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Bentonita ( / ˈ b ɛ n t ə n aɪ t / ) [ 1] [2] es una arcilla hinchable absorbente que consiste principalmente en montmorillonita (un tipo de esmectita ) que puede ser Na-montmorillonita o Ca-montmorillonita. La montmorillonita de Na tiene una capacidad de hinchamiento considerablemente mayor que la montmorillonita de Ca.
La bentonita generalmente se forma a partir de la erosión de las cenizas volcánicas en el agua de mar , o por circulación hidrotermal a través de la porosidad de los lechos de cenizas volcánicas, [3] [4] que convierte ( desvitrificación ) el vidrio volcánico ( obsidiana , riolita , dacita ) presente en las cenizas en minerales de arcilla. 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 necesaria ] Los lechos de bentonita son blancos o azul pálido o verde (rastros de Fe reducido 2+
) en exposiciones frescas, volviéndose de color crema y luego amarillo, rojo o marrón (vestigios 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 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 forma la bentonita es un mineral filosilicato de aluminio , que toma la forma de granos laminares microscópicos. Estos confieren a la arcilla una superficie total muy grande, lo que convierte a la bentonita en un adsorbente valioso . Las placas también se adhieren entre sí cuando están mojadas. Esto le da a la arcilla una cohesividad que la hace útil como aglutinante y como aditivo para mejorar la plasticidad de la arcilla caolinita utilizada para la cerámica . [6]
Uno de los primeros hallazgos de bentonita se produjo en el Cretácico Benton Shale cerca de Rock River, Wyoming . El Grupo Fort Benton , junto con otros en 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 arcilla arcillosa (una roca arcillosa, no un mineral arcilloso) compuesta principalmente por montmorillonita (un mineral arcilloso del grupo de las esmectitas ). Se forma por desvitrificación de cenizas volcánicas 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 hinchable compuesta principalmente de minerales arcillosos de esmectita , que incluye la montmorillonita. [5] La referencia indiferenciada a la roca volcánica erosionada para el geólogo o a la mezcla industrial de arcillas hinchables puede ser fuente de confusión.
La montmorillonita que constituye 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 en T unidas a cada lado de una lámina en O. Las láminas T se llaman así porque cada ion de aluminio o silicio de la lámina está rodeado por cuatro iones de oxígeno dispuestos en forma de tetraedro. Las láminas de O se llaman 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, y ésta 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, sólo una fracción de los posibles sitios catiónicos 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 arcillosos de esmectita. [6]
Los diferentes tipos de bentonita llevan el nombre del respectivo catión dominante. [8] Para fines industriales, se reconocen dos clases principales de bentonita: bentonita de sodio y bentonita de calcio. La bentonita de sodio es la más valiosa, pero la bentonita de calcio es más común. [7] En estratigrafía y tefrocronología , los lechos de caída de cenizas completamente desvitrificados (vidrio volcánico desgastado) a veces también se denominan "bentonitas K" (la roca arcillosa ilitizada) cuando la especie de arcilla dominante es illita (una arcilla que no se hincha). . [9] Sin embargo, en mineralogía de arcilla pura, el término illita es más apropiado que "bentonita K" (la "roca K alterada") porque es un tipo distinto de arcilla que no se hincha, mientras que el término comercial bentonita se refiere implícitamente a una arcilla hinchable, una esmectita (en la terminología europea y británica) o una montmorillonita (en la terminología estadounidense).
