Bentonita: Tipos, propiedades, características y usos

El término bentonita fue propuesto por primera vez por Knight en 1898 después de que él había llamado originalmente a esta arcilla taylorita por el sitio de la original la mina en el rancho Taylor cerca de Rock River, Wyoming. Su importancia radica en que es uno de los minerales arcillosos más importantes y más utilizados en el mundo por diferentes industrias.

¿Qué es la arcilla bentonita?

Muchas veces la bentonita se considera una roca compuesta esencialmente de un mineral cristalino similar a la arcilla formada por desvitrificación y las alteraciones químicas que la acompañan de un material ígneo vítreo, generalmente una toba o ceniza volcánica; ya menudo contiene proporciones variables de granos de cristal accesorios que originalmente eran fenocristales en el vidrio volcánico.

Estos minerales son feldespato (comúnmente ortoclasa y oligoclasa), biotita, cuarzo, piroxenos, circón y otros minerales diversos típicos de las rocas volcánicas.

El característico mineral arcilloso tiene un hábito micáceo y una escisión fácil, alta birrefringencia y una textura heredada de la toba volcánica o ceniza, y suele ser el mineral montmorillonita, pero con menos frecuencia beidellita.

Sin embargo, esta definición presenta dificultades cuando se aplica a la bentonita como mineral industrial porque se basa en el origen y restringe los precursores de la bentonita a cenizas, toba o vidrio volcánico.

De acuerdo con esta definición, los depósitos que consisten principalmente en los minerales arcillosos montmorillonita o beidelita pero que son de origen distinto al volcánico no deben llamarse bentonita.

Sin embargo, muchos depósitos ricos en montmorillonita en todo el mundo que tienen orígenes no volcánicos se extraen y venden como bentonita.

Definición comercial de la bentonita

Por tanto, comercialmente, las bentonitas se definen exclusivamente sobre una base mineralógica.

De acuerdo con esta definición, la bentonita es una arcilla que consiste esencialmente en minerales del grupo de la esmectita, independientemente de su ocurrencia u origen.

Esta definición permite la inclusión de arcillas esmectitas que son de origen sedimentario o hidrotermal y se derivan de materiales parentales no volcánicos.

Tipos y Clasificación de las bentonitas

Las bentonitas generalmente se clasifican según sus cationes intercalares y su correspondiente capacidad para hincharse en agua, como:

Bentonita sódica

Las bentonitas de sodio son las que se hinchan ante la exposición de agua, es decir que adsorben agua

Las bentonitas con Na + como catión intercambiable predominante exhiben una alta capacidad de hinchamiento en agua.

La bentonita de sodio, con predominio de cationes de sodio (Na +) permite que el agua penetre a través de las plaquetas, forzándolas a separarse y provocando hinchazón. 

Bentonita cálcica

Las bentonitas con Ca ++ como catión intercambiable predominante exhiben una capacidad de hinchamiento mucho menor ante la exposición del agua.

La bentonita de calcio, con predominio de cationes de calcio (Ca2 +), aunque se hidrata de la misma manera, debido a su fuerte carga positiva, tiene propiedades de absorción más bajas, lo que no permite que el agua penetre a través de las plaquetas. 

Se propuso el término subbentonita para denotar una bentonita de hinchamiento bajo o moderado, pero ha caído en gran medida en desuso y no se recomienda.

Bentonita potásica

Esta bentonita se compone principalmente de ilita y minerales de capas mixtas y generalmente se supone que se formó a partir de cenizas volcánicas.

Los minerales de esmectita están presentes solo en cantidades menores.

Este tipo de bentonita contiene significativamente más potasio que los otros tipos. El meta prefijo se incluye en el nombre para denotar la idea de que esta bentonita es el producto de un metamorfismo de bajo grado o alteración diagenética.

Propiedades y características de las bentonitas

Absorción e hinchazón de agua

Una propiedad fundamental de la bentonita es absorber agua y expandirse. Sin embargo, no todas las bentonitas tienen la misma capacidad de absorción. 

Su nivel de hidratación e hinchamiento depende del tipo de iones intercambiables que contenga, con diferente poder hidrofílico y solvatante. 

La hinchazón se debe principalmente a dos factores:

1) la absorción de agua al nivel de la superficie de las plaquetas

2) las fuerzas osmóticas de repulsión, que obligan a las plaquetas a desprenderse y abrirse como una «pila de cartas».

Viscosidad y tixotropía de suspensiones acuosas

Cuando la bentonita se dispersa en agua, se forman suspensiones coloidales altamente estables con alta viscosidad y tixotropía. 

A concentraciones suficientemente altas, estas suspensiones comienzan a adquirir las características de un gel.

Las suspensiones se forman cuando las moléculas de agua penetran en las capas intermedias de plaquetas.

Aquí, los puentes de hidrógeno están formados por los átomos de hidrógeno contenidos en las moléculas de agua. Las plaquetas se aíslan unas de otras, mientras se unen a través del agua de interposición.

Cuando se deja quieto, se forma una malla que, al incorporar agua, se gelifica. Por el contrario, bajo tensión mecánica, estos enlaces se rompen parcialmente, lo que permite que las plaquetas se muevan más libremente.

La viscosidad en estas condiciones es menor que en reposo. Este proceso sol-gel-sol reversible se conoce como tixotropía.

Propiedades coloidales e impermeabilizantes

Cuando el agua es absorbida por la bentonita, se forma un gel semisólido con fuerte resistencia a la presión hidrostática. 

Una plaqueta de montmorillonita se puede calcular como un paquete delgado de capas cargadas negativamente. Debido a su carga negativa, se repelen entre sí mientras dejan pasar el agua.

De esta forma, mientras el paquete se hincha, se forma una capa estable alrededor de la plaqueta. Cuando está saturado, este caparazón repelerá el agua, incluso bajo presión.

Para todas estas propiedades, la bentonita se emplea en estanques y muelles, para sellar las infiltraciones del suelo y revestir la base de los vertederos.

Propiedad vinculante

Esta propiedad de la bentonita se explota principalmente para producir arena de moldeo verde. En esta aplicación, la bentonita con un contenido de humedad adecuado cubre los granos de arena de cuarzo y actúa como tejido conjuntivo de toda la masa.

Bajo este recubrimiento homogéneo, incluso a máxima compresión, el agua permanecerá en un estado altamente “rígido”, uniendo los granos de arena y otorgando máxima resistencia al molde de arena.

La temperatura de vitrificación de la bentonita es más alta que otras arcillas. Por lo tanto, cuando se usa como aditivo, hace que la arena verde sea más duradera y, en particular, más resistente al estrés por calor.

Propiedades de la superficie (coagulación – absorción – adsorción)

Absorción de bentonita: las propiedades de adsorción están determinadas por la alta superficie específica y las cargas libres presentes en cada micela.

La coagulación se produce mediante la adsorción de iones de carga opuesta a la de las partículas coloidales.

¿Cómo se extrae la bentonita?

Los depósitos de bentonita se explotan normalmente mediante canteras. La bentonita extraída es claramente sólida, incluso con un contenido de humedad de aproximadamente el 30%. 

El material se tritura inicialmente y, si es necesario, se activa con la adición de carbonato de sodio (Na2CO3). 

Posteriormente, la bentonita se seca (aire y / o secado forzado) hasta alcanzar un contenido de humedad de aproximadamente el 15%. Según la aplicación final, la bentonita se tamiza (forma granular) o se muele (en polvo y en forma de polvo superfino). 

Para aplicaciones especiales, la bentonita se purifica eliminando los minerales de ganga asociados, o se trata con ácidos para producir bentonita activada con ácido (tierras blanqueadoras), o se trata con compuestos orgánicos para producir arcillas orgánicas.

Usos de la arcilla bentonita

La mayoría de los principales usos actuales de la bentonita se desarrollaron en el siglo XX. En los Estados Unidos, la bentonita encuentra usos importantes en la granulación de mineral de hierro, lodos de perforación, arena para mascotas y arenas de fundición.

Los usos secundarios importantes incluyen aplicaciones de impermeabilización y sellado, aditivos para piensos, absorbentes de aceite y grasa, vehículos agrícolas y agentes de filtrado, clarificación y decoloración.

Los usos especiales aún más pequeños de la bentonita incluyen emulsiones asfálticas, catalizadores, pinturas, plásticos, tintas, grasas, cosméticos y productos farmacéuticos.

Usos de la bentonita para producir acero

La bentonita se utiliza como material de unión en la preparación de arena de moldeo para la producción de fundición de hierro, acero y materiales no ferrosos. Las propiedades únicas de la bentonita producen moldes de arena verde con buena fluidez, compactibilidad y estabilidad térmica para la producción de piezas fundidas de alta calidad.

Bentonita en la arena de gatos

La bentonita se usa para la arena para gatos, debido a su ventaja de absorber la basura y la humedad formando grumos (que se pueden quitar fácilmente) dejando el producto restante intacto para su uso posterior.

Para aglutinantes y pellets

La bentonita se utiliza como aglutinante en la producción de pellets de mineral de hierro. A través de este proceso, los finos de mineral de hierro se convierten en pellets esféricos, aptos como materia prima en altos hornos para la producción de arrabio o en la producción de hierro de reducción directa (DRI).

Usos de la bentonita en la construcción

La bentonita en aplicaciones de ingeniería civil se utiliza tradicionalmente como agente tixotrópico, de soporte y lubricante en muros de diafragma y cimientos, en túneles, en perforación direccional horizontal y levantamiento de tuberías. La bentonita, por su viscosidad y plasticidad, también se utiliza en morteros y cemento Portland.

Aplicaciones medioambientales

Las propiedades de adsorción / absorción de la bentonita son muy útiles para la purificación de aguas residuales. Las directivas medioambientales comunes recomiendan suelos de baja permeabilidad, que naturalmente deben contener bentonita, como material de sellado en la construcción y rehabilitación de vertederos para garantizar la protección de las aguas subterráneas de los contaminantes. 

La bentonita es la capa protectora activa de los revestimientos de arcilla geosintética.

Usos de la bentonita en lodos de perforación

Otro uso convencional de la bentonita es como componente de lodo para la perforación de pozos de agua y petróleo. Sus funciones son principalmente sellar las paredes del pozo, eliminar los recortes de perforación y lubricar el cabezal de corte.

Usos en aceites y el mercado alimenticio

La bentonita se utiliza en la eliminación de impurezas en aceites donde sus propiedades adsortivas son cruciales en el procesamiento de aceites y grasas comestibles (aceite de soja / palma / canola). En bebidas como la cerveza, el vino y el agua mineral, y en productos como el azúcar o la miel, la bentonita se utiliza como agente clarificante.

Usos de la bentonita en la agricultura

La bentonita se utiliza como complemento alimenticio para animales, como ayuda de peletización en la producción de gránulos de alimento para animales, así como como ayuda para la fluidez de los ingredientes de alimentos no consolidados, como la harina de soja. También se utiliza como intercambiador de iones para la mejora y acondicionamiento del suelo. Cuando se trata térmicamente, se puede utilizar como un portador cerámico poroso para varios herbicidas y pesticidas.

Usos de la bentonita en la industria farmacéutica

La bentonita se utiliza como relleno en productos farmacéuticos y, debido a sus funciones de absorción / adsorción, permite la formación de pasta. Tales aplicaciones incluyen cremas protectoras industriales, loción de calamina, compresas húmedas y antiirritantes para el eccema.

En medicina, la bentonita se usa como antídoto en la intoxicación por metales pesados. Los productos para el cuidado personal, como compresas de barro, pintura para quemaduras solares, polvos faciales y para bebés y cremas faciales, pueden contener bentonita.

Bentonita en detergentes

Los detergentes para ropa y los limpiadores / jabones líquidos para manos se basan en la inclusión de bentonita, para eliminar las impurezas de los disolventes y suavizar las telas.

Bentonita en pinturas

Colorantes y Abrillantadores: Debido a sus propiedades tixotrópicas, la bentonita y las arcillas orgánicas funcionan como espesantes y / o agentes de suspensión en barnices y en pinturas al agua y solventes. Sus propiedades de adsorción son apreciadas para el acabado de teñido índigo y en tintes (lacas para pinturas y papeles pintados).

Bentonita en la fabricación del papel

La bentonita es crucial para la fabricación de papel, donde se utiliza en el control de la inclinación, es decir, en la absorción de resinas de madera que tienden a obstruir las máquinas y a mejorar la eficiencia de conversión de pulpa en papel, así como a mejorar la calidad del papel.

La bentonita también ofrece útiles propiedades de destintado para el reciclaje de papel. Además, la bentonita activada con ácido se utiliza como componente activo en la fabricación de papel autocopiativo.

Usos como Catalizadores

Los catalizadores de arcilla químicamente modificados encuentran aplicación en una amplia gama de tareas donde la catálisis ácida es un mecanismo clave. Más particularmente, se emplean en los procesos de alquilación para producir aditivos de combustible. Orillon, en el sur de Francia.

Usos de la bentonita cálcica

El uso de bentonitas de calcio se remonta al 5000 a. C., cuando se usaban para limpiar y espesar telas de lana en Chipre. Es de este uso antiguo que las bentonitas cálcicas derivan el nombre de tierra de batán.

En el último siglo se descubrió que algunas bentonitas de calcio son efectivas para decolorar o “blanquear” aceites vegetales, animales y minerales.

Esto es especialmente cierto cuando las bentonitas de calcio se han activado con ácido para mejorar su eficacia blanqueadora.

Las bentonitas activadas con ácido han aumentado en uso en relación con las bentonitas no activadas, especialmente para aceites que son más difíciles de blanquear o cuando se desean aceites más altamente refinados.

Tal como se utiliza hoy en día, la tierra de batán es un término descriptivo general para la arcilla u otro material terroso de grano fino que se utiliza en blanqueadores, absorbentes y otras aplicaciones relacionadas.

El nombre no tiene ningún significado mineralógico o compositivo específico y se aplica igualmente a minerales como la atapulgita y la sepiolita. Cada uno de estos minerales diferentes, sin embargo, no es igualmente adecuado para todas las aplicaciones en las que se utilizan tierras de batán.

Los productos premium para decolorar aceites comestibles se basan principalmente en bentonitas de calcio activadas con ácido.