Magnétite: utilisations et applications dans les supports d’enregistrement, les pigments / colorants et le procédé Fischer-Tropsch

Brève introduction à la magnétite

La magnétite, l’oxyde de fer (ii,iii), est un minerai majeur de fer, et trouve ainsi son utilisation primaire comme source de fer et pour la production d’acier. Il est noir, opaque et a la formule chimique Fe₃O₄, possédant du fer dans les états d’oxydation 3 ‘(ferrique) et 2 ‘(ferreux). On le trouve largement distribué sous forme de dépôts à grande échelle, dans des roches ignées et métamorphiques, en plus du sable noir et des fossiles(1).

Mis à part le fer et l’acier, la magnétite est largement utilisé dans la purification de l’eau, le processus Haber-Bosch, en médecine et pour l’élimination des contaminants dans les procédés industriels. Ici, nous allons examiner trois applications de la magnétite: dans les supports d’enregistrement, le processus Fischer-Tropsch pour la production d’hydrocarbures synthétiques, et dans l’espace des revêtements, des pigments et des colorants.

Supports d’enregistrement

La bande magnétique est l’une des plus anciennes méthodes de stockage des données (voix/musique analogique et back ups d’ordinateurs numérisés, par exemple) et malgré son obsolescence perçue, de nombreuses entreprises s’appuient encore sur un système basé sur la bande magnétique dans le cadre de leur régime global de gestion des données. Pas moins de 77 entreprises interrogées(2) ont déclaré qu’elles utilisaient du ruban magnétique dans le cadre de leurs activités de gestion des données. Reconnue pour sa longévité dans des conditions de stockage optimales, la bande magnétique est toujours un élément clé de nombreux services d’archivage(3). Pas plus tard qu’en 2014, Sony a annoncé une nouvelle bande magnétique, apparemment pour les opérations du serveur, d’une capacité de 185 Go. La magnétite, comme principale source d’oxyde de fer, était un matériau utilisé pour la production de ruban magnétique(4).

Comment ça marche?

Comme la magnétite (et cet oxyde de fer (iii) est ferrimagnetic, le passage à travers une bobine magnétique alignera les moments magnétiques de l’oxyde de fer dans une seule direction. Dans le cas des supports d’enregistrement, la bobine magnétique est un ferromagnet et un électroaimant, et est appelée tête d’enregistrement. Pour consigner, un courant du signal à enregistrer est pulsé sur la bobine de ferromagnet, qui magnétise à son tour la bande via un champ magnétique induit proportionnel au signal. Pour la lecture (ou décodage), une bande déjà magnétisée passe à travers la même bobine, ce qui induit une tension dans la bobine, qui peut être transmise à partir. La même idée de base est utilisée sur tous les supports magnétiques, avec des variations seulement dans si la méthode d’enregistrement est linéaire ou basée sur la numérisation(2).

Pourquoi la magnétite? Comment est-ce utilisé?

La magnétite est connue comme une source peu coûteuse et de haute pureté d’oxyde de fer(iii), et sa nature comme matériau ferrimagnetic signifie qu’il est utile comme composant d’un milieu de stockage. En bref, une émulsion d’oxyde de fer est déposée sur un film plastique avec un liant. Cet oxyde de fer non magnétisé est stable et la bande évoluera vers une tête d’enregistrement. La magnétite a été utilisée non seulement, mais dopé avec d’autres éléments dès les années 1950, comme le cobalt(5) se permettre des bandes avec une sortie de signal beaucoup plus cohérente. La préparation du film de magnétite consiste à déposer de la magnétite amorphe (Fe_{2 (en)} O₃) sur un film, le chauffant jusqu’à ce qu’il atteigne le phasealpha-cristalline, puis réduction à la magnétite(6), cela se traduit par un seul film continu de magnétite pure, très favorable pour les applications de médias d’enregistrement de haute qualité, comme dans un environnement de centre de données.

Pigments, colorants et revêtements

En tant que matériau naturel et très résistant, la magnétite a trouvé plusieurs utilisations dans le secteur des pigments/teintures/couches. Reconnue pour sa dureté relative (environ 6 mohs) et sa résistance à la chaleur, à la pression et aux intempéries, la magnétite est largement utilisée spécialement pour le revêtement des structures en acier et en fer, l’équipement mécanique et plus encore.

Pourquoi la magnétite? Comment est-ce utilisé?