La bentonita de sodio 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 en perforaciones para investigaciones geotécnicas y ambientales. [11] La propiedad de hinchamiento también hace que la bentonita de sodio sea útil como sellador, ya que proporciona una barrera autosellante y 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 de sodio mejoran parte del 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 como fertilizante en perlas . Estos permiten la oxidación lenta del azufre a sulfato , un nutriente vegetal necesario para algunos cultivos como la cebolla o el ajo , que sintetiza una gran cantidad de compuestos orgánicos de azufre, y mantienen los niveles de sulfato en suelos lixiviados por lluvia durante más tiempo que el azufre puro en polvo o el yeso . [14] Para la agricultura orgánica se han utilizado almohadillas de azufre/bentonita con fertilizantes orgánicos añadidos. [15]
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 industriales. [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 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 del 5 al 10% de una sal de sodio soluble, como el carbonato de sodio , a la bentonita húmeda, mezclar bien y dejar tiempo para que se realice el intercambio iónico y que el agua elimine el calcio intercambiado. [19] [20] Algunas propiedades, como la viscosidad y la pérdida de fluido de las suspensiones, de la bentonita cálcica beneficiada con sodio (o bentonita activada por sodio) pueden no ser completamente equivalentes a las de la bentonita sódica 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]
La illita es el principal componente arcilloso de la bentonita potásica (un tipo de roca también conocida como bentonita K o bentonita potásica). K-bentonita es un término reservado a la estratigrafía volcánica y la tefrocronología y está relacionado únicamente con el tipo de roca arcillosa erosionada . La illita, el mineral arcilloso, es un filosilicato rico en potasio formado a partir de la alteración de la arcilla esméctica en contacto con aguas subterráneas ricas en K.+
iones. [9] La illita es un mineral arcilloso TOT de alta carga , en el que láminas cargadas negativamente están unidas relativamente fuertemente 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 "hinchadores" o "expansores", iones K poco hidratados+
Los iones se comportan como "colapsadores" cuando se intercambian con Na .+
iones accesibles en el espacio entre capas presente entre dos capas TOT . K deshidratada+
Los 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 (consulte 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. Significa que no hay ninguna molécula de agua entre el K+
ion y los átomos de oxígeno unidos a los tetraedros de sílice (T).
Los principales usos de la bentonita son en lodo 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 recortes, estabilizar las paredes del pozo y ayudar a prevenir explosiones (al mantener 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 las variantes de equilibrio de presión de tierra y protección de lodos de las máquinas perforadoras de túneles .
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 que se adelgaza . La mayoría de las veces, las suspensiones de bentonita también son tixotrópicas , [24] aunque también se han informado 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 un límite elástico mínimo requerido para hacerlo moverse). [24]
La bentonita se ha utilizado ampliamente como aglutinante arena-fundición en fundiciones de hierro y acero . La bentonita de sodio se usa más comúnmente para piezas fundidas grandes que usan moldes secos, mientras que la bentonita de calcio se usa más comúnmente para piezas fundidas más pequeñas que usan moldes "verdes" o húmedos. La bentonita también se utiliza como agente aglutinante en la fabricación de gránulos de mineral de hierro ( taconita ), tal como se utiliza en la industria siderúrgica . [11] La bentonita, en pequeños porcentajes, se utiliza como ingrediente en pastas 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 sea más fácil trabajar con ambos en la mayoría de las aplicaciones. [26] [27]
La superficie iónica de la bentonita tiene la propiedad útil de formar una capa pegajosa sobre los granos de arena. Cuando se agrega una pequeña proporción de arcilla bentonita finamente molida a arena dura y se humedece, la arcilla une las partículas de arena en un agregado moldeable conocido como arena verde que se usa para hacer moldes en fundición en arena . [28] Algunos deltas de ríos depositan naturalmente esa mezcla de limo arcilloso y arena, creando una fuente natural de excelente arena para moldear que era fundamental para la antigua tecnología de trabajo de metales. Los procesos químicos modernos para modificar la superficie iónica de la bentonita intensifican en gran medida esta pegajosidad, lo que da como resultado mezclas de arena de fundición notablemente parecidas a una masa pero fuertes que resisten las temperaturas del metal fundido. [ cita necesaria ]
La misma deposición efluviosa de arcilla bentonítica en las playas explica la variedad de plasticidad de la arena de un lugar a otro para la construcción de castillos de arena . La arena de playa que consiste únicamente en granos de sílice y conchas no se enmohece bien en comparación con los granos recubiertos con arcilla bentonita. Por eso algunas playas son mucho mejores para construir castillos de arena que otras. [ cita necesaria ]
La autoadherencia de la bentonita permite apisonar o presionar la arcilla a alta presión 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 vino, licores, sidra, cerveza, hidromiel y 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 bentonita, muchos o la mayoría de los vinos blancos precipitarían nubes floculantes o neblinas 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 económico para la eliminación de iones de cromo (VI) de soluciones acuosas (aguas residuales contaminadas). [31]
