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.
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).
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. Se ha utilizado polvo de arena negra de magnetita con un tamaño de partícula de 75 micras con una carga de 1 g/L a pH neutro para catalizar rápidamente la degradación del peróxido a radicales hidroxilo, lo que provocó rápidamente la descomposición del 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).
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).
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.
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. Se ha descubierto que la magnetita es un
pigmento negro
de alto rendimiento 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.
La magnetita se ha
empleado ampliamente en la purificación
del agua y se ha formado en microesferas poliméricas junto con estireno y divinilbenceno para producir resinas de intercambio iónico magnético (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).
En cuanto a los procesos de filtración más avanzados para el agua más contaminada, la magnetita se utiliza a menudo junto con otros compuestos. Los residuos totales de carbono orgánico pueden reducirse en casi dos tercios en las aguas residuales ácidas en solo dos horas mediante la presencia de magnetita como cocatalizador junto con el óxido de hierro convencional, a temperatura ambiente(27). Además, cuando se combina con el compuesto relacionado hematita, la magnetita puede efectuar la eliminación del 75% de los residuos de carbono orgánico en las aguas residuales de las plantas cosméticas, con el beneficio adicional de eliminar casi por completo las especies de nitrógeno disueltas también(28).
Otros usos de la magnetita en aplicaciones de filtración incluyen la eliminación del uranio hexavalente del suelo cuando se acompaña de bacterias reductoras de metales Ochrobactrum (29), donde se ha demostrado que la presencia de magnetita ayuda a la inmovilización del uranio, con una capacidad de eliminación significativamente menor reportada sin la magnetita presente. Se ha demostrado que la magnetita ayuda a la digestión anaeróbica de las aguas residuales lácteas(30).
En la perforación de petróleo crudo, el lodo a base de agua se utiliza a menudo como fluido de perforación. Por lo general, se fabrican con compuestos como arcillas de barita y bentonita para proporcionar una buena lubricidad, la investigación ha analizado otros materiales que pueden ser beneficiosos y / o más baratos, pero lo que es más importante es que son más tolerantes a los procesos de perforación a alta presión y alta temperatura de hoy en día. Por lo general, para tales aplicaciones, se utiliza un material más denso; un lodo con mayor gravedad específica. La barita puede ser reemplazada por magnetita en forma 1:1 y es efectiva(31). La investigación demostró que la densidad podría aumentarse de 14,5 a 14,9 ppg (es decir, una mayor densidad con una menor cantidad de sólidos, lo que reduce los costos). Se observó una reología plana y se observó un perfil de viscosidad-elasticidad superior, lo que significa una mejor limpieza de los orificios en el equipo de perforación. Las propiedades de filtración también mejoraron en comparación con la barita, con casi un 30% menos de volumen de filtrado y un 16% menos de peso. La magnetita también se puede utilizar en forma de nanopartículas para fluidos de perforación a medida(32), con un límite elástico y una relación lineal entre el límite elástico y la temperatura. Además, en la perforación de petróleo y gas, la magnetita puede ayudar en la eliminación de sulfuros(33). De manera similar a las propiedades de mejora de la densidad en el lodo a base de agua, la magnetita se puede utilizar de manera análoga como agente de ponderación en la cementación de los pozos de extracción(34).
Energía
Si bien la magnetita ha demostrado su capacidad en la extracción de combustibles fósiles, hay algunos ejemplos de su uso en la producción de energía utilizable de una manera más sostenible. En una pila de combustible microbiana, el combustible utilizable se produce cuando la electricidad pasa a través de un electrolito rico en bacterias específicas, de manera similar a como se produce el hidrógeno por electrólisis. Se ha encontrado que la adición de magnetita a un sistema de este tipo ofrece un excelente rendimiento para los pasos de transporte de oxígeno, lo que conduce a una mayor eficiencia general del sistema(35). Además, la magnetita presente también es eficaz para eliminar los lodos de depuradora, en caso de que el sistema utilice agua contaminada. Las lipasas inmovilizadas con magnetita han demostrado ser productoras efectivas de combustible biodiesel, al igual que otras lipasas. Sin embargo, las fuentes fúngicas y no probióticas de lipasas se asocian con subproductos nocivos, mientras que las lipasas probióticas no son conocidas por su estabilidad y, por lo tanto, por su eficiencia en comparación con sus contrapartes fúngicas. La inmovilización de estas lipasas probióticas en la magnetita hace que el sistema tenga un rendimiento superior(36).
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