En termes de revêtements, la capacité de la magnétite à absorber la lumière est plus élevée que celle de nombreux autres pigments inorganiques courants(7), sa haute performance est particulièrement remarquable en raison de son faible coût et sa grande disponibilité. Dans les situations de pigmentage et de teinture, il a été démontré que la magnétite a une forte résistance à la teinture et une bonne absorption de l’huile(8). Cette deuxième qualité est particulièrement importante étant donné que la composante principale de la peinture est basée sur des huiles et/ou des produits chimiques à base d’hydrocarbures. La dispersion des particules d’oxyde de fer se trouvait à l’échelle du micron. La magnétite est un pigment qui offre une couleur noire. Il a été utilisé comme pigment au moins aussi tôt que dans la Grèce antique, où les figures caractéristiques sur la poterie en terre cuite ont été au moins partiellement produites avec du pigment de magnétite(9).

Le fait que de tels ornements survivent aujourd’hui en si bon état témoigne de la stabilité de la magnétite. Dans l’impression d’encres, la magnétite a été utilisée en l’ajoutant à une huile siccative(10). S’appuyant sur la stabilité perçue et l’inertie relative de la magnétite, des peintures anticorrosives contenant de la magnétite ont été utilisées pour protéger les structures et les machines en acier(11), avec des revêtements d’acier de 50 à 80 microns. On rapporte que les traitements anticorrosifs à base de magnétite surpassent leurs homologues disponibles sur le marché à base d’hématite. L’utilisation de la magnétite avec des résines de type époxy s’est avérée être un revêtement de peinture hybride utile pour les applications marines(12). Dans l’ensemble, les pigments et les revêtements contenant de la magnétite sont très appréciés pour leur résistance à la pénétration par l’eau et les acides et les bases doux.

Le processus Fischer-Tropsch

Le processus Fischer-Tropsch (F-T) est une composante essentielle de l’industrie pétrochimique mondiale moderne. Il s’agit d’un procédé industriel qui convertit le monoxyde de carbone et l’hydrogène de faible valeur (ensemble appelés « syngas » de gaz de synthèse) en produits d’hydrocarbures de plus grande valeur, qui peuvent être transformés par la fissuration, l’isogérisation et la reformation en produits essentiels comme le diesel et les carburants d’aviation. Le processus F-T garantit que les huiles et les carburants synthétiques sont toujours disponibles sur le marché, offrant à l’économie mondiale une police d’assurance contre les problèmes de production de pétrole brut. F-T s’appuie sur des températures et des pressions élevées – et surtout un catalyseur métallique – pour convertir les syngaz en carburants utilisables. Une perspective souvent citée suggère que certains gisements d’hydrocarbures d’origine naturelle proviennent d’un processus de forme F-T catalysé à la magnétite aux limites des plaques tectoniques au Moyen-Orient(13). Le procédé F-T peut également utiliser le dioxyde de carbone dans la production de carburants(14).

Comment ça marche?

Le processus F-T est une série de réactions chimiques, trop alambiquées pour être discuté ici, mais il s’agit essentiellement de la réaction catalysée du métal de transition entre l’hydrogène et le monoxyde de carbone produisant, généralement, les hydrocarbures à chaîne courte et l’eau comme sous-produit. L’identité du catalyseur est généralement le nickel, le cobalt, le ruthénium ou à base de fer. La magnétite est souvent utilisée comme catalyseur car elle est une source de fer de haute pureté et peu coûteuse, en raison de son abondance relative. Les catalyseurs de fer sont nettement moins chers et d’activité comparable à ceux de ruthénium(15). Dans le réacteur, la magnétite en poudre est partiellement réduite par l’hydrogène dans les syngas, produisant un catalyseur combiné d’oxyde de fer in situ. Le catalyseur produit se caractérise par sa faible porosité et sa petite taille de pores – avec des diamètres de l’ordre de 100 microns. La magnétite est ajoutée au réacteur aux côtés de la silice qui agit comme un promoteur de la réaction. Les catalyseurs à base de magnétite sont connus pour leur stabilité au fil du temps, ce qui contribue à assurer un processus global stable.

Pourquoi la magnétite? Comment est-ce utilisé?

Comme nous l’avons mentionné, l’omniprésence et le prix de la magnétite sont une raison clé pour expliquer pourquoi elle est utilisée comme catalyseur. Dans un réacteur typique à grande échelle, des dizaines ou des centaines de kilogrammes de catalyseur peuvent être utilisés, et il est important d’éviter l’escalade des coûts. Il a été démontré que les catalyseurs à base de fer sont utiles dans diverses conditions de F-T, y compris des réacteurs à basse température pour produire des hydrocarbures liquides et même des cires. Le F-T à haute température produit généralement des hydrocarbures à très courte chaîne comme le propane. l’éthane et le méthane – qui sont réalisés comme des gaz. La réaction de décalage de gaz d’eau est une partie cruciale du processus global de F-T et la magnétite est connue pour être active dans ceci(16), et les catalyseurs de fer-type tels que la magnétite sont connus pour être plus résistants à l’empoisonnement de sulfure que leurs homologues de cobalt(17) – hydrogène le sulfure est un contaminant commun dans les syngas. L’utilisation de F-T pour produire du carburant diesel est particulièrement avantageuse car elle produit souvent un carburant à teneur en soufre inférieur à celui offert par la production conventionnelle. Des études ont montré que les catalyseurs à base de fer sont plus sélectifs pour la production d’oléfines que les autres métaux de transition(18).

