بنتونیت ماده ای است معدنی از دسته رسها و از کانی های متورم شونده تشکیل شده است، که عموما حاوی مونتموریلونیت و به مقدار کم بیدلیت هستند. به همین دلیل، منظور از بنتونیت، رسی است که 90 درصد کانی مونتموریلونیت داشته باشد (کریم پور، 1378). نام مونتموریلونیت از نام محلی در جنوب فرانسه به نام مونتموریلون گرفته شده که دارای منابع بسیار زیادی بنتونیت است (کریم پور، 1378). مونتموریلونیت دارای ساختار و حفرات در ابعاد نانو می باشد و در واقع یک نانوساختار و نانوحفره می باشد که کلیه خواص بنتونیت را تحت تاثیر قرار می دهد.
ساختمان بنتونیت
بنتونیت یک فیلوسیلیکات آلومینیوم دار با فرمول زیر می باشد:
( Na,Ca)0.33 (Al,Mg)2Si 4O10 (OH)2. nH2o
که اساسا از مونتموریلونیت یا کانی های گروه اسمکتیت تشکیل شده است. کانی های گروه اسمکتیت شامل سری های دی اکتاهدرال و تری اکتاهدرال است. کانی های سری دی اکتاهدرال عبارت اند از: مونتموریلونیت، بیدلیت، نانترونیت. انواع تری اکتاهدرال شامل کانی های هکتوریت و ساپونیت است.
از خواص مهم کانی های خانواده اسمکتیت، جانشینی یونی، خاصیت شکل پذیری، انبساط و انقباض یونی آنها را میتوان نام برد. بر اثر هوازدگی در آب و هوای خشک اسمکتیت تشکیل می شود. در محیط های رسوبی رودخانه ای و دریاچه ای غالبا کائولینیت پایدار است، در صورتیکه در محیط های دریایی کائولینیت و اسمکتیت گاهی به ایلیت تبدیل می شوند. اسمکتیت از تریاس تا عهد حاضر یافت می شود و با افزایش عمق ابتدا به رس های بین لایه ای و سپس می تواند به ایلیت تبدیل شود (کریم پور، 1378).
اسمکتیت ها یکی از انواع خاک های رسی 2:1 هستند که به طور گسترده ای برای اهداف جذبی استفاده شده اند ( منظور از خاک های رسی 2:1، یک لایه آلومینیوم و دو لایه سیلیس میباشد). اسمکتیت ها انواع مشابهی دارند و میتوانند، شامل انواع هشت وجهی سه تایی و هست وجهی دوتایی باشند. اسمکتیت در واقع واژه ای عمومی است که چندین کانی معدنی را در بر میگیرد. خانواده مونتموریلونیت در طبقه اسمکتیت ها قرار میگیرد و معمول ترین خانواده خاک های رسی 2:1 می باشد.
خاک های رس مونتموریلونیتی عموما حاوی اشکال مورقی هستند که به قطر تقریبی 1 میکرومتر و ضخامت حدود 1 نانومتر می باشند که بعد از جذب آب، ضخامت آنها به 10 تا 20 نانومتر و در برخی به 40 نانومتر افزایش پیدا می کند.
انواع بنتونیت
بنتونیت عموما به دو نوع تقسیم می شود:
- سدیم مونتموریلونیت یا بنتونیت های متورم شونده (که نوع دارای بار الکتریکی پایین یا وایومینگ نیز خوانده می شود).
- کلسیم مونتموریلونیت یا بنتونیت های غیر متورم (که نوع دارای بار الکتریکی بالا یا چیتو نیز خوانده می شود).
