بنتونیت

بنتونیت
واژه بنتونیت Bentonite را نخستین بار در سال ۱۸۹۸ دانشمندی به نام نایت به کار برده است. این واژه از اصطلاح محلی شیلهای بنتون واقع در ایالات وایومینگ امریکا گرفته شده است.
استفاده از بنتونیت به زمان های ما قبل تاریخ بر می گردد. این کانی ها دارای اثرات شفا بخش در برخی بیماری های گوارشی و زخم ها بوده است. همچنین قابلیت جذب فلزات سنگین، باکتری ها و مواد ضد تغذیه را دارا می باشد.
ایرانیان از قدیم بنتونیت را با عناوین خاک رنگبر، گل سرشو، خاک شیره و رس صابونی می شناختند و با بعضی خواص آن از جمله، شستشوی لباس و به عنوان ماده تمیز کننده آشنا بودند. ابن سینا نیز از این ماده معدنی به عنوان ماده ای زودشکن یاد کرده که در آب به خوبی حل می شود. در گذشته در بعضی نقاط ایران از این ماده، استفاده خوراکی می کردند که این امر هنوز هم در بعضی از روستاها به صورت خیلی نادر مرسوم است. از دیدگاه پزشکی این افراد به جهت کمبود کلسیم عادت به گل خواری دارند. در فرهنگ غرب آن را به نام های رس صابونی و تیلوریت و بالاخره بنتونیت می شناسند.
نام مونتموریلونیت نیز از نام محلی در جنوب فرانسه به نام مونتموریلون گرفته شده که دارای منابع بسیار زیادی بنتونیت است (کریم پور، ١٣٧٨).
بنتونیت یک فیلوسیلیکات آلومینیوم دار با فرمول Na,Ca)0.33 (Al,Mg)2Si4O10(OH)2.nH2O) که عمدتاً از مونت موریلونیت یا کانیهای گروه اسمکتیت تشکیل شده است.
بنتونیت عمدتاً بر دو نوع است:
• بنتونیت های متورم Swelling bentonite یا بنتونیت های سدیم دار
• بنتونیت های غیرمتورم Non-swelling bentonite یا بنتونیت های کلسیم دار
بنتونیت ها بر اثر هوازدگی و دگرسانی خاکسترهای آتش فشانی و اغلب در حضور آب تشکیل می شوند و سنگ منشأ آنها اکثراً بازیک است. تجزیه خاکستر آتش فشانی عمدتاً در محیط شور و باتلاقی انجام می شود و هر چه از آتش فشان دور شویم، ضخامت بنتونیت کاهش می یابد.
بنتونیت یک فیلوسیلیکات آلومینیوم دار با فرمول Na,Ca)0.33 (Al,Mg)2Si4O10(OH)2.nH2O) که اساساً از مونت موریلونیت یا کانیهای گروه اسمکتیت تشکیل شده است. کانی‌های گروه اسمکتیت شامل سریهای دی اکتاهدرال و تری اکتاهدرال است.
• کانیهای سری دی اکتاهدرال عبارتند از: مونتموریونیت، بیدلیت و نانترونیت.
• انواع تری اکتاهدرال شامل کانیهای هکتوریت و ساپونیت است.
بنتونیت عمدتاً بر دو نوع است:
• بنتونیت های متورم swelling bentonite یا بنتونیت های سدیم دار
• بنتونیت های غیرمتورم Non-swelling bentonite یا بنتونیت های کلسیم دار

بنتونیت ها بر اثر هوازدگی و دگرسانی خاکسترهای آتش فشانی و اغلب در حضور آب تشکیل می شوند و سنگ منشأ آنها اکثراً بازیک است. تجزیه خاکستر آتش فشانی عمدتاً در محیط شور و باتلاقی انجام می شود و هر چه از آتش فشان دور شویم، ضخامت بنتونیت کاهش می یابد.
