Бентонит ( / ˈ bɛ n t ə n aɪ t / BEN -tə - nyte ) [1] [2] представляет собой абсорбирующую набухающую глину, состоящую в основном из монтмориллонита (тип смектита ), который может быть либо Na-монтмориллонитом, либо Ca-монтмориллонитом. Na-монтмориллонит обладает значительно большей набухаемостью, чем Ca-монтмориллонит.
Бентонит обычно образуется в результате выветривания вулканического пепла в морской воде или в результате гидротермальной циркуляции через пористость слоев вулканического пепла, [3] [4] , что преобразует ( девитрификация ) вулканическое стекло ( обсидиан , риолит , дацит ), присутствующее в пепле, в глинистые минералы. В процессе изменения минералов большая часть (до 40–50 мас.%) аморфного кремнезема растворяется и выщелачивается , оставляя отложения бентонита на месте. [ требуется ссылка ] Пласты бентонита белые, бледно-голубые или зеленые (следы восстановленного Fe 2+
) в свежих обнажениях, приобретая кремовый цвет, а затем желтый, красный или коричневый (следы окисленного Fe3+
) по мере дальнейшего выветривания. [5]
Как разбухающая глина, бентонит обладает способностью поглощать большое количество воды, что увеличивает его объем до восьми раз. [5] Это делает бентонитовые пласты непригодными для строительства зданий и дорог. Однако свойство разбухания используется с выгодой в буровых растворах и герметиках для грунтовых вод. Монтмориллонит/смектит, из которых состоит бентонит, представляет собой минерал алюминиевого филлосиликата , который принимает форму микроскопических пластинчатых зерен. Они придают глине очень большую общую площадь поверхности, что делает бентонит ценным адсорбентом . Пластины также прилипают друг к другу при намокании. Это придает глине связность, что делает ее полезной в качестве связующего вещества и добавки для улучшения пластичности каолинитовой глины, используемой для гончарного дела . [6]
Одной из первых находок бентонита была находка в меловом сланце Бентон около Рок-Ривер, штат Вайоминг . Группа Форт-Бентон , наряду с другими в стратиграфической последовательности, была названа в честь Форт-Бентон, штат Монтана , в середине 19-го века Филдингом Брэдфордом Миком и Ф. В. Хейденом из Геологической службы США. [4] С тех пор бентонит был обнаружен во многих других местах, включая Китай и Грецию (месторождение бентонита вулканического острова Милос в Эгейском море ). Общее мировое производство бентонита в 2018 году составило 20 400 000 метрических тонн. [7]
В геологии термин бентонит применяется к типу аргиллита (глинистая порода, а не глинистый минерал), состоящему в основном из монтмориллонита (глинистого минерала из группы смектита ). Он образуется путем расстекловывания вулканического пепла или туфа , [5] как правило, в морской среде. [3] [4] Это приводит к образованию очень мягкой, пористой породы, которая может содержать остаточные кристаллы более стойких минералов и которая на ощупь кажется мыльной или жирной. Однако в коммерческих и промышленных приложениях термин бентонит используется в более общем смысле для обозначения любой набухающей глины, состоящей в основном из смектитовых глинистых минералов, включая монтмориллонит. [5] Недифференцированная ссылка на выветренную вулканическую породу для геолога или на промышленную смесь набухающих глин может стать источником путаницы.
