imán con archivos de magnetita a su alrededor

Aplicaciones y usos de magnetita

Introducción a la magnetita

El óxido de magnetita es uno de los principales minerales de hierro, y el más magnético de todos los minerales naturales en la naturaleza. Su uso principal es como fuente de hierro. Magnetita, que tiene la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) nombre hierro (ii,iii) óxido, es un mineral metálico, negro, opaco que tiene la fórmula química Fe3O4, por lo tanto contiene cuatro átomos de oxígeno por cada tres hierros. La magnetita contiene hierro en dos estados de oxidación, férrico (Fe3+) y ferroso (Fe2+),que es único entre los óxidos de hierro. Su estructura es una espinela inversa, con los iones de óxido formando una celosía cúbica centrada en la cara, con hierro ocupando el espacio en los sitios intersticiales.

La magnetita natural se encuentra principalmente como cristales octaédricos. Como fuente principal de hierro, se trata en un alto horno para producir esponja o hierro de cerdo, ambos para ser utilizados en la fabricación a gran escala de acero. La magnetita se puede encontrar ampliamente distribuida por todo el mundo, principalmente como depósitos a gran escala, en roca ígnea y metamórfica, en fósiles a través de un proceso de biomineralización y también en arena negra. Además, se ha encontrado que Fe3O4 se deposita en tejidos de mamíferos, incluido el cerebro humano, también a través de un proceso de biomineralización (1).

mineral de magnetita

Magnetita y Magnetismo

La pista está en el nombre - muchas aplicaciones históricas de la magnetita se deben a su naturaleza como un material magnético. La magnetita es ferormagnetica, lo que significa que se siente atraída por un imán y puede ser magnetizada para convertirse en un imán permanente. Se informa ampliamente que las aves utilizan campos magnéticos para ayudar en su navegación - este fenómeno magnetorecepción se debe a la respuesta de una sola magnetita cristalina, la base física de los cuales se aplica a muchas especies y organismos que dependen de una sensibilidad a campos magnéticos (2). También se ha informado a menudo que una alta presencia de óxido de magnetita puede causar perturbaciones en la brújula de un barco - en gran medida en detrimento de muchos marineros en ciertas partes del mundo.

Nanopartículas de magnetita

Muchos de los usos de alto perfil de la magnetita son cuando la magnetita está en forma de nanopartículas, es decir, en el tamaño de partícula por debajo de la escala de micrómetros (3). Tales ejemplos de magnetita de nanopartículas incluyen como en los ferrofluidos, que se han demostrado como útiles en la administración de medicamentos (4), y la purificación del agua. Algunos de estos usos emplean magnetita de tamaño microescala además de nanoescala.

la palabra nano

Aplicaciones de magnetita

A pesar de los muchos usos de magnetita en la forma de nanopartículas, también tiene varias aplicaciones en la micro- y hasta la escala macro. Procesos industriales como en la fabricación de acero (que no se tratará nalen más aquí), como fuente de óxido y, en contraste, agentes en imágenes médicas. Se discutirán otros usos como catalizadores, ferrofluidos, pigmentos y tintas.

planta de tratamiento de agua que utiliza magnetita

Procesos industriales

Tal vez la aplicación más conocida de arena negra magnetita se encuentra en la síntesis industrial de amoníaco a través del proceso Haber-Bosch (H-B) (5). El proceso H-B produce amoníaco mediante la conversión de nitrógeno atmosférico con hidrógeno bajo temperaturas y presiones elevadas, empleando un catalizador de hierro heterogéneo. La magnetita es el material de origen principal para esto. La magnetita molida se reduce parcialmente, liberándola de parte de su oxígeno, dejando un catalizador que lleva un núcleo de magnetita con una cáscara externa de óxido ferroso (FeO, w-rstite). La ventaja de este catalizador viene en su porosidad, y por lo tanto es un material altamente activo, de alta superficie. El amoníaco es una materia prima química importante y es un componente clave en la fabricación de fertilizantes, y el uso de magnetita en H-B proporciona un catalizador económico y confiable para este proceso de importancia mundial (6).

