbstoffen wird Magnetit als wirksames schwarzes Farbstoff und als Teile der Beschichtung zum Schutz von Stahl-, Eisen- und Industriemaschinen verwendet.
  • Das Fischer-Tropsch-Verfahren zur synthetischen Produktion von Kohlenwasserstoffen nutzt ausgiebig Magnetit- und Magnetit-basierte Katalysatoren und sorgt so für eine stabile und widerstandsfähige Produktion
Magnetit

Verweise:

1 B. J. Woodford et al., PNAS, 1992, 89, 7683

2 R. H. Dee, Proc. Ieee, 2008, 96, 1775

3 R. Bradshaw und C. Schroeder, IBM J. Res. Dev., 2003, 47, 373

4 S. Onodera et al., MRS Bull., 1996, 21, 35

5 US-Patent US3031341A, 1958, abgelaufen

6 US-Patent US3620841A, 1970, abgelaufen

7 K. Ghani et al., J. Coatings Tech. Res., 2015, 12, 1065

8 M. A. Legodi und D. de Waal, Farbstoffe und Pigmente, 2007, 74, 161

9 P. Maravelaki-Kalaitzaki und N. Kallithrakas-Kontos, Anal. Chim. ActaTransport , 2003, 497, 209

10 US-Patent US3826667A, 1972, abgelaufen

11 J. Calderén et al., Rev. Metall. Madrid Vol. Extr., 2003, 2003, 97

12 A. M. Atta et al., RSC Adv., 2015, 5, 923

13 S. Szatmari, AAPG Bull., 1989, 73, 989

14 S. Upadhyayula et al., J. Cleaner Prod., 2019, 228, 1013

15 H. G. Stenger Jr. und C. N. Satterfield, Ind. Eng. Chem. Prozess-Dev., 1985, 24, 415

16 K. R. P. M. Rao et al., Hyperfine Interactions, 1994, 93, 1745

17 C. N. Satterfield et al., Ind. Eng. Chem. Prozess-Dev., 1986, 25, 401

18 M. E. Trocken, Catal. Lett.Transportjahr 1991, 7, 241

19 D. Martinez del Monte et al., Kraftstoffprozess. Technol., 2019, 194, 106

20 A. Y. Khodakov et al., Appl. Katze. A: Gen., 2015, 502, 204

21 S. Li et al., J. Phys. Chem. BTransportjahr 2002, 106, 85

22 S. S. Ali und S. Dasappa, Erneuern. Erhalten. Energie Rev., 2016, 58, 267

23 E. van Steen und M. Claeys, Chem. Eng. Technol.Transportjahr 2008, 31, 655