SERVICIO GEOLÓGICO MINERO ARGENTINO (SEGEMAR)
BENTONITAS
Propiedades y usos industriales
CUADERNO TECNOLÓGICO Nº 3 SEGEMAR
Autor ROBERTO HEVIA
Junio de 2007
SERVICIO GEOLÓGICO MINERO ARGENTINO (SEGEMAR)
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BENTONITAS
Propiedades y usos industriales
ROBERTO HEVIA
INDICE
1. INTRODUCCIÓN 2. COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA 3. PROPIEDADES FISICO-QUÍMICAS 4. CLASIFICACIÓN DE BENTONITAS 5. APLICACIONES INDUSTRIALES 6. ENSAYOS, ESPECIFICACIONES Y NORMAS 7. YACIMIENTOS EN LA ARGENTINA
El contenido de este documento es responsabilidad exclusiva del autor y en ningún caso se debe considerar que refleja la opinión de la Unión Europea.
1. INTRODUCCIÓN
Antiguamente se conocían algunas aplicaciones de las denominadas bentonitas. Ya los romanos aprovechaban las propiedades de la "Tierra de Bataneros", tanto en cerámica, como en la limpieza de tejidos y como desengrasante, por sus propiedades jabonosas. Unos siglos antes, los egipcios y los griegos, también aplicaron estos mismos productos en idénticas o similares utilizaciones.
En la Edad Media se tienen noticias de que por las calles de París se vendían las Tierras Esmectíticas como un producto desengrasante. Es probable que como tales se comercializaran arcillas de alto poder coloidal.
El término "bentonita" fue aplicado por primera vez por el geólogo norteamericano Knight en 1898, a una clase de arcilla muy particular que tenía propiedades jabonosas, que poseía una gran plasticidad y era altamente coloidal. Esta arcilla procedía de la Formación Benton Shale, en el Cretácico de Wyoming, USA .
Esta roca estaba dotada particularmente de la facultad de hincharse aumentando varias veces su volumen cuando se ponía en contacto con el agua, y además de formar geles tixotrópicos cuando se añadía en pequeñas cantidades al agua.
mica de un material vítreo, ígneo, en la mayoría de los casos una toba o ceniza volcánica.
Tal vez la mejor definición de bentonita como mineral industrial es la dada por R.E. Grim en la Conferencia Internacional de Arcillas (AIPEA) en Madrid en 1972: "Bentonita es una arcilla compuesta esencialmente por minerales del grupo de las esmectitas, con independencia de su génesis y modo de aparición" . Desde este punto de vista la bentonita es una roca compuesta por varios minerales, aunque son las esmectitas sus constituyentes esenciales (montmorillonita y beidellita ), que confieren las propiedades características a la roca, acompañadas por otros minerales menores como: cuarzo , feldespato, mica, illita y caolin.
La denominación montmorillonita, se debe a que el primer yacimiento que se descubrió en Europa, está ubicado en la localidad de Montmorillón, al sur de Francia.
Yacimientos de bentonita de Wyoming, USA
Las propiedades físicas de estas arcillas (especiales) de Wyoming le dieron rápidamente un alto valor comercial y sus usos en lodos para sondeos, aglomerante de arenas de moldeo, decoloración de aceites, etc. originaron un desarrollo de un gran complejo industrial en Wyoming, lo que por otra parte indujo a la búsqueda de nuevos yacimientos. Pronto fueron encontradas bentonitas en Misissipi, Texas, Arizona y California, como así también en Inglaterra, Alemania, Italia, España, Rusia y Japón.
Es notable, que antes de tener un nombre propio, de estas destacadas arcillas, ya se conocían algunas de sus propiedades y usos, como lo demuestra el hecho, que en 1888 se hizo desde Rock Creek, Wyoming, el primer embarque con interés comercial.
Posteriormente, con el nombre de "bentonita" se definió a la roca compuesta esencialmente por un mineral arcilloso formado por la desvitrificación y la alteración quí-
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2. COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA
La familia de las arcillas son filosilicatos hidratados, que se presentan en cristales muy pequeños ( <4-8 m) y principalmente en forma de láminas hexagonales (figura 1) (mazo de naipes), es decir son silicatos cuya estructura está compuesta por capas
Figura 1: Láminas hexagonales de arcilla
Los minerales que integran la familia de las arcillas son muy numerosos y han sido el motivo de muchísimos estudios científicos, pero hay dos grupos que monopolizaron la mayoría de los trabajos. Se trata del grupo de las caolinitas o kanditas (minerales del caolín) y de las esmectitas (montmorillonita).
Los aspectos estructurales, fisicoquímicos, de composición, génesis, tipo de yacimientos, propiedades tecnológicas, usos, etc. han sido profundamente estudiados, porque dentro del grupo de las arcillas, son los que mayor interés económico presentan.
Estructuralmente estos dos grupos se diferencian en: 1) Capas bilaminares: ej: caolinita 2) Capas trilaminares: ej: illita, montmorillonita, clorita, etc.
Grupo de las caolinitas: tiene una estructura atómica que está formada por capas bilaminares de óxidos de Si+4 coordinados tetraédricamente y óxidos de Al+3 coordinados octaédricamente (Figura 2). Se caracterizan por tener una elevada estabilidad química, debido a que tienen un menor intercambio atómico en la estructura, y que la unión entre las capas se realiza por medio de fuerzas de Van derWaals y no existe posibilidad de intercalación de moléculas de agua, moléculas orgánicas u otros iones minerales
La estructura básica se compone de átomos de oxígeno dispuestos en forma que dan lugar a capas alternadas de huecos tetraédricos y octaédricos.
