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Bentonita

Capas de bentonita procedentes de un antiguo depósito de toba volcánica erosionada en Wyoming. Esquisto gris y bentonitas ( Esquisto de Benton ; Colorado Springs, Colorado) La b...

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Capas de bentonita procedentes de un antiguo depósito de toba volcánica erosionada en Wyoming.
Esquisto gris y bentonitas ( Esquisto de Benton ; Colorado Springs, Colorado)

La bentonita ( / ˈ b ɛ n t ə n aɪ t / BEN -tə-nyte ) [ 1 ] [ 2 ] es una arcilla absorbente e hinchable compuesta principalmente de montmorillonita (un tipo de esmectita ) que puede ser montmorillonita sódica o montmorillonita cálcica. La montmorillonita sódica tiene una capacidad de hinchamiento considerablemente mayor que la montmorillonita cálcica.

La bentonita generalmente se forma por la meteorización de ceniza volcánica en agua de mar , o por circulación hidrotermal a través de la porosidad de los lechos de ceniza volcánica, [ 3 ] [ 4 ] lo que convierte ( desvitrificación ) el vidrio volcánico ( obsidiana , un vidrio volcánico con una composición química equivalente a la riolita ) presente en la ceniza en minerales arcillosos. En el proceso de alteración mineral, una gran fracción (hasta 40-50 % en peso) de sílice amorfa se disuelve y se lixivia , dejando el depósito de bentonita en su lugar. Los lechos de bentonita son blancos, azul pálido o verde (trazas de Fe2 + reducido ).) en exposiciones recientes, tornándose de color crema y luego amarillo, rojo o marrón (trazas de Fe 3+ oxidado )) a medida que la exposición se deteriora aún más. [ 5 ]

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. [ 5 ] Esto hace que los lechos de bentonita no sean adecuados para la construcción de edificios y carreteras. Sin embargo, la propiedad de expansión se aprovecha en lodos de perforación y selladores de aguas subterráneas. La montmorillonita/esmectita que compone la bentonita es un mineral filosilicato de aluminio , que se presenta en forma de granos laminares microscópicos. Estos le dan a la arcilla una superficie total muy grande, lo que convierte a la bentonita en un valioso adsorbente . Las láminas también se adhieren entre sí cuando están húmedas, lo que le confiere a la arcilla una cohesión que la hace útil como aglutinante y como aditivo para mejorar la plasticidad de la arcilla de caolinita utilizada en cerámica . [ 6 ]

Uno de los primeros hallazgos de bentonita se produjo en la Formación Benton Shale del Cretácico , 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 FV Hayden del Servicio Geológico de los Estados Unidos. [ 4 ] Desde entonces, se ha encontrado bentonita en muchos otros lugares, incluyendo China y Grecia (yacimiento 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. [ 7 ]

Tipos

Estructura cristalográfica de minerales arcillosos 2:1 formada por tres láminas superpuestas de tetraedros-octaedros-tetraedros (unidad de capa TOT), respectivamente.
Estructura molecular detallada de la montmorillonita pura , el miembro extremo mejor conocido del grupo de las esmectitas . El espacio interlaminar entre dos capas TOT sucesivas está lleno de cationes hidratados (principalmente Na +).y Ca 2+iones) compensando las cargas eléctricas negativas de las capas TOT y con moléculas de agua provocando la expansión entre capas.

En geología, el término bentonita se aplica a un tipo de arcillita (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 , [ 5 ] típicamente en un ambiente marino. [ 3 ] [ 4 ] Esto da como resultado una roca muy blanda y porosa 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 esmectitas , lo que incluye la montmorillonita. [ 5 ] La referencia indiferenciada a la roca volcánica meteorizada para el geólogo o a la mezcla industrial de arcillas expansivas puede ser una fuente de confusión.

