بنتونیت

بنتونیت ضرورتاً یک رس حاوی 75 تا 85 % ماده ی معدنی مونت موری لونیت می باشد و حاوی یک ماده ی بازی مانند سدیم یا کلسیم می باشد. بسته به این مسئله که ماده ی بازی موجود، سدیمی یا کلسیمی باشد، بنتونیت، بنتونیت سدیمی یا کلسیمی نامیده می شود. بنتونیت سدیمی که در واقع تورم واقعی دارد، بنتونیت واقعی نامیده می شود در حالی که نوع کلسیمی، که قابلیت تورم ندارد، بنتونیت فرعی یا پاسکلیت نامیده می شود. این اعتقاد وجود دارد که بنتونیت با تغییر رسوبات آتشفشانی تشکیل شده اند و عمدتاً روند تشکیل آنها به دوره ی زمین شناسی کرتاسه ی بالایی، باز می گردد.
در هند، اولین معادن مربوط به بنتونیت، به دوره ی قبل از استقلال باز می گردد. این معادن در کشمیر وجود دارد. اما امروزه، مهم ترین معادن و بخش فرآوری این ماده، در بخش های کدا، سابارکاندا، باروچ، جامناگار، آمرلی، باوانگار و کوچ، قرار گرفته اند. در این معادن، 50000 تا 120000 تن بنتونیت در هر سال، تولید می شوند.

فرآوری

فرآوری بنتونیت، شامل روش های ساده ی حذف آب (خشک کردن) و حذف دی اکسید کربن (در صورت وجود) می باشد. علاوه بر این، عمل اوری شیمیایی با سدیم کربنات نیز برای بهبود برخی از خواص این مواد، بر روی این ماده، انجام می شود. خشک کردن این ماده با رها کردن آن در زیر نور خورشید به مدت 2-4 هفته، انجام می شود. همچنین ناخالصی هایی همچون سنگ ریزه ها با استفاده از جداسازی دستی، حذف می شوند. یک محلول از سدیم کربنات سپس به آن افزوده می شود تا بدین صورت توان تورم آن افزایش یابد.
برخی اوقات، بنتونیت به منظور افزایش بازده تورم، فعال سازی می شود و بدین صورت ظرفیت تبادل یونی آن نیز افزایش می یابد. سه فرایند متداول وجود دارد:
در یک فرایند اولیه در آلمان، بنتونیت خشک شده با کربنات سدیم مخلوط می شود. این محصول به توکسوتون یا تونسیل، مشهور است. حال، این فرایند در افریقای جنوبی، مورد استفاده قرار می گیرد. البته به جای سدیم کربنات، پلیمرهای سنتزی زنجیره بلند مانند کربوکسیل متیل سلولز (CMC) می تواند به این ماده اضافه شود. اما این مواد آلی تحت دماهای بالا و اعمال تنش های قابل توجه، غیر فعال می شوند. علت این مسئله، سختی آب و یا حملات باکتریایی می باشد.
بنتونیت در دمای 110 درجه ی سانتیگراد، خشک می شود، آسیاب شده و سپس با استفاده از اسید سولفوریک 96 % به مدت چند ساعت، هضم می شوند. در نهایت، محصول حاصله شستشو و خشک می شود.
بنتونیت در نور خورشید خشک می شود، خردایش یافته و تا مش 100 آسیاب می شود، با اسید سولفوریک 25 % حرارت داده می شود و سپس شستشو، خشک سازی و تا مش 200 آسیاب می شود.
با فعال سازی، مقداری آلومینا و آب ترکیبی، حذف می شود. بنابراین، شرایط کلوئیدی مربوط به بنتونیت، افت می کند.

