aimant avec des dépôts de magnétite autour d'elle

Applications et utilisations de la magnétite

Introduction à la magnétite

L'oxyde de magnétite est l'un des principaux minerais de fer, et le plus magnétique de tous les minéraux naturels dans la nature. Son utilisation principale est comme source de fer. La magnétite, qui a l'Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) le fer (ii,iii) oxyde, c'est un minéral métallique, noir, opaque qui a la formule chimique Fe3O4, contenant ainsi quatre atomes d'oxygène pour trois fers. La magnétite contient du fer dans deux états d'oxydation, ferrique (Fe3)et ferreux (Fe2),qui est unique parmi les oxydes de fer. Sa structure est une colonne vertébrale inverse, avec les ions d'oxyde formant un treillis cubique centré sur le visage, avec le fer prenant l'espace dans les sites interstitiels.

La magnétite naturelle se trouve principalement sous forme de cristaux octaèdres. En tant que principale source de fer, il est traité dans un haut fourneau pour produire de l'éponge ou du fer de porc, tous deux pour être utilisés dans la fabrication à grande échelle de l'acier. La magnétite peut être largement répandue à travers le monde, principalement sous forme de dépôts à grande échelle, dans la roche ignée et métamorphique, dans les fossiles par le biais d'un processus de biominéralisation et aussi dans le sable noir. En outre, Fe3O4 s'est avéré être déposé dans les tissus des mammifères, y compris le cerveau humain, également par le biais d'un processus de biominéralisation (1).

minerai de magnétite

Magnétite et Magnétisme

L'indice est dans le nom - de nombreuses applications historiques de la magnétite sont dues à sa nature comme un matériau magnétique. La magnétite est ferrimagnetic, ce qui signifie qu'elle est attirée par un aimant et peut être magnétisée pour devenir un aimant permanent. Il est largement rapporté que les oiseaux utilisent des champs magnétiques pour faciliter leur navigation - ce phénomène de magnétoréception est dû à la réponse de la magnétite cristalline unique, dont la base physique s'applique à de nombreuses espèces et organismes qui dépendent d'une sensibilité à champs magnétiques (2). Il a également été souvent signalé qu'une forte présence d'oxyde de magnétite peut causer des perturbations sur la boussole d'un navire - au détriment de nombreux marins dans certaines parties du monde.

Nanoparticules de magnétite

Bon nombre des utilisations très médiatisées de la magnétite sont lorsque la magnétite est sous la forme d'une nanoparticule - c'est-à-dire dans la taille des particules inférieure à l'échelle micrométrique (3). Ces exemples de magnétite nanoparticule comprennent comme dans les ferrofluides, qui ont été démontrés comme utiles dans la livraison de médicaments (4), et la purification de l'eau. Certaines de ces utilisations utilisent de la magnétite de taille micrométrique en plus de la nanoéchelle.

le mot nano

Applications de magnétite

Malgré les nombreuses utilisations de la magnétite sous forme de nanoparticules, il a également plusieurs applications sur le micro- et jusqu'à l'échelle macro. Les procédés industriels tels que dans la fabrication d'acier (qui ne seront pas traités plus loin ici), comme une source d'oxyde, et en revanche des agents dans l'imagerie médicale. D'autres utilisations telles que les catalyseurs, les ferrofluides, les pigments et les encres seront discutées.

usine de traitement de l'eau qui utilise de la magnétite

Processus industriels

Peut-être l'application la plus connue de sable noir de magnétite est dans la synthèse industrielle d'échelle de l'ammoniac par le processus de Haber-Bosch (H-B) (5). Le procédé H-B produit de l'ammoniac en convertissant l'azote atmosphérique avec de l'hydrogène sous des températures et des pressions élevées, en utilisant un catalyseur de fer hétérogène. La magnétite est la principale source d'origine pour cela. La magnétite moulue est partiellement réduite, ce qui le soulage d'une partie de son oxygène, laissant un catalyseur portant un noyau de magnétite avec une coquille extérieure d'oxyde ferreux (FeO, w'rstite). L'avantage de ce catalyseur vient dans sa porosité, et donc il est un matériau très actif, de surface élevée. L'ammoniac est une matière première chimique majeure et est un composant clé dans la fabrication d'engrais, et l'utilisation de la magnétite dans H-B fournit un catalyseur peu coûteux et fiable pour ce processus d'importance mondiale (6).