Otra aplicación de alta importancia de la arena negra de magnetita se encuentra dentro del proceso Fischer-Tropsch (F-T), donde el monóxido de carbono y el hidrógeno se convierten en pequeños hidrocarburos de cadena recta, que luego pueden someterse a un proceso de agrietamiento/ reforma / isomerización en combustibles sintéticos. El F-T es una parte esencial del sector petrolero mundial, que garantiza el suministro de hidrocarburos cuando se inhibe la producción tradicional y produce constantemente productos diésel de bajo contenido de azufre. La reacción F-T entre el monóxido de carbono y el hidrógeno (gas de síntesis) es típicamente catalizada por un catalizador de metal de transición, como el níquel, el cobalto o el rutenio. Los catalizadores a base de hierro también son una opción popular debido a su ubicuidad y naturaleza relativamente barata – el óxido de magnetita es un ejemplo. La magnetita en polvo se reduce parcialmente con hidrógeno, produciendo un catalizador de bajo poro, de bajo tamaño de poro con diámetros en la región de 100 micras. El catalizador de magnetita está activo con una carga baja de un promotor como sílice, y a temperaturas típicas del reactor de 340 oC (7). También se ha demostrado que los catalizadores de hierro, como la magnetita, son eficaces en procesos De-T de baja temperatura que producen hidrocarburos líquidos y ceras. Los catalizadores de hierro son menos sensibles a la intoxicación por sulfuro de hidrógeno (un contaminante común en el gas de síntesis) que los catalizadores de cobalto, y son inherentemente más baratos que sus homólogos de rutenio (8). Además, la magnetita está activa en la reacción de cambio de agua-gas que acompaña a las principales reacciones F-T (9).

pequeña planta siendo fertilizada
a mano dando fertilizante a la planta pequeña

La magnetita natural se ha utilizado como catalizador para la degradación de alta eficiencia del peróxido de hidrógeno en radicales hidroxilo, que luego se utilizaron para degradar el para-nitrofenol. El polvo de arena negra magnetita con un tamaño de partícula de 75 micras se ha utilizado a una carga de 1 g/L a pH neutro para catalizar rápidamente la degradación del peróxido a los radicales hidroxilo, lo que rápidamente causó la descomposición de la para-nitrofenol presente(10). Para-nitrofenol es un contaminante conocido de una variedad de procesos industriales, tales como petroquímicos, pesticidas y fabricación de papel; y un contaminante conocido. El óxido negro de magnetita se ha demostrado trabajando de manera similar en la degradación de 2-clorobifenilo, a través de la producción asistida por magnetita mediada por superóxido de radicales hidroxilo(11). En ambos casos se observó que una pequeña cantidad del contaminante se eliminó por adhesión superficial al catalizador de la magnetita.

Otros procesos de degradación catalizados por fertilizantes magnetita son aquellos que eliminan los hidrocarburos aromáticos policíclicos, n-alcanos y residuos de aceite refractario como contaminantes en los suelos. En dos estudios, el fertilizante de magnetita en polvo se demostró como un catalizador altamente eficaz para las vías de degradación de la oxidación de Fenton (peróxido a hidroxilo, como arriba) y la degradación de la oxidación del persuto(12). Magnetita superó a un catalizador soluble Fe2+ en la eliminación de entre 80 y 90 residuos de petróleo crudo del suelo en una semana, en comparación con sólo 10-15 para el catalizador de hierro regular(13). El uso de fertilizantes de magnetita como un alivio de la contaminación del suelo es particularmente bienvenido debido a la naturaleza tóxica relativamente baja de la magnetita. También se ha demostrado como un catalizador eficaz en la degradación del fenol - otro subproducto industrial - bajo irradiación ultravioleta donde la reducción de Fe3+ a Fe2+ se consideró que desempeña un papel clave en la actividad del catalizador, con el tamaño de las partículas de óxido negro de magnetita sin importancia(14).

carrete de película hecho con productos de magnetita
cintas de casete que utilizaban magnetita en la cinta de grabación

Usos medicinales

La magnetita ha encontrado un amplio uso en el campo medicinal. Se ha demostrado que el ADN se extrae de los granos de maíz vie el uso de compuestos magneto y magnetita-sílice, ambos funcionan mejor que los kits de extracción de ADN disponibles comercialmente. La extracción mediante óxido negro de magnetita fue de alto rendimiento y dio lugar a extractos que eran adecuados para su uso en la digestión enzimática y el proceso de reacción en cadena de la polimerasa(15). Polvo de magnetita a escala de 5 micras se ha utilizado como un tinte en gelatina manchada para el ensayo de la actividad proteolítica - la descomposición de proteínas en polipéptidos más pequeños y / o aminoácidos(16).

máquina de resonancia magnética que utiliza productos de magnetita

Los agentes de contraste de resonancia magnética (RM) a menudo se notifican como aplicaciones de alta eficacia para la magnetita debido a sus propiedades superparamagnéticas - se vuelven magnéticos dentro del fuerte campo magnético del instrumento de RMN, pero pierden este magnetismo cuando pierden este magnetismo cuando pierden este magnetismo cuando el campo ya no se aplica y son altamente detectables(17). Los estudios vivo con ratas han demostrado que cuando se combina con dextran (un polisacárido de cadena larga), cruzará la barrera hematoencefálica y proporcionará propiedades de contraste eficaces(18). Un informe mostró que la ingestión intencional de magnetita en polvo resultó ser una fuente inesperada de agente de contraste, aunque cabe señalar que no se recomienda el consumo intencional de magnetita como suplemento dietético para el hierro(19).

