اطلاعاتی در مورد بنتونیت

واژه بنتونیت را نخستین بار در سال 1898 دانشمندی به نام نایت، به کار برده است. این واژه از اصطلاح محلی به نام شیل های بنتون واقع در ایالات وایومینگ آمریکا 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 ای 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 زود شکن 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.

تعریف بنتونیت:

بنتونیت ماده ای است معدنی از دسته رس ها یا شبه رس ها و از کانی های متورم شونده تشکیل شده است، که عموما حاوی مونتموریلونیت و به مقدار کم بیدلیت هستند. به همین دلیل، منظور از بنتونیت، رسی است که 85-90 درصد کانی مونتموریلونیت داشته باشد (کریم پور، 1378).

نام مونتموریلونیت نیز از نام محلی در جنوب فرانسه به نام مونتموریلون گرفته شده که دارای منابع بسیار زیادی بنتونیت است (کریم پور، 1378).

ساختمان بنتونیت:

بنتونیت یک فیلوسیلیکات آلومینیوم دار با فرمول زیر می باشد :

Na,Ca)0.33 (Al,Mg)2Si 4O10 (OH)2. nH2o)

که اساسا از مونتموریلونیت یا کانی های گروه اسمکتیت تشکیل شده است. کانی های گروه اسمکتیت شامل سری های دی اکتاهدرال و تری اکتاهدرال است. کانی های سری دی اکتاهدرال عبارتند از : مونتموریلونیت، بیدلیت و نانترونیت. انواع تری اکتاهدرال شامل کانی های هکتوریت و ساپونیت است.

از خواص مهم کانی های خانواده اسمکتیت ، جانشینی یونی، خاصیت شکل پذیری ، انبساط و انقباض یونی آن ها را می توان نام برد. بر اثر هوازدگی در آب و هوای خشک اسمکتیت تشکیل می شود. در محیط های رسوبی رودخانه ای و دریاچه ای غالباً کائولینیت پایدار است ، در صورتی که در محیط های دریایی کائولینیت و اسمکتیت گاهی به ایلیت تبدیل می شوند .

اسمکتیت از تریاس تا عهد حاضر یافت می شود و با افزایش عمق ابتدا به رس های بین لایه ای و سپس می تواند به ایلیت تبدیل شود.

اسمکتیت ها یکی از انواع خاک های رسی1:2 هستند که به طور گسترده ای برای اهداف جذبی استفاده شده اند. (منظور از خاک های رسی1:2، یک لایه آلومینیوم و دو لایه سیلیس می باشد).

مشخصات شیمیایی بنتونیت:

بنتونیت در خانواده سیلیکات های صفحه ای و گروه اسمکتیت بوده و از نظر ساختمانی دارای ساختمان سه لایه ای هستند که یک لایه آلومینیوم هشت وجهی بین دو لایه سیلیس چهار وجهی قرار می گیرد. صفحات چهاروجهی از SiO4 تشکیل شده است و هر چهاروجهی آن توسط 3 اتم اکسیژن با چهار وجهی های مجاور خود پیوند می یابد. بنتونیت حاوی هیدروکسیل (OH) اند که در مرکز حلقه شش تایی قرار می گیرند .صفحات چهار وجهی توسط صفحات هشت وجهی به یکدیگر متصل می شوند . صفحات هشت وجهی از کاتیون های دو و سه ظرفیتی تشکیل شده اند . نحوه قرار گرفتن صفحات چهار وجهی و هشت وجهی به حالت T-O-T است . فاصله بنیادی در این گروه 14 آنگستروم است ولی بعلت توانایی جذب مولکول های آب توسط اسمکتیت این فاصله می‌تواند از 6/9 تا 4/21 آنگستروم تغییر کند.

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.

خواص کانیهای خانواده اسمکتیت به ترکیب شیمیایی و ساختمان آنها بستگی دارد . در کانی بنتونیت سدیم دار میزان جذب یونی ، شکل پذیری ، انبساط و انقباض از نوع کلسیم دار آن بیشتر است . ابعاد شبکه بنتونیت سدیم و کلسیم دار از 6/9 آنگستروم در حالت معمولی به 20 آنگستروم در صورتی که رطوبت محیط صد درصد باشد ، افزایش خواهد یافت.