Grupo de las esmectitas (bentonitas): se caracteriza por estar formado por capas trilaminares, constituidas por dos láminas de tetraedros de Si+4 unidas entre ambas por una capa de octaedros de Al+3 , es decir presenta una estructura de superposición de capas: tetraédrica - octaédrica - tetraédrica (Figura 3).
Figura 2: Estructura bilaminar caolinitica
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Sílice
Oxígeno
Alúmina
Oxihidrilo
Figura 3: Estructura trilaminar esmectitica
En el retículo de las capas trilaminares se producen muchas sustituciones isomorfas, es decir el reemplazo de iones de igual radio atómico, pero de distinta valencia. Como ser la sustitución de Al3+ por Mg2+ o Fe2+ en las capas octaédricas y la sustitución de Si4+ por Al3+ en las capas tetraédricas. Esto origina un desbalance eléctrico y aumenta notablemente la reaccionabilidad del mineral.
Los enlaces dentro de cada capa son mucho más estables que los existentes entre capas vecinas, es decir las capas trilaminares se unen entre sí por débiles ligaduras que son liberadas por simple hidratación, dejando más superficie reactiva libre y produciendo un aumento del espaciado reticular y por lo tanto un hinchamiento del mineral. A este hecho se debe la exfoliabilidad de estos minerales, que consiste sencillamente en separar entre si las láminas contiguas.
Cuando el Al+3 del estrato octaédrico es totalmente reemplazado por Mg+2, el mineral se llama saponita, y si el Al+3 es reemplazado por Fe+3 se llama nontronita. La montmorillonita pobre en Mg, con gran sustitución del Si por Al, se llama beidellita
Por esta razón los minerales que integran este grupo, pueden formar dos subgrupos: a) Denominado montmorillonitas aluminosas: montmorillonita y beidellita b) Denominado montmorillonitas magnésicas: hectorita y saponita
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3. PROPIEDADES FISICO-QUÍMICAS
En forma natural, la bentonita es una roca blanda, que tiene aproximadamente la consistencia de un caolín, es decir friable y untuosa. Generalmente tiene un color beige claro a oscuro, amarillo verdoso y excepcionalmente blanco cremoso o verdoso.
Las innumerables e importantes aplicaciones industriales de este grupo de minerales se basan en sus propiedades físico-químicas: superficie específica, capacidad de intercambio catiónico, capacidad de absorción, hidratación e hinchamiento y plasticidad.
Estas propiedades que caracterizan a una bentonita se derivan de: a) Tamaño de partículas extremadamente pequeñas (menores a 2 m) b) Sustituciones isomorfas, que propician la formación de cargas laminares y la pre-
sencia de cationes hidratados, débilmente ligados en el espacio interlaminar (exfoliabilidad) c) Elevado potencial eléctrico d) Alta relación superficie a espesor
Foto de microscopía electrónica de una bentonita sódica
Foto de microscopía electrónica de una bentonita cálcica
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En las fotos se aprecia la diferente reactividad con el agua de una bentonita sódica respecto de otra cálcica.
3.1. SUPERFICIE ESPECÍFICA
La superficie específica de un área superficial de una bentonita, se define como el área de la superficie externa, más el área de la superficie interna de las partículas constituyentes, por unidad de masa, expresada en m2/g.
En la tabla siguiente se muestran valores comparativos de superficies específicas de algunos minerales respecto de la montmorillonita
MINERALES DE LA FAMILIA DE ARCILLAS
Caolinita de elevada cristalinidad Caolinita de baja cristalinidad Halloisita Illita Sepiolita Montmorillonita Paligorskita
SUP. ESPEC. m2/g
15 50 60 50 100-240 80-300 100-200
3.2. CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIÓNICO
Esta es una propiedad característica de las bentonitas, que son capaces de intercambiar fácilmente, los iones fijados en la superficie exterior de los cristales, en los espacios interlaminares, o en otros espacios interiores de las estructuras, por otros existentes en las soluciones acuosas envolventes. Como se mencionó anteriormente, esto está vinculado al desbalance de cargas en la estructura atómica y la débil fijación de cationes en la superficie exterior de sus cristales, en los espacios interlaminares, o en otros espacios interiores de las estructuras.
La capacidad de intercambio catiónico se puede definir como la suma de todos los cationes de cambio que un mineral puede adsorber a un determinado pH. Es equivalente a la medida del total de cargas negativas del mineral. Estas cargas negativas pueden ser generadas de tres formas diferentes:
a) Sustituciones isomorfas dentro de la estructura b) Enlaces insaturados en los bordes y superficies externas c) Disociación de los grupos de hidroxilos accesibles
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El caso a) es conocido como carga permanente y supone un 80% de la carga neta de la partícula; además es independiente de las condiciones de pH y actividad iónica del medio.
El caso b) y c) varían en función del pH y de la actividad iónica. Corresponden a bordes cristalinos, químicamente activos y representan estimativamente el 20% de la carga total de la partícula.
En la siguiente tabla se exponen valores comparativos de la capacidad de intercambio catiónico de algunos minerales respecto de la montmorillonita
MINERALES DE LA FAMILIA DE LAS ARCILLAS
Caolinita Halloisita Illita Clorita Vermiculita Montmorillonita
C.I.C. meq/100g
3-5 10-40 10-50 10-50 100-200 80-200
3.3. CAPACIDAD DE ABSORCIÓN
La capacidad de absorción de una partícula está directamente relacionada con las características texturales (superficie específica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos de procesos que difícilmente se dan en forma aislada:
a) ABSORCIÓN: cuando se trata fundamentalmente de procesos físicos como la retención por capilaridad
b) ADSORCIÓN: cuando existe una interacción de tipo químico entre el adsorbente, en este caso la bentonita, y el líquido o gas adsorbido, denominado absorbato
La capacidad de absorción se expresa en porcentaje de absorbato con respecto a la masa absorbente.