بنتونیت های متورم یا بنتونیت های سدیم دار می توانند چندین برابر حجم معمولی خود آب جذب کند و منبسط شود، به طوری که حالت ژله ای، پلاستیکی و چسبندگی به خود بگیرد. این نوع بنتونیت معمولاً در سیالات حفاری و دوغاب (گل آب) دیواره ها استفاده می شود.
انواع بنتونیت ها از دیدگاه صنعتی:
– بنتونیت های سدیم دار
– بنتونیت های جانشینی توسط سدیم
– بنتونیت های کلسیم دار
– بنتونیت های ارگانوفیل
– بنتونیت های فعال شده توسط اسید
ذخایر بنتونیت گرمابی:
ذخایر گرمابی کوچک بوده و در شرایط خاص ترکیب محلول گرمابی تشکیل می شوند. خصوصیات محلول برای تشکیل بنتونیت و گروه اسمکتیت عبارتند از:
سیلیس باید بیش از حد اشباع از کوارتز باشد. دمای محلول بالا باشد.
سنگ مادر مناسب برای این نوع ذخایر، توفهای داسیتی، تراکیتی و ریولیتی غنی از پتاسیم و کلسیم هستند. این نوع ذخایر در ژاپن، ایتالیا، یونان گزارش شده اند.
ذخایر بنتونیت رسوبی:
مهمترین ذخایر بنتونیت دنیا از نوع رسوبی هستند. خاکستر آتشفشانهای اسیدی- حد واسط هنگامی که در محیطهای دریاچه ای قلیایی بر جای گذاشته می شوند، ضمن واکنش با آب می توانند اسمکتیت و دیگر کانیها را تشکیل دهند.
عمده بنتونیتهای رسوبی متعلق به دوران سوم زمین شناسی هستند. اسمکتیت با افزایش دما و فشار با ایلیت تبدیل می شود. سنگهای رسوبی حاوی بنتونیت در شرایط افزایش عمق (افزایش دما) ابتدا اسمکتیت به اسمکتیت- ایلیت تبدیل می شود. در عمق حدود ۳۷۰۰ متر حدود ۸۰ درصد اسمکتیت را ایلیت تشکیل می دهد. عدم گزارش بنتونیت از پالئوزوئیک می تواند به علت تبدیل آن به ایلیت باشد.
کانی های فلدسپار تحت تأثیر محلول های گرمابی با کاهش PH آلتره می شوند. نوع کانی هایی که از آلتراسیون فلدسپار پتاسیم حاصل می شوند به PH و دما بستگی دارد. در شرایط PH اسیدی و در دمای کمتر از ۲۸۰ درجه سانتیگراد کائولینیت و در دمای بیش از ۲۸۰ درجه سانتیگراد و محیط اسیدی پیروفیلیت تشکیل می شود.
تشکیل سریسیت و یا ایلیت در محدوده PH بین پایداری فلدسپار پتاسیمو کائولینیت – پیروفیلیت است. سایر کانی ها نظیر آلبیت و میکاها در شرایط PH اسیدی می توانند به کائولینیت آلتره شوند.
ذخایر کائولینیت گرمابی چنانچه به دلیل فرسایش در سطح زمین رخنمون یابند، کانی های سولفیدی در سطح اکسیده شده و با کاهش PH آب های سطحی مجدداً کائولینیت هوازده همراه با نوع گرمابی می تواند تشکیل شود.
میزان بنتونیت مصرفی در امریکا شامل ۲۶ درصد ریخته گری، ۲۳ درصد گندوله آهن، ۲۱ درصد جمع آوری فضولات گاو، ۲۰ درصد حفاری، ۸ درصد محیط زیست و ۲ درصد مواد غذایی، داروسازی و … است.
