Магнетит: использование и применение в материалах для записи, пигментах / красителях и процессе Фишера-Тропша
Краткое введение в магнетит
Магнетит, железо (ii,iii) оксид, является основным руды железа, и, таким образом, находит свое основное применение в качестве источника железа и для производства стали. Это черный, непрозрачный и имеет химическую формулу Fe3O4, обладая железом в состояниях окисления 3 «(феррик) и 2 » (ферро). Он широко распространен как крупномасштабные месторождения, в воспламеняемых и метаморфических пород, в дополнение к в черном песке и в окаменелостях (1).
Помимо железа и стали, магнетит широко используется в очистке воды, процесс Haber-Bosch, в медицине и для удаления загрязняющих средств из промышленных процессов. Здесь мы рассмотрим три применения магнетита: в записывающих средствах массовой информации, процесс Фишера-Тропша для производства синтетических углеводородов, а также в покрытии, пигментах и красителей пространстве.
Носитель записи
Магнитная лента является одним из старейших методов хранения данных (аналоговый голос / музыка и оцифрованный компьютер резервного копирования, например), и, несмотря на его предполагаемое устаревание, многие предприятия по-прежнему полагаются на магнитную ленту на основе системы в рамках их общего режима управления данными. 77 из опрошенных компаний заявили, что они использовали магнитную ленту в рамках своей работы по управлению данными. Известная своей долговечностью при оптимальных условиях хранения, магнитная лента по-прежнему является ключевой частью многих архивных услуг (3). Не далее как в 2014 году Sony анонсировала новую магнитную ленту, якобы для серверных операций, емкостью 185 ГБ. Магнетит, как основной источник оксида железа, был ранний материал, используемый для производства магнитной ленты (4).
Как это работает?
Как магнетит (и это железо (iii) оксид) является ferrimagnetic, проходя через магнитную катушки будет выравнивать магнитные моменты оксида железа в одном направлении. В случае записи носителей, магнитная катушка является ферромагнет и электромагнит, и называется запись головы. Для записи тока сигнала, который будет записан, импульсирует к катушке ферромагнет, которая, в свою очередь, намагничивает ленту через индуцированное магнитное поле, пропорциональное сигналу. Для воспроизведения (или декодирования) уже намагниченная лента проходит через ту же катушки, это вызывает напряжение в катушке, которая может передаваться далее. Та же основная идея используется во всех магнитных носителях ленты, с вариациями только в линейной или сканирующей основе (2).
Почему магнетит? Как это используется?
Магнетит известен как недорогой и высокочистый источник оксида железа (iii), а его природа как ферримагнитного материала означает, что он полезен в качестве компонента среды хранения. Кратко, эмульсия оксида железа откладывается на пластиковую пленку с связующего. Этот немагнитный оксид железа стабилен, и лента будет прогрессировать на записи головы. Магнетит был использован не только, но допинг с другими элементами уже в 1950-х годов, таких как кобальт (5) позволить ленты с гораздо более последовательной сигнала. Приготовление магнетитовой пленки предполагает хранение аморфного магнетита (Fe2 O3)на пленку, нагревая ее, пока не достигнет альфа-кристаллическаяфаза, а затем сводка до магнетита (6), это приводит к одной, непрерывной пленке чистого магнетита, очень благоприятной для высококачественных приложений для записи мультимедиа, например, в среде центра обработки данных.
Пигменты, красители и покрытия
Как естественный и высокоустойчивый материал, магнетит нашел несколько применений в пигментах/красителей/покрытий сектора. Ценится за его относительную твердость (около 6 мо) и устойчивость к теплу, давлению и выветривания, магнетит широко используется специально для покрытия стальных и железных конструкций, механического оборудования и многое другое.
Почему магнетит? Как это используется?
С точки зрения покрытий, способность магнетита поглощать свет выше, чем у многих других распространенных неорганических пигментов (7), его высокая производительность особенно примечательна из-за его низкой стоимости и высокой доступности. В пигментирующих и окрасяющихситуациях, магнетит, как было показано, имеет высокую прочность тона и хорошее поглощение масла (8). Это второе качество особенно важно, учитывая, что основной компонент краски основан на маслах и/или химических веществах на основе углеводородов. Дисперсия частиц оксида железа была в микрон-шкале. Магнетит является пигмент, который дает черный цвет. Он был использован в качестве пигмента по крайней мере еще в Древней Греции, где характерные фигуры на терракотовой керамики были по крайней мере частично произведены с магнетитовым пигментом (9).
Тот факт, что такие украшения сохранились сегодня в таком хорошем состоянии, является свидетельством стабильности магнетита. При печати чернил, магнетит был использован, добавив его в siccative нефти (10). Опираясь на предполагаемую стабильность и относительную инертность магнетита, антикоррозийные краски, содержащие магнетит, использовались для защиты стальных конструкций и машин (11), с покрытиями из стали от 50 до 80 микрон. Сообщается, что противокоррозийные методы лечения на основе магнетита превосходят их коммерчески доступные аналоги на основе гематита. Использование магнетита с смолами эпоксидного типа было показано, что полезно гибридное покрытие краски для морских применений (12). В целом, пигменты и покрытия, содержащие магнетит высоко оценили за их устойчивость к проникновению воды и мягких кислот и оснований.
Процесс Фишера-Тропша
Процесс Фишер-Тропш (F-T) является важным компонентом современной мировой нефтехимической промышленности. Это промышленный процесс, который преобразует низкое значение окиси углерода и водорода (вместе называют синтез газа ‘сингаз’) в более высокой стоимости углеводородных продуктов, которые могут быть дополнительно обработаны с помощью растрескивания, изомеризации и реформирования в основные таких видов топлива, как дизельное топливо и авиационное топливо. Процесс F-T гарантирует, что синтетические масла и топливо всегда доступны на рынке, предоставляя мировой экономике страховой полис от проблем с добычей сырой нефти. F-T полагается на высокие температуры и давление — и, что крайне важно, металлический катализатор — для преобразования сингаза в применяемое к удовечивому топливу. Часто цитируемая перспектива предполагает, что некоторые естественные залежи углеводородов возникли из-за магнетит-катализированного процесса F-T-подобного процесса на границах тектонических плит на Ближнем Востоке (13). Процесс F-T может также использовать углекислый газ в производстве топлива (14).
Как это работает?
Процесс F-T представляет собой серию химических реакций, слишком запутанных для обсуждения здесь, но по существу является переход металла катализированной реакции между водородом и угарным газом производства, как правило, короткой цепи углеводородов и воды в качестве побочного продукта. Личность катализатора, как правило, никеля, кобальта, рутения или железа основе. Магнетит часто используется в качестве катализатора, так как он является высокой чистотой и недорогим, из-за его относительного изобилия, источника железа. Катализаторы железа значительно дешевле и сопоставимы с рутениями (15). В реакторе, порошкообразный магнетит частично уменьшается водородом в сингазе, производя комбинированный катализатор оксида железа на месте. Производимый катализатор характеризуется низкой пористостью и небольшимразмером пор — с диаметрами в районе 100 микрон. Магнетит добавляется в реактор вместе с кремнеземом, который выступает в качестве промоутера реакции. Катализаторы на основе магнетита известны своей стабильностью с течением времени, и, таким образом, помогают в обеспечении стабильного общего процесса.
Почему магнетит? Как это используется?
Как уже упоминалось, повсеместность и цена магнетита является ключевой причиной, почему он используется в качестве катализатора. В типичном крупномасштабном реакторе можно использовать десятки или сотни килограммов катализатора, и важно предотвратить эскалацию расходов. Было показано, что катализаторы на основе железа полезны в различных условиях F-T, включая реакторы более низкой температуры для производства жидких углеводородов и даже восков. Высокая температура F-T обычно производит очень короткие цепные углеводороды, такие как пропан. этан и метан — которые реализуются как газы. Реакция сдвига воды-газа критическая часть общего процесса F-T и магнетит знаны, что активен в этом (16), и катализаторы железа-типа such as magnetite знаны, что более устойчивы к отравлению сероводорода чем их двойники кобальта (17) — водопод сульфид является распространенным загрязнительом в сингазе. Использование F-T для производства дизельного топлива является особенно выгодным, поскольку оно часто производит топливо с более низким содержанием серы, чем обычное производство. Исследования показали, что катализаторы на основе железа более избирательны для производства олефина, чем другие переходные металлы (18).
Многие исследования изучали в дополнение магнетит в реакторе для тонкой настройки результатов реакции — обеспечить селективность смещения для конкретного типа топлива, например. Традиционный оксид порошкообразного железа был обработан путем пропитки с до 6 вт калия, кобальта или молибдена (19), с калием и кобальт-допинг эксперименты, демонстрирующие существенное избирательность смещения для керосина диапазон углеводородов (как используется в авиационного топлива) до 30. Когда натрий был использован в качестве промоутера, селективность метана снизилась, однако его влияние на общую эффективность реакции F-T заметно только тогда, когда катализатор железа поддерживается на глиноземе (20). Кроме того, медь была использована в качестве промоутера, увеличивая ставки F-T (21). В процессе производства устойчивого топлива из отходов с использованием отходов можно использовать катализаторы оксида железа (22), но отмечается, что следует избегать крупных кристаллов магнетита в пользу более мелких образцов из-за риска карбида формирование (23).
Резюме
- Магнетит является широко доступным и недорогим источником оксидов железа, которые могут быть использованы в различных операциях
- Магнетит был использован в записи средств массовой информации для производства магнитных лент, и до сих пор находит использование сегодня в высококачественных лент для приложений центров обработки данных
- В покрытиях, пигментах и красителе магнитит используется как эффективный черный краситель и как части покрытия для защиты стали, железа и промышленного оборудования
- Процесс Фишер-Тропш для синтетического производства углеводородов широко использует магнетит и магнетит на основе катализаторов, обеспечивая стабильное и устойчивое производство
Ссылки:
1 B. J. Woodford et al., PNAS, 1992, 89, 7683
2 Р. Х. Ди, Proc. Ieee, 2008, 96, 1775
3 Р. Брэдшоу и К. Шредер, IBM J. Res. Dev., 2003, 47, 373
4 S. Онодэра и др., MRS Bull., 1996, 21, 35
5 Патент США US3031341A, 1958, истек
6 Патент США US3620841A, 1970, истек
7 К. Гани и др., J. Coatings Tech. Res., 2015, 12, 1065
8 M. A. Legodi и D. de Waal, Красители и Пигменты, 2007, 74, 161
9. Маравелаки-Калаицкаки и Н. Каллитракас-Контос, Анал. Чим. Acta, 2003, 497, 209
10 Патент США US3826667A, 1972, истек
11 Дж. Кальдерон и др., Преподобный Металл. Мадрид Vol. Экстр., 2003, 2003, 97
12 A. M. Atta et al., RSC Adv., 2015, 5, 923
13. Szatmari, AAPG Бык., 1989, 73, 989
14 S. Upadhyayula et al., J. Cleaner Prod., 2019, 228, 1013
15 Г. Г. Стенгер-младший и К. Н. Саттерфилд, Ind. Англ. Хим. Процесс Dev., 1985, 24, 415
16 K. R. P. M. Rao et al., Hyperfine Interactions, 1994, 93, 1745
17 К. Н. Саттерфилд и др., Ind. Англ. Хим. Процесс Dev., 1986, 25, 401
18 М. Е. Сухой, Катал. Пусть., 1991, 7, 241
19 Д. Мартинес дель Монте и др., Топливный процесс. Технол., 2019, 194, 106
20 А. И. Ходаков и др., Аппл. Кошка. О: Генерал., 2015, 502, 204
21 С. Ли и др., J. Phys. Хим. B, 2002, 106, 85
22 С. С. Али и С. Дасаппа, Обновить. Поддерживать. Энергетический превр., 2016, 58, 267
23 Э. ван Стин и М. Клейс, Хим. Англ. Технол., 2008, 31, 655
