База знаний: БЕНТОНИТ

Бентонит - это минеральные образования, относящиеся к классу алюмосиликатов. Бентониты обладают высокой дисперсностью с размером кристаллов на уровне менее 1 мкн. и, вследствие этого, имеют большую удельную поверхность. Особенности кристаллохимического строения бентонитов обуславливают наличие на их поверхности ионообменных катионов, активно влияющих на физико-химические свойства минералов.

Практически во всех технических изданиях начала 20 века при рассмотрении бентонитов фигурируют два названия: фуллеровы земли и бентониты. К фуллеровым землям со времен Римской империи относили глины, способные поглощать дисперсные частицы различных размеров. Такие глины употребляли для очистки от жира шерсти, используемой для изготовления сукна. Фуллер (fuller) с английского переводится как сукновал. Было установлено, что в природе встречается два типа сукновальных глин: первый используется в естественном виде, а второй после химической обработки или активации. Крупные скопления глин второго типа были найдены вблизи форта Бентон (США), вследствие чего и получили название бентонит. Более поздние минералогические исследования показали, что и фуллеровы земли и бентониты имеют практически одинаковый минеральный состав.

Строение и состав

        Бентонит - порода, состоящая в основном из смектитовых минералов. В группу смектитов входит несколько минералов: монтмориллонит, бейделлит, нонтронит и ряд менее распространенных. Кристаллическая решетка всех смектитов состоит из слоев. В элементарную ячейку входят 3 слоя, которые образуют пакет: крайние верхний и нижний слои пакета состоят из тетраэдров AlO4,SiO4 и называются тетраэдрическими. Между тетраэдрическими слоями расположен слой, состоящий из октаэдров Al и Fe, названный октаэдрическим. Трехслойный пакет имеет отрицательный заряд, обусловленный замещением трехвалентных элементов (Al,Fe) в октаэдрическом слое на двухвалентные элементы (Мg,Fe) или четырехвалентного Si на трехвалентный Аl в тетраэдрическом слое. Возможен вариант, когда отрицательный заряд пакета обусловлен реакциями замены, как в октаэдрическом, так и тетраэдрическом слоях. Благодаря отрицательному заряду, на поверхности пакета располагаются положительные одно-, двух- и трехвалентные катионы. Это, главным образом, Na, K, Ca, Mg и Fe. В результате взаимодействия с водой вокруг этих катионов могут образовываться гидратные оболочки и агрегат пакетов при этом набухает. Характерно, что объем гидратной оболочки для разных катионов различен. Наибольшей гидратирующей способностью обладают ионы щелочных металлов и в первую очередь натрий. Существенно меньшей гидратирующей способностью обладают ионы щелочноземельных металлов: кальция и магния.
    Указанная особенность смектитов набухать, увеличиваясь в объеме в 2-20 раз является чрезвычайно важным свойством для их промышленного использования. Среди смектитов наиболее высокой набухающей способностью обладает монтмориллонит, в котором главным обменным катионом является Na. Такие бентониты называются щелочными. Бентониты, в которых среди обменных катионов преобладает Са, получили название кальциевых. Кроме Са в монтмориллоните в значительном количестве может присутствовать Mg. В некоторых бентонитах магний занимает преобладающее положение по отношению к кальцию. Наиболее часто встречаются кальциево-магнезиальные (щелочноземельные) разновидности. Кальциевые и кальциево-магнезиальные бентониты можно перевести в разряд натриевых путем их обработки растворами натриевых солей. Такие натриевые бентониты называются активированными, а процесс ионообменного замещения - активацией.
     В соответствии с требованиями современной промышленности к классическим бентонитам относится монтмориллонитовая глина, в которой содержание монтмориллонита составляет более 70%. Если глина на 80-90% состоит из смешанослойных минералов, в которых содержание монтмориллонитовых слоев превышает 70 %, то ее можно относить к бентонитам, но с несколько другим названием: гидрослюдистый (иллитовый) или калиевый бентонит. Все глины с содержанием монтмориллонита менее 70 % или в которых вместо монтмориллонита присутствует какой-либо другой минерал из группы смектитов следует относить к бентонитоподобным глинам или "бентоноидам".

Общими свойствами бентонитовых глин являются дисперсность, адсорбция, набухаемостъ и связующая способность.