Монтмориллонит, из которого состоит бентонит, представляет собой алюминиевый филлосиликатный минерал , кристаллическая структура которого описывается как низкозарядная TOT . Это означает, что кристалл монтмориллонита состоит из слоев, каждый из которых состоит из двух слоев T , связанных с каждой стороной слоя O. Слои T так называются, потому что каждый ион алюминия или кремния в слое окружен четырьмя ионами кислорода, расположенными в виде тетраэдра. Слои O так называются, потому что каждый ион алюминия окружен шестью ионами кислорода или гидроксила, расположенными в виде октаэдра. Полный слой TOT имеет слабый отрицательный электрический заряд, и он нейтрализуется катионами кальция или натрия , которые связывают соседние слои вместе, с расстоянием между слоями около 1 нанометра . Поскольку отрицательный заряд слабый, только часть возможных катионных мест на поверхности слоя TOT фактически содержит кальций или натрий. Молекулы воды могут легко проникать между слоями и заполнять оставшиеся места. Это объясняет свойство набухания монтмориллонита и других смектитовых глинистых минералов. [6]
Различные типы бентонита названы в честь соответствующего доминирующего катиона. [8] Для промышленных целей различают два основных класса бентонита: натриевый и кальциевый бентонит. Натриевый бентонит более ценен, но кальциевый бентонит более распространен. [7] В стратиграфии и тефрохронологии полностью расстеклованные (выветренное вулканическое стекло) слои пеплопада иногда также называют «К-бентонитами» (иллитизированная глина), когда доминирующим видом глины является иллит (неразбухающая глина). [9] Однако в чистой глинистой минералогии термин иллит более уместен, чем «К-бентонит» («измененная К-порода»), поскольку это отдельный тип неразбухающей глины, в то время как коммерческий термин бентонит неявно относится к разбухающей глине, смектиту ( в европейской и британской терминологии) или монтмориллониту (в американской терминологии).
Натриевый бентонит расширяется при намокании, поглощая в воде в несколько раз больше своей сухой массы . Благодаря своим превосходным коллоидным свойствам [10] его часто используют в буровом растворе для нефтяных и газовых скважин и скважин для геотехнических и экологических исследований. [11] Свойство набухания также делает натриевый бентонит полезным в качестве герметика, поскольку он обеспечивает самоуплотняющийся барьер с низкой проницаемостью. Например, его используют для облицовки основания свалок . Бентонит также является частью засыпного материала, используемого в пилотном проекте по изоляции ядерных отходов . [12] Различные модификации поверхности натриевого бентонита улучшают некоторые реологические или герметизирующие характеристики в геоэкологических приложениях, например, добавление полимеров. [13]
Натриевый бентонит можно комбинировать с элементарной серой в качестве гранулированного удобрения . Они обеспечивают медленное окисление серы до сульфата , питательного вещества для растений, необходимого для некоторых культур, таких как лук или чеснок, синтезирующих много сероорганических соединений, и поддерживают уровень сульфата в выщелоченной дождями почве дольше, чем чистая порошкообразная сера или гипс . [14] Серно-бентонитовые подушки с добавлением органических удобрений использовались для органического земледелия. [15]
Кальциевый бентонит является полезным адсорбентом ионов в растворе, [16] а также жиров и масел. Это основной активный ингредиент фуллеровой земли , вероятно, одного из самых ранних промышленных чистящих средств. [17] Он имеет значительно меньшую способность к набуханию, чем натриевый бентонит. [18]
Кальциевый бентонит может быть преобразован в натриевый бентонит (называемый натриевой бенефикацией или натриевой активацией) для проявления многих свойств натриевого бентонита с помощью процесса ионного обмена . Как обычно практикуется, это означает добавление 5–10% растворимой натриевой соли, такой как карбонат натрия , к влажному бентониту, тщательное перемешивание и предоставление времени для ионного обмена и удаления водой обмененного кальция. [19] [20] Некоторые свойства, такие как вязкость и водоотдача суспензий, обогащенного натрием кальциевого бентонита (или активированного натрием бентонита) могут быть не полностью эквивалентны свойствам природного натриевого бентонита. [10] Например, остаточные карбонаты кальция (образующиеся, если обмененные катионы недостаточно удалены) могут привести к ухудшению эксплуатационных характеристик бентонита в геосинтетических облицовках. [21]
Иллит является основным глинистым компонентом калийного бентонита (тип горной породы, также известный как К-бентонит или калиевый бентонит). К-бентонит — это термин, зарезервированный для вулканической стратиграфии и тефрохронологии и относящийся только к выветренному глинистому типу горной породы. Иллит, глинистый минерал, представляет собой богатый калием филлосиликат, образованный в результате изменения смектической глины при контакте с грунтовыми водами, богатыми К+
ионы. [9] Иллит — это глинистый минерал с высоким зарядом TOT , в котором отрицательно заряженные слои относительно прочно связаны более многочисленными катионами калия , и поэтому он больше не является набухающей глиной и имеет мало промышленных применений. [22] В отличие от высокогидратированного Na+
ионы, которые действуют как «набухающие» или «расширяющие» ионы, плохо гидратированные ионы K+
ионы ведут себя как «коллапсаторы» при обмене с Na+
ионы, доступные в межслоевом пространстве, присутствующем между двумя слоями ТОТ . Дегидратированный К+
ионы преимущественно располагаются между двумя гексагональными полостями лицом к лицу, образованными шестью соединенными кремниевыми тетраэдрами, присутствующими на поверхности базальной плоскости слоя TOT (см. соответствующий рисунок, показывающий элементарный слой TOT ). Поскольку они дегидратированы, эти K+
Иногда говорят, что ионы образуют внутрисферные связи с окружающими атомами кислорода, присутствующими в гексагональной полости, в которой они находятся. Это означает, что между K нет молекулы воды+
ион и атомы кислорода, присоединенные к кремниевым тетраэдрам (T).