بنتونیت های متورم یا بنتونیت های سدیم دار میتوانند چندین برابر حجم معمولی خود آب جذب کنند و منبسط شوند، به طوری که حالت ژله ای، پلاستیکی و چسبندگی به خود بگیرند. این نوع بنتونیت در صنعت، معمولا در سیالات حفاری و دوغاب (گل آب) دیواره ها استفاده میشود. میزان جذب یونی، شکل پذیری، انبساط و انقباض در کانی بنتونیت سدیم دار از نوع کلسیم دار آن بیشتر است. ابعاد شبکه بنتونیت سدیم دار و کلسیم دار، از 9.6 آنگستروم در حالت معمولی به 20 آنگستروم در صورتیکه رطوبت محیط صد در صد باشد، افزایش خواهد یافت. از طرفی هرچه بنتونیت دارای درصد بالاتری مونتموریلونیت باشد از خاصیت تورمی بیشتری برخوردار است (کریم پور، 1378). دلیلی که سدیم مونتموریلونیت به این نام خوانده میشود این است که سدیم را به عنوان فراوان ترین کاتیون قابل تبادل در خود دارد و ایجاد خاک رس تورمی می کند.
سدیم مونتموریلونیت دارای ظرفیت تبادل کاتیونی بالایی بوده و از کریستال های نازک و انعطاف پذیری برخوردار است. این خصوصیات سبب پخش و پراکنش سریع در آب، گرانروی آبی بالا و توانایی استثنایی تشکیل لایه های نازک می شود. سدیم مونتموریلونیت در هنگام تماس با رطوبت به چندین برابر حجم توده خشک اولیه، افزایش حجم پیدا میکند. با این وجود، از میان اشکال مختلف مونتموریلونیت کمترین فراوانی را دارد. کلسیم مونتموریلونیت که کلسیم را به عنوان عمده ترین کاتیون تبادلی در خود دارد، از ویژگی های جذبی مشابه با سدیم مونتموریلونیت برخوردار است. با وجود این، اگر یون سدیم در دسترس باشد کاتیون کلسیم میتواند جای خود را به سدیم بدهد (کریم پور، 1378)
مشخصات شیمیایی بنتونیت
بنتونیت در خانواده سیلیکات های صفحه ای و گروه اسمکتیت بوده و از نظر ساختمانی دارای ساختمان سه لایه ای هستند که یک لایه آلومینیوم اکتائدری (هشت وجهی) بین دو لایه سیلیس تترائدر (چهار وجهی) قرار میگیرد. بنتونیت دارای یون های سدیم و کلسیم می باشد که کاتیون های قابل مبادله هستند (سالاری، 2006).
فراوری بنتونیت
بعد از استخراج، ابتدا بنتونیت را به قطعات کوچک تبدیل می کنند تا آب و مواد فرار آن از 30 تا 50 درصد به 7 تا 8 درصد کاهش یابد. سپس آن را با آسیاب میله ای یا چکشی خرد کرده، گاهی آن را در خشک کن چرخان نیز میریزند. در بیشتر موارد بنتونیت با دانه بندی 90 % ذرات 75 میکرومتر، داد و ستد می شود، ولی انجام عملیات بیشتر بر روی آن نیز امکان پذیر است. فراوری بنتونیت با اسیدهای غیر آلی، سبب حل مواد ناخالص شده و حاصل آن از هم بازشدن ورقه‌ها، افزايش قطر منافذ باز و افزايش سطح مونتموريلونيت است. درجة اين تغييرات به مونتموريلونيت، نوع اسيد و دما و مدت زمان تماس بستگي دارد.
خواص فیزیکوشیمیایی بنتونیت
خصوصیات ظاهری
بنتونیت دارای رنگ سفید مایل به خاکستری شیری و گاهی مایل به سبز میباشد. وزن مخصوص آن حدود 2/2 تا 2/6 گرم بر سانتی متر مکعب و خاصیت تبادل کاتیونی آن ١٠٠ تا ٢٠٠ میلی اکی والان، به ازاء هر ١٠٠ گرم است. در صورتی که ذرات بنتونیت همراه کانی‌های دیگر مثل آتاپولگایت به‌شکل ذرات میله ای یا سوزنی شکل درآمده باشد، دارای خلل و فرج بیشتر و وزن مخصوص کمتر است (اسکندرپور، ١٣٨٠). پیوند میان ورقه‌ها در بنتونیت، پیوند ضعیف واندروالسی است. درنتیجه لایه‌ها به راحتی روی یکدیگر می‌لغزند و در اثر لمس کردن، به حالت چرب مانندی حس می‌شوند.
در اثر همین خاصیت، موقعی که در محیط آبی قرار می‌گیرند، مولکول‌های آب به راحتی در‌بین لایه‌ها قرار گرفته به گونه ای که هر ذره تا ٢٠ برابر متورم میشود (رالف، ١٩٦٨). دلیل اصلی تورم بنتونیت‌ها، جذب آب در لایه‌های سطحی به واسطه هیدراسیون کاتیون‌های قابل تبادل است. در مرحله بعد، لایه‌های شبکه درنتیجه نیروی دافعه مشابه با فشار اسمزی از هم جدا می‌شوند که این مرحله به‌نام تورم اسمزی معروف است. طبیعت کاتیون‌های قابل تبادل نقش عمده ای را در جذب آب ایفا کرده که خود ناشی از هیدراسیون این کاتیون‌ها میباشد (اُلپِلن، ١٩٧٢).
خاصیت جذبی بنتونیت و عوامل موثر بر آن
عنصر مرکزی در ساختمان چهار وجهی، سیلیس ولی در ساختمان هشت وجهی، آلومینیوم است. البته گاهی در ساختمان چهار وجهی به جای یون۴+Si، یون 3+AL می‌نشیند. درنتیجه، در سطح ذرات، کمبود بار مثبت وجود دارد. این کمبود بار میتواند بوسیله یون‌های بزرگ سدیم، پتاسیم، کلسیم یا حتی یون‌های آلی باردار مثل برخی پروتئین‌ها و اسیدهای آمینه، جبران و یا حتی جایگزین یون‌های قبلی شود. این جایگزینی، ساختمان بنتونیت را تحت‌تاثیر قرار نمی‌دهد (اُلپِلن، ١٩٧٢؛ رالف، ١٩٦٨؛ ویلسون، ١٩٩۴). به‌دلیل وجود این بارهای منفی در سطح، بنتونیت دارای خاصیت جذبی میباشد.
به‌طورکلی این بارهای منفی ناشی از جانشینی ایزومورف در داخل شبکه، باندهای شکسته روی لبه ذرات و جذب ترجیحی یون‌های مشخص بر روی سطح ذرات است. عامل اول دلیل اصلی ایجاد بار در سطح ذرات است و هیچ وابستگی به PH و سایر عوامل محیطی ندارد ولی موارد دوم و سوم به PH محلول، سطح الکترولیت و ظرفیت یونی عامل مخالف (عنصر یا ترکیب دارای بار مثبت) بستگی دارد (رالف، ١٩٦٨).
به علت وجود بارهای منفی در سطح ذرات رس، این ذرات دارای خاصیت اسیدی یا باز لوئیس هستند. کاتیون‌هایی که در‌بین لایه‌ها قرار می‌گیرند، عامل خاصیت اسیدی بوده و لایه‌های سیلیکاتی عامل خاصیت بازی هستند. در صورتی که بار الکتریکی مربوط به لایه هشت وجهی باشد، بنتونیت به‌عنوان باز ضعیف و در صورتی که مربوط به لایه چهار وجهی باشد، به‌عنوان باز قوی عمل میکند. بر این مبنا، باز قوی با اسید قوی و باز ضعیف با اسید ضعیف، پیوند برقرار میکند (ژو، ١٩٩٢). نوع پروتئین نیز در جذب توسط بنتونیت مهم است. آچیراندیو و همکاران (٢٠٠٢)، برای سه نوع پروتئین، خاصیت جذبی انتخابی توسط بنتونیت را مورد بررسی قرار دادند. سه نوع پروتئین مورد آزمایش آلبومین سرم گاوی، آلبومین تخم مرغ و لیزوزیم بود.
