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.
Procédés 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).
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. De la poudre de sable noir de magnétite d’une granulométrie de 75 microns a été utilisée à une charge de 1 g/L à pH neutre pour catalyser rapidement la dégradation du peroxyde en radicaux hydroxyles, ce qui a rapidement provoqué la décomposition du para-nitrophénol 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 Fe2à 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).
Usages médicinaux
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).
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.
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
très performant dans les revêtements thermiques, avec une absorption de la lumière plus élevée que les autres pigments noirs inorganiques courants(23). Il est utilisé dans les cartouches de toner dans les applications d'impression.
La magnétite a été largement utilisée dans la purification de l’eau et a été transformée en microsphères polymères aux côtés du styrène et du divinylbenzène pour produire des résines échangeuses d’ions magnétiques(24), montrant une bonne efficacité pour 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).
En ce qui concerne les procédés de filtration les plus avancés pour l’eau la plus contaminée, la magnétite est souvent utilisée avec d’autres composés. Les résidus de carbone organique total peuvent être réduits de près des deux tiers dans les eaux usées acides en seulement deux heures par la présence de magnétite comme cocatalyseur aux côtés de l’oxyde de fer conventionnel, à température ambiante(27). De plus, lorsqu’elle est combinée avec l’hématite, un composé apparenté, la magnétite peut éliminer 75 % des résidus de carbone organique dans les eaux usées des usines cosmétiques, avec l’avantage supplémentaire d’éliminer presque complètement les espèces azotées dissoutes(28).
D’autres utilisations de la magnétite dans les applications de filtration comprennent l’élimination de l’uranium hexavalent du sol lorsqu’il est accompagné d’une bactérie réductrice de métaux Ochrobactrum(29), où la présence de magnétite a été démontrée pour aider à l’immobilisation de l’uranium - avec une enlevabilité significativement moindre signalée sans la magnétite présente. Il a été démontré que la magnétite facilite la digestion anaérobie des eaux usées laitières(30).
Dans le forage du pétrole brut, la boue à base d’eau est souvent utilisée comme fluide de forage. Généralement fabriqués à partir de composés tels que les argiles de barytine et de bentonite pour offrir un bon pouvoir lubrifiant, la recherche s’est penchée sur d’autres matériaux qui peuvent être bénéfiques et/ou moins chers - mais qui sont surtout plus tolérants aux processus de forage à haute pression et à haute température d’aujourd’hui. En règle générale, pour de telles applications, un matériau plus dense est utilisé ; une boue avec une densité plus élevée. La barytine peut être remplacée par de la magnétite de manière 1 :1 et est efficace(31). La recherche a montré que la densité pouvait être augmentée de 14,5 à 14,9 ppg (c’est-à-dire une densité plus élevée avec une quantité plus faible de solides, ce qui réduisait les coûts). Une rhéologie plate a été observée et un profil viscosité-élasticité supérieur a été noté, ce qui signifie un meilleur nettoyage des trous dans l’équipement de forage. Les propriétés de filtration ont également été améliorées par rapport à la barytine, avec un volume de filtrat inférieur de près de 30 % et un poids inférieur de 16 %. La magnétite peut également être utilisée sous forme de nanoparticules pour des fluides de forage sur mesure(32), la limite d’élasticité et la température ayant une relation linéaire. De plus, dans le forage pétrolier et gazier, la magnétite peut aider à éliminer les sulfures(33). Dans le même ordre d’idées que les propriétés d’amélioration de la densité de la boue à base d’eau, la magnétite peut être utilisée de manière analogue comme agent de pondération dans la cimentation des puits d’extraction(34).
Énergie
Bien que la magnétite ait montré sa capacité dans l’extraction de combustibles fossiles, il existe quelques exemples où elle a trouvé une utilisation dans la production d’énergie utilisable de manière plus durable. Dans une pile à combustible microbienne, le combustible utilisable est produit lorsque l’électricité passe à travers un électrolyte spécifique riche en bactéries, de la même manière que l’hydrogène est produit par électrolyse. Il a été constaté que l’ajout de magnétite à un tel système offre d’excellentes performances pour les étapes de transport de l’oxygène, ce qui conduit à une plus grande efficacité globale du système(35). De plus, la magnétite présente est également efficace pour éliminer les boues d’épuration - si le système utilise de l’eau contaminée. Les lipases immobilisées par magnétite se sont avérées être des productrices efficaces de biodiesel, tout comme les autres lipases. Cependant, les sources fongiques et non probiotiques de lipases sont associées à des sous-produits nocifs, tandis que les lipases probiotiques ne sont pas connues pour leur stabilité et donc leur efficacité par rapport à leurs homologues fongiques. L’immobilisation de ces lipases probiotiques sur la magnétite rend le système plus performant(36).
Vous devez être connecté pour poster un commentaire.