معیار استفاده

بنتونیت خالص یک ماده ی زرد کرمی رنگ تا زرد نخودی است یا قهوه ای است که دارای وزن مخصوص 2.0 تا 2.2 است. اندیس شکست مربوط به این ماده، 1.447 تا 1.550 می باشد. معیار مهم تعیین کننده ی کاربرد صنعتی این ماده، عبارتست از:
ترکیب شیمیایی: ترکیب شیمیایی تقریبی مربوط به بنتونیت، عبارتست از: 45 تا 655 % سیلیس، 14.25 % آلومینا، 3-9 % FeO و 〖Fe〗_2 O_3، 2.0 تا 3.5 % اکسید منیزیم، 1-5 % اکسید کلسیم، 0.40 تا 2.51 % اکسید سدیم، 0.5 تا 1.5 % اکسید پتاسیم، 0.8 تا 2.0 % اکسید تیتانیم و نسبت سدیم به کلسیم برای بنتونیت سدیمی برابر با 4.55 تا 2.50 و برای بنتونیت کلسیمی، برابر با 0.16 تا 0.0001 می باشد.
مقدار Ph: وجود سدیم یا کلسیم، این اطمینان را حاصل می کند که بنتونیت قلیایی است یعنی مقدار pH آن بالاتر از 7 است.
پلاستیسیته: بنتونیت بسیار پلاستیک است و در نتیجه ویسکوزیته ی بالایی دارد.
توان تورم یا جذب: بنتونیت ویژگی جذب یا تورم قابل توجهی دارد. جذب بالا به دلیل وجود ساختار سه لایه ای مونت موری لونیت می باشد. بنتونیت سدیمی توان تورمی بیشتری نسبت به بنتونیت کلسیمی دارد. بنتونیت سدیمی می تواند 5 برابر وزن خود، آب جذب کند و حجم آن می تواند 15 برابر وزن خشکش شود. توان تورم یا جذب بنتونیت کلسیمی همچنین با فعال سازی این ماده با اسید، می تواند افزایش یابد. وقتی این ماده با آب مخلوط می شود، یک ژل ویسکوز و با پلاستیسته ی بالا تشکیل می شود. این ویژگی اندازه گیری می شود و به صورت 4 پارامتر، بیان می شود:
ظرفیت تورم
اندیس تورم مقدار ژل
زمان تشکیل ژل
اندیس تشکیل ژل
رویه های آزمون خاصی برای بنتونیت استاندارد سازی شده است. برای بررسی ظرفیت تورم، 2 میلی گرم از بنتونیت به آهستگی وارد 100 میلی لیتر آب مقطر کرده و اجازه داده می شود تا این مخلوط به مدت 24 ساعت بماند. بعد از آن، حجم ژل حاصله، در واحد میلی لیتر، اندازه گیری می شود. برای بررسی اندیس تورم، وزن مینیمم بنتونیت تشکیل ژل داده را تعیین کرده و اندیس تورم را با تقسیم این وزن بر 10، بدست می آوریم. زمان ژله ای شدن، نیز در واقع با اندازه گیری زمان مربوط به تشکیل ژن 2.5 میلی گرم بنتونیت در داخل 25 میلی لیتر آب مقطر، اندازه گیری می شود. برای بررسی اندیس تشکیل ژن، 1.4 میلی گرم بنتونیت خشک، 0.2 میلی گرم اکسید منیزیم، 2.6 میلی گرم آلومینا، ابتدا به خوبی مخلوط شده و سپس 100 میلی لیتر آب مقطر به آن اضافه می شود و دوباره به خوبی هم زده می شود تا بدین صورت اطمینان حاصل شود که سوسپانسیون به خوبی تشکیل شده است. بعد از آن به سوسپانسیون به مدت 24 ساعت زمان استراحت داده می شود و حجم ژل تشکیل شده اندازه گیری و به عنوان اندیس تشکیل ژن، تلقی می شود.
نفوذپذیری: به دلیل خواص سطحی پیوند آب، این ماده دارای نفوذپذیری زیادی است. این مسئله به دلیل این است که این ماده آب جذب می کند و اجازه نمی دهد که آب از آن نفوذ کند.
پراکندگی: وقتی این ماده در آب وارد می شود، به سرعت به ذرات خرد شکسته می شود که ماکزیمم 0.1 میکرون اندازه دارند. ذرات سدیم بنتونیت کوچک تر هستند و آنها به طور نامحدود در حالت سوسپانسیون قرار می گیرند. در حالی که کلسیم بنتونیت دارای ذرات درشت تری است و بعد از اندکی، ته نشین می شود. مکانیزم این شکسته شدن، به طور واضح مشخص نیست، اما این اعتقاد وجود دارد که برخی ارتباط ها میان سیلیکون، آلومینیوم و منیزیم در مونت موری لونیت، وجود دارد. یون سیلیکون 4 ظرفیتی بوسیله ی یون های آلومینیوم سه ظرفیتی جایگزین شده و این یون های سه ظرفیتی نیز با یون های دو ظرفیتی منیزیم جایگزین می شود. این مسئله موجب تضعیف پیوند می شود.
ظرفیت تبادل کاتیونی یا بازی: این فاکتور به معنای مقدار یون های باردار مثبتی است که یک مینرال رسی می تواند بر سطح با بار منفی خود جذب کند. این فاکتور به صورت میلی اکیوالانت بر واحد 100 میلی گرم، بیان می شود. عموماً بنتونیت و به طور خاص بنتونیت سدیمی، دارای خاصیت تبادل بازی ممتازی هستند. سدیم و یا پتاسیم به سرعت برای کلسیم و منیزیم تبادل پیدا می کنند. توان تبادل بازی نیز افزایش می یابد زیرا بنتونیت به سهولت به ذرات ریز شکسته می شود و بنابراین، مساحت سطح قابل توجهی برای جذب ایجاد می کند. آزمون متیل آبی (MB) میزان فعالیت رس موجود را با استفاده از بررسی میزان ظرفیت تبادل کاتیونی یک نمونه ی بنتونیت، ارزیابی می کند. تعداد یون های با قابلیت تبادل با جایگزینی این یون ها با رنگ متیل آبی، تعیین می شود.
ویسکوزیته: ویسکوزیته خاصیت یک مایع است که در واقع به معنای مقاومت آن ماده در برابر تغییر شکل در هنگام اعمال تنش های برشی، تعریف می شود. این ویژگی در واقع میزان تنش بر واحد dynes/〖cm〗^2 و یا پاسکال است که برای فایق آمدن بر این مقاومت، و حفظ جریان، مورد نیاز است، اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری در واقع پواز است. این فاکتور اغلب به صورت سانتی پواز نیز بیان می شود.
سمیت: بنتونیت یک ماده غیر سمی و مضر است.
گدازآوری: دمای گدازآوری بنتونیت در گستره ی 1330 تا 1430 درجه ی سانتیگراد می باشد.