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

موارد استفاده از بنتونیت:

موارد مصرف بنتونیت در آمریکا شامل 26 درصد ریخته گری، 23 درصد گندوله آهن، 21 درصد جمع آوری فضولات گاو، 20 درصد حفاری، 8 درصد محیط زیست و 2 درصد مواد غذایی، خوراک دام و طیور، داروسازی و . . . است.

ریخته گری و ماسه های گداز فلز:

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. بنتونیت بعنوان یک ماده نگهدارنده در تهیه آهن ، استیل و آلیاژ های چدن بکار می رود.

6-4% بنتونیت برای به هم چسباندن دانه های ماسه سبز قالبریزی و چرخة ریخته گری فلزات مورد استفاده قرار میگیرد. در فرمولبندی قالبریزی پیشرفته خاک زغال، سلولز 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.

گندوله آهن جهت شمش آهن:

بنتونیت به عنوان یک عامل ضروری در تولید پلت های سنگ آهن کاربرد دارد. از طریق این فرایند سنگ های معدن به پلتهای کروی تبدیل می شوند که برای تولید مواد تغذیه کوره های انفجار جهت تولید آهن مناسب جهت قالب ریخته گری یا تولید در چرخه احیا مستقیم آهن(DRI) کاربرد دارد. از دهة 1950 به منظور پلیتی کردن، بنتونیت برابر کانة منیتیت و هماتیت ریزدانه اضافه میگردد. حدود 8-6 کیلوگرم سدیم بنتونیت به 1 تن کانه آهن خشک اضافه میگردد.

صنعت کاشی و سرامیک:

خواص بنتونیت در بدنه و کف شامل 1- انبساط ضخامت پس از پرس 2- استحکام خام و خشک بالا ولی پخت پایین 3- انقباض زیاد 4- جذب آب زیاد 5- استحکام پس از پرس

حفاری چاه (گل حفاری):

در حفاری نفت و گاز از بنتونیت های سدیم دار استفاده می شود. با آزاد شدن بنتونیت در آب، پوسته های نسبتاً بزرگ سدیم بنتونیت به ذرات کلوئیدی تبدیل شده و انرژی الکتریکی ذخیره شده در شبکه بلوری را آزاد میکنند و در حدود 15 تا 30 برابر حجم اولیه متورم میشوند. از این خاصیت در حفاری برای پراکنده سازی مواد سنگین کننده 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.

بنتونیت 2-5 % وزنی گلهای حفاری آبی را تشکیل میدهد، هرچند در انواع دیگر گل حفاری مانند انواع روغنی یا مصنوعی نیز روز بروز کاربرد بیشتری پیدا میکند، در بعضی موارد آن 2-1 % را به خود اختصاص داده و یا کاملاً با پلیمرها جایگزین میشود.

ارتینگ و چاه های ارت:

امروزه بنتونیت با هزینه ای به مراتب پایین تر جایگزین مناسب و بهینه ای برای مخلوط سنتی ذغال ونمک درسیتم ارتینگ باشد.

استفاده های محیط زیستی ( Environmental Markets ):

ویژگی جذب کنندگی و پس دهندگی آب در بنتونیت برای خالص سازی فاضلاب ها بسیار مفید است. دستورات اولیه محیطی اینگونه بیان می کنند که به خاکهای دارای قابلیت نفوذ پذیری کم اساسا باید بنتونیت اضافه شود تا بعنوان یک ماده روان ساز در ساختار و اصلاح زمینهای کویری، آنها را از آسیب آبهای آلوده کننده ( شوره ) محافظت کنند.

بازیافت کنندگی ( Cat litter):

بنتونیت به عنوان بازیافت کننده کاربرد داشته و بنا به فواید جذب کنندگی آن از ایجاد توده از بازمانده محصولات برای کاربردهای بعدی مورد استفاده واقع می شود .مثلا به عنوان بستر حیوانات خانگی مانند گربه و سگ می توان از بنتونیت استفاده نمود.

ریخته گری و قالب ریزی مس:

در تولید مواد قالب گیری در ریخته گری مس نیز کاربرد دارد.

