بنتونیت چیست و چه کاربردی دارد؟
بنتونیت نوعی سنگ و خاک معدنی آتشفشانی است که به طور عمده از خاک رس تشکیل شده است. این ماده وقتی در تماس با آب قرار می گیرد، باد کرده و متورم می شود. بیشترین ساختار این ماده از کانی مونت موریلونیت است. این کانی از باقی مانده های دوران زمین شناسی کرتاسه و جزء اولین یافته های این علم در شیل بنتون است. بنتونیت انواع مختلفی دارد که با توجه به عناصری که بیشترین مقدار را در ترکیب آن داشته باشد، نام گذاری می شود. این نوع طبقه بندی را مشابه با دسته بندی رس معدنی می دانند که عوارضی برای سیستم تنفسی دارد. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک می تواند با بیان مختصر اطلاعاتی درباره این ماده و کاربردهای آن، ما را آشنا کند.
بنتونیت چیست؟
بنتونیت را به عنوان یک کانی رسی تعریف می کنند که با ایجاد تغییراتی در خاکستر آتشفشانی به دست می آید. مواد معدنی موجود در این سنگ، اسمکتیت و مونتوریلونیت است. از مواد معدنی دیگر گروه اسمکیت می توان به هکتوریت، ساپونیت، بیدلایت و نونرونیت اشاره داشت. اسکمیت ها مواد معدنی رسی و متشکل از کریستالیت های منفردی هستند که ابعاد ۲ میکرومتری دارند. کانی های رس سه لایه، ساختار تشکیل دهنده کریستالیت های اسمکتیت هستند. یک لایه آن ها، هشت ضلعی و دو لایه دیگر، چهار ضلعی هستند.
خنثی سازی بار منفی که در لایه های حاوی سیلیکات وجود دارد، توسط یون های قابل تبادل در نواحی بیت کریستالیت ها صورت می گیرد. مقدار این بار منفی، پایین بوده و به راحتی می تواند کاتیون هایی چون منیزیم دوبار مثبت، کلسیم دو بار مثبت و سدیم یک بار منفی را جذب کنند. با هیدراتاسیون، تورم در بین کریستال ها به وجود می آید. در انواع بنتونیت ها با توجه به این که چگونه به وجود آمده و منبع تشکیل آن ها چه بوده، مواد معدنی دیگری یافت می شود. از جمله این مواد معدنی می توان کوارتز، فلسپات، کلسیت و گچ را نام برد.
خواص واحد چهاروجهی و هشت وجهی bentonite
سیلیس به عنوان واحد چهاروجهی و مشترک تمام کانی های رسی بوده که در مرکز قرار داشته و توسط چهار اکسیژن احاطه می شود. چون واحدهای به صورت ممتد به هم متصل می شود، لایه صفحه ای تشکیل داده و با پبوند بین اکسیژن های پایه لایه سیلیکات، ایجاد می شود. ساختار شش وجهی در نتیجه ی اتصال واحدهای چهاروجهی به صورت مسطح، تشکیل می شود. حفره های ایجاد شده در این ساختار، برای تثبیت یون های بین لایه ای روی سطح رس، مکان خوبی است، اگر بار الکتریکی روی سطح اکسیژن به اندازه کافی باشد.
شش واحد هیدروکسیل در یک هشت وجهی بنتونیت، به وسیله کاتیون های این ماده احاطه می شود. لایه هشت وجهی در نتیجه ی اتصال بین واحدهای هشت وجهی به شکل مسطح، ایجاد می شود. با کمک اشتراک گذاشتن اکسیژن رأس هرم در واحد چهاروجهی در این ترکیب، صفحات چهار وجهی و هشت وجهی به هم متصل می شوند. آلومینیوم در واحد هشت وجهی به عنوان عنصر مرکزی است.
خواص بنتونیت
بین لایه های این ماده، پیوندهای واندروالسی ضعیف وجود دارد. در نتیجه لغزندگی لایه ها به راحتی روی یکدیگر انجام شده و اگر آن را لمس کنیم، چرب به نظر می آید. همچنین با این خصوصیت، ذرات bentonite هفت تا بیست برابر نسبت به حجم خود، رطوبت جذب می کنند. چون لایه های سطحی این ترکیب با هیدراتاسیون کاتیون هایی که مبادله می شوند، آب جذب کرده و لایه های شبکه با فشار نیروی دافعه ای مانند فشار اسمزی، جداسازی می شوند. در این حالت، بنتونیت متورم می شود. اما متورم شدن آن در آب گرم با سرعت بیشتری صورت می گیرد. از خواص این ماده می تواند به تعداد دفعات زیاد متورم و خشک شدن آن اشاره داشت. سطح این ماده بین ۶۰۰ تا ۸۰۰ متر مربع است.
تاریخچه bentonite
در حدود ۵۰۰۰ سال قبل از میلاد مسیح، از بنتونیت های کلسیمی برای بالا بردن ضخامت پارچه های پشمی و همچنین شست و شو در قبرس استفاده می کردند. تا این که در قرن گذشته، کاربرد این ماده برای از بین بردن رنگ و سفید کردن روغن های گیاهی، حیوانی و نفت موثر واقع شد. نام این ماده برای اولین بار در سال ۱۸۹۰ در نزدیکی فورت بنتون مونتانا به کار برده شد. تا این که در قرن ۲۰ به طور عمده استفاده از bentonite رواج یافت. در قسمت های پایین انواع کاربردهای این سنگ مورد بررسی قرار می گیرد.
تولید بنتونیت
Bentonite را در معادن سنگ ها با استفاده از روش استخراج به دست می آورند. ترکیب به دست آمده، حتی در شرایط داشتن رطوبت ۳۰ درصد، باز هم حالت جامدی دارد. در روش تولید این ترکیب، ابتدا مواد به دست آمده را خرد کرده و اگر لازم باشد، سودااش (کربنات سدیم) اضافه می کنند تا فعال شود. ترکیب جامد به دست آمده را با استفاغده از روش اثر هوا و یا خشک شدن فوری، خشک کرده و رطوبت آن را تا ۱۵ درصد کاهش می دهند.
با توجه به این که بنتونیتهای تولید شده برای چه منظوری استفاده می شود، الک شده و به صورت گرانولی و یا آسیاب شده و به صورت پودر میکورنیزه در می آیند. همچنین برای رساندان این محصول به درصد مورد نظر، آن را با اسیدها و یا سایر مواد آلی تیمار می کنند.
انواع bentonite
بنتونیت را می توان بر اساس نوع ساختار و ناخالصی های موجود در آن به دو دسته ی سدیم (سدیک) و کلسیمی دسته بندی می کنند.
نوع سدیم دار این ترکیب، به طور عمده ناخالصی سدیم داشته و جاذب رطوبت است. با جذب کردن آب، دچار انبساط شده و به اندازه چند برابر جرم خود در حالت خشک، می تواند آب جذب کند. این نوع دارای خاصیت کلوئیدی عالی بوده و به همین جهت از آن در گل حفاری برای چاه های نفت و گاز و تحقیقات ژئوتکنیکی و زیست محیطی به کار برده می شود. همچنین چون دارای خاصیت متورم شدن است، به عنوان درزگیر، مانع ورود آب به درزها و شکاف ها می شود. نوع سدیم دار، به رنگ کرم، سفید و یا صورتی است.
اما نوع کلسیم دار آن به عنوان جذب کننده یون ها در محلول بوده و چربی ها و روغن ها را در یک محیط جذب می کند. bentonite کلسیم دارد به عنوان اصلی ترین ترکیب پوسته زمین، از مواد تمیز کننده صنعتی محسوب می شود. بنتونیت کلسیم دار می تواند به نوع سدیم دار تبدیل شود. نوع سدیم دار نیز، فرایند تبادل یون را انجام می دهد. برای انجام تبادل یون ها، به بنتونیت مرطوب، کربنات سدیم اضافه شده و تبادل کلسیم انجام می شود. نوع کلسیم دار، به رنگ کرم، سفید و سبز است. از این نوع در صنایع آرایشی و بهداشتی به کار گرفته می شود.
نوع دیگر بنتونیت، پتاسیم دار بوده و به نام bentonite پتاس خوانده می شود. این ماده نوعی خاک غنی از پتاسیم و حاصل تغییرات خاکستر آتشفشانی است.
کاربرد بنتونیت در حفاری چاه ارت
در چاه ارت، نقش دوغاب bentonite، ماده ای کم مقاومت بوده که قرارگرفتن الکترود زمین در آن صورت می گیرد. این ماده با پر کردن حفره های پیرامون میله زمین، مقاومت آن را کم می کند. چون bentonite، ماده ای با خاصیت تیکسوتروپیک است، بعد از این که مدتی به حالت راکد و ثابت می ماند، به صورت ژل مانند درآمده و به راحتی شسته نمی شود. این ماده، در حالت عادی نمی تواند خشک شود، زیرا مقاومت الکتریکی کمی داشته و می تواند رطوبت چاه را خیلی خوب نگه می دارد. این ماده می تواند صفحه لمسی داخل چاه ارت را حفظ کند. ماده مورد بحث در این مقاله، به عنوان یکی از کاهنده های مقاومت زمین بوده و سازگاری با محیط زیست دارد. همچنین از مزایای آن، فاقد ماده شیمیایی بودن و به صرفه بودن از نظر اقتصادی است.
موارد نادرست استفاده از bentonite در چاه ارت
عدم اختلاط درست آب در هنگام اجرا، تزریق کردن بیش از حد آب، ترکیب با نمک یا خاک و یا زغال، از موارد غلط استفاده کردن از این ماده است. نمک و زغال نباید در این چاه استفاده شود، زیرا نمک با خاصیت خورندگی خود، الکترود مسی و صفحه مسی در چاه را از بین برده و آن را نیازمند تعویض می کند. اما با کاربرد bentonite، الکترودها از خوردگی محافظت شده و عمر مفید آن ها و صفحات مسی بالا می رود.