Como ferrofluido, Fe3O4 ha encontrado un uso potencial en el tratamiento de la hipotermia(20), por lo que se suspendió una solución de materiales metálicos (en este caso magnetita) en un gel comercial para imitar el tejido de los mamíferos. Al pasar una corriente a través del gel portador de magnetita, se indujo calor localizado. Un ferrofluido es una dispersión de una sustancia de tipo hierro en un medio líquido. Del mismo modo, la magnetita se ha incluido en la fabricación de vitrocerámica ferormagnetica y se utiliza como "termosemillas" para el tratamiento hipertérmico de células cancerosas, con un contenido de magnetita de hasta 60. Estas «termosemillas» se implantan alrededor de tumores en forma granular y el calentamiento hiperlocalizado es inducido por la aplicación de un campo de magnetita magnética(21), que causa la muerte celular.

máquina de mri

Otros usos

Como componente en los medios de grabación, se ha utilizado magnetita - aunque a menudo se reduce a gamma-Fe2O3 para aplicaciones de grabación de alta calidad(22), dopado con pequeñas cantidades de cobalto para una legibilidad óptima. Magnetita ha sido encontrada como una pigmento negro en recubrimientos térmicos, con mayor absorción de luz que otros pigmentos negros inorgánicos comunes(23). Se utiliza en cartuchos de tóner en aplicaciones de impresión.

rociado de agua

La magnetita ha sido empleado ampliamente en la purificación de agua y se ha formado en microesferas poliméricas junto con estireno y divinilbenceno para producir resinas de intercambio de iones magnéticos(24), mostrando una buena eficiencia en la eliminación de contaminantes tóxicos de cobalto y nitrato del agua. En una planta de Australia, la magnetita a escala micrones se ha utilizado como reactivo en la purificación y clarificación del agua, produciendo un suministro potable a partir de aguas subterráneas y superficiales de baja calidad. Las cuestiones relativas a un reactivo "cargado" que es difícil de eliminar se resolvieron por la naturaleza de la magnetita magnética (25). Los hidrocarburos clorados se pueden eliminar del agua a través de bacterias que se han adsorbido en magnetita, que luego se pueden eliminar utilizando un campo magnético(26).

proceso de purificación de agua

Resumen

  • La magnetita es el mineral de hierro más común; se siente atraída por los imanes y puede magnetizarse.
  • Se utiliza principalmente en la producción de hierro y acero.
  • Se utiliza en los procesos Haber-Bosch y Fischer-Tropsch como catalizador, para la producción de amoníaco e hidrocarburos respectivamente; y como herramienta en la degradación de los contaminantes de los procesos industriales.
  • En medicina, se han estudiado ferrofluidos de magnetita para el tratamiento de la hipotermia. Se han demostrado otras aplicaciones en terapias hipertérmicas, en agentes de contraste de RMN y en técnicas de extracción de ADN.
  • La magnetita se ha utilizado en medios de grabación, como material de pigmento y para la purificación del agua.
  • African Pegmatite puede satisfacer nuestras necesidades de magnetita, así como una gama de otros productos.
Magnetita

Referencias:

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. Arriba. Med. Chem., 2015, 15, 1622

4 L. Blaney, The Lehigh Review, 2007, 15, 5

5 B. Elvers (ed.) Enciclopedia de Química Industrial de Ullmann, Wiley-VCH, Weinheim, 2002

6 A. Mittasch y W. Frankenburg, Adv. Catal., 1950, 2, 81

7 C. N. Satterfield et al., Ind. Eng. Chem. Proceso Dev., 1986, 25, 401

8 H. G. Stenger Jr. y C. N. Satterfield, Ind. Eng. Chem. Proceso Dev., 1985, 24, 415

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

10 H. El y otros,, Sci. Representante., 2015, 5, 1

11 G. D. Fang et al., J. Peligro. Mater., 2013, 250, 68

12 K. Hanna et al., Chemosphere, 2012, 87, 234

13 P. Faure et al., Fuel, 2012, 96, 270

14 D. Vione et al., Appl. Catal. B: Medio ambiente, 2014, 154, 102

15 M. J. Davies et al., J. Chromatog. Un, 2000, 890,159

16 M. Afaíková e I. Biotecnología. Técnicas, 1999, 13, 621

17 C. H. Chia et al., Ceramics Int., 2010, 36, 1417

18 J. W. M. Bulte et al., Magnetic Resonance in Medicine, 1992, 23, 215

19 A. Taketomi-Takahasi et al., Soy. J. Roentgenología, 2007, 188, 1026

20 R. Hiergeist et al., J. Magnetismo y Magnetic Mater., 1999, 201, 420

21 S. A. M. Abdel-Hameed et al., Ceramics 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. El polimo. Sci., 2003, 89, 2058

25 B. A. Bolto y T.H. Spurling, Purificación de agua con partículas magnéticas en el Cuarto Simposio sobre nuestro Medio Ambiente,Dordrecht, Países Bajos, 1991

26 I. C. Mac Rae, Water Res., 1986, 20, 1149