3.4. HIDRATACIÓN E HINCHAMIENTO
Una de las propiedades más distintivas de la bentonita es su capacidad de hincharse considerablemente en agua, formando masas gelatinosas. Este fenómeno ocurre por la hidratación del espacio interlaminar, y depende a la naturaleza del catión interlaminar y de la carga de la lámina.
A medida que se intercalan capas de agua y la separación entre las láminas aumenta, las fuerzas que predominan son de repulsión electrostática entre láminas, lo que contribuye a que el proceso de hinchamiento pueda llegar a disociar completamente unas láminas de otras. Cuando el catión interlaminar es el sodio, las bentonitas tienen una
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gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la completa disociación de cristales individuales de bentonita, teniendo como resultado un alto grado de dispersión y un máximo desarrollo de propiedades coloidales. Si por el contrario, tienen Ca o Mg como cationes de cambio su capacidad de hinchamiento será mucho más reducida.
Para que una arcilla pueda ser considerada como bentonita , en el sentido comercial de la palabra, debe hincharse aumentando por lo menos cinco veces su volumen. Normalmente una bentonita de buena calidad se hincha en agua de 10 a 20 veces su volumen; en casos excepcionales esta relación llega a 30.
3.5. PLASTICIDAD
Las arcillas y particularmente las bentonitas son destacadamente plásticas. No obstante se admite que la bentonita contiene de 20 a 40 veces mayor cantidad de materias arcillosas en forma coloidal que las arcillas plásticas usuales; por ello ejerce, incluso en pequeñas proporciones, una acción considerable sobre la plasticidad de los materiales cerámicos, aumentándola significativamente.
En comparación con una arcilla plástica, puede admitirse que la bentonita contiene de 80 a 90% de partículas coloidales, mientras que aquella contiene de 40 a 45% como máximo
Esta propiedad se debe a que el agua forma una envoltura sobre las partículas laminares produciendo un efecto lubricante que facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas
3.6. TIXOTROPÍA
Este es un fenómeno conocido únicamente en suspensiones coloidales, y se dice que una substancia presenta el fenómeno de la tixotropía, cuando la aplicación de un esfuerzo deformante, reduce su consistencia, entendiéndose por consistencia, el grado de resistencia que ofrece la mezcla a fluir o a deslizarse. La resistencia suele llamarse también viscosidad.
La palabra "tixotropía" deriva del griego "thixis" que significa cambio, y se emplea para describir el fenómeno mediante el cual, las partículas coloidales en estado de reposo forman geles (de apariencia sólida), y cuando estos geles se someten a enérgicas agitaciones, se destruyen y forman fluidos viscosos. Cuando la agitación se detiene y la suspensión permanece inmóvil, se regeneran las características del gel original.
Las partículas coloidales son atrapadas en una posición de equilibrio eléctrico cuando se forma el gel, balanceándose de este modo todas sus cargas, mediante la acción de los cationes del medio, que son capaces de mantener a las partículas negativas de arcilla con cierta separación. Cuando una agitación enérgica rompe la orientación de los cationes y aumenta la distancia que separa a las partículas de bentonita, se pompe el equilibrio estructural formado anteriormente y la consistencia disminuye; esta consistencia se regenera paulatinamente, cuando la suspensión pasa al estado de reposo.
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4. CLASIFICACIÓN DE BENTONITAS
Los criterios de clasificación empleados por la industria se basan en su comportamiento y propiedades físico-químicas, siendo la siguiente clasificación la más utilizada:
a) BENTONITAS NATURALES ALTAMENTE HINCHABLES (SÓDICAS) Están constituidas por montmorillonita que contiene naturalmente iones intercambiables de sodio. Estas bentonitas son usadas en lodos para perforación y como ligante en la peletización de mineral de hierro.
b) BENTONITAS NATURALES POCO HINCHABLES (CÁLCICAS) Están constituidas por montmorillonita que contiene principalmente iones intercambiables de calcio. Este tipo tiene menor capacidad de hinchamiento que las variedades sódicas. Esta cualidad es particularmente importante para el uso en pastas cerámicas.
c) BENTONITAS CON ACTIVACIÓN ALCALINA Son bentonitas que se obtienen por el intercambio de cationes alcalino-térreos por cationes alcalinos en la montmorillonita. Esta activación provoca una mayor plasticidad, viscosidad y tixotropía de la bentonita, como así también una gran capacidad de hinchamiento
d) Bentonitas con activación ácida Están constituidas por montmorillonitas cálcicas que han sido tratadas con ácido clorhídrico o sulfúrico para remover impurezas, reemplazar iones intercambiables por hidrógeno, incrementar su área superficial y mejorar sus propiedades de absorción y adsorción.
e) BENTONITAS ORGANOFÍLICAS Son montmorillonitas que tienen sus iones intercambiables reemplazados con iones orgánicos, tales como, por ejemplo: compuestos de aminas cuaternarias.
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5. APLICACIONES INDUSTRIALES
Las propiedades de la bentonita no dependen sólo del mineral esmectítico predominante sino también de su grado de cristalinidad, del tamaño de los cristales, etc. y por lo tanto las propiedades pueden variar enormemente, por lo cual el campo de las aplicaciones es amplio y las especificaciones para cada caso son muy particulares.
La bentonita es uno de los minerales industriales que posee la más amplia gama de aplicaciones y por las posibilidades que brinda para obtener un alto valor agregado a través de su activación, puede alcanzar en casos puntuales valores de venta que superen a cualquier otro mineral. Un ejemplo lo constituyen las bentonitas organofílicas utilizadas en la industria de la pintura, o las activadas en medio alcalino para farmacopea y cosméticos.
Por sus variadas propiedades, las diferentes industrias la utilizan en estado natural o activadas.
Se comercializa en diferentes formas: en bruto, triturada, molida en diferentes mallas según el destino final, o activadas.
Una síntesis de los diferentes usos, en función del tipo de bentonita seleccionada, se expone a continuación en la siguiente tabla
Usos de los tipos de bentonita
INDUSTRIA FUNDICIÓN PETROLERA ALIMENTICIA QUÍMICA
CERÁMICA CONSTRUCCIÓN FARMACEUTICA MINERA ACEITE /GRASA COMESTIBLE LIMPIEZA BREA-ALQUITRÁN
PINTURA
BENTONITA NATURAL Ca++ , Mg++
---
BENTONITA NATURAL Na+ ,
BENTONITA ACTIVADA (alcalina)
Componente en arenas para moldeo
Agente tixotrópico
Refinación de azucar, clarificación de vinos y jugos
Carga
--
--
p/caucho/
plástico
Pastas
Esmaltes
--
Plastificante en concretos, sellador, lubricante
Materia prima para tierras medicinales, ungüentos y cosméticos
Peletización de minerales
Refinación,
--
--
decoloración
purificación
Aditivo en jabones
--
--
--
--
--
--
BENTONITA ACTIVADA (ácida)
---
Catalizadores Cargas para Caucho/plást. ---
--Refinación, decoloración purificación ---
--
BENTONITA ORGANOFILICA
-Tixotrópico (fluidos no iónicos) ---
---
---
-Estabilizador de suspensiones de alquitrán Estabilizador y extendedor
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Según la estadística minera de 2003-2005, la demanda de bentonita por usos es la siguiente:
Petróleo: 53% Fundición: 23% Alimentos balanceados: 7% Bentonita activada: 5,4% Pelletizaciones: 5,2% Clarificantes: 2,4% Cerámica: 2% Obras públicas: 1% Otros: 1%
LODOS DE PERFORACIÓN (INDUSTRIA PETROLERA)
En las perforaciones por el método de rotación, se usan lodos o fluidos bentoníticos. Estos son bombeados por el agujero del vástago hasta el fondo del pozo circulando luego hacia la superficie por el espacio anular existente entre las barras y la pared del pozo, llevando los fragmentos cortados por la broca, cuando llegan a la superficie son conducidos a una cubeta donde se remueven las partículas y el fluido continúa circulando.
Por efecto de la tixotropía que tiene cualquier suspensión de bentonita, que provoca la floculación de las partículas en estado de reposo, los geles de dicho mineral tienen el objetivo de: lubricar la herramienta cortante, construir una película impermeable en la pared del pozo que impida la penetración del agua del barro en las formaciones atravesadas, y dar cierta cohesión a los sedimentos no consolidados para controlar la abrasión de las paredes por las barras durante la perforación.
Para todo esto se necesita que la suspensión de bentonita tenga un gran poder de gelificación, que tenga la mayor viscosidad posible para facilitar la remoción de los fragmentos rocosos y que la propiedades tixotrópicas sean destacadas para impedir que las partículas se asienten en el fondo cuando el bombeo cesa temporariamente.
El principal uso de las bentonitas sódicas es en los lodos de perforación, no obstante en ciertos lodos donde se requiere que el fluido sea no polar, se usan como componente gelificante las bentonitas organofílicas. En síntesis, hay dos tipos de lodos: lodos de base acuosa que contienen entre 2 y 5% de bentonita natural y lodos de base oleosa que contienen entre 1 y 2% de organobentonitas.
Se han desarrollado diversos tipos de lodos cuya elección depende de : la formación geológica, la presión de la formación, la temperatura de profundidad del pozo, la profundidad del pozo y del tipo de perforación utilizada.
ARENAS DE MOLDEO (INDUSTRIA DE LA FUNDICIÓN)
La colada es el proceso por el cual un metal es vertido en un molde que tiene la forma del artículo a ser producido, permitiendo el enfriado y la solidificación del mismo.
Las técnicas utilizadas para el colado de metales son:
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• EN ARENA: la arena se compacta alrededor de un modelo en una caja de molde con el objeto de obtener la forma requerida. Este es el método menos preciso, pero por razones económicas, el más ampliamente usado.
• BAJO PRESIÓN: se utiliza un molde permanente, metálico, con un punto de fusión más alto que el del metal que será colado.
• POR CERA PERDIDA: el molde es una camisa refractaria (constituida por sílice, zirconio o mullita fundida) que se forma alrededor de un modelo de cera, quién posteriormente se quema y deja una copia perfecta en la camisa refractaria y es ahí donde secuela el metal fundido. Con esta técnica se reproducen formas con gran exactitud.
La bentonita junto con la arena-base y el agua constituye uno de los tres componentes básicos de las arenas de moldeo.
El empleo de arenas sintéticas se ha desarrollado enormemente gracias a la introducción en su composición de la bentonita, que les proporciona una excelente cohesión y una permeabilidad más grande a los gases. Por otra parte las arenas que se utilizan son esencialmente silíceas, constituidas por partículas de cuarzo con una pureza del 99% y un punto de fusión de 1700 a 1730ºC.
Las arenas de fundición naturales que se utilizaron inicialmente, contienen arcilla que desempeña el papel aglutinante indispensable, pero que disminuye sensiblemente y con un efecto perjudicial la porosidad.
Por el contrario, en las arenas sintéticas, el empleo de la bentonita permite obtener efectos aglutinantes con menores proporciones de aglomerante, y dan lugar a mezclas de buena porosidad.
La bentonita proporciona a la arena, la plasticidad y la resistencia necesarias para sacar la pieza del molde, sin que se produzcan desprendimientos de los bordes. El molde también necesita resistencia mecánica para soportar la acción corrosiva de la masa del metal fundido, sin que se produzcan desprendimientos ni arrastres.
Las bentonitas tienen una enorme capacidad de hinchamiento, de forma que pequeñas cantidades que se añaden a la arena de moldeo, llegan a rodear considerablemente los granos de cuarzo sin disminuir demasiado su permeabilidad, pero aumentando las fuerzas de cohesión entre ellos.
La proporción de las bentonitas en la mezcla varía entre el 5 y el 10%, pudiendo ser ésta tanto sódica como cálcica, según el uso a que se destine el molde. La bentonita sódica se usa en fundiciones de mayor temperatura que la cálcica por ser más estable a altas temperaturas, suelen utilizarse en fundición de acero, hierro dúctil y maleable y en menor medida en la gama de los metales férreos. Por otro lado la bentonita cálcica facilita la producción de moldes con más complicados detalles y se utiliza principalmente, en fundición de metales no ferrosos
• Bentonita cálcica (usada en fundición gris): - Mayor facilidad de desarrollo de la resistencia en verde en el molino o mixturador. - Mayor plasticidad en caliente
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• Bentonita sódica (usada en coladas de acero y en fundición de piezas grandes): - Mayor hinchamiento y contracción por adsorción de agua, dando una mayor capacidad de acomodamiento de la expansión térmica de los granos de arena base - Mayor resistencia en seco - Mayor durabilidad, debido a una mayor resistencia al calor - Menor cantidad de defectos superficiales sobre el colado terminado
PELETIZACIÓN
En la década del 50 se comienza a peletizar mineral de hierro en los Estados Unidos para aprovechar el uso de minerales de baja ley.
En el área de Minesota, los minerales de alta ley estaban cercanos al agotamiento y fue necesario desarrollar un tecnología para aprovechar las taconitas magnetíticas granulares finas.
La explotación de los polvos finos no utilizables, fue la razón más importante para la peletización de minerales de hierro, aunque el valor agregado al mineral por peletización, es un aspecto altamente considerado por muchos productores. Éstos consideran las siguientes ventajas adicionales:
• Se facilita el manejo del mineral durante las operaciones de carga, trasporte y descarga
• Los pelets tienen una alta resistencia a la trituración durante el manejo • Se logra una buena reductibilidad durante el procesamiento del hierro • Se consigue una composición química homogénea, diferente del mineral grueso
La bentonita sódica natural y la bentonita sódica activada se usan para peletización debido a su gran poder ligante en seco y a su resistencia a altas temperaturas. La bentonita debe actuar como un ligante de partículas áridas, durante los estados en verde, seco y quemado, a través de los cuales pasan los pelets.
La bentonita es usada para peletizar minerales de magnetita o hematita, o mezclas de ambos tipos. Las adiciones estandar oscilan entre 0,7 - 1,0% de bentonita .
ABSORBENTES Y DECOLORANTES
La elevada superficie específica de la bentonita, le confiere una gran capacidad tanto de absorción como de adsorción. Debido a esto se emplea en decoloración y clarificación de aceites, vinos, sidras, cervezas, etc.
Tienen gran importancia en los procesos industriales de purificación de aguas que contengan diferentes tipos de aceites industriales y contaminantes orgánicos.
Se utiliza además como soporte de productos químicos, como por ejemplo herbicidas, pesticidas e insecticidas, posibilitando una distribución homogénea del producto tóxico.
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MATERIAL DE SELLADO
En el último decenio se ha desarrollado un importante mercado orientado hacia el uso de bentonita como material de sellado en depósitos de residuos tanto tóxicos y peligrosos, como radioactivos de baja y media actividad.
Durante muchos años las bentonitas se han usado en mezclas de suelos en torno a los vertederos, con el fin de disminuir la permeabilidad de los mismos.
Últimamente ha surgido una nueva tendencia en el diseño de barreras de impermeabilización que se basa en la fabricación de complejos bentonitas-geosintéticos (geomembranas y geotextiles). Consiste en la colocación de una barrera de arcilla compactada entre dos capas, una de geotextil y otra de geomembrana (plásticos manufacturados, como polietileno de alta densidad o polipropileno, entre otros).
CERÁMICA
Las cualidades que distinguen a una bentonita del resto de las arcillas, son destacables en el momento de diseñar una formulación cerámica.
Con el uso de bentonita en una pasta cerámica se consiguen los siguientes beneficios: • Aumento de plasticidad de las pastas. • Aumento de resistencia mecánica en crudo • Mejora el color quemado del bizcocho (con bentonitas de bajo porcentaje de hie-
rro) • Gran poder de suspensión para esmaltes • Efecto lubricante y ligante en los procesos de prensado en seco y semiseco
Plasticidad Debido a su extremadamente fino tamaño de partículas, a su elevado potencial eléc-
trico y a su capacidad de intercambio de iones, es sumamente recomendable para incrementar la plasticidad de una pasta cerámica. Pastas prácticamente imposibles de trabajar se han vuelto perfectamente plásticas y trabajables con el simple agregado de 3-5% de bentonita.
Resistencia Mecánica Sus partículas extremadamente pequeñas llenan los intersticios dejados entre sí por
los de caolinita y cuarzo, aumentando así el número de contactos donde por acción de las fuerzas de Van der Wall hacen un producto más compacto y más fuerte en seco.
Con pastas que contienen 25% de caolín (como único componente plástico), se fabrican piezas que tienen una gran fragilidad en crudo. El agregado de 4-5% de bentonita en la formulación produce un incremento de la resistencia mecánica del 100-200%
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Color del bizcocho Generalmente las arcillas que se emplean en cerámica blanca para dar plasticidad y
trabajabilidad tienen un contenido de óxido férrico entre 0,7 - 1,5%. Como la bentonita es capaz de mantener el nivel de plasticidad reemplazando a la arcilla en la proporción de 4 a 1, si se selecciona una bentonita con bajo porcentaje de hierro, se puede reducir el porcentaje total de hierro de la pasta y por ende se obtendrá un bizcocho más blanco.
Poder de suspensión de los esmaltes Su gran actividad superficial lo hace fácilmente reaccionable con los electrolitos pro-
duciendo estructuras tixotrópicas de gran poder de suspensión.
Efecto lubricante y ligante en los procesos de prensado en seco y semiseco Al producir superficies lisas y suaves actúa como lubricante siendo a la vez ligante
por las razones expuestas al tratar el tema de la resistencia mecánica.
INGENIERÍA CIVIL
Las propiedades de las bentonitas necesarias para este fin son: fino tamaño de partículas, superficie específica, impermeabilidad, estabilidad química y comportamiento tixotrópico.
Los usos en este campo se pueden resumir en: • Creación de membranas como soportes de excavaciones • Prevención de hundimientos: Se evita el desplome de una pared, lubricándola
con lechadas de bentonita. • Protección de tuberías: como lubricante y rellenado de grietas. • En cementos: aumenta su capacidad de ser trabajado y su plasticidad • En túneles: ayuda a la estabilización y soporte en la construcción de túneles. • Transporte de sólidos en suspensión
La bentonita sódica se usa principalmente para esta aplicaciones
ALIMENTACIÓN ANIMAL
Desde el punto de vista nutricional, algunos elementos químicos contenidos en la bentonita como el sodio, son medianamente asimilables por los animales y deben considerarse en el aporte nutricional de la dieta,; en otros su valor nutricional es más discutido al no ser biodisponible para los animales como es el caso del Ca y el Mg.
Los fabricantes de alimentos balanceados utilizan bentonita con variados objetivos. Uno de los principales usos es como "binder" para mejorar la dureza de los pellets en los alimentos a excepción de aquellos altos en grasas.
También se usa como antiaglomerante en alimentos pelletizados con alto contenido de melaza, evitando el pegado de los pellets entre sí.
Mejora el rendimiento del prensado de alimentos ricos en fibras
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En muchos trabajos de investigación se adjudican mejoras en la capacidad de las bentonitas de absorber toxinas que perjudican la performance animal. Entre estas toxinas que son capaces de absorber se encuentran las aflatoxinas.
Desde hace unos 14 años se ha comenzado a fabricar un producto comestible para aves, que tiene un agregado de bentonita y con el que se han logrado varios beneficios. La bentonita tiene una doble misión: actúa potenciando el crecimiento y como atrapador de toxinas. Esto se debe a que el alimento mezclado con bentonita, debido a su gran capacidad de adsorción, permanece más tiempo en la zona intestinal, la bentonita adsorbe el exceso de agua y hace que los nutrientes permanezcan más tiempo en el estómago, siendo mayor su rendimiento (mayor producción). Por otra parte adsorben toxinas, no pudiendo éstas, por tal motivo, atravesar las paredes intestinales. La mayor adsorción de agua de los nutrientes, además hace que los excrementos sean menos húmedos y de esta manera los lechos permanezcan más tiempo limpios y se reduce la probabilidad de epidemias y la proliferación de moscas y parásitos. Las aves que comen este tipo de alimentos excretan un 26% más de toxinas y adsorben un 42% más de proteinas.
CATÁLISIS
El uso de los aluminosilicatos en diferentes campos de la catálisis se realiza desde hace varios años.
Las propiedades catalíticas de las bentonitas son una consecuencia directa de su elevada superficie específica y tipo de centros activos.
Tiene muchas aplicaciones como catalizador o como soporte de catalizadores en diferentes procesos químicos, como por ejemplo: reacciones de desulfuración de gasolina, isomerización de terpenos, polimerización de olefinas, cracking de petroleo, etc.
INDUSTRIA FARMACÉUTICA
Desde hace tiempo las bentonitas se vienen usando como excipiente por la industria farmacéutica. Debido a que no pueden ser absorbidas por el cuerpo humano, no producen irritaciones, ni tienen un efecto tóxico, se utilizan para la elaboración de preparaciones tanto de uso tópico como oral, actuando como adsorbente, estabilizante, espesante, agente suspensor y como modificador de la viscosidad
OTROS USOS
Las posibles aplicaciones de las bentonitas son numerosas y tal vez sea el mineral con mayor diversidad de aplicaciones industriales.
Otros usos además de los mencionados anteriormente son: • INDUSTRIA DE DETERGENTES: como emulsionante y por su poder ablandador del agua,
debido a su elevada capacidad de intercambio catiónico. • FABRICACIÓN DE PINTURAS, GRASAS Y LUBRICANTES: se utilizan bentonitas organofílicas,
capaces de hincharse y dispersarse en disolventes orgánicos. Se utiliza como agente gelificante y tixotrópico o emulsionante.
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• EN AGRICULTURA: para mejorar las propiedades de suelos arenosos o ácidos • FABRICACIÓN DE MEMBRANAS DE ÓSMOSIS INVERSA: para la desalinización de aguas • EMULSIONES ASFÁLTICAS: empleadas en la construcción de caminos con una relación
asfalto/agua entre 1:1 y 2,5:1 pueden ser estabilizadas con incorporación de 3 a 4% de bentonita (referido al asfalto) • CAUCHO: como agente espesante y estabilizador de emulsiones • PLÁSTICOS: como agente tixotrópico en plastisoles vinílicos • ADSORCIÓN DE ISÓTOPOS RADIOACTIVOS • BARRERA AISLANTE PARA REPOSITORIOS DE PRODUCTOS RADIOACTIVOS DE ÚLTIMO CICLO • ESTABILIZADOR DE TINTAS • MINAS DE LÁPICES • DESCARGAS A TIERRA EN TERRENOS DE ALTA RESISTIVIDAD (PUESTAS A TIERRA)
6. ENSAYOS, ESPECIFICACIONES Y NORMAS
BENTONITA PETROLERA:
Las bentonitas fueron empleadas como material de base en lodos de perforación en California en 1928 y han permitido el desarrollo de métodos en perforación más eficientes. Desde entonces su uso se distribuyó por todo el mundo. El American Petroleum Institute define los métodos de ensayo para el producto de perforación y las especificaciones se fijan por la norma API STD 13ª
Humedad: 8 -10%
Lectura en el viscosímetro FANN a 600RPM: Mínimo 30
Filtrado: Mínimo 15ml
Tenor de no dispersables retenidos en malla ASTM 200: Máximo 2%
Equipo para FILTRADO (Laboratorio SEGEMAR)
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Viscosímetro FANN (Laboratorio SEGEMAR)
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BENTONITA PARA FUNDICIÓN:
Se utilizan las Recomendaciones elaboradas por la Comisión de Estudio de Materias Primas (CEMP) de la Asociación Brasilera de Fundición (ABIFA))
La Recomendación CEMP-E-04, aprobada dic/91 y revisada dic/97, fija las características de la bentonitas para fundición.
Para la aplicación de esta recomendación es necesario consultar los siguiente documentos:
CEMP-058 - Bentonitas para fundición - Determinación de hinchamiento. CEMP-060 - Bentonitas para fundición - Determinación de la resistencia a la compresión en verde de la mezcla patrón. CEMP-062 - Bentonitas para fundición - Determinación de la resistencia a la tracción en húmedo de la mezcla patrón. CEMP-063 - Bentonitas para fundición - Determinación de la adsorción de azul de metileno por el método del pirofosfato de sodio. CEMP-067 - Bentonitas para fundición - Determinación de la resistencia a la compresión en caliente de la mezcla patrón. CEMP-068 - Preparación de la mezcla patrón de bentonitas para fundición. CENP-078 - Bentonitas para fundición - Determinación de la adsorción de azul de metileno y el índice de estabilidad térmica luego de calcinar a 550 0C CEMP-105 - Materiales para fundición - Determinación del tenor de humedad. CEMP-109 - Materiales en forma de polvos usados en fundición - Determinación del tenor de partículas gruesas. CEMP- 116 - Solución de azul de metileno - Determinación del factor por titulación con solución de cloruro titanoso. CEMP-126 - Muestreo de material en forma de polvo para fundición.
A.- Condiciones Generales A.1 Las bentonitas para fundición son clasificadas en tres tipos: sódica natural (A), sódica activada (A y B) y cálcica (A). A.2 La bentonita para fundición debe presentarse en forma de un polvo impalpable, exento de impurezas y grumos. A.3 Los materiales deben ser acondicionado en sacos de papel multifoliado, sacos plásticos u otros embalajes adecuados, sin señal de Daños, debidamente identificados con peso líquido, nombre comercial, nombre de productor, fecha de fabricación y número de lote. A.4 El almacenaje del material debe ser hecho en área cubierta, al abrigo de la lluvia y de la humedad, siendo su tiempo de almacenaje ilimitado. A.5 Antes del envió de la primera partida al proveedor debe obtener de la empresa una Iiberación del material, basado en el resultado de la muestra aprobada. A.6 En caso de cambios, tales como, procedencia de materias primas, yacimiento, proceso de preparación, etc. el proveedor debe enviar a los controles de calidad de la empresa una nueva muestra, relatando inclusive el motivo de la alteración y aguardar la liberación.
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B.- Condiciones Específicas B.1 Las condiciones específicas para aceptación de bentonita para fundición deben estar de acuerdo con la Tabla 1 del Anexo A.
Equipo para medir: RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN EN CALIENTE (Laboratorio SEGEMAR)
Equipos para medir: RESISTENCIA A LA TRACCIÓN EN HÚMEDO RESITENCIA A LA COMPRESIÓN EN VERDE (Laboratorio SEGEMAR)
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Anexo A - CONDICIONES ESPECIFICAS (**) DE LAS BENTONITAS PARA FUNDICIÓN Tabla 1 - Clases de bentonitas - requisitos físico-químicos
Características
Humedad original (%) Hinchamiento (mL/2g) Tenor de part. Gruesas Zaranda 40 (%) Zaranda 200 (%) A.A.M. orig (mL/0,5g) A.A.M. 550ºC (mL/0,5g) R.C.V. (N/cm²) R.T.H. (N/cm²) R.C.C. - 955ºC (N/cm²)
Clases
Sódica natural Sódica activada
Tipo A
Tipo A-
Tipo B
* 8 - 12
8 - 12
8 - 12
+ Mín. 30
Mín. 35
Mín. 30
*0 * Máx. 10 * Mín. 50 * Mín. 35 * Mín. 11 * Mín. 0,28 + Mín. 180
0 Máx. 10 Mín. 50 Mín. 30 Mín. 12 Mín. 0,30 Mín. 150
0 Máx. 10 Mín. 45 Mín.25 Mín. 11 Mín. 0,28 Mín. 130
Cálcica Tipo A 8 - 12 --
0 Máx. 10 Mín. 50 Mín. 25 Mín. 14 --
Observaciones
SIGLAS
R.C.V.
= resistencia a la compresión en verde
R.T.H
= resistencia a la tracción en húmedo
R.C.C.
= resistencia a la compresión en cliente
A.A.M. orig
= adsorción de azul de metileno en estado original
A.A.M. 550 ºC. = adsorción de azul de metileno luego de calcinar a 550 ºC
(*)
= ensayos mandatorios
(+)
= ensayos orientativos
(**) Esta especificación fue desarrollada por la Comisión de Estudios de Materias Primas (CEMP), juntamente con representantes de los productores de bentonita.
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Ensayo de AZUL DE METILENO (Laboratorio SEGEMAR)
BENTONITA CERÁMICA: Si bien no hay normas oficiales, existe un acuerdo de partes entre el proveedor y el
consumidor Análisis químico:
• Determinación de óxidos de hierro y titanio. La suma de ambos no debería superar el 1,5%
Análisis físico: • El hinchamiento en agua de una buena bentonita no deberá pasar de 5 veces su volumen. En caso contrario se producirán inconvenientes en el secado y en la defloculación de la pasta.
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BENTONITA PARA PELETS
Si bien no hay normas oficiales, existe un acuerdo de partes entre el proveedor y el consumidor
Análisis químico: • Contenido de azufre: 0,30% máximo • Contenido de fósforo: 0,30% máximo
Análisis físico: • Ensayo de Enslin de absorción de agua: 600 cm3/100g (mínimo) • Humedad: 12% máximo • Ensayo de impurezas: 3% máximo
Aparato de ENSLING
(Laboratorio SEGEMAR)
Análisis Difractométricos • BARRERAS ISOTÓPICAS • TIERRAS FILTRANTES Y DECOLORANTES • INDUSTRIA CERÁMICA
pH • • • •
INDUSTRIA QUÍMICA FARMACOPEA - COSMÉTICA EXPLOSIVOS ENOLÓGICA
VISCOSIDAD (Brookfield) • INDUSTRIA QUÍMICA Y CERÁMICA • FARMACOPEA - COSMÉTICA • INDUSTRIA DEL LATEX
Viscosímetro BROOKFIELD
(Laboratorio SEGEMAR)
ANÁLISIS COMUNES PARA DIVERSAS INDUSTRIAS
Análisis Químico Cuantitativo • INDUSTRIA QUÍMICA (detergentes, funguicidas, insecticidas, pesticidas) • FARMACOPEA -COSMÉTICA • ENOLOGICA • EXPLOSIVOS • TIERRAS FILTRANTES Y DECOLORANTES • BARRERAS ISOTÓPICAS • PELETIZACIÓN DE MINERAL DE HIERRO
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INTERCAMBIO IÓNICO • FARMACOPEA • INDUSTRIA QUÍMICA • BENTONAS • BARRERAS ISOTÓPICAS
ANÁLISIS TÉRMICO DIFERENCIAL • INDUSTRIA CERÁMICA • FUNDICIÓN
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8. YACIMIENTOS EN LA ARGENTINA
Las bentonitas pueden ser originadas por alteración in situ de tobas o cenizas volcánicas, o bien por acción hidrotermal y/o por meteorización de rocas magmáticas o metamórficas.
En nuestro país la mayoría de los yacimientos se formaron a partir de cenizas de composición variable entre riolítica y dacítica, no obstante hay depósitos que tienen claras evidencias de haberse originado por alteración hidrotermal de rocas ígneas.
Los depósitos conocidos del país se encuentran en las provincias de: Chubut, La Pampa, Mendoza, Neuquen, Río Negro y San Juan.
Chubut: las áreas más conocidas con depósitos de bentonita se ubican en las Sirras Cuadrada, Chaira y Overos.
La Pampa: los depósitos de bentonita se encuentran en el extremo SO de la provincia, cerca del Río Colorado, en el departamento Puelén, en las inmediaciones de la localidad de 25 de Mayo, en Colonia Chica y Puesto Romero.
Mendoza: existen dos áreas bentoníticas principales ubicadas en Potrerillos-Cacheuta y en el distrito Carrizalito.
Neuquen: los depósitos se ubican a unos 140 km en línea recta al O de Neuquen, entre Zapala y Cutral Co, a pocos kilómetros de la ruta nacional 22.
Río Negro: entre los yacimientos de esta provincia se distinguen los correspondientes al Área del Lago Pellegrini.
Los depósitos se extienden en los sectores S, SE y NO del lago, en las barrancas que lo circundan. El componente arcillosos es montmorillonita, que tiene excelente cristalinidad, a la que se asocian plagioclasa, litoclastos volcánicos y cuarzo.
Otra Área de importancia en esta provincia es la de General Roca, donde se encuentran canteras en las que el mineral está compuesto principalmente por montmorillonita, cuarzo, plagioclasa, yeso y óxidos de hierro.
San Juan: existen dos áreas bentoníticas, una localizada en las inmediaciones del valle del río Calingasta, - unos 90 km en línea recta al O de la ciudad de San Juan - , en la vertiente occidental de la Precordillera entre las localidades de Barreal y Colón, cerca de la ruta provincial 412.
La otra área se encuentra en la región de la Sierra de Mogna, unos 80 km aproximadamente al N de la misma ciudad, específicamente en el paraje denominado Cañón del Colorado
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BIBLIOGRAFÍA
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Sobre el Autor: El Lic. Roberto Hevia es egresado de la Carrera de Ciencias Químicas de la Universidad
de Buenos Aires. Desde su iniciación profesional se desempeñó en la industria cerámica, en la que
ocupó variados cargos técnicos. A partir de 1980 se incorporó al Instituto Nacional de Tecnología Industrial, en el que
desarrolló actividades científico-técnicas como jefe de la División Materiales Cerámicos y numerosos proyectos de investigación en el campo de los materiales y de las materias primas no convencionales.
Actualmente es Director del Centro de Investigación y Desarrollo de Materiales del INTEMIN Cuenta con unas 45 publicaciones científico-técnicas en revistas nacionales e internacionales y dicta cursos de postgrado de su especialidad.
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Diseño Gráfico: Sebastián Baigún Fotografía: SEGEMAR
SERVICIO GEOLÓGICO MINERO ARGENTINO (SEGEMAR)
BENTONITAS Propiedades y usos industriales
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