Основные применения бентонита — в буровом растворе , а также в качестве связующего , очистителя, абсорбента и носителя для удобрений или пестицидов . Примерно с 1990 года почти половина производства бентонита в США использовалась в качестве бурового раствора. Незначительные применения включают наполнитель , герметик и катализатор в нефтепереработке . Кальциевый бентонит иногда продается как фуллерова земля , применение которой совпадает с применением других форм бентонита. [11] [23]
Бентонит используется в буровом растворе для смазки и охлаждения режущих инструментов ( буровой коронки ), для удаления шлама, для стабилизации стенок скважины и для предотвращения выбросов (путем поддержания достаточного гидравлического давления в скважине). Бентонит также ограничивает проникновение бурового раствора за счет своей склонности способствовать образованию глинистой корки . [11] Он играет важную роль в балансе давления грунта и вариантах щита для пульпы в буровых машинах для проходки тоннелей .
Большая часть полезности бентонита в буровой и геотехнической инженерной промышленности обусловлена его уникальными реологическими свойствами. Относительно небольшие количества бентонита, взвешенные в воде, образуют вязкий , истончающийся при сдвиге материал. Чаще всего бентонитовые суспензии также являются тиксотропными , [24] хотя редкие случаи реопектического поведения также были зарегистрированы. [25] При достаточно высоких концентрациях (около 60 граммов бентонита на литр суспензии , ~6 вес.%), бентонитовые суспензии начинают приобретать характеристики геля ( жидкость с минимальным пределом текучести, необходимым для ее движения). [24]
Бентонит широко используется в качестве связующего вещества для литейного песка в литейных цехах чугуна и стали . Натриевый бентонит чаще всего используется для крупных отливок, которые используют сухие формы, в то время как кальциевый бентонит чаще используется для более мелких отливок, которые используют «зеленые» или мокрые формы. Бентонит также используется в качестве связующего агента при производстве железорудных ( таконитовых ) гранул, используемых в сталелитейной промышленности . [11] Бентонит в небольших количествах используется в качестве ингредиента в коммерческих и самодельных глиняных телах и керамических глазурях. Он значительно увеличивает пластичность глиняных тел и уменьшает осаждение в глазурях, что упрощает работу с ними для большинства применений. [26] [27]
Ионная поверхность бентонита имеет полезное свойство создавать липкое покрытие на песчинках. Когда небольшая часть тонко измельченной бентонитовой глины добавляется к твердому песку и смачивается, глина связывает частицы песка в формуемый агрегат, известный как зеленый песок, используемый для изготовления форм при литье в песчаные формы . [28] Некоторые речные дельты естественным образом откладывают именно такую смесь глинистого ила и песка, создавая естественный источник превосходного формовочного песка, который имел решающее значение для древней технологии металлообработки. Современные химические процессы для модификации ионной поверхности бентонита значительно усиливают эту липкость, в результате чего получаются удивительно тестообразные, но прочные смеси для литья, которые выдерживают температуру расплавленного металла. [ необходима цитата ]
Такое же выпотевание бентонитовой глины на пляжи объясняет разнообразие пластичности песка в зависимости от места для строительства песчаных замков . Пляжный песок, состоящий только из кремнезема и ракушечных зерен, не так хорошо формуется по сравнению с зернами, покрытыми бентонитовой глиной. Вот почему некоторые пляжи гораздо лучше подходят для строительства песчаных замков, чем другие. [ необходима цитата ]
Самоклейкость бентонита позволяет производить трамбовку или прессование глины под высоким давлением в формах для получения твердых, огнеупорных форм, таких как сопла для моделей ракет . [29]
Бентониты используются для обесцвечивания различных минеральных, растительных и животных масел. Они также используются для осветления вина, ликеров, сидра, пива, медовухи и уксуса. [11]
