بنتونیت چیست؟

بنتونیت، یک کانی رُسی است که غالباً از تغییراتی در خاکستر آتشفشانی تولید می‌شود و عمدتاً حاوی مواد معدنی اسمکتیت (smectite) ومونتوریلونیت(montmorillonite) است. سایر مواد معدنی گروه اسمکتیت شامل هکتوریت (hectorite)، ساپونیت (saponite)، بیدلایت (beidelite) و نونرونیت (nontronite) است.

اسمکتیت ها مواد معدنی رُسی هستند؛ آن‌ها از کریستالیت‌های منفردی تشکیل شده‌اند که بیشتر آنها در بزرگترین ابعاد، حداقل ۲ میکرومتر هستند. کریستالیت‌های اسمکتیت، خود، کانی‌های رس سه لایه هستند. آن‌ها از دو لایه چهار ضلعی و یک لایه هشت ضلعی تشکیل شده‌اند.

لایه‌های حاوی سیلیکات دارای اندکی بار منفی هستند که با یون‌های قابل تبادل در منطقه بین کریستالیت خنثی می‌شود. این مقدار بار منفی، به قدری ضعیف است که کاتیون‌ها (به شکل طبیعی عمدتاً یون‌های Ca^۲+ ، Mg^۲+ یا Na⁺) می‌توانند در این منطقه جذب شوند.

میزان هیدراتاسیون، موجب ایجاد یک تورم بین کریستالی می‌شود. انواع بنتونیت بسته به ماهیت پیدایش و تشکیل، علاوه بر مونتموریلونیت، مواد معدنی جانبی متنوعی نیز دارند. این مواد معدنی ممکن است شامل کوارتز، فلدسپات، کلسیت و گچ باشد.

وجود این مواد معدنی می‌تواند بر ارزش صنعتی یک کانسار تأثیر بگذارد و بسته به کاربردهای آن، مقدار آن را کاهش یا افزایش دهد. bentonite دارای خواص کلوئیدی قوی است و هنگام تماس با آب، حجم آن چندین برابر افزایش می‌یابد و یک مایع ژلاتینی و چسبناک ایجاد می‌کند.

ویژگی‌های خاص بنتونیت (هیدراتاسیون، تورم، جذب آب، گرانروی) آن را به ماده‌ای ارزشمند برای طیف وسیعی از صنایع تبدیل کرده است.

نگاهی به تاریخچه bentonite

اصطلاح bentonite برای اولین بار در حدود سال ۱۸۹۰ در توف آتشفشانی (= باقی مانده از دوران کرتاسه) در نزدیکی فورت بنتون، مونتانا یافت شد. ماده اصلی تشکیل دهنده این ترکیب، ماده معدنی رس مونتموریلونیت است. این ترکیب، نام خود را از Montmorillon، جایی در جنوب فرانسه گرفته است.

روش‌های تولید بنتونیت

ذخایر بنتونیت به طور معمول در معادن سنگ وجود دارد و با استفاده از روش استخراج، بهره برداری می‌شود. این ترکیب استخراج شده، کاملاً جامد است؛ حتی با رطوبت تقریباً ۳۰٪، این ترکیب هنوز هم حالت جامد خود را حفظ می‌کند.

برای به دست آوردن این ترکیب از معدن، مواد در ابتدا خرد شده و در صورت لزوم با افزودن سودا آش(کربنات سدیم)  فعال می‌شوند. ترکیب جامد، متعاقباً خشک می‌شود (= در اثر هوا و یا خشک شدن فوری) تا به رطوبت تقریباً ۱۵٪ برسد.

بسته به کاربردهای نهایی، bentonite یا الک می‌شود (گرید دانه‌ای) یا آسیاب می‌شود (به صورت پودر میکرونیزه و پودر فوق العاده ریز را دانه بندی معین). برای خالص سازی این ترکیب پودری، معمولاً با اسیدها یا سایر مواد آلی، تیمار می‌شود تا به درصد خلوص مورد نظر برسد.

