Magnetita: usos y aplicaciones en medios de grabación, pigmentos / colorantes y el proceso Fischer-Tropsch
Breve introducción a la magnetita
La magnetita, el óxido de hierro(ii,iii), es un mineral importante de hierro, y por lo tanto encuentra su uso principal como fuente de hierro y para la producción de acero. Es negro, opaco y tiene la fórmula química Fe3O4,que posee hierro en los estados de oxidación 3+ (ferrícrico) y 2+ (ferroso). Se encuentra ampliamente distribuido como depósitos a gran escala, en roca ígnea y metamórfica, además de en arena negra y en fósiles(1).
Aparte del hierro y el acero, la magnetita es utilizado ampliamente en la purificación de agua, el proceso Haber-Bosch, en medicina y para la eliminación de contaminantes de los procesos industriales. Aquí, veremos tres aplicaciones de magnetita: en los medios de grabación, el proceso Fischer-Tropsch para la producción de hidrocarburos sintéticos, y en el espacio de recubrimientos, pigmentos y colorantes.
Medios de grabación
La cinta magnética es uno de los métodos más antiguos de almacenamiento de datos (voz/música analógica y copias de seguridad digitalizadas por ordenador digitalizadas, por ejemplo) y, a pesar de su obsolescencia percibida, muchas empresas todavía dependen de un sistema basado en cinta magnética dentro de su régimen general de gestión de datos. Hasta 77 de las empresas encuestadas(2) declararon que utilizaban cinta magnética como parte de su operación de gestión de datos. Conocida por su longevidad en condiciones óptimas de almacenamiento, la cinta magnética sigue siendo una parte clave de muchos servicios de archiving(3). Tan recientemente como 2014, Sony anunció una nueva cinta magnética, aparentemente para las operaciones del servidor, con una capacidad de 185 GB. Magnetita, como fuente principal de óxido de hierro, fue un material utilizado para la producción de cinta magnética(4).
¿Como funciona?
Como magnetita (y este óxido de hierro (iii)) es fermagnetico, pasarlo a través de una bobina magnética alineará los momentos magnéticos del óxido de hierro en una sola dirección. En el caso de los medios de grabación, la bobina magnética es un ferroimán y un electroimán, y se llama cabezal de grabación. Para grabar, una corriente de la señal a grabar se pulsa a la bobina de ferroimán, lo que a su vez magnetiza la cinta a través de un campo magnético inducido proporcional a la señal. Para la reproducción (o decodificación), una cinta ya magnetizada se pasa a través de la misma bobina, esto induce una tensión en la bobina, que se puede transmitir en adelante. La misma idea básica se utiliza en todos los medios de cinta magnética, con variaciones sólo en si el método de grabación es lineal o basado en escaneo(2).
¿Por qué magnetita? ¿Cómo se usa?
La magnetita es conocida como una fuente barata y de alta pureza de óxido de hierro (iii), y su naturaleza como material ferormagnetico significa que es útil como componente de un medio de almacenamiento. Brevemente, una emulsión de óxido de hierro se deposita en una película de plástico con un aglutinante. Este óxido de hierro no magnetizado es estable y la cinta progresará en un cabezal de grabación. La magnetita se ha empleado no solo, sino que se ha dopado con otros elementos ya en la década de 1950, como el cobalto(5) ofrececintas con una salida de señal mucho más consistente. La preparación de la película de magnetita implica el depósito de magnetita amorfa (Fe2 O3) en una película, calentándola hasta que llegue a la fase alfacristalina, y luego reducir a magnetita(6), esto resulta en una sola película continua de magnetita pura, altamente favorable para aplicaciones de medios de grabación de alta calidad, como en un entorno de centro de datos.
Pigmentos, Tintes y Recubrimientos
Como material natural y altamente resistente, la magnetita ha encontrado varios usos en el sector de pigmentos/colorantes/recubrimientos. Premiada por su dureza relativa (circa. 6 mohs) y resistencia al calor, la presión y la intemperie, la magnetita es ampliamente utilizada especialmente para el recubrimiento de estructuras de acero y hierro, equipos mecánicos y más.
¿Por qué magnetita? ¿Cómo se usa?
