Nanopartículas de Magnetita
Muitas das utilizações de alto perfil da magnetita são quando a magnetita está na forma de uma nanopartícula - ou seja, no tamanho de partícula abaixo da escala de micrómetros (3). Tais exemplos de magnetita de nanopartículas incluem ferrofluidos, que foram demonstrados como úteis na administração de fármacos (4), e purificação de água. Alguns desses usos empregam magnetita de tamanho microescala, além da nanoescala.
Processos Industriais
Talvez a aplicação mais conhecida da areia preta magnetita seja na síntese em escala industrial de amoníaco através do processo Haber-Bosch (H-B) (5). O processo H-B produz amônia convertendo nitrogênio atmosférico com hidrogênio sob temperaturas e pressões elevadas, empregando um catalisador de ferro heterogêneo. A magnetita é o principal material de origem para isso. A magnetita terrestre é parcialmente reduzida, libertando-a de parte do seu oxigénio, deixando um catalisador com um núcleo de magnetita com uma camada exterior de óxido ferroso (FeO, würstite). A vantagem deste catalisador está na sua porosidade e, portanto, é um material altamente ativo e de alta área de superfície. O amoníaco é uma importante matéria-prima química e um componente-chave no fabrico de fertilizantes, e a utilização de magnetita em H-B constitui um catalisador fiável e pouco dispendioso para este processo de importância mundial (6).
Uma outra aplicação de grande importância da areia negra de magnetita encontra-se no processo Fischer-Tropsch (F-T), onde o monóxido de carbono e o hidrogénio são convertidos em pequenos hidrocarbonetos de cadeia reta, que podem então ser submetidos a um processo de craqueamento/reforma/isomerização em combustíveis sintéticos. A F-T é uma parte essencial do setor petrolífero global, garantindo o fornecimento de hidrocarbonetos quando a produção tradicional é inibida e produzindo consistentemente produtos diesel com baixo teor de enxofre. A reação F-T entre monóxido de carbono e hidrogênio (gás de síntese) é tipicamente catalisada por um catalisador de metal de transição, como níquel, cobalto ou rutênio. Os catalisadores à base de ferro também são uma escolha popular devido à sua ubiquidade e natureza relativamente barata – o óxido de magnetita é um exemplo. A magnetita em pó é parcialmente reduzida com hidrogênio, produzindo um catalisador de baixa porosidade e tamanho de poros com diâmetros na região de 100 mícrons. O catalisador de magnetita é ativo com uma baixa carga de um promotor, como a sílica, e a temperaturas típicas do reator de 340°C (7). Catalisadores de ferro, como a magnetita, também demonstraram ser eficazes em processos F-T de baixa temperatura produzindo hidrocarbonetos líquidos e ceras. Os catalisadores de ferro são menos sensíveis ao envenenamento por sulfeto de hidrogênio (um contaminante comum no gás de síntese) do que os catalisadores de cobalto, e são inerentemente mais baratos do que seus homólogos de rutênio (8). Além disso, a magnetita é ativa na reação de deslocamento água-gás que acompanha as principais reações F-T (9).
A magnetita natural tem sido usada como catalisador para a degradação de alta eficiência do peróxido de hidrogênio em radicais hidroxila, que então foram usados para degradar o para-nitrofenol. Pó de areia preta magnetita com granulometria de 75 mícrons tem sido utilizado a uma carga de 1 g/L em pH neutro para catalisar rapidamente a degradação do peróxido em radicais hidroxila, o que rapidamente causou a decomposição do paranitrofenol presente(10). O paranitrofenol é um contaminante conhecido de uma variedade de processos industriais, como a fabricação de papel petroquímico, pesticidas e de papel; e um poluente conhecido. Foi demonstrado que o óxido negro de magnetita funciona de forma semelhante na degradação do 2-clorobifenil, através da produção assistida por magnetita mediada por superóxido de radicais hidroxila(11). Observou-se em ambos os casos que uma pequena quantidade do contaminante foi removida por adesão superficial ao catalisador de magnetita.