برای کاربرد درست این ماده، چاهی به قطر ۸۰ سانتی متر و صفحه ای به ضلع ۵۰ سانتی متر، مقدار ۳۰۰ تا ۳۵۰ کیلوگرم و ۳ برابر این مقدار آب، نیاز دارد. اما مواردی چون جنس خاک، سنگلاخی بودن زمین و شرایط آی و هوایی نیز می تواند در مقدار استفاده از این ماده موثر باشد.
بنتونیت در کشاورزی
نوع سدیم دار bentonite، دارای خاصیت جذب آب و نگهداری آن است، به همین دلیل می تواند در کشاورزی به کار برده شود. زیرا آب را جذب کرده و تعداد دفعات آبیاری را به میزان زیادی کاهش می دهد. این ماده در تولید سموم و کودهای کشاورزی به کار رفته و کیفیت محصولات کشاورزی و بهره وری را زیاد می کند.
Bentonite در گندله سازی
با ترکیب کردن نوع سدیم دار این سنگ معدنی با سنگ آهن خرد شده، گلوله های کوچکی به دست می آید که گندله نامیده می شود. بعد از این ترکیب، پخته شده و سخت و محکم می شود. سفت شدن این مخلوط به حدی است که مقاومت بالایی در برابر ذوب شده و خرد شدگی پیدا می کند. گندله با سرعت بیشتری خشک شده و ترک نمی خورد.
Bentonite در ریخته گری
ماسه و بنتونیت برای ساخت قالب های ریخته گری به کار گرفته می شود. برای این منظور از نوع کلسیم دار به دلیل عدم خاصیت چسبندگی و تورم پذیری، استفاده نشده و نوع سدیم دار به کار برده می شود. با استفاده از نوع سدیم دار، ماسه ها به خم چسبیده و محکم می شوند. در نتیجه در ریخته گری، باعث بهبود کیفیت شده و نیاز به استفاده از مواد افزودنی دیگر کاهش می یابد.
Bentonite خوراکی
از هر دو نوع bentonite سدیم دار و کلسیم دار برای تهیه ی نوع خوراکی استفاده می شود. مواد معدنی و ریزمغذی ها به طور عمده در این ترکیب بوده و باعث افزایش وزن دام ها و رشد گله می شود. این ماده به کاهش آلودگی های روده و مایکوتاکسین ها کمک کرده و باعث هضم بهتر مواد غذایی می شود. از بنتونیت در خوراک مرغ ها نیز استفاده می شود. با این ماده پوست تخم مرغ ها ضخیم تر شده و وزن جوجه ها بالا می رود.
کاربرد در تولید مواد شوینده، مواد آرایشی و بهداشتی و داروها
چون bentonite قدرت جذب بالایی دارد، در تولید مواد شوینده کاربرد داشته و باعث کم شدن میزان سختی در این مواد می شود. این ماده به جهت سازگار بودن با پودرهای شوینده، به نرمی و لطافت پارچه کمک کرده و باعث آسان تر شدن اتوکشی آن ها می شود. در ترکیب محصولات آرایشی و بهداشتی نیز، از این ترکیب به عنوان امولسیون استفاده شده که با توانایی ترکیب چربی و آب، محلول یکنواختی را تشکیل می دهد. در نتیجه با ساختار کلوئیدی، مانع ژله ای شدن مواد شده و از ته نشین شدن مواد جلوگیری می کند.
یکی از کاربردهای این ماده در بند آوردن خونریزی است. این ماده به عنوان یک پادزهر می تواند در مسمومیت با فلزات سنگین به کار برده شود. از این ترکیب در کرم های ضد آفتاب، لوسیون ها، کمپرس های مرطوب، پودرهای مخصوص بدن و شورت و کرم های آرایشی استفاده می شود.
کاربرد در تصفیه خانه ها
با خاصیت جذب بالای بنتونیت، از آن در تصفیه فاضلاب ها استفاده می شود. در محل دفن زباله ها این ماده را به عنوان آب بند به کار می برند تا آب های زیرزمینی از آسیب های آلاینده ها، محافظت شوند.
کاربرد در کاغذسازی و تولید کاتالیزور
بنتونیت ماده ای بسیار مهم در صنعت کاغذسازی بوده که به حذف رزین های مسدود کننده قطعات ماشین آلات کمک می کنند. bentoite تبدیل خمیر کاغذ به کاغذ و همچنین کیفیت کاغذ را بهتر می کند.
کاتالیزورهایی که با استفاده از بنتونیت اصلاح می شوند، برای واکنش های تجزیه ای و سنتزی استفاده می شود. مکانیسم اصلی این واکنش ها، اسید است. نمونه ای از این واکنش ها، آسیلاسیون برای تولید مواد افزودنی سوخت است.