Бентонит обладает свойством адсорбировать относительно большое количество молекул белка из водных растворов. Следовательно, бентонит уникально полезен в процессе виноделия , где он используется для удаления избыточного количества белка из белых вин . Если бы не это использование бентонита, многие или большинство белых вин осаждались бы нежелательными хлопьевидными облаками или дымкой при воздействии высоких температур, поскольку эти белки денатурируют . Он также имеет побочное применение, вызывая более быстрое осветление как красных, так и белых вин. [30]
Бентонит также считается эффективным недорогим адсорбентом для удаления ионов хрома (VI) из водных растворов (загрязненных сточных вод). [31]
Бентонит используется в различных средствах по уходу за домашними животными, таких как наполнитель для кошачьего туалета, для поглощения отходов домашних животных. Он также используется для поглощения масел и жиров. [11]
Бентонит используется как инертный носитель для пестицидов , удобрений и антипиренов . Он помогает обеспечить равномерное распределение активного вещества и сохранение пестицидов и удобрений на растениях. [11]
Бентонит используется в качестве наполнителя в самых разных продуктах, включая клеи , косметику , краски , резину , некоторые смазки и мыла . Он также действует как стабилизатор и наполнитель в этих продуктах. [11]
Свойство набухания при контакте с водой делает натриевый бентонит полезным в качестве герметика, поскольку он обеспечивает самоуплотняющийся, малопроницаемый барьер . Он используется для выравнивания основания свалок для предотвращения миграции фильтрата , для ограничения металлических загрязнителей грунтовых вод и для герметизации подземных систем захоронения отработанного ядерного топлива . [32] Аналогичные применения включают создание стен из шлама , гидроизоляцию подземных стен и формирование других непроницаемых барьеров, например, для герметизации кольцевого пространства скважины , для закупорки старых скважин.
Бентонит также может быть «зажат» между синтетическими материалами для создания геосинтетических глиняных облицовок (GCL) для вышеупомянутых целей. Эта технология обеспечивает более удобную транспортировку и установку, и она значительно уменьшает объем необходимого бентонита. Он также используется для формирования барьеров вокруг недавно посаженных деревьев, чтобы ограничить рост их корней: чтобы предотвратить повреждение любой из близлежащих пешеходных дорожек, парковок, игровых площадок и т. д.; или любой из окружающих подземных инфраструктур, таких как трубы, дренажные системы, канализация и т. д. Фермеры используют бентонит для герметизации отстойников и каналов. [33]
Высокочистый кальциевый бентонит обрабатывается кислотой для использования в качестве катализатора при крекинге тяжелых нефтяных фракций. [11]
Бентонит назначают в качестве объемного слабительного , а также он используется в качестве основы для многих дерматологических формул. [34] Гранулированный бентонит изучается для использования в повязках для ран на поле боя. [35] Бентонит также продается в Интернете и в розничных магазинах для различных показаний. [36]
Бентокватам — это местное лекарственное средство на основе бентоната, предназначенное для защиты от воздействия урушиола , масла, содержащегося в таких растениях, как ядовитый плющ или ядовитый дуб . [37]
Бентонит также может использоваться в качестве осушителя благодаря своим адсорбционным свойствам. Осушители на основе бентонита успешно использовались для защиты фармацевтических, нутрицевтических и диагностических продуктов от деградации под воздействием влаги и продления срока годности . В большинстве распространенных упаковочных сред осушители на основе бентонита обладают более высокой водопоглощающей способностью, чем осушители на основе силикагеля . Бентонит соответствует требованиям FDA по контакту с пищевыми продуктами и лекарственными средствами. [38]