La montmorillonita que compone la bentonita es un mineral 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 ambos lados de una lámina O. Las láminas T se denominan así porque cada ion de aluminio o silicio en la lámina está rodeado por cuatro iones de oxígeno dispuestos en forma de tetraedro. Las láminas O se denominan así porque cada ion de aluminio está rodeado por seis iones de oxígeno o hidroxilo dispuestos en forma de octaedro. La capa TOT completa tiene una carga eléctrica negativa débil, que se neutraliza mediante cationes de calcio o sodio que unen las capas adyacentes, con una distancia entre capas de aproximadamente 1 nanómetro . Debido a la débil carga negativa, solo una fracción de los posibles sitios catiónicos en la superficie de una capa TOT contiene calcio o sodio. Las moléculas de agua pueden infiltrarse fácilmente entre las láminas y llenar los sitios restantes. Esto explica la propiedad de hinchamiento de la montmorillonita y otros minerales arcillosos esmectitas. [ 6 ]

Los diferentes tipos de bentonita reciben su nombre del catión dominante correspondiente. [ 8 ] Para fines industriales, se reconocen dos clases principales de bentonita: bentonita sódica y bentonita cálcica. La bentonita sódica es la más valiosa, pero la bentonita cálcica es más común. [ 7 ] En estratigrafía y tefrocronología , los lechos de ceniza volcánica completamente desvitrificados (vidrio volcánico meteorizado) a veces también se denominan " K- bentonitas" (la roca arcillosa illitizada) cuando la especie arcillosa dominante es la illita (una arcilla no expansiva). [ 9 ] Sin embargo, en mineralogía de arcillas puras, el término illita es más apropiado que "K-bentonita" (la "roca K alterada") porque es un tipo distinto de arcilla no expansiva, mientras que el término comercial bentonita se refiere implícitamente a una arcilla expansiva, una esmectita (en la terminología europea y británica) o una montmorillonita (en la terminología estadounidense).

bentonita sódica

La bentonita sódica se expande al humedecerse, absorbiendo hasta varias veces su masa seca en agua. Debido a sus excelentes propiedades coloidales , [ 10 ] se usa frecuentemente en lodos de perforación para pozos de petróleo y gas y perforaciones para investigaciones geotécnicas y ambientales. [ 11 ] La propiedad de hinchamiento también hace que la bentonita sódica sea útil como sellador, ya que proporciona una barrera autosellante de baja permeabilidad. Se usa para revestir la base de vertederos , por ejemplo. La bentonita también forma parte del material de relleno utilizado en el Proyecto Piloto de Aislamiento de Residuos Nucleares . [ 12 ] Varias modificaciones superficiales de la bentonita sódica mejoran algunas de sus propiedades reológicas o de sellado en aplicaciones geoambientales, por ejemplo, la adición de polímeros. [ 13 ]

La bentonita sódica se puede combinar con azufre elemental en forma de gránulos fertilizantes . Estos permiten la oxidación lenta del azufre a sulfato , un nutriente vegetal necesario para algunos cultivos como la cebolla o el ajo, que sintetizan muchos compuestos organosulfurados, y mantienen los niveles de sulfato en suelos lixiviados por la lluvia durante más tiempo que el azufre en polvo puro o el yeso . [ 14 ] Se han utilizado almohadillas de azufre/bentonita con fertilizantes orgánicos añadidos para la agricultura ecológica. [ 15 ]

Bentonita de calcio

La bentonita de calcio es un adsorbente útil de iones en solución, [ 16 ] 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. [ 17 ] Tiene una capacidad de hinchamiento significativamente menor que la bentonita de sodio. [ 18 ]

La bentonita de calcio puede convertirse en bentonita de sodio (proceso denominado 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 5–10% de una sal de sodio soluble, como carbonato de sodio , a la bentonita húmeda, mezclar bien y dejar tiempo para que tenga lugar el intercambio iónico y el agua elimine el calcio intercambiado. [ 19 ] [ 20 ] Algunas propiedades, como la viscosidad y la pérdida de fluido de las suspensiones, de la bentonita de calcio beneficiada con sodio (o bentonita activada con sodio) pueden no ser totalmente equivalentes a las de la bentonita de sodio natural. [ 10 ] Por ejemplo, los carbonatos de calcio residuales (que se forman si los cationes intercambiados no se eliminan lo suficiente) pueden dar como resultado un rendimiento inferior de la bentonita en los revestimientos geosintéticos. [ 21 ]

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 K-bentonita o bentonita de potasio). K-bentonita es un término reservado a la estratigrafía volcánica y la tefrocronología , y se relaciona únicamente con el tipo de roca arcillosa meteorizada . La ilita, el mineral arcilloso, es un filosilicato rico en potasio formado por la alteración de arcilla esméctica en contacto con agua subterránea rica en K +.iones. [ 9 ] La ilita es un mineral de arcilla TOT de alta carga , en el que las láminas cargadas negativamente están unidas de forma relativamente fuerte por cationes de potasio más numerosos , por lo que ya no es una arcilla expansiva y tiene pocos usos industriales. [ 22 ] En contraste con el Na + altamente hidratadoiones que actúan como iones "hinchadores" o "expansores", K + poco hidratadoLos iones se comportan como "colapsadores" cuando intercambian con Na +.iones accesibles en el espacio interlaminar presente entre dos capas TOT . K + deshidratadoLos iones se ubican preferentemente entre dos cavidades hexagonales cara a cara formadas por seis tetraedros de sílice unidos presentes en la superficie del plano basal de una capa TOT (véase la figura correspondiente que muestra una capa TOT elemental ). 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 los alberga. Esto significa que no hay ninguna molécula de agua entre el K +.ion y los átomos de oxígeno unidos a los tetraedros de sílice (T).

Aplicaciones

Preparación de una suspensión de bentonita para la clarificación después del prensado del vino.

Los principales usos de la bentonita son en lodos de perforación y como aglutinante , purificador, absorbente y portador de fertilizantes o pesticidas . Hacia 1990, casi la mitad de la producción estadounidense de bentonita se utilizaba como lodo de perforación. Otros usos menores incluyen relleno , sellador y catalizador en el refinado de petróleo . La bentonita cálcica a veces se comercializa como tierra de batán , cuyos usos se superponen con los de otras formas de bentonita. [ 11 ] [ 23 ]

lodo de perforación

La bentonita se utiliza en el lodo de perforación para lubricar y enfriar las herramientas de corte ( broca ), para eliminar los recortes, para estabilizar las paredes del pozo y para ayudar a prevenir reventones (manteniendo una presión hidrostática suficiente en el pozo). La bentonita también reduce la invasión del fluido de perforación debido a su propensión a ayudar en la formación de torta de lodo . [ 11 ] Juega un papel importante en las variantes de escudo de lodo y de equilibrio de presión de tierra de las tuneladoras .

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 y pseudoplástico . Generalmente, las suspensiones de bentonita también son tixotrópicas , [ 24 ] aunque también se han reportado casos raros de comportamiento reopéctico . [ 25 ] A 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 una resistencia mínima a la fluencia necesaria para que se mueva). [ 24 ]

Aglutinante

La bentonita se ha utilizado ampliamente como aglutinante de arena de fundición en fundiciones de hierro y acero . La bentonita sódica se usa con mayor frecuencia para piezas fundidas grandes que utilizan moldes secos, mientras que la bentonita cálcica se usa más comúnmente para piezas fundidas más pequeñas que utilizan moldes húmedos o en verde. La bentonita también se usa como agente aglutinante en la fabricación de pellets de mineral de hierro ( taconita ) utilizados en la industria siderúrgica . [ 11 ] La bentonita, en pequeños porcentajes, se usa como ingrediente en pastas cerámicas y esmaltes cerámicos comerciales y caseros. Aumenta considerablemente la plasticidad de las pastas cerámicas y disminuye la sedimentación en los esmaltes, lo que facilita su manejo para la mayoría de las aplicaciones. [ 26 ] [ 27 ]

La superficie iónica de la bentonita posee una propiedad útil para crear un recubrimiento pegajoso sobre los granos de arena. Cuando se agrega una pequeña proporción de arcilla de bentonita finamente molida a arena dura y se humedece, la arcilla une las partículas de arena formando un agregado moldeable conocido como arena verde, utilizado para fabricar moldes en la fundición en arena . [ 28 ] Algunos deltas fluviales depositan de forma natural esta mezcla de limo arcilloso y arena, creando una fuente natural de excelente arena de moldeo, fundamental para la antigua tecnología metalúrgica. Los procesos químicos modernos para modificar la superficie iónica de la bentonita intensifican enormemente esta pegajosidad, dando como resultado mezclas de arena de fundición notablemente consistentes pero resistentes, capaces de soportar las temperaturas del metal fundido.

La misma deposición eluvial de arcilla bentonítica en las playas explica la variabilidad en la plasticidad de la arena para construir castillos de arena . La arena de playa compuesta únicamente de sílice y conchas no se moldea bien en comparación con la arena recubierta de arcilla bentonítica. Por eso, algunas playas son mucho mejores para construir castillos de arena que otras.