De nombreuses études se sont penchées sur la supplémentation en magnétite dans le réacteur pour affiner le résultat de la réaction – pour fournir un biais de sélectivité pour un type particulier de combustible par exemple. L’oxyde de fer en poudre traditionnel a été traité par imprégnation avec jusqu’à 6 wt de potassium, de cobalt ou de molybdène(19), les expériences de potassium et de cobalt démontrant un biais de sélectivité substantiel pour les hydrocarbures de gamme de kérosène (utilisés dans carburants d’aviation) jusqu’à 30. Lorsque le sodium a été utilisé comme promoteur, la sélectivité du méthane a diminué, mais son impact sur l’efficacité globale de la réaction F-T n’est notable que lorsque le catalyseur de fer est soutenu sur l’alumine(20). En outre, le cuivre a été utilisé comme promoteur, augmentant les taux de F-T(21). Dans le processus de biomasse à liquide de production de combustibles durables à partir de déchets utilisant le procédé F-T, des catalyseurs d’oxyde de fer peuvent être utilisés(22), mais il est à noter que les gros cristaux de magnétite devraient être évités au profit de petits exemples en raison du risque de carbure formation(23).

Sommaire

• La magnétite est une source largement disponible et peu coûteuse d’oxydes de fer qui peut être utilisé dans une variété d’opérations
• Magnetite a été utilisé dans les supports d’enregistrement pour la production de bandes magnétiques, et trouve encore aujourd’hui une utilisation dans les bandes de haute qualité pour les applications de centres de données
• Dans les revêtements, les pigments et les colorants, la magnétite est utilisée comme colorant noir efficace et comme pièces de revêtement pour protéger l’acier, le fer et les machines industrielles
• Le procédé Fischer-Tropsch pour la production synthétique d’hydrocarbures utilise largement des catalyseurs à base de magnétite et de magnétite, assurant une production stable et résiliente

Les références:

1 B. J. Woodford et coll., PNAS, 1992, 89, 7683

2 R. H. Dee, Proc. Ieee, 2008, 96, 1775

3 R. Bradshaw et C. Schroeder, IBM J. Res. Dev., 2003, 47, 373

4 S. Onodera et coll., MRS Bull., 1996, 21, 35

5 Brevet américain US3031341A, 1958, expiré

6 Brevet américain US3620841A, 1970, expiré

7 K. Ghani et coll., J. Coatings Tech. Res., 2015, 12, 1065

8 M. A. Legodi et D. de Waal, Teintures et Pigments, 2007, 74, 161

9 P. Maravelaki-Kalaitzaki et N. Kallithrakas-Kontos, Anal. Chim. Acta, 2003, 497, 209

10 US Patent US3826667A, 1972, expiré

11 J. Calderon et coll., Révérend Metal. Madrid Vol. Extr., 2003, 2003, 97

12 A. M. Atta et coll., RSC Adv., 2015, 5, 923

13 P. Szatmari, AAPG Bull., 1989, 73, 989

14 S. Upadhyayula et coll., J. Cleaner Prod., 2019, 228, 1013

15 H. G. Stenger Jr. et C. N. Satterfield, Ind. Eng. Chem. Processus Dev., 1985, 24, 415

16 K. R. P. M. Rao et coll., Hyperfine Interactions, 1994, 93, 1745

17 C. N. Satterfield et coll., Ind. Eng. Chem. Processus Dev., 1986, 25, 401

18 M. E. Dry, Catal. Lett., 1991, 7, 241

19 D. Martinez del Monte et coll., Processus de carburant. Technol., 2019, 194, 106

20 A. Y. Khodakov et coll., Appl. Chat. R: Gen., 2015, 502, 204

21 S. Li et coll., J. Phys. Chem. B, 2002, 106, 85

22 S. S. Ali et S. Dasappa, Renouveler. Soutenir. Rev de l’énergie., 2016, 58, 267

23 E. van Steen et M. Claeys, Chem. Eng. Technol., 2008, 31, 655