Применение фермерами глиняной технологии на северо-востоке Таиланда с использованием бентонитовой глины резко обратило вспять деградацию почвы и привело к большей экономической отдаче с более высокими урожаями и более высокими ценами на продукцию. Исследования, проведенные Международным институтом управления водными ресурсами и партнерами в 2002–2003 годах, были сосредоточены на применении местных бентонитовых глин на деградированных почвах в регионе. Эти применения проводились в структурированных полевых испытаниях. Применение бентонитовых глин эффективно улучшило урожайность кормового сорго, выращиваемого в условиях богарного земледелия. [39] [40]
Применение бентонита также повлияло на цены, которые фермеры получали за свой урожай. Производственные затраты выше, но из-за более высокого производства и качества продуктов питания фермеры, использующие глину, могли позволить себе инвестировать и выращивать больше и более качественную еду по сравнению с фермерами, не использующими глину. [41] [42]
Стены из бентонитового шлама (также известные как стены-диафрагмы [43] ) используются в строительстве, где стена из шлама представляет собой траншею, заполненную густой коллоидной смесью бентонита и воды. [44] Траншея, которая обрушилась бы из-за гидравлического давления в окружающем грунте, не обрушится, поскольку шлам уравновешивает гидравлическое давление. Формы для бетона и арматуру можно собрать в траншее, заполненной шламом, а затем залить бетон в форму. Жидкий бетон, будучи более плотным, вытесняет менее плотный бентонитовый шлам и заставляет последний выливаться из траншеи. Затем этот вытесненный бентонитовый шлам направляется в установку для переработки, из которой его впоследствии можно повторно использовать в новой траншее в другом месте на строительной площадке.
Кроме того, поскольку коллоид относительно непроницаем для воды, стена из шлама может предотвратить просачивание грунтовых вод, что полезно для предотвращения дальнейшего распространения грунтовых вод, загрязненных токсичными материалами, такими как промышленные отходы. [44]
Пластичность — это свойство глины, которое позволяет ей манипулировать и сохранять свою форму без растрескивания после того, как сила формования была удалена; глины с низкой пластичностью известны как короткие или непластичные . Небольшое количество бентонита, добавленное к глине, может повысить ее пластичность и, следовательно, облегчить формование изделий некоторыми методами формования. Однако бентонит обычно содержит минералы, которые влияют на обожженный цвет смеси, [26] и его свойства набухания могут сделать такую смесь склонной к значительной усадке и потенциальному растрескиванию по мере высыхания. [45]
Керамические глазури часто содержат бентонит. Бентонит добавляется для замедления или предотвращения осаждения глазури. Он также может улучшить однородность нанесения глазури на пористую посуду, обожженную в бисквите . После того, как определенное количество глазурной воды впитается в бисквит, бентонит эффективно закупоривает поры и препятствует поглощению дальнейшей воды, в результате чего получается более равномерное толстое покрытие. [27]
Бентонит используется в промышленности и при ликвидации чрезвычайных ситуаций в качестве химического абсорбента и герметика для контейнеров.
В 2018 году Китай был крупнейшим производителем бентонита, имея почти четверть мирового производства, за ним следовали США и Индия. Общее мировое производство составило 24 400 000 метрических тонн бентонита и 3 400 000 метрических тонн фуллеровой земли. [46] [7]
Большая часть высококачественного природного натриевого бентонита добывается на западе США в районе между Черными холмами в Южной Дакоте и бассейном Бигхорн в Вайоминге, а также в регионе Токат Ресадие в Турции. [11] Смешанный натриево-кальциевый бентонит добывают в Греции , Пакистане , Австралии , Индии , России и Украине .
В Соединенных Штатах кальциевый бентонит добывают в основном в Миссисипи и Алабаме . [11] Другими крупными местами добычи кальциевого бентонита являются Новая Зеландия, Германия, Греция, Турция, Индия и Китай.