En términos de recubrimientos, la capacidad de magnetita para absorber la luz es mayor que la de muchos otros pigmentos inorgánicos comunes(7), su alto rendimiento es especialmente notable debido a su bajo costo y alta disponibilidad. En situaciones de pigmentación y teñido, se ha demostrado que la magnetita tiene una alta resistencia al tinte y una buena absorción de aceite(8). Esta segunda cualidad es particularmente importante teniendo en cuenta que el componente principal de la pintura se basa en aceites y/o productos químicos a base de hidrocarburos. La dispersión de las partículas de óxido de hierro fue en la escala de micras. La magnetita es un pigmento que ofrece un color negro. Se ha utilizado como pigmento al menos tan pronto como en la Antigua Grecia, donde las figuras características de la cerámica de terracota se produjeron al menos parcialmente con pigmento de magnetita(9).
El hecho de que tales ornamentos sobrevivan hoy en día en tan buenas condiciones es un testimonio de la estabilidad de la magnetita. En las tintas de impresión, la magnetita se ha utilizado agregándola a un aceite siccative(10). Basándose en la estabilidad percibida y la inercia relativa de la magnetita, se han utilizado pinturas anticorrosivas que contienen magnetita para proteger estructuras y maquinarias de acero(11), con recubrimientos de acero de entre 50 y 80 micras. Se informa que los tratamientos anticorrosivos basados en magnetitas superan a sus contrapartes disponibles comercialmente basadas en hematita. El uso de magnetita con resinas de tipo epoxi ha demostrado ser un útil recubrimiento de pintura híbrida para aplicaciones marinas(12). En general, los pigmentos y recubrimientos que contienen magnetita son muy elogiados por su resistencia a la penetración por el agua y los ácidos y bases suaves.
El proceso Fischer-Tropsch
El proceso Fischer-Tropsch (F-T) es un componente esencial de la industria petroquímica mundial moderna. Es un proceso industrial que convierte el monóxido de carbono y el hidrógeno de bajo valor (denominados conjuntamente gas de síntesis ‘syngas’) en productos de hidrocarburos de mayor valor, que pueden ser procesados posteriormente a través de agrietamiento, isomerización y reforma en productos esenciales de hidrocarburos productos como el diésel y los combustibles de aviación. El proceso F-T garantiza que los aceites y combustibles sintéticos estén siempre disponibles para el mercado, proporcionando a la economía mundial una póliza de seguro contra problemas con la producción de petróleo crudo. F-T se basa en altas temperaturas y presiones – y crucialmente un catalizador de metal – para convertir syngas en combustibles utilizables. Una perspectiva a menudo citada sugiere que algunos depósitos de hidrocarburos de origen natural se originaron debido a un proceso similar a F-T catalizado por magnetita en los límites de placas tectónicas en el Medio Oriente(13). El proceso F-T también puede utilizar dióxido de carbono en la producción de combustibles(14).
¿Como funciona?
El proceso F-T es una serie de reacciones químicas, demasiado enrevesadas para discutir aquí, pero esencialmente es la reacción catalizada de metal de transición entre hidrógeno y monóxido de carbono produciendo, típicamente, hidrocarburos de cadena corta y agua como subproducto. La identidad del catalizador suele ser níquel, cobalto, rutenio o hierro. La magnetita se utiliza a menudo como catalizador, ya que es una fuente de hierro de alta pureza y barata, debido a su relativa abundancia. Los catalizadores de hierro son significativamente más baratos y de actividad comparable a los de rutenio(15). En el reactor, la magnetita en polvo se reduce parcialmente por el hidrógeno en las singas, produciendo un catalizador combinado de óxido de hierro y hierro in situ. El catalizador producido se caracteriza por su baja porosidad y su pequeño tamaño poro, con diámetros en la región de 100 micras. La magnetita se añade al reactor junto con la sílice que actúa como un promotor de la reacción. Los catalizadores basados en magnetitas son conocidos por su estabilidad a lo largo del tiempo, y por lo tanto ayudan a garantizar un proceso general estable.
¿Por qué magnetita? ¿Cómo se usa?