Outros processos de degradação catalisados por fertilizantes magnetitas são aqueles que eliminam hidrocarbonetos aromáticos policíclicos, n-alcanos e resíduos de óleo refratário como contaminantes nos solos. Em dois estudos, o fertilizante de magnetita em pó foi demonstrado como um catalisador altamente eficaz para as vias de degradação da oxidação por Fenton (peróxido a hidroxila, como acima) e persufato(12). A magnetita superou um catalisador Fe2+ solúvel na remoção de entre 80 e 90% dos resíduos de petróleo bruto do solo em uma semana, em comparação com apenas 10-15% para o catalisador de ferro regular(13). O uso de fertilizante magnetita como um apaziguador de contaminação do solo é particularmente bem-vindo devido à natureza relativamente baixa tóxica da magnetita. Também tem sido demonstrado como um catalisador eficaz na degradação do fenol - outro subproduto industrial - sob irradiação ultravioleta, onde a redução de Fe3 + para Fe2+ foi considerada como desempenhando um papel fundamental na atividade catalisadora, com o tamanho das partículas de óxido negro de magnetita não sendo importante(14).
Usos Medicinais
A magnetita tem encontrado ampla utilização no campo medicinal. Foi demonstrado que o ADN é extraído de grãos de milho através da utilização de compósitos magnéticos e magnetita-sílica, ambos com um desempenho melhor do que os kits de extração de ADN disponíveis no mercado. A extração com óxido negro de magnetita foi de alto rendimento e resultou em extratos adequados para uso na digestão enzimática e no processo de reação em cadeia da polimerase(15). O pó de magnetita em escala de 5 mícrons tem sido usado como corante em gelatina corada para o ensaio da atividade proteolítica - a quebra de proteínas em polipeptídeos menores e/ou aminoácidos(16).
Os agentes de contraste por ressonância magnética (RM) são frequentemente relatados como aplicações de alta eficácia para a magnetita devido às suas propriedades superparamagnéticas - tornam-se magnéticos dentro do forte campo magnético do instrumento de RM, mas perdem esse magnetismo quando o campo não é mais aplicado e são altamente detetáveis(17). Estudos vivos com ratos demonstraram que, quando combinado com dextrano (um polissacarídeo de cadeia longa), atravessa a barreira hematoencefálica e fornece propriedades de contraste eficazes(18). Um relatório mostrou que a ingestão intencional de magnetita em pó provou ser uma fonte inesperada de agente de contraste, embora se deva notar que o consumo intencional de magnetita como suplemento dietético de ferro não é recomendado(19).
Como ferrofluido, Fe3O4 encontrou potencial uso no tratamento da hipotermia(20), através do qual uma solução de materiais metálicos (neste caso, magnetita) foi suspensa em um gel comercial para imitar tecido de mamíferos. Ao passar uma corrente através do gel portador de magnetita, o calor localizado foi induzido. Um ferrofluido é uma dispersão de uma substância do tipo ferro num meio líquido. Do mesmo modo, a magnetita foi incluída no fabrico de vitrocerâmicas ferrimagnéticas e utilizada como «termosementes» para o tratamento hipertérmico de células cancerígenas, com um teor de magnetita até 60%. Estas "termosementes" são implantadas em torno dos tumores na forma granular e o aquecimento hiperlocalizado é induzido pela aplicação de um campo magnético de magnetita(21), que provoca a morte celular.
Outras utilizações
Como componente em suportes de gravação, a magnetita tem sido utilizada - embora seja frequentemente reduzida a gama-Fe2O3 para aplicações de gravação de alta qualidade(22), dopada com pequenas quantidades de cobalto para uma legibilidade ótima. Descobriu-se que a magnetita é um pigmento negro de alto desempenho em revestimentos térmicos, com maior absorção de luz do que outros
pigmentos
negros inorgânicos comuns(23). É usado em cartuchos de toner em aplicações de impressão.