تصفیه و رنگبری:

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

کشاورزی و دامداری و تولید طیور و آبزیان:

بنتونیت به عنوان یک مکمل غذایی برای حیوانات کاربرد دارد که عمدتا به دلیل ویژگی های جذب توکسین (توکسین بایندری) و پلت بایندری و بهبود ضریب تبدیل و ویژگی های بافری و .. کاربردهای زیادی دارد . کاربرد دیگر در علف کشها و حشره کشها است. در گاوداری ها از بنتونیت سدیم دار به دلیل قابلیت جذب بالای آن برای جذب ادرار و دیگر فضولات استفاده می شود. بنتونیت سدیم و آمت بر بهبود کیفیت پلت و عملکرد جوجه های گوشتی تاپیر چشم گیری دارد. گوگرد بنتونیتی موجود در کود pH خاک را کاهش می دهد از طرفی دیگر باعث افزایش راندمان کمی و کیفی در محصولات کشاورزی می گردد.

مواد شوینده:

در تهیه مواد شوینده از بنتونیت سدیم و یا کلسیم دار به دو دلیل استفاده می شود1 : جلوگیری از راسب شدن مواد 2 - خاصیت نرمی آن. مواد شوینده در خشکشویی ها و مایعات دستشویی و صابون های مایع همه دارای بنتونیت هستند و بنتونیت در آنها بعنوان ماده چرک زدا و همچنین نرم کننده پارچه ها بکار می رود.

داروسازی و پزشکی، آرایشی، لوازم و مواد دارویی:

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.

بنتونیت در آب غیر محلول است و با جذب مقدار کمی از آب متورم می شود و سوسپانسیون 2 % آن در آب ، pH قلیایی ( 5/9 تا5/10 ) تولید می کند. بنتونیت با جذب آب به صورت ژل در می آید که غلظت آن به مقدار بنتونیت وارد شده در آب 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. بنتونیت به عنوان یک ماده حجم دهنده و روکش در مواد دارویی بکار می رود و بنا به خاصیت آب گیری / آب دهی حالت خمیری به خود می گیرد، این ویژگی آن را ماده ای پر کار در کرم های محافظ صنعتی – محلولهای شستشو ، کمپرس های مرطوب و در موارد حساسیتی به عنوان ماده ی ضد خارش بکار می رود . در امور پزشکی بنتونیت به عنوان یک پادزهر در مسمومیت های فلزات سنگین مورد مصرف قرار می گیرد. در محصولات دارویی کاربردی در امور بهداشتی مانند دارو های آفتاب سوختگی – پودر بچه – پودر سفید کننده صورت بنتونیت کاربرد فراوان دارد .

صنعت آجر و سفال:

بنتونیت اگر گرما داده شود می تواند به عنوان یک ماده اساسی در آجر و سفال های متخلخل استفاده شود .

کاربرد در مهندسی عمران و سازه و مهندسی شهری:

علاوه بر خواص قبلی، سدیم بنتونیت دارای پلاستیسیته و چرب کنندگی خوب، مقاومت برشی بالا، نفوذناپذیری و تراکم پذیری و تحکیم پذیری پایین است. به عنوان مثال ملات با 5-3 % سدیم بنتونیت برای پایدارسازی دیواره ها بکار میرود، همچنین برای جمع آوری فلزات سنگین از آبهای زائد و پرکردن فضاهای خالی استفاده میشود (پوشش مخازن ذخیره فاضلاب، باتلاقهای آبهای صنعتی، جاسازی زباله های اتمی در زیرزمین، احداث سدها، کانال، مخازن، ترانشه ها و همچنین بنتونیت در مهندسی شهری کاربردهایی همچون : عامل حمایت کننده و یا روان ساز در دیوار های حایل، فونداسیون ، تونل سازی، حفاری های افقی و لوله گذاری داشته است بنا به میزان چسبندگی و انعطاف پذیری در تهیه سیمان پرتلند و ملات ساروج کاربرد دارد.

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 .

بکارگیری بنتونیت به عنوان جاذب رطوبت:

به علت خاصیت جذب رطوبت در غذای حیوانات، حشره کشها، 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 سدیم دار ظرفیت بیشتری دارد. نوع کلسیم دار با اسید آلی واکنش داده شده تا ناخالصی هایی 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 شبکة بلورین شود. از آن برای تصفیه، رنگزدایی، آبگیری و گندزدایی روغنهای حیوانی و گیاهی و یا خنثی سازی بکار میرود. بنتونیت ناخالصیها و باکتریهای لخته شده 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 مادة ژله ساز، 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.