خاصیت رنگ بری و میزان جذب آب بنتونیت به نوع کانی یا کانی های گروه اسمکتیت بستگی دارد. میزان تورم و خاصیت رنگ بری بیشتر بنتونیت ها در حال طبیعی در پایه مطلوب نیست، بنابراین لازم است که تغییراتی ایجاد شود تا خواص آن افزایش یابد.
بنتونیت از ورقه‌های آلومینا و سیلیکات با پیوند سست تشکیل شده که می‌تواند در محیط آبی به ذرات با ابعاد ۰۰۳/۰ میکرومتر ضخامت و ۱/۰ میکرومتر طول جدا شود. خاصیت جدا شدن آسان و بار الکتریکی منفی سبب انتشار وسیع آن در آب می‌شود.
بنتونیت حاوی کاتیون‌های قابل مبادله Ca^2+, Na^+یا Mg^2+ داشته و از هر کانی دیگر به ‌جز زئولیت ظرفیت تبادل یونی بیشتری دارد. این خاصیت بر ویژگی‌های تجاری آن تأثیر گذاشته و تقسیم‌بندی آن بر همین اساس صورت می‌گیرد. سدیم بنتونیت با قابلیت تورم بسیار بالا و کلسیم بنتونیت با ظرفیت تورم پایین، یک فرق اساسی دیگر بین این دو نوع کانی است که نوع سدیم‌دار تا دمای ۴۰۰ درجه ‌سانتیگراد پایدار است. نوع کلسیم با کربنات سدیم واکنش داده شده تا خاصیت تورم آن افزایش پیدا کند.
مصارف انواع بنتونیت ها:
– بنتونیت های فعال طبیعی و بنتونیت های فعال شده توسط اسید:
این نوع بنتونیت ها در صنایع غذایی، صنایع شیمیایی، تهیه گوگرد، صنعت نفت، کاغذ سازی، صنعت قند وشکر و نوشابه، کنترل آتش سوزی، تمیزکننده وجود دارند.
– بنتونیت های فعال طبیعی و بنتونیت های جانشینی سدیم:
این نوع بنتونیت ها در صنایع شیمیایی، کاغذ سازی، صنعت قند و شکر و نوشابه، تمیزکننده، موادمعدنی، سرامیک، کشاورزی، حفاری و ریخته گری وجود دارند.
ریخته گری
از بنتونیت های سدیم دار به دلیل خاصیت پلاستیکی و چسبندگی آن در تهیه قالب های ریخته گری استفاده می شود. در تهیه قالب های ریخته گری، بنتونیت به دلیل چسبندگی، دانه های ماسه را به هم متصل می نماید و خاصیت پلاستیکی آن موجب می شود تا زیر فشار آن را متراکم نموده و شکل مناسب قالب را تهیه نمود.
گندوله آهن
از بنتونیت های سدیم دار برای تهیه گندوله آهن استفاده می شود.
حفاری چاه
در حفاری نفت و گاز از بنتونیت های سدیم دار استفاده می شود. با آزاد شدن بنتونیت در آب، پوسته‌های نسبتاً بزرگ سدیم بنتونیت به ذرات کلوئیدی تبدیل شده و انرژی الکتریکی ذخیره شده در شبکه بلوری را آزاد می‌کنند و در حدود ۱۵ تا ۳۰ برابر حجم اولیه متورم می‌شوند. از این خاصیت در حفاری برای پراکنده سازی مواد سنگین‌کننده و قطع حفاری استفاده می‌شود، بدین صورت بنتونیت پوششی را روی دیواره چاه ایجاد کرده و از مهاجرت نفت و گاز ممانعت می‌کند و دیواره را پایدار و مته را نیز چرب می‌کند. همچنین بنتونیت، مواد آلی و غیر آلی را از مخلوط آب جذب کرده و ویسکوزیته آن در برداشت و بالا آوردن نخاله‌های حفاری کمک می کند. هکتوریت نیز خواص مشابهی دارد.