مشخصات فیزیکی و شیمیایی انواع بنتونیت

۱-بنتونیت سدیم دار

یکی از انواع bentonite، بنتونیت سدیم دار است. این ترکیب معدنی هنگام مرطوب شدن، منبسط می‌شود و به اندازه چندین برابر جرم خشک آن، آب جذب می‌کند. به دلیل خواص عالی کلوئیدی این ترکیب، اغلب از آن در گِل حفاری برای چاه‌های نفت و گاز وتحقیقات ژئوتکنیکی و زیست محیطی استفاده می‌شود. اگر نامی از بنتونیت حفاری شنیدید، در حقیقت این نوع از این ترکیب است.

خاصیت متورم شدن این کانی معدنی از نوع سدیم دار، آن را به عنوان یک درزگیر مفید، معرفی می‌کند؛ زیرا مانع نفوذ رطوبت به درزها و شکاف‌ها می‌شود.

۲-بنتونیت کلسیم دار

بنتونیت کلسیم دار، نوع دیگری از این ترکیب معدنی است. این ترکیب، جاذب یون‌ها در محلول است و همچنین چربی‌ها و روغن‌ها را می‌تواند در یک محیط، جذب کند. این ماده، اصلی‌ترین ترکیب پوسته زمین است و یکی از اولین مواد تمیز کننده صنعتی نیز به شمار می‌رود.

بنتونیت کلسیم دار ممکن است به بنتونیت سدیم دار تبدیل شود. فرم سدیم دار این ترکیب معدنی، می‌تواند فرآیند تبادل یون را از خود نشان دهد. اگر محلول ۵-۱۰٪ نمک سدیم (کربنات سدیم) به بنتونیت مرطوب اضافه شود، خوب مخلوط شود و فرصت برای تبادل یون‌ها داده شد، کلسیم، مبادله می‌شود و ترکیب سدیم دار به ترکیب معدنی کلسیم دار تبدیل می‌شود.

۳-بنتونیت پتاسیم دار

بنتونیت پتاسیم دار که به عنوان بنتونیت پتاس یا K-bentonite نیز شناخته می‌شود، یک خاک غنی از پتاسیم است که از تغییرات خاکستر آتشفشانی ایجاد می‌شود.

۴-ویژگی جذب آب در بنتونیت

جذب آب توسط ماده معدنی بنتونیت یعنی آب در بافت این ماده نفوذ می کند و در نتیجه، ماده معدنی متورم می شود. در نتیجه این تغییر فیزیکی، ماده افزایش وزن پیدا می‌کند. میزان دانه‌بندی و تخلخل کانی معدنی در اندازه جذب آب تأثیر دارد. هنگامی که این کانی متورم می‌شود، یعنی آب را جذب کرده و بنابراین حالت چسبندگی پیدا می‌کند.

کاربردهای بنتونیت

۱-کاربرد  bentoniteدر ریخته گری:

از bentonite به عنوان ماده اتصال دهنده، در تهیه شن و ماسه ریخته گری در فرآیند تولید، در ریخته گری آهن، فولاد و فلزات غیر آهنی استفاده می‌شود. خصوصیات منحصر به فرد این ترکیب معدنی باعث تولید قالب‌های ماسه‌ای با قابلیت جریان سیال، فشردگی مناسب و پایداری حرارتی، در فرآیند ریخته گری با کیفیت بالا می‌شود.

۲-بنتونیت دامی برای آماده سازی بستر گربه:

از این ترکیب معدنی برای آماده سازی محل نگهداری گربه‌ها استفاده می‌شود. به دلیل اینکه این ماده مزایایی را برای جذب زباله‌ها و فضولات گربه یا سایر حیوانات خانگی دارد، می‌توان از آن در بستر حیوانات خانگی استفاده کرد. برای این کاربرد از بنتونیت با دانه بندی ۵ تا ۶ میلی متر و یا دانه‌بندی ریزتر، ۱ تا ۳ میلی‌متر استفاده می‌شود.