Типовой химический состав бентонита, %

Al₂O₃	SiO₂	TiO₂	CaO	Fe₂O₃	K₂O	Na₂O	SO₃	MgO	CO₂	FeO	п.п.п
15,60	52,46	0,65	1,65	3,67	0,24	0,62	0,30	3,96	0,51	следы	20,27

По химическому составу различают два вида бентонитов:
• щелочные - с преобладанием обменного натрия;
• щелочноземельные - с преобладанием обменного кальция.

Сферы применения бентонитовой глины

Бентонитовая глина – один из ценных ископаемых материалов, нашедший свое применение в самых разных областях человеческой деятельности. Другое ее название – сукновальная глина, что связано с использованием таких глин для обезжиривания сукна. В современной промышленности бентонитовая глина используется, главным образом, в металлургии - для формирования железнорудных окатышей и изготовки формовочных смесей. Не менее важно использование бентонитовых глин при приготовлении буровых и строительных растворов, средств очистки нефтепродуктов, а также в качестве сырья для производства тепло- и гидроизоляционных материалов.

В чистом виде бентонитовая глина используется редко, чаще всего в промышленности и других областях хозяйства применяются бентонитовые глинопорошки, которые являются продуктом сушки и тонкого помола природной бентонитовой глины с сохранением всех её коллоидно-химических свойств.

Бентонитовый глинопорошок имеет ряд преимуществ перед комовыми глинами: диспергирование (набухание) мелких частиц происходит быстрее и полнее; транспортировка глинопорошка, особенно на большие расстояния, обходится дешевле; широко используется механизация и автоматизация процессов приготовления растворов.

Качество бентопорошков и отнесение их к различным маркам определяется, во-первых, качеством исходной глины, во-вторых, методами технологической переработки. В процессе производства возможна модификация или повышение качества глинопорошков путем обработки глин различными реагентами во время помола. Например, значительно улучшают качество бентопорошков введение кальцинированной соды Na₂CO₃ и акриловых полимеров. Эффект модификации выражается в повышении вязкости глинистой суспензии за счет дополнительного диспергирования глины, увеличения объема связанной воды, вязкости дисперсионной среды и усиления гелеобразования.

Бентонитовые глинопопрошки добавляют в состав полимерных материалов, примешивают к бетонам для повышаения водоадгедиозных характеристик.

На основе бентонитового порошка производятся наиболее доступные по стоимости буровые смеси, обладающие высокими эксплуатационными свойствами и обеспечивающие отличные результаты при вертикальном или горизонтальном бурении. Хотя глина не является единственным компонентом бурового раствора, можно, тем не менее, утверждать, что такие важные характеристики, как вязкостные, структурирующие и фильтрационные существенно зависят от содержания и коллоидно-химических свойств глинопорошка. Очевидно, качество глинопорошка тем лучше, чем при меньшем содержании глинистой фазы он образует дисперсию с заданными свойствами. Это равнозначно определению качества глинопорошков по величине выхода раствора (ВР) с нормированным минимальным значением эффективной вязкости. Его влияние, непосредственно на технико-экономические показатели бурения, определяется изменением механической скорости бурения и расхода химических реагентов. Кроме того, ВР влияет и на величину эксплуатационных затрат буровых предприятий по статье транспортные расходы.

Бентонитовые глинопорошки в сочетании с огнеупорными материалами – основное сырьё для изготовления природных формовочных смесей, применяемых в металлургической промышленности. Формовочной называется смесь песчано-глинистых и огнеупорных материалов, которая используется для изготовления разовых и полупостоянных форм. Основные свойства, такие как формуемость, газопроницаемость, прочность, газопроницаемость, огнеупорность, обеспечиваются определенным сочетанием компонентов и качеством их смешения. Прочной форма будет, если соотношение глины и влаги в смеси не нарушено. Чем больше глины, тем лучше склеивание между частицами, и тем прочнее будет форма. Размер зерен песка, количество глины и влаги определяют пластичность формовочной смеси. На огнеупорность влияют размер зерен песка и его химический состав. Чем больше зерна, тем сложнее металлу оплавлять их, то есть огнеупорность выше. Формовочные смеси на основе бентонитовой глины отличаются высокой прочностью, оптимальной газонепроницаемостью, при этом легко формуются и экологически чисты.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ: