Bentonita
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Bentonita () es una arcilla expansiva absorbente que consiste principalmente en montmorillonita (un tipo de esmectita) que puede ser montmorillonita de Na o montmorillonita de Ca. La montmorillonita de Na tiene una capacidad de hinchamiento considerablemente mayor que la montmorillonita de Ca.
La bentonita generalmente se forma a partir de la erosión de las cenizas volcánicas en el agua de mar o por circulación hidrotermal a través de la porosidad de los lechos de cenizas volcánicas, que convierte (desvitrificación) el vidrio volcánico (obsidiana, riolita, dacita) presente en las cenizas en minerales arcillosos. En el proceso de alteración mineral, una gran fracción (hasta 40-50% en peso) de sílice amorfa se disuelve y se filtra, dejando el depósito de bentonita en su lugar. Los lechos de bentonita son de color blanco, azul pálido o verde (trazas de Fe2+
) en exposiciones frescas, cambiando a un color crema y luego amarillo, rojo o marrón (trazas de Fe3+
) a medida que la exposición se desgasta más.
Como arcilla expansiva, la bentonita tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de agua, lo que aumenta su volumen hasta en un factor de ocho. Esto hace que los lechos de bentonita no sean adecuados para la construcción de edificios y carreteras. Sin embargo, la propiedad de hinchamiento se utiliza con ventaja en lodos de perforación y selladores de aguas subterráneas. La montmorillonita/esmectita que constituye la bentonita es un mineral de filosilicato de aluminio, que adopta la forma de granos laminares microscópicos. Estos le dan a la arcilla un área de superficie total muy grande, lo que hace que la bentonita sea un adsorbente valioso. Las placas también se adhieren entre sí cuando están mojadas. Esto le da a la arcilla una cohesión que la hace útil como aglutinante y como aditivo para mejorar la plasticidad de la arcilla caolinita utilizada para la cerámica.
Uno de los primeros hallazgos de bentonita fue en el Cretácico Benton Shale cerca de Rock River, Wyoming. El Grupo Fort Benton, junto con otros en sucesión estratigráfica, recibió su nombre de Fort Benton, Montana, a mediados del siglo XIX por Fielding Bradford Meek y F. V. Hayden del Servicio Geológico de EE. UU. Desde entonces, se ha encontrado bentonita en muchos otros lugares, incluidos China y Grecia (depósito de bentonita de la isla volcánica de Milos en el mar Egeo). La producción mundial total de bentonita en 2018 fue de 20 400 000 toneladas métricas.
Tipos
y Ca2+
iones) compensando las cargas eléctricas negativas de las capas TOT y con moléculas de agua que causan la expansión del intercapa.
En geología, el término bentonita se aplica a un tipo de piedra arcillosa (una roca arcillosa, no un mineral arcilloso) compuesta principalmente de montmorillonita (un mineral arcilloso del grupo de las esmectitas). Se forma por desvitrificación de ceniza volcánica o toba, típicamente en un ambiente marino. Esto da como resultado una roca porosa muy suave que puede contener cristales residuales de minerales más resistentes y que se siente jabonosa o grasosa al tacto. Sin embargo, en aplicaciones comerciales e industriales, el término bentonita se usa de manera más general para referirse a cualquier arcilla expansiva compuesta principalmente de minerales arcillosos de esmectita, que incluye la montmorillonita. La referencia indiferenciada a la roca volcánica meteorizada para el geólogo oa la mezcla industrial de arcillas expansivas puede ser fuente de confusión.
La montmorillonita que constituye la bentonita es un mineral de filosilicato de aluminio cuya estructura cristalina se describe como TOT de baja carga. Esto significa que un cristal de montmorillonita consta de capas, cada una de las cuales está formada por dos láminas T unidas a cada lado de una lámina O. Las hojas T se llaman así porque cada ion de aluminio o silicio en la hoja está rodeado por cuatro iones de oxígeno dispuestos como un tetraedro. Las hojas O se llaman así porque cada ion de aluminio está rodeado por seis iones de oxígeno o hidroxilo dispuestos como un octaedro. La capa TOT completa tiene una carga eléctrica negativa débil, y esta es neutralizada por cationes de calcio o sodio que unen las capas adyacentes, con una distancia entre capas de aproximadamente 1 nanómetro. Debido a que la carga negativa es débil, solo una fracción de los posibles sitios de cationes en la superficie de una capa de TOT contienen calcio o sodio. Las moléculas de agua pueden infiltrarse fácilmente entre las hojas y llenar los sitios restantes. Esto explica la propiedad de hinchamiento de la montmorillonita y otros minerales arcillosos de esmectita.