بنتونیت۲-۵ % وزنی گل‌های حفاری آبی را تشکیل می‌دهد, هر چند در انواع دیگر گل حفاری مانند انواع روغنی یا مصنوعی نیز روز بروز کاربرد بیشتری پیدا می‌کند، در بعضی موارد آن ۲-۱ % را به خود اختصاص داده و یا کاملاً با پلی‌مرها جایگزین می‌شود.

تصفیه و رنگبری
در صنعت تهیه روغن دانه های گیاهی و پتروشیمی از بنتونیت کلسیم دار به دلیل قابلیت مناسب جانشینی کاتیونی و خاصیت رنگبری استفاده می شود.
فضولات گاوی

در گاوداری ها از بنتونیت سدیم دار به دلیل قابلیت جذب بالای آن برای جذب ادرار و دیگر فضولات استفاده می شود. در امریکا ۲۱ % بنتونیت در این بخش به مصرف می رسد.
مواد شوینده
در تهیه مواد شوینده از بنتونیت سدیم و یا کلسیم دار به دو دلیل استفاده می شود:
۱- جلوگیری از راسب شدن مواد
۲- خاصیت نرمی آن.
داروسازی
بنتونیت در صنایع داروسازی به نام صابون کانی یا صابون رسی معروف است. این ماده به صورت طبیعی، به حالت سیلیکات آبدار آلومینیوم Al2O3.4SiO2.H2O است که عمدتاً از مونت موریلونیت تشکیل شده است و ممکن است عناصر کلسیم، منیزیم و آهن نیز در ترکیب آن وجود داشته باشد. پودر دارویی بنتونیت بسیار دانه ریز، بی بو و به رنگ سفید مایل به خاکستری با حالتی زرد یا صورتی است.
بنتونیت در آب غیر محلول است و با جذب مقدار کمی از آب متورم می شود و سوسپانسیون ۲ % آن در آب، PH قلیایی (۵/۹ تا ۵/۱۰) تولید می کند. بنتونیت با جذب آب به صورت ژل در می آید که غلظت آن به مقدار بنتونیت وارد شده درب بستگی دارد.
از خاصیت جذبی این ماده به عنوان تثبیت کننده و تصفیه کننده استفاده می شود. نام دارویی این ماده لوسیون کالامین(Calamin-Lotoin) یا بنتونیت ماگما می باشد.
کاربرد در مهندسی عمران
علاوه بر خواص قبلی، سدیم بنتونیت دارای پلاستیسیته و چرب‌کنندگی خوب، مقاومت برشی بالا، نفوذناپذیری و تراکم‌پذیری و تحکیم‌پذیری پایین است. به عنوان مثال ملات با ۵-۳ % سدیم بنتونیت برای پایدار‌سازی دیواره‌ها بکار می‌رود، همچنین برای جمع‌آوری فلزات سنگین از آب‌های زائد و پرکردن فضاهای خالی استفاده می‌شود (پوشش مخازن ذخیره فاضلاب، باتلاق‌های آب‌های صنعتی، جاسازی زباله‌های اتمی در زیرزمین, احداث سدها، کانال، مخازن، ترانشه‌ها و …).

محیط زیست
پساب های صنعتی و کشاورزی مهمترین عامل آلوده کننده آب های سطحی و زیرزمینی هستند. به منظور کنترل این پساب ها، محیط های نگهداری و انتقال را با استفاده از بنتونیت های سدیم دار باید ایزوله نمود.
پلیتی کردن کانه آهن
از دهه ۱۹۵۰ به ‌منظور پلیتی کردن، بنتونیت برابر کانه منیتیت و هماتیت ریزدانه اضافه می‌گردد. حدود ۸-۶ کیلوگرم سدیم بنتونیت به ۱ تن کانه آهن خشک اضافه می‌گردد.