La autoadhesividad de la bentonita permite el apisonamiento o prensado a alta presión de la arcilla en moldes para producir formas duras y refractarias, como las boquillas de los cohetes modelo . [ 29 ]

Purificación

Las bentonitas se utilizan para decolorar diversos aceites minerales, vegetales y animales. También se utilizan para clarificar vino, licores, sidra, cerveza, hidromiel y vinagre. [ 11 ]

La bentonita tiene la propiedad de adsorber cantidades relativamente grandes de moléculas de proteína de soluciones acuosas. Por consiguiente, la bentonita es particularmente útil en el proceso de vinificación , donde se utiliza para eliminar el exceso de proteína de los vinos blancos . De no ser por este uso de la bentonita, muchos o la mayoría de los vinos blancos precipitarían nubes o turbidez floculenta indeseables al exponerse a temperaturas cálidas, debido a la desnaturalización de estas proteínas . También tiene la ventaja incidental de inducir una clarificación más rápida tanto de los vinos tintos como de los blancos. [ 30 ]

La bentonita también se considera un adsorbente eficaz y de bajo costo para la eliminación de iones de cromo(VI) de soluciones acuosas (aguas residuales contaminadas). [ 31 ]

Absorbente

La bentonita se utiliza en diversos productos para el cuidado de mascotas, como la arena para gatos, para absorber los desechos de los animales. También se utiliza para absorber aceites y grasas. [ 11 ]

Transportador

La bentonita se utiliza como vehículo inerte para pesticidas , fertilizantes y retardantes de fuego . Ayuda a asegurar que el agente activo se disperse uniformemente y que los pesticidas y fertilizantes se retengan en las plantas. [ 11 ]

Relleno

La bentonita se utiliza como relleno en una amplia variedad de productos, incluyendo adhesivos , cosméticos , pinturas , caucho , algunas grasas y jabones . También actúa como estabilizador y extensor en estos productos. [ 11 ]

Sellador

La propiedad de hincharse al contacto con el agua hace que la bentonita sódica sea útil como sellador, ya que proporciona una barrera autosellante de baja permeabilidad . Se utiliza para revestir la base de vertederos para evitar la migración de lixiviados , para confinar contaminantes metálicos de aguas subterráneas y para el sellado de sistemas de disposición subterránea de combustible nuclear gastado . [ 32 ] Otros usos similares incluyen la fabricación de muros de lodo , la impermeabilización de muros bajo el nivel del suelo y la formación de otras barreras impermeables, por ejemplo, para sellar el espacio anular de un pozo de agua o para tapar pozos antiguos.

La bentonita también puede intercalarse entre materiales sintéticos para crear revestimientos geosintéticos de arcilla (GCL) para los fines mencionados. Esta técnica facilita el transporte y la instalación, y reduce considerablemente el volumen de bentonita necesario. También se utiliza para formar barreras alrededor de árboles recién plantados con el fin de limitar el crecimiento de sus raíces y evitar daños a las aceras, aparcamientos, parques infantiles, etc., cercanos, o a las infraestructuras subterráneas circundantes, como tuberías, sistemas de drenaje, alcantarillado, etc. Los agricultores utilizan bentonita para sellar estanques de retención y revestir canales. [ 33 ]

Catalizador

La bentonita de calcio de alta pureza se trata con ácido para su uso como catalizador en el craqueo de fracciones pesadas de petróleo . [ 11 ]

Medicamento

La bentonita se ha prescrito como laxante formador de volumen y también se utiliza como base para muchas fórmulas dermatológicas . [ 34 ] Se está estudiando la bentonita granular para su uso en apósitos para heridas en el campo de batalla. [ 35 ] La bentonita también se vende en línea y en tiendas minoristas para diversas indicaciones. [ 36 ]

El bentoquatam es un medicamento tópico a base de bentonato destinado a actuar como escudo contra la exposición al urushiol , el aceite que se encuentra en plantas como la hiedra venenosa o el roble venenoso . [ 37 ]

La bentonita también puede utilizarse 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 su vida útil . En la mayoría de los entornos de envasado habituales, los desecantes de bentonita ofrecen una mayor capacidad de adsorción de agua que los desecantes de gel de sílice . La bentonita cumple con la normativa de la FDA para el contacto con alimentos y medicamentos. [ 38 ]