بنتونیت در حالت عادی هر سه نوع پروتئین را به یک نسبت جذب کرده ولی با بالا رفتن غلظت اتانول در محلول، جذب آلبومین سرم گاوی توسط بنتونیت افزایش یافت این پدیده ممکن است تغییری در ساختمان بنتونیت پدید آورده باشد که ورود آلبومین را به درون آن افزایش می‌دهد. این اثر برای مولکول لیزوزیم که کوچک‌تر است و به راحتی میتواند وارد ساختمان بنتونیت شود، کمتر بود. در عین حال یون‌های آلی بزرگ، محکم تر از یون‌های مثبت غیر آلی و حتی هیدروژن، جذب سطح ذرات بنتونیت می‌شوند (رالف، ١٩٦٨). دیاز و همکاران (٢٠٠٢) عنوان کردند که بنتونیت سدیم، ظرفیت اتصال بالایی دارد. برای مثال بنتونیت میتواند با ید باند شده و مقادیر هورمون تیروکسین را کاهش دهد.
pH محیطی که بنتونیت در آن قرار میگیرد، بر میزان جذب برخی ترکیبات موثر بوده است. این موضوع در برخی موارد به ساختمان یونی که می‌خواهد جذب شود، ارتباط پیدا میکند. به‌عنوان‌مثال آلومینیوم در pH پایین تر از ۵ به‌شکل AL+3 ولی در pH بالاتر از ۵ در حدود ٨ به‌شکل –AL(OH) میباشد. بنابراین در pH پایین تر، ترکیبات دارای بار مثبت، راحت‌تر جذب بنتونیت می‌شوند. در‌خصوص برخی از ترکیبات مثل فسفات نیز حداکثر جذب آن توسط بنتونیت در pH بین 5/2 تا 6/1 اتفاق می‌افتد. وجود برخی از عناصر در محیط مایع مجاور بنتونیت خاصیت جذبی آن را تحت‌تاثیر قرار می‌دهد. به‌عنوان‌مثال در محیط اسیدی وجود یون‌های کلسیم به‌شدت ظرفیت جذب یون‌های فسفات را افزایش می‌دهند. در pH قلیایی نیز همزمان با افزایش غلظت یون کلسیم، غلظت یون فسفات به‌دلیل تشکیل فسفات کلسیم کاهش می‌یابد و نهایتا یون فسفات جانشین SiO4 و –OH در ساختمان بنتونیت میشود.
زمانی که بنتونیت از آهن اشباع شده باشد، ابقاء فسفات نیز توسط ساختمان بنتونیت افزایش یافته و از حالت تبادلی خارج میشود. همچنین وجود کربنات کلسیم در مجاور بنتونیت در محیط محلول، سرعت جذب بنتونیت را ٢٢ تا ٢۵ درصد افزایش می‌دهد. با کاهش pH محیط، ویسکوزیته محلول بنتونیت کاهش می‌یابد این امر سبب افزایش میزان روان روی محلول خواهد شد. همچنین کاهش pH محیط سبب افزایش خاصیت بازی پروتئین شده و درنتیجه سبب جذب بهتر آن به‌عنوان کاتیون می‌گردد (وِلدی، ١٩٩٢). برای این موارد هر چه تراکم بار در سطح کانی بیشتر باشد، ذرات باردار محکم تر به سطح آن جذب خواهند شد. بر همین مبنا، به‌دلیل وجود بار بیشتر در سطح مونتموریلونیت، هر چه میزان مونتموریلونیت در بنتونیت بالاتر باشد، خاصیت جذبی آن بالاتر می‌رود (رالف، ١٩٦٨).