Como se mencionó, la ubicuidad y el precio de la magnetita es una razón clave por qué se emplea como catalizador. En un reactor típico a gran escala, se pueden utilizar decenas o cientos de kilogramos de catalizador, y es importante evitar que los costos aumenten. Se ha demostrado que los catalizadores a base de hierro son útiles en una variedad de condiciones de F-T, incluyendo reactores de menor temperatura para producir hidrocarburos líquidos e incluso ceras. F-T de alta temperatura produce típicamente hidrocarburos de cadena muy corta como el propano. etano y metano – que se realizan como gases. La reacción de cambio de gas de agua es una parte crucial del proceso general de F-T y se sabe que la magnetita está activa en esto(16), y se sabe que los catalizadores de tipo hierro como la magnetita son más resistentes a la intoxicación por sulfuro que sus homólogos de cobalto(17) – hidrógeno el sulfuro es un contaminante común en las singas. El uso de F-T para producir combustible diésel es particularmente ventajoso, ya que a menudo produce un menor contenido de azufre que el que estaría disponible en la producción convencional. Los estudios han demostrado que los catalizadores a base de hierro son más selectivos para la producción de olefina que otros metales de transición(18).
Muchos estudios han analizado la suplementación de la magnetita en el reactor para afinar el resultado de la reacción – para proporcionar un sesgo de selectividad para un tipo particular de combustible, por ejemplo. El óxido de hierro en polvo tradicional se ha tratado mediante impregnación con hasta 6 wt de potasio, cobalto o molibdeno(19), con los experimentos dopados con potasio y cobalto que demuestran un sesgo de selectividad sustancial para los hidrocarburos del rango de queroseno (como se utiliza en combustibles de aviación) de hasta 30. Cuando el sodio se utilizó como promotor, la selectividad del metano disminuyó, sin embargo, su impacto en la eficiencia general de la reacción F-T sólo es notable cuando el catalizador de hierro se apoya en la alúmina(20). Además, el cobre se ha utilizado como promotor, aumentando las tasas de F-T(21). En el proceso de biomasa a líquido de producir combustibles sostenibles a partir de productos de desecho utilizando el proceso F-T, se pueden utilizar catalizadores de óxido de hierro(22), pero se observa que se deben evitar grandes cristales de magnetita en favor de ejemplos más pequeños debido al riesgo de carburo formación(23).
Resumen
- La magnetita es una fuente ampliamente disponible y barata de óxidos de hierro que se puede utilizar en una variedad de operaciones
- Magnetite se ha utilizado en medios de grabación para la producción de cintas magnéticas, y todavía encuentra uso hoy en día en cintas de alta calidad para aplicaciones de centros de datos
- En recubrimientos, pigmentos y colorantes, la magnetita se utiliza como un colorante negro eficaz y como partes de recubrimiento para proteger el acero, el hierro y la maquinaria industrial
- El proceso Fischer-Tropsch para la producción sintética de hidrocarburos utiliza ampliamente catalizadores basados en magnetita y magnetita, proporcionando una producción estable y resistente
Referencias:
1 B. J. Woodford et al., PNAS, 1992, 89, 7683
2 R. H. Dee, Proc. Ieee, 2008, 96, 1775
3 R. Bradshaw y C. Schroeder, IBM J. Res. Dev., 2003, 47, 373
4 S. Onodera et al., MRS Bull., 1996, 21, 35
5 Patente de los Estados Unidos US3031341A, 1958, expiró
6 Patente de los Estados Unidos US3620841A, 1970, expiró
7 K. Ghani et al., J. Coatings Tech. Res., 2015, 12, 1065
8 M. A. Legodi y D. de Waal, Dyes and Pigments, 2007, 74, 161
9 P. Maravelaki-Kalaitzaki y N. Kallithrakas-Kontos, Anal. Chim. Acta, 2003, 497, 209
10 Patente de los Estados Unidos US3826667A, 1972, expiró
11 J. Calderón et al., Rev. Metal. Madrid Vol. Extr., 2003, 2003, 97
12 A. M. Atta et al., RSC Adv., 2015, 5, 923
13 P. Szatmari, AAPG Bull., 1989, 73, 989
14 S. Upadhyayula et al., J. Cleaner Prod., 2019, 228, 1013
15 H. G. Stenger Jr. y C. N. Satterfield, Ind. Eng. Chem. Proceso 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. Proceso Dev., 1986, 25, 401
18 M. E. Seco, Catal. Lett., 1991, 7, 241
19 D. Martínez del Monte et al., Proceso de combustible. Technol., 2019, 194, 106
20 A. Y. Khodakov et al., Appl. Gato. R: General., 2015, 502, 204
21 S. Li et al., J. Phys. Chem. B, 2002, 106, 85
22 S. S. Ali y S. Dasappa, Renovar. Sostener. Energy Rev., 2016, 58, 267
23 E. van Steen y M. Claeys, Chem. Eng. Technol., 2008, 31, 655