La bentonita se utiliza en una variedad de artículos para el cuidado de mascotas, como arena para gatos, para absorber los desechos de las mascotas. También se utiliza para absorber aceites y grasas. [11]
La bentonita se utiliza como vehículo inerte para pesticidas , fertilizantes y retardantes de fuego . Ayuda a garantizar que el agente activo se disperse uniformemente y que los pesticidas y fertilizantes se retengan en las plantas. [11]
La bentonita se utiliza como relleno en una amplia variedad de productos, incluidos adhesivos , cosméticos , pinturas , caucho 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 de sodio 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 sellar sistemas subterráneos de eliminación de combustible nuclear gastado . [32] Usos similares incluyen la fabricación de muros pantalla , la impermeabilización de muros subterráneos 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 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 requerido. También se utiliza para formar barreras alrededor de árboles recién plantados para limitar el crecimiento de sus raíces: para evitar daños a los senderos, estacionamientos, parques infantiles, etc. cercanos; o cualquiera de las infraestructuras subterráneas circundantes como tuberías, sistemas de drenaje, alcantarillas, etc. Los agricultores utilizan bentonita para sellar estanques de retención y revestir canales. [33]
La bentonita cálcica de alta pureza se trata con ácido para usarla como catalizador en el craqueo de fracciones pesadas de petróleo . [11]
La bentonita se ha recetado como laxante a granel 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 puntos de venta para una variedad de indicaciones. [36]
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 paquetes 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 la tecnología de la arcilla por parte de los agricultores del noreste de Tailandia, utilizando arcilla bentonita, ha revertido drásticamente la degradación del suelo y ha dado lugar a mayores beneficios económicos, con mayores rendimientos y precios de producción más elevados. Los estudios realizados por el Instituto Internacional para el Manejo del Agua y sus socios en 2002-2003 se centraron en la aplicación de arcillas de bentonita de origen local a suelos degradados de la región. Estas aplicaciones se llevaron a cabo en ensayos de campo estructurados. La aplicación de arcillas de bentonita mejoró efectivamente los rendimientos del sorgo forrajero cultivado en condiciones de secano. [39] [40]
La aplicación de bentonita también influyó en los precios que recibían los agricultores por sus cultivos. Los costos de producción son más altos, pero debido a una mayor producción y a la calidad de los alimentos, los agricultores de arcilla podrían darse el lujo de invertir y cultivar más y mejores alimentos, en comparación con los agricultores que no utilizan arcilla. [41] [42]
Los muros pantalla de bentonita (también conocidos como muros pantalla [43] ) se utilizan en la construcción, donde el muro pantalla es una zanja llena de una espesa mezcla coloidal de bentonita y agua. [44] Una zanja que colapsaría debido a la presión hidráulica en el suelo circundante no colapsa ya que la lechada equilibra la presión hidráulica. Los encofrados para hormigón y barras de refuerzo se pueden ensamblar en una zanja llena de lechada y luego verter hormigón en el encofrado. El hormigón líquido, al ser más denso, desplaza la lechada de bentonita menos densa y hace que esta última se desborde de la zanja. Esta lechada de bentonita desplazada se canaliza luego a una unidad de reciclaje desde donde posteriormente se puede reutilizar en una nueva zanja en otro lugar del sitio de construcción.
Además, debido a que el coloide es relativamente impermeable al agua, un muro pantalla puede evitar la filtración de agua subterránea, lo que es útil para evitar una mayor propagación de agua subterránea que ha sido contaminada por materiales tóxicos como desechos industriales. [44]
La plasticidad es la propiedad de la arcilla que permite manipularla y conservar su forma sin agrietarse una vez eliminada la fuerza moldeadora; 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 tanto, facilitar la formación de artículos mediante algunas técnicas de conformación. 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 posible agrietamiento a medida que se seca. [45]
Los esmaltes cerámicos suelen contener bentonita. La bentonita se añade para retardar o impedir el asentamiento de los esmaltes. También puede mejorar la consistencia de la aplicación de esmaltes sobre artículos porosos horneados con galletas . Una vez que la galleta ha absorbido una cierta cantidad de agua del glaseado, la bentonita obstruye eficazmente los poros y resiste la absorción de más agua, lo que da como resultado una capa más espesa y uniforme. [27]
La bentonita se utiliza en la industria y en la 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, seguida de Estados Unidos y la India. La producción mundial total fue de 24.400.000 toneladas de bentonita y 3.400.000 toneladas de tierra de batán. [46] [7]
La mayor parte de la bentonita de sodio natural de alta calidad se produce en el oeste de los Estados Unidos, en un área entre Black Hills de Dakota del Sur y Bighorn Basin de Wyoming, y 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 los Estados Unidos, la bentonita cálcica 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.