۳- بنتونیت در گندله سازی:

از بنتونیت به عنوان ماده اتصال دهنده در تولید گلوله‌های سنگ آهن استفاده می‌شود. از طریق این فرآیند، کلوخه‌های سنگ آهن به گلوله‌های کروی تبدیل می‌شوند؛ گندله، به عنوان خوراک اصلی در کوره‌های بلند برای تولید آهن، یا در تولید آهن با احیا مستقیم (DRI) مناسب است.

۴- bentonite در ساخت و ساز و مهندسی عمران:

بنتونیت سدیم دار به ویژه برای کاربردهای مهندسی عمران و ساخت و ساز به کار می‌رود. این ماده می‌تواند در تماس با آب، متورم شده و به نوعی خاصیت آب بندی هم دارد. از این ترکیب برای پایه ریزی سدها، تونل سازی، حفاری‌های افقی، اتصال لوله‌ها و … استفاده می‌شود. به دلیل گرانروی و خاصیت پلاستیکی بودن آن، در سیمان پرتلند و ملات ساختمانی نیز به کار می‌رود.

۵-بنتونیت در تصفیه خانه‌ها:

خصوصیات جذب در این ترکیب معدنی برای تصفیه فاضلاب بسیار مفید است. از این ترکیب برای آب بندی در ساخت و احیای محل‌های دفن زباله استفاده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که از آب‌های زیرزمینی در برابر آلاینده‌ها محافظت خواهد شد.

۶-بنتونیت حفاری:

یکی دیگر از موارد معمول استفاده از bentonite، استفاده به عنوان ماده تشکیل دهنده گل حفاری برای چاه‌های نفت و آب است. نقش آن عمدتاً برای آب بندی دیواره‌های چاه و روانکاری سر مته هنگام برش است. این ماده می‌تواند دیواره چاه‌های ضعیف‌تر را مستحکم‌تر کند. میزان جذب بنتونیت مناسب برای حفاری چاه نفت ۵۰۰-۶۰۰ است.

۷- بنتونیت خوراکی:

از گرید خوراکی این ترکیب در حذف ناخالصی‌های روغن‌های متداول خوراکی استفاده می‌شود. خاصیت جذب آن در فرآوری روغن‌ها و چربی‌های خوراکی (روغن سویا/ روغن نخل/  روغن کانولا) بسیار مهم است.

در برخی نوشیدنی‌های صنعتی و آب معدنی و در محصولاتی مانند شکر یا عسل، از bentonite به عنوان ماده شفاف کننده استفاده می‌شود. در برخی از آرد غلات، این ماده به عنوان بهبود دهنده بافت محصول به کار می‌رود.

۸- بنتونیت کشاورزی:

​​از بنتونیت کشاورزی به عنوان مکمل خوراک دام، در کمک به گندله سازی در تولید گلوله‌های خوراک دام استفاده می‌شود. همچنین به عنوان تبادل کننده یون برای بهبود و تهویه خاک به کار می‌رود.

در صورت عملیات حرارتی، می‌توان از آن به عنوان یک حامل متخلخل برای انواع علف کش ها و سموم دفع آفات استفاده کرد. میزان جذب مناسب برای بنتونیت کشاورزی ۳۵۰-۴۵۰ است.

۹- بنتونیت در داروها و محصولات آرایشی و بهداشتی و پزشکی:

از bentonite به عنوان ماده پرکننده در برخی داروها استفاده می‌شود. به دلیل عملکردهای جذب بهتر، امکان تشکیل یک خمیر یکنواخت را فراهم می‌کند.

چنین کاربردهایی شامل کرم‌های محافظ پوست، لوسیون، کمپرس‌های مرطوب و کرم‌های ضد حساسیت برای اگزمای پوستی است.

در پزشکی از این ترکیب معدنی به عنوان پادزهر در مسمومیت با فلزات سنگین استفاده می‌شود. محصولات مراقبت شخصی مانند کرم‌های رفع آفتاب سوختگی، پودرهای مخصوص بدن و صورت و کرم‌های آرایشی صورت ممکن است همه حاوی درصدی bentonite باشند.

۱۰- بنتونیت شوینده:

مواد شوینده و پاک کننده‌های مایع مخصوص دست، صابون‌ها و برخی شوینده‌ها به منظور از بین بردن ناخالصی‌های موجود، حاوی مقادیری از این ترکیب هستند. رفع آلودگی‌ها از روی سطوح و نرم شدن پارچه‌ها به نوعی به حضور bentonite در این محصولات، متکی است.

۱۱- کاربرد در رنگ‌ها و رنگدانه ها:

بنتونیت و خاک رس آلی، به دلیل خاصیت تورم و ضخیم کنندگی، به عنوان ماده ضخیم کننده و یا تعلیق در لاک‌ها و رنگ‌های پایه آب به کار می‌روند. از ویژگی‌های جذب این ترکیب رنگرزی الیاف هم می‌توان استفاده کرد.

۱۲-کاربرد در کاغذسازی:

bentonite برای صنعت کاغذسازی بسیار مهم است. این ترکیب می‌تواند رزین‌هایی که منجر به مسدود شدن قطعات ماشین آلات می‌شوند را حذف کند. برای بهبود کارایی تبدیل خمیر کاغذ به کاغذ و همچنین برای بهبود کیفیت کاغذ نیز از این ترکیب استفاده می‌شود.

۱۳-کاربرد در تولید کاتالیزور:

کاتالیزورهای اصلاح شده با خاک رُس، در طیف وسیعی از کاربردهای تجزیه‌ای و سنتزی که مکانیسم اصلی آن، اسید است، کاربرد دارند. به ویژه در فرآیندهای آلکیلاسیون برای تولید مواد افزودنی سوخت، استفاده می‌شود.

ایمنی بنتونیت

این ترکیب معدنی به خودی خود، یک ترکیب خطرناک و سمی نیست. هیچ نگرانی در مورد این ترکیب وجود ندارد اما پیشنهاد می‌شود حتماً موارد ایمنی کار با مواد شیمیایی جامد، رعایت شود.

اگر این ماده با پوست و چشم‌ها تماس داشت، حداقل ۱۵ دقیقه بلافاصله با آب فراوان محل تماس را بشویید.

توصیه‌های پزشکی را رعایت کنید. در صورتی که غبارات این ترکیب را استنشاق کردید، بلافاصله به هوای تازه بروید. اگر علائمی غیر عادی مشاهده کردید، حتماً به پزشک مراجعه کنید.

اقدامات احتیاطی و ایمنی شخصی را انجام دهید. از تهویه مناسب انبار محل نگهداری این ترکیب معدنی اطمینان حاصل کنید. از وسایل حفاظت شخصی استفاده کنید. از جابه جایی‌هایی که باعث می‌شود گرد و غبار از این ماده تولید شود، خودداری کنید. از تماس آن با پوست، چشم و لباس جلوگیری کنید.

 شرایط نگهداری بنتونیت

انبار محل نگهداری بنتونیت باید از تهویه مناسب برخوردار باشد.

از قرار دادن بسته بندی‌های این ترکیب در مجاورت یا تماس با رطوبت جلوگیری کنید.

مخازن یا کیسه‌های این ترکیب را در مکانی خشک، خنک و دارای تهویه مناسب کاملاً درب بسته، نگه دارید.

این ترکیب، پایدار است و از نظر واکنش پذیری، خطرات مشخصی برای آن ثبت نشده است.

این ترکیب معدنی در تماس با رطوبت، بسیار حساس است.

از نگهداری کیسه‌های حاوی بنتونیت در مجاورت عوامل اکسید کننده قوی و اسیدهای قوی خودداری کنید.

در صورت تجزیه، فرآورده‌های خطرناک در شرایط عادی، تولید نمی‌شود.