A magnetita tem sido
amplamente empregada na purificação
da água e tem sido formada em microesferas poliméricas ao lado do estireno e do divinilbenzeno para produzir resinas magnéticas de troca iônica(24), mostrando boa eficiência na remoção de contaminantes tóxicos de cobalto e nitrato da água. Em uma planta na Austrália, a magnetita em escala de mícron tem sido usada como reagente na purificação e clarificação de água, produzindo um suprimento potável a partir de água subterrânea e superficial de baixa qualidade. As questões relacionadas com a dificuldade de remoção de um reagente «carregado» foram resolvidas pela natureza da magnetita magnética (25). Os hidrocarbonetos clorados podem ser removidos da água através de bactérias que foram adsorvidas na magnetita, que pode então ser removida usando um campo magnético(26).
Em termos dos processos de filtração mais avançados para a água mais contaminada, a magnetita é frequentemente usada juntamente com outros compostos. Os resíduos orgânicos totais de carbono podem ser reduzidos em quase dois terços em águas residuais ácidas em apenas duas horas pela presença de magnetita como cocatalisador juntamente com o óxido de ferro convencional, à temperatura ambiente(27). Além disso, quando combinada com hematita composta relacionada, a magnetita pode efetuar a remoção de 75% dos resíduos de carbono orgânico em águas residuais de plantas cosméticas, com o benefício adicional de remover quase completamente também espécies de nitrogênio dissolvido(28).
Outras utilizações da magnetita em aplicações de filtração incluem a remoção de urânio hexavalente do solo quando acompanhado por bactérias redutoras de metais Ochrobactrum(29), onde a presença de magnetita demonstrou ajudar na imobilização do urânio - com uma removibilidade significativamente menor sem a magnetita presente. Foi demonstrado que a magnetita auxilia na digestão anaeróbia de águas residuais leiteiras(30).
Na perfuração de petróleo bruto, a lama à base de água é frequentemente usada como fluido de perfuração. Normalmente feitas usando compostos como barita e argilas bentoníticas para proporcionar uma boa lubricidade, a pesquisa analisou outros materiais que podem ser benéficos e/ou mais baratos - mas crucialmente são mais tolerantes aos processos de perfuração de alta pressão e alta temperatura de hoje. Normalmente, para tais aplicações, é utilizado um material mais denso; uma lama com maior gravidade específica. A barita pode ser substituída por magnetita de forma 1:1 e é eficaz(31). A pesquisa mostrou que a densidade poderia ser aumentada de 14,5 para 14,9 ppg (ou seja, maior densidade com uma menor quantidade de sólidos, reduzindo custos). Foi observada uma reologia plana e observado um perfil de viscosidade-elasticidade superior, o que significa uma melhor limpeza dos furos no equipamento de perfuração. As propriedades de filtração também foram melhoradas em comparação com a barita, com um volume de filtrado quase 30% menor e um peso 16% menor. A magnetita também pode ser utilizada na forma de nanopartículas para fluidos de perfuração personalizados(32), com tensão de rendimento e temperatura com uma relação linear. Além disso, na perfuração de petróleo e gás, a magnetita pode auxiliar na remoção de sulfetos(33). À semelhança das propriedades de aumento de densidade na lama à base de água, a magnetita pode ser utilizada de forma análoga como agente de ponderação na cimentação dos poços de extração(34).
Energia
Embora a magnetita tenha demonstrado a sua capacidade na extração de combustíveis fósseis, existem alguns exemplos de utilização na produção de energia utilizável de uma forma mais sustentável. Numa célula de combustível microbiana, o combustível utilizável é produzido quando a eletricidade é passada através de um eletrólito rico em bactérias específicas, de forma semelhante ao hidrogénio é produzido por eletrólise. Verificou-se que a adição de magnetita a este sistema oferece um excelente desempenho para as etapas de transporte de oxigénio, conduzindo a uma maior eficiência global do sistema(35). Além disso, a magnetita presente também é eficaz na remoção de lodo de esgoto - caso o sistema esteja usando água contaminada. As lipases imobilizadas por magnetita demonstraram ser produtoras eficazes de biodiesel, tal como outras lipases. Criticamente, no entanto, fontes fúngicas e não probióticas de lipases estão associadas a subprodutos prejudiciais, enquanto as lipases probióticas não são conhecidas por sua estabilidade e, portanto, eficiência em comparação com suas contrapartes fúngicas. A imobilização dessas lipases probióticas na magnetita torna o sistema de desempenho superior(36).
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