Une autre application de grande importance du sable noir de magnétite se trouve dans le processus Fischer-Tropsch (F-T), où le monoxyde de carbone et l'hydrogène sont convertis en petits hydrocarbures à chaîne droite, qui peuvent ensuite subir un processus de fissuration/reformage/isomerisation en carburants synthétiques. Le F-T est un élément essentiel du secteur pétrolier mondial, assurant l'approvisionnement en hydrocarbures lorsque la production traditionnelle est inhibée, et produisant constamment des produits diesel à faible teneur en soufre. La réaction F-T entre le monoxyde de carbone et l'hydrogène (gaz de synthèse) est généralement catalysée par un catalyseur métallique de transition, comme le nickel, le cobalt ou le ruthénium. Les catalyseurs à base de fer sont également un choix populaire en raison de leur ubiquité et de leur nature relativement peu coûteuse - l'oxyde de magnétite en est un exemple. La magnétite en poudre est réduite en partie avec de l'hydrogène, produisant un catalyseur de faible porosité et de faible taille pore avec des diamètres de l'ordre de 100 microns. Le catalyseur de magnétite est actif avec une faible charge d'un promoteur comme la silice, et à des températures typiques du réacteur de 340 oC (7). Il a également été démontré que les catalyseurs de fer, comme la magnétite, sont efficaces dans les processus F-T à basse température produisant des hydrocarbures et des cires liquides. Les catalyseurs de fer sont moins sensibles à l'empoisonnement par le sulfure d'hydrogène (un contaminant commun dans le gaz de synthèse) que les catalyseurs de cobalt, et sont intrinsèquement moins chers que leurs homologues de ruthénium (8). En outre, la magnétite est active dans la réaction de décalage eau-gaz qui accompagne les principales réactions F-T (9).

petite plante fertilisée
main donnant l'engrais à la petite usine

La magnétite naturelle a été utilisée comme catalyseur pour la dégradation à haut rendement du peroxyde d'hydrogène en radicaux hydroxyles, qui ont ensuite été utilisés pour dégrader le para-nitrophénol. La poudre de sable noir de magnétite avec une taille de particule de 75 microns a été employée à une charge de 1 g/L au pH neutre pour catalyser rapidement la dégradation du peroxyde aux radicaux d'hydroxyle, qui a rapidement causé la décomposition du para-nitrophenol présent(10). Lepara-nitrophénol est un contaminant connu provenant d'une variété de procédés industriels, tels que la fabrication pétrochimique, de pesticides et de papier; et un polluant connu. L'oxyde noir de magnétite a été démontré fonctionnant d'une manière semblable dans la dégradation du 2-chlorobiphényl, par l'intermédiaire de la production assistée de superoxyde, de magnétite des radicaux d'hydroxyle(11). Il a été noté dans les deux cas qu'une petite quantité du contaminant a été enlevée par adhérence de surface au catalyseur de magnétite.

D'autres processus de dégradation catalysés par l'engrais de magnétite sont ceux qui éliminent les hydrocarbures aromatiques polycycliques, les n-alkanes et les résidus d'huile réfractaire comme contaminants dans les sols. Dans deux études, l'engrais en poudre de magnétite a été démontré comme catalyseur fortement efficace pour le Fenton-comme (peroxyde à l'hydroxyl, comme ci-dessus) et les voies de dégradation d'oxydation de persufate(12). La magnétite a surpassé un catalyseur soluble Fe pour éliminer entre 80 et 90 résidus de pétrole brut du sol en une semaine, comparativement à seulement 10-15 pour le catalyseur de fer régulier(13). L'utilisation de l'engrais de magnétite comme soulageur de contamination de sol est particulièrement bien accueillie en raison de la nature toxique relativement basse de la magnétite. Il a également été démontré comme un catalyseur efficace dans la dégradation du phénol - un autre sous-produit industriel - sous irradiation ultraviolette où la réduction de Fe3 à Fe2 a été considérée comme un rôle clé dans l'activité du catalyseur, avec la taille des particules d'oxyde noir magnétite étant sans importance(14).

bobine de film faite avec des produits de magnétite
cassettes qui ont utilisé la magnétite sur la bande d'enregistrement

Utilisations médicinales

La magnétite a trouvé une grande utilisation dans le domaine médicinal. Il a été démontré que l'ADN est extrait des grains de maïs et l'utilisation de composites de magnéte et de magnétite-silice, tous deux plus performants que les trousses d'extraction d'ADN disponibles dans le commerce. L'extraction utilisant l'oxyde noir de magnétite était à haut rendement et a eu comme conséquence des extraits qui étaient appropriés pour l'usage dans la digestion d'enzyme et le processus de réaction en chaîne de polymérase(15). 5 micron salite de magnétite a été utilisée comme colorant dans la gélatine tachée pour l'analyse de l'activité protéolytique - la décomposition des protéines en polypeptides plus petits et/ou acides aminés(16).