Los diferentes tipos de bentonita llevan el nombre del catión dominante respectivo. Para fines industriales, se reconocen dos clases principales de bentonita: bentonita sódica y cálcica. La bentonita de sodio es la más valiosa, pero la bentonita de calcio es la más común. En estratigrafía y tefrocronología, los lechos de caída de ceniza completamente desvitrificados (vidrio volcánico desgastado) a veces también se denominan "K-bentonitas" (la roca de arcilla ilitizada) cuando la especie de arcilla dominante es ilita (una arcilla que no se hincha). Sin embargo, en la mineralogía de arcillas puras, el término ilita es más apropiado que "K-bentonita" (la "roca K alterada") porque es un tipo distinto de arcilla que no se hincha, mientras que el término comercial bentonita se refiere implícitamente a una arcilla que se hincha, una esmectita (en la terminología europea y del Reino Unido), o una montmorillonita (en la terminología estadounidense).
Bentonita de sodio
La bentonita de sodio se expande cuando se moja y absorbe varias veces su masa seca en agua. Debido a sus excelentes propiedades coloidales, a menudo se usa en lodos de perforación para pozos de petróleo y gas y pozos para investigaciones geotécnicas y ambientales. La propiedad de hincharse también hace que la bentonita de sodio sea útil como sellador, ya que proporciona una barrera autosellante de baja permeabilidad. Se utiliza para revestir la base de los vertederos, por ejemplo. La bentonita también es parte del material de relleno utilizado en el Proyecto Piloto de Aislamiento de Residuos. Varias modificaciones de la superficie de la bentonita de sodio mejoran cierto rendimiento reológico o de sellado en aplicaciones geoambientales, por ejemplo, la adición de polímeros.
La bentonita de sodio se puede combinar con azufre elemental como gránulos de fertilizante. Estos permiten la oxidación lenta del azufre a sulfato, un nutriente vegetal necesario para algunos cultivos como las cebollas o el ajo que sintetizan una gran cantidad de compuestos orgánicos de azufre, y mantienen los niveles de sulfato en el suelo lixiviado por la lluvia durante más tiempo que el azufre puro en polvo o el yeso. Las almohadillas de azufre/bentonita con fertilizantes orgánicos añadidos se han utilizado para la agricultura orgánica.
Bentonita cálcica
La bentonita cálcica es un adsorbente útil de iones en solución, así como de grasas y aceites. Es el principal ingrediente activo de la tierra de batán, probablemente uno de los primeros agentes de limpieza industrial. Tiene una capacidad de hinchamiento significativamente menor que la bentonita de sodio.
La bentonita de calcio se puede convertir en bentonita de sodio (lo que se denomina beneficio de sodio o activación de sodio) para exhibir muchas de las propiedades de la bentonita de sodio mediante un proceso de intercambio iónico. Como se practica comúnmente, esto significa agregar del 5 al 10 % de una sal de sodio soluble, como el carbonato de sodio, a la bentonita húmeda, mezclar bien y dejar tiempo para que se produzca el intercambio de iones y agua para eliminar el calcio intercambiado. Algunas propiedades, como la viscosidad y la pérdida de fluido de las suspensiones, de la bentonita cálcica beneficiada con sodio (o la bentonita activada con sodio) pueden no ser totalmente equivalentes a las de la bentonita sódica natural. Por ejemplo, los carbonatos de calcio residuales (formados si los cationes intercambiados no se eliminan lo suficiente) pueden dar como resultado un rendimiento inferior de la bentonita en los revestimientos geosintéticos.
Ilitización de arcillas de esmectita por iones de potasio y roca de K-bentonita
La ilita es el principal componente arcilloso de la bentonita potásica (un tipo de roca también conocida como bentonita K o bentonita potásica). K-bentonita es un término reservado para la estratigrafía volcánica y la tefrocronología y está relacionado únicamente con el tipo de roca arcillosa meteorizada. Illita, el mineral arcilloso, es un filosilicato rico en potasio formado a partir de la alteración de la arcilla esméctica en contacto con aguas subterráneas ricas en K+
iones La ilita es un mineral de arcilla TOT de alta carga, en el que las láminas están unidas con relativa fuerza por más numerosos iones de potasio, por lo que ya no es una arcilla expansiva y tiene pocos usos industriales. En contraste con el altamente hidratado Na+
iones que actúan como "hinchadores" o "expansores" iones, mal hidratados K+
los iones se comportan como "colapsors" al intercambiar con Na+
iones accesibles en el espacio de intercapas presente entre dos capas TOT. Deshidratado K+
los iones se ubican preferentemente entre dos cavidades hexagonales enfrentadas formadas por seis tetraedros de sílice unidos presentes en la superficie del plano basal de una capa TOT (ver la figura correspondiente que muestra una capa elemental TOT). Debido a que están deshidratados, estos K+
a veces se dice que los iones forman enlaces de esfera interna con los átomos de oxígeno circundantes presentes en la cavidad hexagonal que aloja a ellos. Significa que no hay ninguna molécula de agua entre K+
y los átomos de oxígeno unidos a los tetraedros de sílice (T).
Aplicaciones
Los principales usos de la bentonita se encuentran en el lodo de perforación y como aglutinante, purificador, absorbente y portador de fertilizantes o pesticidas. Alrededor de 1990, casi la mitad de la producción estadounidense de bentonita se utilizó como lodo de perforación. Los usos menores incluyen relleno, sellador y catalizador en la refinación de petróleo. La bentonita de calcio a veces se comercializa como tierra de batán, cuyos usos se superponen con los de otras formas de bentonita.
Lodo de perforación
La bentonita se usa en el lodo de perforación para lubricar y enfriar las herramientas de corte (broca), para eliminar recortes, estabilizar las paredes del pozo y ayudar a prevenir reventones (al mantener una presión hidráulica suficiente en el pozo). La bentonita también reduce la invasión de fluidos de perforación por su propensión a ayudar en la formación de revoques de lodo. Gran parte de la utilidad de la bentonita en la industria de la perforación y la ingeniería geotécnica proviene de sus propiedades reológicas únicas. Cantidades relativamente pequeñas de bentonita suspendidas en agua forman un material viscoso que se adelgaza por cizallamiento. Muy a menudo, las suspensiones de bentonita también son tixotrópicas, aunque también se han informado casos raros de comportamiento reopéctico. En concentraciones suficientemente altas (alrededor de 60 gramos de bentonita por litro de suspensión, ~6% en peso), las suspensiones de bentonita comienzan a adquirir las características de un gel (un fluido con un límite elástico mínimo requerido para que se mueva).
Carpeta
La bentonita se ha utilizado ampliamente como un aglomerante de fundición y arena en las fundiciones de hierro y acero. La bentonita de sodio se usa más comúnmente para fundiciones grandes que usan moldes secos, mientras que la bentonita de calcio se usa más comúnmente para fundiciones más pequeñas que usan "verde" o moldes húmedos. La bentonita también se usa como agente aglutinante en la fabricación de gránulos de mineral de hierro (taconita) como se usa en la industria siderúrgica. La bentonita, en pequeños porcentajes, se utiliza como ingrediente en pastas de arcilla y esmaltes cerámicos comerciales y caseros. Aumenta en gran medida la plasticidad de los cuerpos de arcilla y disminuye la sedimentación en los vidriados, lo que facilita el trabajo con ambos para la mayoría de las aplicaciones.
La superficie iónica de la bentonita tiene una propiedad útil para formar una capa pegajosa sobre los granos de arena. Cuando se agrega una pequeña proporción de arcilla de bentonita finamente molida a la arena dura y se humedece, la arcilla une las partículas de arena en un agregado moldeable conocido como arena verde que se usa para hacer moldes en la fundición en arena. Algunos deltas de los ríos depositan naturalmente tal mezcla de limo de arcilla y arena, creando una fuente natural de excelente arena de moldeo que fue fundamental para la antigua tecnología metalúrgica. Los procesos químicos modernos para modificar la superficie iónica de la bentonita intensifican en gran medida esta pegajosidad, lo que da como resultado mezclas de arena de fundición notablemente parecidas a una masa pero fuertes que resisten las temperaturas del metal fundido.
La misma deposición efluvial de arcilla de bentonita en las playas explica la variedad de plasticidad de la arena de un lugar a otro para construir castillos de arena. La arena de playa que consiste únicamente en sílice y granos de concha no se moldea bien en comparación con los granos recubiertos con arcilla de bentonita. Es por eso que algunas playas son mucho mejores para construir castillos de arena que otras.
La autoadherencia de La bentonita permite embestir o prensar la arcilla a alta presión en moldes para producir formas duras y refractarias, como modelos de toberas de cohetes.
Purificación
Las bentonitas se utilizan para decolorar varios aceites minerales, vegetales y animales. También se utilizan para clarificar vino, licor, sidra, cerveza, hidromiel y vinagre.
La bentonita tiene la propiedad de adsorber cantidades relativamente grandes de moléculas de proteína de soluciones acuosas. En consecuencia, la bentonita es especialmente útil en el proceso de elaboración del vino, donde se utiliza para eliminar cantidades excesivas de proteína de los vinos blancos. Si no fuera por este uso de bentonita, muchos o la mayoría de los vinos blancos precipitarían nubes floculantes indeseables o turbidez al exponerse a temperaturas cálidas, ya que estas proteínas se desnaturalizan. También tiene el uso incidental de inducir una clarificación más rápida tanto de vinos tintos como blancos.
La bentonita también se considera un adsorbente eficaz de bajo costo para la eliminación de iones de cromo (VI) de soluciones acuosas (aguas residuales contaminadas).
Absorbente
La bentonita se usa en una variedad de artículos para el cuidado de mascotas, como la arena para gatos, para absorber los desechos de las mascotas. También se utiliza para absorber aceites y grasas.
Transportista
La bentonita se utiliza como vehículo inerte para pesticidas, fertilizantes y retardadores de fuego. Ayuda a asegurar que el agente activo se disperse uniformemente y que los pesticidas y fertilizantes se mantengan en las plantas.
Relleno
La bentonita se usa como relleno en una amplia variedad de productos, incluidos adhesivos, cosméticos, pintura, caucho y jabones. También actúa como estabilizador y extensor en estos productos.
Sellador
La propiedad de hincharse al contacto con el agua hace que la bentonita de sodio sea útil como sellador, ya que proporciona una barrera autosellante de baja permeabilidad. Se utiliza para revestir la base de los vertederos para evitar la migración de lixiviados, para confinar los contaminantes metálicos de las aguas subterráneas y para sellar los sistemas subterráneos de eliminación de combustible nuclear gastado. Los usos similares incluyen la fabricación de muros pantalla, la impermeabilización de muros subterráneos y la formación de otras barreras impermeables, por ejemplo, para sellar el espacio anular de un pozo de agua, para tapar pozos viejos.
La bentonita también se puede "emparedar" entre materiales sintéticos para crear revestimientos de arcilla geosintética (GCL) para los fines antes mencionados. Esta técnica permite un transporte e instalación más convenientes y reduce en gran medida el volumen de bentonita requerido. También se utiliza para formar barreras alrededor de árboles recién plantados para restringir el crecimiento de sus raíces: para evitar daños en cualquiera de los senderos cercanos, estacionamientos, parques infantiles, etc.; o cualquiera de las infraestructuras subterráneas circundantes, como tuberías, sistemas de drenaje, alcantarillas, etc. Los agricultores usan bentonita para sellar estanques de retención y revestir canales.
Catalizador
La bentonita de calcio de alta pureza se trata con ácido para su uso como catalizador en el craqueo de fracciones de petróleo pesado.
Medicina
La bentonita se ha recetado como laxante voluminoso y también se usa como base para muchas fórmulas dermatológicas. La bentonita granular se está estudiando para su uso en vendajes para heridas en el campo de batalla. La bentonita también se vende en línea y en tiendas minoristas para una variedad de indicaciones.
Bentoquatam es un medicamento tópico a base de bentonato destinado a actuar como un escudo contra la exposición al urushiol, el aceite que se encuentra en plantas como la hiedra venenosa o el roble venenoso.
La bentonita también se puede utilizar como desecante debido a sus propiedades de adsorción. Los desecantes de bentonita se han utilizado con éxito para proteger productos farmacéuticos, nutracéuticos y de diagnóstico de la degradación por humedad y prolongar la vida útil. En los entornos de paquetes más comunes, los desecantes de bentonita ofrecen una mayor capacidad de adsorción de agua que los desecantes de gel de sílice. La bentonita cumple con la FDA para el contacto con alimentos y medicamentos.