ماسه‌های گداز فلز
۴-۶ % بنتونیت برای به‌ هم چسباندن دانه‌های ماسه‌سبز قالب‌ریزی و چرخه ریخته‌گری فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرد. در فرمول‌بندی قالب‌ریزی پیشرفته خاک‌ زغال، سلولز، غله، نشانه قیر یا دیگر منابع کربن به آن اضافه می‌گردد. این مواد برای جلوگیری از تخریب بعد از برداشت قالب الگو ضروری است. سدیم بنتونیت و کلسیم بنتونیت هردو می‌توانند استفاده شوند ولی نوع سدیم در دمای بالا پایدارتر است.
بکارگیری بنتونیت به عنوان جاذب رطوبت
به علت خاصیت جذب رطوبت در غذای حیوانات، حشره‌کش‌ها، دفع زباله و پایدارسازی خاک بکار می‌رود.

جذب یون‌ها
خاصیت جذب یون‌ها و مولکول‌ها توسط بنتونیت بسیار بالا است. نوع کلسیم‌دار سریعتر آب جذب می‌کند ولی نوع سدیم‌دار ظرفیت بیشتری دارد, نوع کلسیم دار با اسید آلی واکنش داده شده تا ناخالصی‌هایی مانند کلسیت را حل کند, یون های دوظرفیتی مانند کلسیم را با هیدروژن جایگزین کند و فلزاتی مانند آهن II و III، آلومینیم و منیزیم را شسته باعث افزایش سطح مخصوص و تخلخل و تغییر شبکه بلورین شود. از آن برای تصفیه، رنگ‌زدایی، آبگیری و گندزدایی روغن‌های حیوانی و گیاهی و یا خنثی‌سازی بکار می‌رود. بنتونیت ناخالصی‌ها و باکتری‌های لخته‌شده را جذب و با حذف نمک‌های منیزیم و کلسیم سبب نرم‌شدن آب می‌شود.

پرکننده
بعضی از انواع کلسیم بنتونیت سفید رنگ بوده و در پایدارسازی امولسیون‌ها و به عنوان ماده ژله‌ساز، چسبنده و نرم‌کننده استفاده می‌شود.

بنتونیت بهبود دهنده
سدیم بنتونیت برای تغییر خواص ترکیبات آلی مایع مانند ویسکوزیته، سوسپانسیون و … به آنها افزوده می‌شود. کاغذ چاپ بدون کربن، گل حفاری، گریس، رنگ، جوهر چاپ، تصفیه نفت، روغن، حلال و کاتالیزورهای Si/Al را می‌توان از مخلوط کردن رس‌هایی مانند بنتونیت با اسید و کلسیم‌دار کردن آن بدست آورد که از آن برای حذف عناصر قلیایی، قلیایی خاکی، آهن، Al و Mg استفاده می‌شود.

هکتوریت
اندازه ذرات کوچکتر، سطح ویژه بزرگتر و ظرفیت بالای تبادل کاتیونی، خواص ویسکوزیته و آماس آن را از مونتموریلونیت بیشتر می‌کند (گل حفاری). هکتوریت یا مخلوط آن با مونتموریلونیت برای تعلیق (داروهای ضد اسید معده، پاک‌کننده‌های ساینده، گندزداهای مایع)، ژله‌سازی (مواد آرایش صورت، خمیر ریش، پماد جوش) و… استفاده می‌شود.
استانداردها:
انستیتو نفت آمریکا و (OCMA) در اروپا فهرست خواص لازم برای گل حفاری را بیان کرده که مهمترین آنها عبارتند از: در هر بشکه گل حفاری با ویسکوزیته تقریبی ۱۵ سانتی‌پواز، از یک تن رس استفاده می‌شود. در آزمایش دانه‌بندی، کمتر از ۵/۲% باید روی مش ۲۰۰ باقی بماند.
بنتونیت مورد استفاده در ریخته‌گری
۹۲% مونتموریلونیت، ۳% کوارتز، ۵% فلدسپار، ۱۲-۶% رطوبت، PH 3/8، کمتر از ۷۰/۰ % CaO، حدروانی ۸۰۰-۶۰۰، مفاومت تراکمی خشک ۶۵۶Kpa، ظرفیت متیلن‌بلو ۱۰۰Meg/100y، دامنه تغییرات اندازه دانه ۹۵-۶۹%، ۷۵mm با ۹۵-۹۰% استاندارد معمول جامعه ریخته‌گران فولاد آمریکا.
برای پلیتی کردن کانه آهن استانداردی وجود ندارد، ولی حالت مناسب ۹۰-۷۰ %، ۴۴ میکرومتر با ۱۰% رطوبت.
دانه‌های جاذب رطوبت
نیازمند مخلوط یکنواخت از کانی‌های سیلیکاتی که تمیز، یکنواخت، بدون کلوخه و مواد خارجی باشند، درصد مونتموریلونیت ۹۰-۸۰% با اندازه مش ۵۰-۲۰٫
کاتالیست
اسمکیت با درجه خلوص بسیار بالا با آهن بسیار پایین.
بازیافت:
احیاء ماسه‌های قالب‌ریزی در ریخته‌گری بدلیل افزایش تصاعدی قیمت خرید و دفع آنها، روز به ‌روز در حال گسترش است. با این حال بنتونیت تازه نیز به آن اضافه می‌شود، چراکه نوع بازیافتی بدلیل اینکه تا دمای ۶۰۰ درجه سانتیگراد گرم شده است، آب ترکیبی خود را از دست داده و پیوستگی آن از بین رفته است. در فرآیند Clarification بعد از فیلتر کردن، بنتونیت بازیافت شده، تکلیس شده و مورد استفاده مجدد قرار می‌گیرد. امکان بازیافت ازگل حفاری تا حدی وجود دارد، با این وجود هزینه جداسازی مواد تشکیل دهنده گل به‌اندازه هزینه هرکدام می‌شود.
جایگزین‌ها:
جاذب:
آتاپولگیت/ سپیولیت، دیاتومیت، ژیپس، پلی‌پروپیلن، خاک ‌اره، زئولیت.
حمل کننده:
آتاپولگیت، بنتونیت، دیاتومیت، کائولن، پیت، پومیس، پیروفیلیت، سپیولیت، تالک، ورمیکولیت، زئولیت.
گل حفاری:

پلی‌مرهای مختلف مانند پلی‌اکریلایدهای تا حدی آبدار شده، آتاپولگیت، سپیولیت.
پلیتی کردن کانه آهن:
پلیمرها.
تصفیه کردن روغن‌ها:
بوکسیت فعال شده، سیلیکات منیزیم.
ماده ژلاتینی و ضخیم‌ساز:
آتاپولگیت/ سپیولیت، پلیمرهای مختلف، ضخیم‌کننده‌های سلولزی.
آژانس بین‌المللی سلامت جهانی سیلیس متبلور را به عنوان ماده سرطان‌زا معرفی کرده است. مواد شیمیایی و معدنی که ۱/۰% یا بیشتر سیلیس متبلور داشته باشند، بر اساس استاندارد موسسه سلامت و بهداشت جمعیت برای مقابله با خطرات ناشی از ارتباط با محیط آلوده (Occupational Safety & Health Administrations`Hazard Communication Standard) در آمریکا تحت نظارت قانون قرار گرفته‌اند، به طوری که به صورت قانون کار، آموزش کارگران و برچسب زدن بر چنین محصولاتی مطابق روش‌های اعلام شده برای مواد سرطان‌زا (Material Safety Data Sheet, MSDS) می‌بایست انجام گیرد. بنابراین تا زمانی که طی فرآوری، درصد سیلیس متبلور در بنتونیت کمتر از ۱% شود، بنتونیت تحت قانون فوق قرار می‌گیرد.
منابع آلودگی:
پساب های صنعتی و کشاورزی.