استفاده ها و ویژگی ها

استفاده های مهم صنعتی از بنتونیت عبارتست از:
حفاری چاه نفت
ریخته گری
پالایش روغن و چربی
ساخت و ساز
صنعت سرامیک
دیرگدازها و چرخ های ساینده
گندله سازی سنگ معدن آهن
مواد آرایشی و بهداشتی
مواد شوینده و صابون
ضد حشره و ضد قارچ
رنگ ها و واکس
کاغذ، مشمع و پارچه ی مشمعی
مواد آب بندی
غذای حیوانات و ماکیان
در ادامه در مورد این استفاده ها، صحبت می شود:

حفاری چاه نفت

سدیم بنتونیت به عنوان افزودنی در گل حفاری مورد استفاده قرار می گیرد. میزان اضافه کردن این ماده، در حدود 20-30 % می باشد. این مسئله به شرایط حفاری و کیفیت بنتونیت، وابسته است. گل حفاری به عنوان ماده ی خنک کننده و روان ساز سری های برش، عمل می کند. این ماده همچنین برآده های ایجاد شده را خارج می کند. هدف از افزودن بنتونیت موارد زیر است:
این ماده ویسکوزیته ی گل حفاری را افزایش می دهد.
این ماده میزان تعلیق مواد در گل حفاری را افزایش می دهد.
این ماده سوراخ های دیواره ی چاه را آب بندی کرده و از اتلاف مایعات، جلوگیری می کند.
این ماده از ریزش دیواره های چاه، جلوگیری می کند.
تقریباً 15 تن بنتونیت برای حفاری 1000 متر چاه، مورد نیاز است. سدیم بنتونیت تمام این الزامات را برخوردار است. تورم این ماده، بالاست و در نتیجه، این ماده توده ای با ویسکوزیته ی بالا را در هنگام اختلاط با آب ایجاد می کند. وقتی این ماده به صورت ذرات ریز ایجاد شود، قابلیت باقیماندن در داخل سوسپانسیون را افزایش می دهد. همچنین میزان نفوذپذیری آن نیز بالاست. این ماده، یک عامل آب بندی مؤثر است.

ریخته گری

کل سیستم ریخته گری شامل قالب گیری، ذوب فلز، ریخته گری مذاب در قالب، انجماد فلز و تولید یک شئی ریخته گری، تمیزکاری و پرداخت نمونه ی می باشد. قالب ها معمولا از دو نوع ماده می باشند:
قالب های فلزی (مانند روی) که قالب های دائمی هستند و عملیات ریخته گری در آنها، دای کستینگ، نامیده می شود.
قالب های ماسه ای که عموما یک بار مصرف می باشند. این فرایند سند کستینگ نامیده می شود.
یک قالب ماسه ای که برای ریخته گری استفاده می شود، از ماسه ی مرطوب و با پیوند مناسب تولید شده است که الگوی مورد نظر را برای ما ایجاد می کند. این قالب ها به صورت دستی و به صورت ماشینی تولید می شوند. در واقع این قالب ها برای قالب گیری فلزات و آلیاژها، مناسب می باشند. بنتونیت به عنوان عامل پیوند دهنده در قالب گیری فلزات آهنی و غیر آهنی، استفاده می شود. پلاستیسیته ی بالا موجب می شود تا از ایجاد توان پیوند مناسب، اطمینان حاصل شود. البته عامل پیوند دهنده باید دمای ذوب بالایی داشته باشد تا اطمینان حاصل شود که در حین ریخته شدن فلز مذاب در داخل قالب، ذوب نشود. هر دو نو بنتونیت سدیمی و کلسیمی قابلیت استفاده در این کاربرد را دارا می باشد.