La agricultura en Tailandia

La aplicación de la tecnología de arcilla por parte de los agricultores del noreste de Tailandia, utilizando arcilla bentonítica, ha revertido drásticamente la degradación del suelo y ha generado mayores beneficios económicos, con mayores rendimientos y precios de producción más elevados. Los estudios realizados por el Instituto Internacional de Gestión del Agua y sus socios entre 2002 y 2003 se centraron en la aplicación de arcillas bentoníticas de origen local a suelos degradados de la región. Estas aplicaciones se llevaron a cabo en ensayos de campo estructurados. La aplicación de arcillas bentoníticas mejoró eficazmente los rendimientos del sorgo forrajero cultivado en condiciones de secano. [ 39 ] [ 40 ]

La aplicación de bentonita también influyó en los precios que los agricultores recibieron por sus cosechas. Los costos de producción son más altos, pero debido a una mayor producción y a la calidad de los alimentos, los agricultores que utilizan arcilla pueden permitirse invertir y cultivar más y mejores alimentos, en comparación con los agricultores que no la utilizan. [ 41 ] [ 42 ]

Muros de lodo de bentonita en la construcción moderna

Los muros de lodo de bentonita (también conocidos como muros diafragma [ 43 ] ) se utilizan en la construcción. El muro de lodo consiste en una zanja rellena con una espesa mezcla coloidal de bentonita y agua. [ 44 ] Una zanja que colapsaría debido a la presión hidráulica del suelo circundante no lo hace, ya que el lodo equilibra dicha presión. Los encofrados para el hormigón y las barras de refuerzo se pueden ensamblar en una zanja rellena de lodo, y luego verter el hormigón en el encofrado. El hormigón líquido, al ser más denso, desplaza el lodo de bentonita, menos denso, y provoca que este último se desborde de la zanja. Este lodo de bentonita desplazado se canaliza a una unidad de reciclaje desde donde se puede reutilizar posteriormente en una nueva zanja en otro lugar de la obra.

Además, debido a que el coloide es relativamente impermeable al agua, un muro de lodo puede evitar la filtración de agua subterránea, lo cual es útil para prevenir una mayor propagación de agua subterránea que ha sido contaminada por materiales tóxicos como desechos industriales. [ 44 ]

Cerámica

La plasticidad es la propiedad de la arcilla que permite manipularla y que conserve su forma sin agrietarse una vez retirada la fuerza de moldeo; las arcillas con baja plasticidad se conocen como 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 objetos mediante algunas técnicas de moldeo. Sin embargo, la bentonita suele contener minerales que afectan al color de la mezcla tras la cocción, [ 26 ] y sus propiedades de hinchamiento pueden hacer que dicha mezcla sea propensa a una contracción significativa y a posibles grietas durante el secado. [ 45 ]

Los esmaltes cerámicos suelen contener bentonita. Esta se añade para ralentizar o evitar la sedimentación de los esmaltes. También puede mejorar la uniformidad de la aplicación de los esmaltes en piezas porosas cocidas en bizcocho . Una vez que el bizcocho ha absorbido cierta cantidad de agua del esmalte, la bentonita obstruye eficazmente los poros y resiste la absorción de más agua, lo que da como resultado una capa más uniforme y gruesa. [ 27 ]

respuesta de emergencia

La bentonita se utiliza en la industria y en la respuesta a emergencias como absorbente químico y sellador de contenedores.

Historia y fenómenos naturales

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. [ 46 ] [ 7 ]

La mayor parte de la bentonita sódica natural de alta calidad se produce en el oeste de Estados Unidos, en una zona comprendida entre las Black Hills de Dakota del Sur y la cuenca de Bighorn de Wyoming, y en la región de Tokat Resadiye de Turquía. [ 11 ] La bentonita mixta de sodio y calcio se extrae en Grecia , Pakistán , Australia , India , Rusia y Ucrania .

En Estados Unidos, la bentonita de calcio se extrae principalmente en Mississippi y Alabama . [ 11 ] Otros lugares importantes que producen bentonita de calcio incluyen Nueva Zelanda, Alemania, Grecia, Turquía, India y China.

Véase también

Referencias

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  • Ficha Internacional de Seguridad Química 0384