machine à mri qui utilise des produits de magnétite

Les agents de contraste d'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont souvent rapportés comme des applications à haute efficacité pour la magnétite en raison de leurs propriétés superparamagnetic - ils deviennent magnétiques à l'intérieur du champ magnétique fort de l'instrument d'IRM, mais perdent ce magnétisme quand le champ n'est plus appliqué et est hautement détectable(17). Les études de Vivo avec des rats ont prouvé que lorsqu'elles sont combinées avec le dextran (un polysaccharide à longue chaîne), il traversera la barrière hémato-encéphalique et fournira des propriétés de contraste efficaces(18). Un rapport a prouvé que l'ingestion intentionnelle de la magnétite en poudre s'est avérée une source inattendue d'agent de contraste, bien qu'il soit noté que la consommation intentionnelle de magnétite comme supplément diététique pour le fer n'est pas recommandée(19).

En tant que ferrofluide, Fe3O4 a trouvé une utilisation potentielle dans le traitement de l'hypothermie(20), par lequel une solution de matériaux métalliques (dans ce cas la magnétite) a été suspendue dans un gel commercial pour imiter le tissu mammifère. En passant un courant à travers le gel portant de la magnétite, la chaleur localisée a été induite. Un ferrofluide est une dispersion d'une substance de type fer dans un milieu liquide. De même, la magnétite a été incluse dans la fabrication de céramiques en verre ferrimagnetic et utilisée comme « thermograines » pour le traitement hyperthermique des cellules cancéreuses, avec une teneur en magnétite allant jusqu'à 60. Ces « thermograines » sont implantées autour des tumeurs sous forme granulaire et le chauffage hyperlocalisé est induit par l'application d'un champ magnétique de magnétite(21), qui provoque la mort cellulaire.

machine mri

Autres utilisations

En tant que composant dans les supports d'enregistrement, la magnétite a été utilisée - bien qu'elle soit souvent réduite à gamma-Fe2O3 pour les applications d'enregistrement de haute qualité(22), dopé avec de petites quantités de cobalt pour une lisibilité optimale. La magnétite s'est avérée être un pigment noir dans les revêtements thermiques, avec une absorption de lumière plus élevée que d'autres pigments noirs inorganiques courants(23). Il est utilisé dans les cartouches de toner dans les applications d'impression.

pulvérisation d'eau

La magnétite a été largement utilisé dans la purification de l'eau et a été formé en microsphères polymères aux côtés du styrène et du divinylbenzène pour produire des résines magnétiques d'échange d'ions(24), montrant une bonne efficacité à éliminer les contaminants toxiques de cobalt et de nitrate de l'eau. Dans une usine en Australie, la magnétite à l'échelle du micron a été utilisée comme réactif dans la purification et la clarification de l'eau, produisant un approvisionnement en eau potable à partir d'eau souterraine et de surface de mauvaise qualité. Les problèmes liés à un réactif « chargé » étant difficile à enlever ont été résolus par la nature magnétique de magnétite (25). Les hydrocarbures chlorés peuvent être retirés de l'eau par l'intermédiaire de bactéries qui ont été adsorbed sur la magnétite, qui peuvent ensuite être enlevées à l'aide d'un champ magnétique(26).

processus de purification de l'eau

Sommaire

  • La magnétite est le minerai de fer le plus commun; il est attiré par les aimants et peut lui-même être magnétisé.
  • Il est utilisé principalement dans la production de fer et d'acier.
  • Il est utilisé dans les procédés Haber-Bosch et Fischer-Tropsch comme catalyseur, respectivement pour la production d'ammoniac et d'hydrocarbures; et comme un outil dans la dégradation des contaminants provenant des procédés industriels.
  • En médecine, des ferrofluides de magnétite ont été étudiés pour le traitement de l'hypothermie. D'autres applications ont été montrées dans les thérapies hyperthermiques, dans les agents de contraste de MRI et dans les techniques d'extraction d'ADN.
  • La magnétite a été utilisée dans les supports d'enregistrement, comme matériau pigmentaire et pour la purification de l'eau.
  • La pegmatite africaine peut fournir nos besoins en magnétite ainsi qu'une gamme d'autres produits.
Magnétite

Références:

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