پالایش روغن و چربی

در این کاربرد، بنتونیت به عنوان عامل رنگ بر مورد استفاده قرار می گیرد. بنتونیت بدون قابلیت تورم، نیازمند فعال سازی می باشد. به دلیل وجود خاصیت تبادل یونی و قابلیت تورم، این ماده مواد رنگی را جذب می کند. بنابراین، توان تبادل یونی و اندیس تورم بنتونیت مورد استفاده در این کاربرد، باید بالا باشد. بنتونیت مورد استفاده در این کاربرد باید ریزدانه باشد. در واقع هر چه ریزتر باشد، میزان مساحت سطحی بیشتر می باشد و بدین صورت، کلوئید ایجاد شده، پایدارتر می باشد. به همین دلیل، میزان آلومینای موجود در این ماده، باید در یک حد مینیمم قرار داشته باشد. همچنین سایر نمک های محلول در آب نیز باید مینیمم باشد.
عموماً این صنعت از بنتونیت با اندازه ی ذره ی زیر مش 200 استفاده می کند. همچنین نرخ سیلیس به آلومینا در این ماده، در گستره ی 3.5 تا 4.5 می باشد. توان تبادل بازی این ماده نیز باید 70 میلی اکیوالان بر واحد 100 میلی گرم باشد و اندیس تورم نیز باید بالاتر از 8 باشد.

ساخت و ساز

هدف استفاده از این ماده در صنعت ساخت و ساز، ایجاد یک سطح متخلخل ناتراوا با دید جلوگیری از اتلاف مایع از طریق تراوایی و همچنین جلوگیری از فروریزی دیواره در طی حفاری و کندن تونل می باشد. مثال هایی از این کاربردها، عبارتست از آب بندی تانکرهای آب، سدها، کانال ها، دیواره ی بخش های عبور آب و ... می باشد. بنابراین، سدیم بنتونیت که دارای قدرت ناتراوایی بیشتری است، ترجیح داده می شود.
به هر حال، بنتونیت در جاهایی که سطح آب نوسان دارد، مناسب نمی باشد. مادامی که این ماده در زیر آب باشد، جذب آب دارد، متورم می شود و حفرات را می پوشاند. اما به محض خروج از آب، خشک شده، منقبض می شود و ترک بر می دارد.

صنعت سرامیک

بنتونیت به منظور افزایش سفید رنگی، به بدنه های سرامیکی اضافه می شود. علت استفاده، جذب آب بالا و توان تورم بالای آن می باشد. البته این ماده زمان مورد نیاز برای انجام فیلترپرس را افزایش می دهد و برخی اوقات، تنها مقدار یک % از آن به بدنه افزوده می شود تا بدین صورت، پلاستیسیته بهبود یابد. بدنه های نیمه آماده به داخل لعاب وارد شده و در مایی بین 1000 تا 1300 درجه ی سانتیگراد، پخت می شوند. لعاب باید به طور یکنواخت بر روی سطح رسوب کند و بدین منظور، این ضروری است که مواد موجود در دوغاب لعاب، ته نشین نشوند. در کل، نقش بنتونیت افزایش دهنده ی خاصیت پراکندگی ذرات دوغاب می باشد.
دیرگدازها و چرخ های ساینده
در دیرگدازهای آلومینایی که پلاستیسیته ی پایینی دارند، بنتونیت به عنوان بایندر مورد استفاده قرار می گیرند تا بدین صورت، میزان استحکام خام بدنه، افزایش یابد. به همین دلیل، این ماده در بوته ها و چرخ های ساینده نیز کاربرد دارد. میزان اکسید آهن و تیتانیوم موجود در بنتونیت مورد استفاده در این دیرگدازها، باید تا حد ممکن پایین باشد. دراستحکام خام بالا، یکی از معیارهای استفاده از این ماده در تولید دیرگدازها و چرخ های ساینده می باشد.