Agricultura en Tailandia
La aplicación de la tecnología de la arcilla por parte de los agricultores del noreste de Tailandia, utilizando arcilla de bentonita, ha revertido drásticamente la degradación del suelo y ha generado mayores beneficios económicos, con mayores rendimientos y precios de producción más altos. Los estudios realizados por el Instituto Internacional de Gestión del Agua y sus socios en 2002–2003 se centraron en la aplicación de arcillas de bentonita de origen local a los suelos degradados de la región. Estas aplicaciones se llevaron a cabo en ensayos de campo estructurados. La aplicación de arcillas de bentonita mejoró efectivamente los rendimientos del sorgo forrajero cultivado bajo condiciones de secano.
La aplicación de bentonita también influyó en los precios que los agricultores recibieron por sus cultivos. Los costos de producción son más altos, pero debido a una mayor producción y la calidad de los alimentos, los agricultores de arcilla podrían permitirse invertir y cultivar más y mejores alimentos, en comparación con los agricultores que no usan arcilla.
Muros pantalla de bentonita en construcción moderna
Muros pantalla de bentonita (también conocidos como muros pantalla) ) se utilizan en la construcción, donde el muro pantalla es una zanja rellena con una espesa mezcla coloidal de bentonita y agua. Una zanja que colapsaría debido a la presión hidráulica en el suelo circundante no colapsa cuando el lodo equilibra la presión hidráulica. Los encofrados para hormigón y barras de refuerzo se pueden ensamblar en una zanja llena de lechada y luego verter hormigón en el encofrado. El hormigón líquido, al ser más denso, desplaza la lechada de bentonita menos densa y hace que esta última se desborde de la zanja. Este lodo de bentonita desplazado luego se canaliza a una unidad de reciclaje desde la cual se puede reutilizar posteriormente en una nueva zanja en otro lugar del sitio de construcción.
Además, debido a que el coloide es relativamente impermeable al agua, un muro pantalla puede evitar la filtración de aguas subterráneas, lo cual es útil para prevenir una mayor propagación de aguas subterráneas contaminadas con materiales tóxicos, como desechos industriales.
Cerámica
La plasticidad es la propiedad de la arcilla que le permite ser manipulada y conservar su forma sin agrietarse después de que se haya eliminado la fuerza de formación; Las arcillas con baja plasticidad se conocen como o cortas o no plásticas. Una pequeña cantidad de bentonita añadida a la arcilla puede aumentar su plasticidad y, por lo tanto, facilitar la formación de artículos mediante algunas técnicas de modelado. Sin embargo, la bentonita generalmente contiene minerales que afectan el color cocido de la mezcla, y sus propiedades de hinchamiento pueden hacer que dicha mezcla sea propensa a una contracción significativa y posibles grietas a medida que se seca.
Los esmaltes cerámicos suelen contener bentonita. La bentonita se agrega para retrasar o evitar el asentamiento de los esmaltes. También puede mejorar la consistencia de la aplicación de glaseados en artículos porosos horneados con galletas. Una vez que la galleta ha absorbido una cierta cantidad de agua de glaseado, la bentonita obstruye efectivamente los poros y resiste la absorción de más agua, lo que da como resultado una capa más gruesa y uniforme.
Uso de emergencia
La bentonita se utiliza en la industria y en la respuesta a emergencias como absorbente químico y sellador de contenedores.
Historia y ocurrencia natural
En 2018, China fue el principal productor de bentonita, con casi una cuarta parte de la producción mundial, seguida de Estados Unidos e India. La producción mundial total fue de 24.400.000 toneladas métricas de bentonita y 3.400.000 toneladas métricas de tierra de batán.
La mayor parte de la bentonita de sodio natural de alto grado se produce en el oeste de los Estados Unidos en un área entre Black Hills de Dakota del Sur y Bighorn Basin de Wyoming, y la región de Tokat Resadiye de Turquía. La bentonita mixta de sodio y calcio se extrae en Grecia, Australia, India, Rusia y Ucrania.
En los Estados Unidos, la bentonita cálcica se extrae principalmente en Mississippi y Alabama. Otros lugares importantes que producen bentonita de calcio incluyen Nueva Zelanda, Alemania, Grecia, Turquía, India y China.