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La bentonita ( / ˈbɛntənaɪt / BEN - tə -nyte ) [ 1] [2] es una arcilla absorbente hinchable que consiste principalmente en montmorillonita ( un tipo de esmectita ) que puede ser montmorillonita sódica o montmorillonita cáustica. La montmorillonita sódica tiene una capacidad de hinchamiento considerablemente mayor que la montmorillonita cáustica.
La bentonita se forma generalmente a partir de la erosión de cenizas volcánicas en agua de mar , o por circulación hidrotermal a través de la porosidad de lechos de cenizas volcánicas, [3] [4] que convierte ( desvitrificación ) el vidrio volcánico ( obsidiana , riolita , dacita ) 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. [ cita requerida ] Los lechos de bentonita son de color blanco o azul pálido o verde (trazas de Fe reducido 2+
) en exposiciones recientes, volviéndose de color crema y luego amarillo, rojo o marrón (trazas de Fe oxidado ). 3+
) a medida que la exposición se desgasta aún más. [5]
Como arcilla hinchable, 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 hinchamiento se utiliza con ventaja en lodos de perforación y selladores de aguas subterráneas. La montmorillonita / esmectita que compone la bentonita es un mineral filosilicato de aluminio , que toma la forma de granos laminares microscópicos. Estos le dan a la arcilla una 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 de caolinita utilizada para cerámica . [6]
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 la sucesión estratigráfica, recibió el nombre de Fort Benton, Montana , a mediados del siglo XIX por Fielding Bradford Meek y FV Hayden del Servicio Geológico de Estados Unidos. [4] 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. [7]
En geología, el término bentonita se aplica a un tipo de arcillosita (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 entorno 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 hinchable compuesta principalmente de minerales arcillosos de esmectita , que incluye la montmorillonita. [5] La referencia indiferenciada a la roca volcánica meteorizada para el geólogo o a la mezcla industrial de arcillas hinchables 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 cada lado de una lámina O. Las láminas T se llaman así porque cada ion de aluminio o silicio en la lámina está rodeado por cuatro iones de oxígeno dispuestos como un tetraedro. Las láminas 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 TOT contienen realmente 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 de arcilla esmectita. [6]
Los diferentes tipos de bentonita reciben cada uno su nombre según el catión dominante respectivo. [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 caída de cenizas completamente desvitrificados (vidrio volcánico meteorizado) a veces también se denominan "K-bentonitas" (la roca arcillosa ilitizada) cuando la especie de arcilla dominante es la ilita (una arcilla no hinchable). [9] Sin embargo, en la mineralogía de arcilla pura, el término ilita es más apropiado que "K-bentonita" (la "roca K alterada") porque es un tipo distinto de arcilla no hinchable, mientras que el término comercial bentonita se refiere implícitamente a una arcilla hinchable, una esmectita (en la terminología europea y del Reino Unido) o una montmorillonita (en la terminología estadounidense).
La bentonita sódica se expande cuando está húmeda, absorbiendo hasta varias veces su masa seca en agua. Debido a sus excelentes propiedades coloidales , [10] se utiliza a menudo en lodos de perforación para pozos de petróleo y gas y perforaciones para investigaciones geotécnicas y ambientales. [11] La propiedad de hincharse también 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 , por ejemplo. La bentonita también forma parte del material de relleno utilizado en el Proyecto Piloto de Aislamiento de Residuos Nucleares . [12] Varias modificaciones de la superficie de la bentonita sódica mejoran algún rendimiento reológico o de sellado en aplicaciones geoambientales, por ejemplo, la adición de polímeros. [13]
La bentonita de sodio se puede combinar con azufre elemental para formar gránulos fertilizantes . Estos permiten una 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 en polvo puro o el yeso . [14] Las almohadillas de azufre/bentonita con fertilizantes orgánicos añadidos se han utilizado para la agricultura orgánica. [15]
La bentonita de calcio es un absorbente 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 se puede convertir en bentonita de sodio (lo que se denomina beneficiación 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 entre un 5 y un 10 % de una sal de sodio soluble, como carbonato de sodio , a la bentonita húmeda, mezclar bien y dejar tiempo para que se produzca el intercambio iónico y el agua elimine el calcio intercambiado. [19] [20] Algunas propiedades, como la viscosidad y la pérdida de fluidos de las suspensiones, de la bentonita de calcio beneficiada con sodio (o bentonita activada con sodio) pueden no ser completamente 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 de manera suficiente) pueden dar como resultado un rendimiento inferior de la bentonita en revestimientos geosintéticos. [21]
La ilita es el principal componente arcilloso de la bentonita potásica (un tipo de roca también conocida como bentonita potásica o bentonita potásica). La bentonita potásica es un término reservado a la estratigrafía volcánica y la tefrocronología y está relacionado únicamente con el tipo de roca arcillosa meteorizada . La ilita, el mineral arcilloso, es un filosilicato rico en potasio que se forma a partir de la alteración de la arcilla esméctica en contacto con aguas subterráneas ricas en potasio.+
iones. [9] La ilita es un mineral arcilloso 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 hinchable y tiene pocos usos industriales. [22] En contraste con el Na altamente hidratado+
iones que actúan como iones "hinchadores" o "expansores", K mal hidratado+
Los iones se comportan como "colapsadores" cuando intercambian con Na+
iones accesibles en el espacio entre capas presente entre dos capas TOT . K deshidratado+
Los iones K 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 (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 los K+
ion y los átomos de oxígeno unidos a los tetraedros de sílice (T).
Los principales usos de la bentonita son en lodos 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 utilizaba 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. [11] [23]
La bentonita se utiliza en el lodo de perforación para lubricar y enfriar las herramientas de corte ( brocas ), para eliminar los recortes, para estabilizar las paredes del pozo y para ayudar a prevenir reventones (manteniendo una presión hidráulica suficiente en el pozo). La bentonita también reduce la invasión del fluido de perforación por su propensión a ayudar en la formación de torta de lodo . [11] Desempeña un papel importante en el equilibrio de la presión de la tierra y las variantes de escudo de lodo de las máquinas perforadoras de túneles .
Gran parte de la utilidad de la bentonita en la industria de perforación e ingeniería geotécnica proviene de sus propiedades reológicas únicas . Cantidades relativamente pequeñas de bentonita suspendidas en agua forman un material viscoso y pseudoplástico . La mayoría de las veces, las suspensiones de bentonita también son tixotrópicas , [24] aunque también se han reportado casos raros de comportamiento reopéctico . [25] 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 una resistencia mínima a la fluencia requerida para que se mueva). [24]
La bentonita se ha utilizado ampliamente como aglutinante de arena de fundición en fundiciones de hierro y acero . La bentonita sódica se utiliza con mayor frecuencia para fundiciones de gran tamaño que utilizan moldes secos, mientras que la bentonita cálcica se utiliza con mayor frecuencia para fundiciones más pequeñas que utilizan moldes "verdes" o húmedos. La bentonita también se utiliza como agente aglutinante en la fabricación de pellets de mineral de hierro ( taconita ) como los que se utilizan en la industria siderúrgica . [11] La bentonita, en pequeños porcentajes, se utiliza como ingrediente en cuerpos 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 esmaltes, lo que hace que ambos sean más fáciles de trabajar para la mayoría de las aplicaciones. [26] [27]
La superficie iónica de la bentonita tiene una propiedad útil para formar una capa pegajosa sobre los granos de arena. Cuando se añade una pequeña proporción de arcilla 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 utiliza para hacer moldes en la fundición en arena . [28] Algunos deltas de los ríos depositan de forma natural precisamente esa mezcla de limo arcilloso y arena, creando una fuente natural de excelente arena de moldeo que era fundamental para la antigua tecnología metalúrgica. Los procesos químicos modernos para modificar la superficie iónica de la bentonita intensifican enormemente esta pegajosidad, lo que da como resultado mezclas de arena de moldeo notablemente pastosas pero fuertes que resisten las temperaturas del metal fundido. [ cita requerida ]
La misma deposición efluente de arcilla bentonítica 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 bentonítica. Es por eso que algunas playas son mucho mejores para construir castillos de arena que otras. [ cita requerida ]
La autoadherencia de la bentonita permite prensar o apisonar a alta presión la arcilla en moldes para producir formas duras y refractarias, como boquillas de cohetes modelo . [29]
Las bentonitas se utilizan para decolorar diversos aceites minerales, vegetales y animales. También se utilizan para clarificar el vino, el licor, la sidra, la cerveza, el hidromiel y el vinagre. [11]
La bentonita tiene la propiedad de adsorber cantidades relativamente grandes de moléculas de proteínas 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 proteínas de los vinos blancos . Si no fuera por este uso de la bentonita, muchos o la mayoría de los vinos blancos precipitarían nubes o neblinas floculantes indeseables al exponerse a temperaturas cálidas, ya que estas proteínas se desnaturalizan . También tiene el uso incidental de inducir una clarificación más rápida de los vinos tintos y 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]
La bentonita se utiliza en diversos productos 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. [11]
La bentonita se utiliza como portador inerte de pesticidas , fertilizantes y retardantes de fuego . Ayuda a garantizar que el agente activo se disperse de manera uniforme y que los pesticidas y fertilizantes se mantengan en las plantas. [11]
La bentonita se utiliza como relleno en una amplia variedad de productos, incluidos adhesivos , cosméticos , pinturas , caucho , algunas grasas y jabones . También actúa como estabilizador y extensor en estos productos. [11]
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 las aguas subterráneas y para sellar sistemas de eliminación subterránea de combustible nuclear gastado . [32] Usos similares incluyen la fabricación de muros de lodo , la impermeabilización de muros subterráneos y la formación de otras barreras impermeables, por ejemplo, para sellar el anillo de un pozo de agua o para tapar pozos viejos.
La bentonita también se puede "intercalar" 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 necesario. También se utiliza para formar barreras alrededor de árboles recién plantados para restringir el crecimiento de sus raíces: con el fin de evitar daños a cualquiera de los senderos, estacionamientos, áreas de juegos, etc. cercanos; o cualquiera de las infraestructuras subterráneas circundantes como las tuberías, sistemas de drenaje, alcantarillas, etc. Los agricultores utilizan bentonita para sellar estanques de retención y revestir canales. [33]
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]
La bentonita se ha recetado como laxante y también se utiliza como base para muchas fórmulas dermatológicas . [34] Se está estudiando el uso de bentonita granulada en apósitos para heridas en el campo de batalla. [35] La bentonita también se vende en línea y en puntos de venta minorista para una variedad de 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 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 envasado 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. [38]
La aplicación de tecnología arcillosa por parte de los agricultores del noreste de Tailandia, utilizando arcilla bentonítica, ha revertido drásticamente la degradación del suelo y ha dado como resultado 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 asociados en 2002-2003 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 recibían por sus cultivos. Los costos de producción son más altos, pero debido a la mayor producción y la calidad de los alimentos, los agricultores de arcilla podían permitirse invertir y cultivar más y mejores alimentos, en comparación con los agricultores que no utilizaban arcilla. [41] [42]
Los muros de lodo de bentonita (también conocidos como muros diafragma [43] ) se utilizan en la construcción, donde el muro de lodo es una zanja llena de una espesa mezcla coloidal de bentonita y agua. [44] Una zanja que se derrumbaría debido a la presión hidráulica en el suelo circundante no se derrumba ya que el lodo equilibra la presión hidráulica. Los encofrados para hormigón y varillas de refuerzo se pueden ensamblar en una zanja llena de lodo y luego verter hormigón en el encofrado. El hormigón líquido, al ser más denso, desplaza el lodo de bentonita menos denso y hace que este último se desborde de la zanja. Este lodo de bentonita desplazado luego se canaliza a una unidad de reciclaje desde donde posteriormente se puede reutilizar en una nueva zanja en otra parte del sitio de construcción.
Además, debido a que el coloide es relativamente impermeable al agua, un muro de lodo puede evitar la filtración de agua subterránea, lo que es útil para prevenir una mayor propagación de agua subterránea que ha sido contaminada por material tóxico como desechos industriales. [44]
La plasticidad es la propiedad de la arcilla que le permite ser manipulada y mantener su forma sin agrietarse después de que se haya eliminado la fuerza de modelado; las arcillas con baja plasticidad se conocen como cortas o no plásticas . Una pequeña cantidad de bentonita agregada 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, [26] y sus propiedades de hinchamiento pueden hacer que dicha mezcla sea propensa a una contracción significativa y un posible agrietamiento a medida que se seca. [45]
Los esmaltes cerámicos suelen contener bentonita, que se añade para retardar o evitar la sedimentación de los esmaltes. También puede mejorar la consistencia de la aplicación de los esmaltes sobre piezas porosas cocidas en bizcocho . Una vez que el bizcocho ha absorbido una 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 de espesor más uniforme. [27]
La bentonita se utiliza en la industria y en respuesta a emergencias como absorbente químico y sellador de contenedores.
En 2018, China fue el principal productor de bentonita, con casi una cuarta parte de la producción mundial, seguido de Estados Unidos y la 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 alto grado se produce en el oeste de los Estados Unidos, en un área entre las Black Hills de Dakota del Sur y la cuenca Bighorn de Wyoming, y la región de Tokat Resadiye de Turquía. [11] La bentonita sódica/calciada mixta se extrae en Grecia , Pakistán , Australia , India , Rusia y Ucrania .
En los 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.