گندله سازی سنگ معدن آهن

ذرات ریز سنگ معدن آهن نمی توانند زینتر شده و به صورت گندله تشکیل شوند. برای ذرات ریز آهن، 0.5 تا 3.0 % بنتونیت به عنوان بایندر مورد استفاده قرار می گیرد. ته ماده ی زغال سنگ و برخی مواد فلاکس مانند سنگ آهک، ممکن است در این کاربرد استفاده شوند. این مخلوط به صورت اشکال دیسکی شکل، مخروطی و ... در می آیند. این ذرات به صورت تدریجی به هم نفوذ کرده تا حدی که به اندازه ی مناسب برسند. در صورت نیاز، آب اسپری می شود. این قرص های خام و عملیات انجام شده، گلوله سازی (balling) نامیده می شود. کنترل فرایند با تغییر در زاویه و سرعت انجام می شود. قرص های خام سپس در دمایی در حدود 1200 تا 1315 درجه ی سانتیگراد حرارت داده می شود تا بدین صورت استحکام مورد نیاز در آنها، ایجاد شود.
نقش بنتونیت به عنوان یک بایندر و افزایش دهنده ی استحکام پیوند قرص ها در هنگام مواجهه با تنش های ناشی از چرخش در کوره، مهم می باشد. پارامترهای مهم در مورد بنتونیت مورد استفاده، ظرفیت تورم، اندیس ژله ای شدن، زمان ژله ای شدن، ظرفیت تبادل یونی و استحکام فشاری خام می باشد. مقادیر این پارامترها، برای صنایع عبارتست است از: اندیس ژله ای شدن بین 20 تا 25، زمان ژله ای شدن 7 تا 10 دقیقه، ظرفیت تبادل بازی 60 تا 65 میلی اکیوالان بر واحد 100 میلی گرم. استحکام فشاری خام 7-10 psi. بنتونیت سدیمی این معیارها را داشته و استفاده از آن در این کاربرد، ارجحیت دارد.

مواد آرایشی و بهداشتی

در هر دوی این کاربردها، هدف از اضافه نمودن بنتونیت، ایجاد یک ماده ی خمیری می باشد. بنتونیت میزان ویسکوزیته را افزایش می دهد و همچنین غیر سمی و بی ضرر است. بنتونیت مایع که حاوی ماده ی معدنی بنتونیت می باشد، مواد سمی و باکتریایی را که بوسیله ی عوامل بیماری زای مختلف ایجاد می شوند را جذب می کند. این ماده خنثی است و به همین دلیل و همچنین به دلیل جذب بالا، از آن برای نرم کردن پوست در بیماری های پوستی، استفاده می شود. از قدیم الایام از این ماده به عنوان یک ماده ی دارویی استفاده شده است.

مواد شوینده و صابون

سدیم بنتونیت یکی از عوامل ضد شوینده ی مورد استفاده در انگلیس، آمریکا و آلمان تلقی می شود و از آن برای شستشوی پارچه استفاده می شود. نقش بنتونیت در واقع، جذب ذرات کثیفی بواسطه ی خاصت تبادل یونی این ماده می باشد.

ضد حشره و ضد قارچ

در این کاربرد، نقش بنتونیت ایجاد یک حامل می باشد. دو نوع حامل وجود دارد، یکی حامل های مایع و یکی حامل های گرانوله. به دلیل سمی نبودن، بنتونیت بر روی میزان سمیت حشره کش و قارچ کش اثر ندارد.

رنگ ها و واکس

در مورد رنگ های امولسیونی، نقش بنونیت به عنوان عامل امولسیون کننده و جلوگیری کننده از ته نشینی رنگ، محسوب می شود. البته این ماده همچنین موجب افزایش ویسکوزیته و ایجاد حالت خمیری نیز مؤثر می باشد.
کاغذ، مشمع و پارچه ی مشمعی
استفاده از بنتونیت در این کاربردها، موجب افزایش توان پیوند دهندگی می شود. بنتونیت همچنین موجب افزایش میزان نرمی سطح این محصولات نیز می شود.

مواد آب بندی

ماده ی آب بندی در واقع یک ماده ی آلی است که به اندازه ی کافی نرم بوده و می تواند وارد خلل و فرج شود. بنتونیت در این کاربرد، موجب افزایش خاصیت پراکنده سازی مواد آلی می شود.

غذای حیوانات و ماکیان

بنتونیت به عنوان یک عامل بایندر در تولید قرص مواد غذایی حیوانات و ماکیان، استفاده می شود. این ماده همچنین دارای مواد مغذی معدنی نیز می باشد. استفاده از این ماده، موجب افزایش اندازه ی تخم مرغ و هورمون های پوسته ساز تخم مرغ می شود.
منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee