Las bentonitas tienen unas propiedades tales que hacen que sus usos sean muy amplios y diversos. Según Kendal (1996) las aplicaciones industrales mas importantes son




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* Sustituciones isomórficas dentro de la estructura.

* Enlaces insaturados en los bordes y superficies externas.

* Disociación de los grupos hidroxilos accesibles.

El primer tipo 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. Los dos últimos tipos de origen varían en función del pH y de la actividad iónica. Corresponden a bordes cristalinos, químicamente activos y representan el 20 % de la carga total de la lámina. En el caso de las bentonitas la capacidad de intercambio catiónico varía entre 70 y 130 meq/100 g.

 

3.1.3. Hidratación e hinchamiento

La hidratación y deshidratación de la superficie interlaminar son también propiedades únicas de las esmectitas, y cuya importancia es crucial en los diferentes usos industriales. Aunque hidratación y deshidratación ocurren con independencia del tipo de catión de cambio presente, el grado de hidratación sí está ligado a la naturaleza del catión interlaminar y a la carga de la lámina.

La absorción de agua en el espacio interlaminar tiene como consecuencia la separación de las láminas dando lugar al hinchamiento. Este proceso depende del balance entre la atracción electrostática catión-lámina y la energía de hidratación del catión. 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 Na, las esmectitas tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la completa disociación de cristales individuales de esmectita, 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.

 

3.1.4. Plasticidad

Las esmectitas son eminentemente plásticas. Esta propiedad se debe a que el agua forma una envuelta sobre las partículas laminares de esmectita produciendo un efecto lubricante que facilita el deslizamiento de unas partículas sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas.

La elevada plasticidad de las esmectitas es consecuencia, nuevamente, de su morfología laminar, extremadamente pequeño tamaño de partícula (elevada área superficial) y alta capacidad de hinchamiento.

Generalmente, esta plasticidad puede ser cuantificada mediante la determinación de los índices de Atterberg (Límite Líquido, Límite Plástico y Límite de Retracción). Estos límites marcan una separación arbitraria entre los cuatro estados o modos de comportamiento de un suelo sólido, semisólido, plástico y semilíquido o viscoso (Jimenez Salas, et al., 1975).

La relación existente entre el límite líquido y el índice de plasticidad ofrece una gran información sobre la composición granulométrica, comportamiento, naturaleza y calidad de la muestra. Existe una gran variación entre los límites de Atterberg de diferentes minerales de la arcilla, e incluso para un mismo mineral arcilloso, en función del catión de cambio. En gran parte, esta variación se debe a la diferencia en el tamaño de partícula y al grado de perfección del cristal. En general, cuanto más pequeñas son las partículas y más imperfecta su estructura, más plástico es el material.

 

3.1.5. Viscosidad

Las propiedades de viscosidad de las bentonitas pueden variar o ser uniformes, dentro de un mismo yacimiento. Estas diferencias se deben a variaciones en el grado de dispersabilidad, fundamentalmente. Los mejores valores se dan cuando el recubrimiento sedimentario superior no es muy potente y una gran parte del Fe se encuentre en estado oxidado. Valores menos altos aparecen en yacimientos con más de 10 m de recubrimiento y bajo estado de oxidación del Fe.

 

3.1.6. Tixotropía

La tixotropía se define como el fenómeno consistente en la pérdida de resistencia de un coloide, al amasarlo, y su posterior recuperación con el tiempo. Las arcillas tixotrópicas cuando son amasadas se convierten en un verdadero líquido. Si, a continuación, se las deja en reposo recuperan la cohexión, así como el comportamiento sólido. Para que una arcilla tixotrópica muestre este especial comportamiento deberá poseer un contenido en agua próximo a su límite líquido. Por el contrario, en torno a su límite plástico no existe posibilidad de comportamiento tixotrópico.

 

3.2. Tratamientos destinados a mejorar la calidad del producto

En ocasiones se procede a someter a las bentonitas a procesos físicos y químicos que tienen por objeto potenciar algunas de sus propiedades para determinadas aplicaciones industriales. Desde el punto de vista industrial tienen gran importancia los procesos destinados a modificar el quimismo del espacio interlaminar, a dichos procesos se les denomina "Activación" (activación ácida y activación sódica). La activación ácida consiste en la adición de una mezcla de agua y ácido sulfúrico o cloridrico, (tras el secado y la molienda del material), seguida de agitación, filtrado, secado y pulverizado. Con ella se consigue la disolución de impurezas tales como calcita, el reemplazamiento de iones calcio (divalentes) en posición interlaminar por hidrógenos y la eliminación de iones Al de la capa tetraédrica y Fe2+, Fe3+,Al y Mg de la capa octaédrica.

Mediante la activación ácida se consiguen cambios importantes en el mineral. Los bordes de las láminas de arcilla se abren y se separan aumentando la porosidad y el área superficial. Esta última aumenta con el tratamiento hasta un máximo más allá del cual tanto el área superficial como la capacidad de blanqueo caen progresivamente. Así mismo, aumentan la capacidad de intercambio iónico y la actividad catalítica. Las variaciones en el tipo de arcilla (granulometría y mineralogía) y en el tipo y grado de acidulación (tipo de ácido, temperatura, tiempo de contacto, proporción de arcilla, etc.) darán lugar a diferentes productos con diversas propiedades.

Igualmente, se puede efectuar una activación sódica, sobre bentonitas cálcicas, tratándolas con carbonato cálcico, para obtener bentonitas sódicas.

Norteamérica, Europa y Japón son los principales productores de bentonitas activadas.

Si los cationes de cambio inorgánicos de una esmectita son sustituidos por cationes orgánicos de cadena larga tipo compuestos tetraamonio o alkilamina, a esta arcilla se la denomina arcilla organofílica. Las arcillas naturales son organofóbicas; sin embargo, cuando son modificadas orgánicamente presentan afinidad por las moléculas orgánicas; por ello tienen importantes aplicaciones como adsorbentes de residuos orgánicos. Además son hidrofóbicas, adecuadas para su empleo en la fabricación de pinturas, como gelificantes de líquidos orgánicos, en lubricantes, etc.

El uso de la hectorita como base para las arcillas organofílicas está muy extendido, ya que esta esmectita da un producto de alto poder gelificante en sistemas altamente polarizados.

En Japón, a partir de 1969, se comercializa el producto llamado HIKKAGEL, que consiste en bentonita tratada con alcohol, a presión y temperaturas elevadas y posteriormente tratada con una sal orgánica de amonio (Takeshi y Kato, 1969).

En 1970 comenzó a funcionar por primera vez en Houston (Texas) una planta de fabricación de montmorillonita sintética. Se trata, en realidad, de un interestratificado al azar illita/montmorillonita (Granquist et al., 1972). El material se vende para catálisis en cracking, hidrogenación/deshidrogenación, y como componente en catalizadores hidrotratantes. Posee un área superficial de 110-160 m2/g, y una capacidad de cambio entre 150 y 160 meg/g.

También se fabrica hectorita sintética en el Reino Unido, que se comercializa con el nombre de Laponita (Green, 1970). Es, evidentemente, más pura que el material natural y se destina a los mismos usos que la bentonita sintética.

 

3.3. Campos de aplicación industrial y especificaciones requeridas en cada una

3.3.1. Arenas de moldeo

A pesar de que la industria ha evolucionado considerablemente en las últimas dos décadas y ha ido sustituyendo a las bentonitas por otros productos en la fabricación de moldes para fundición, éste sigue siendo su uso principal.

Las arenas de moldeo están compuestas por arena y arcilla, generalmente bentonita, que proporciona cohesión y plasticidad a la mezcla, facilitando su moldeo y dándole resistencia suficiente para mentener la forma adquirida después de retirar el moldeo y mientras se vierte el material fundido.

La proporción de las bentonitas en la mezcla varia 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 fudiciones de mayor temperatura que la cálcica por ser más estable a altas temperaturas, suelen utilizarse en fundición de acero, hierro ductil y maleable y en menor medida en la gama de los metales no 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 férreos.

El aumento de los costes de las materias primas está forzando a las fundiciones a recuperar las mayores cantidades posibles de mezclas de arenas para ser usadas de nuevo, si bien generalmente esto no afecta de forma sensible al consumo de bentonita. El reciclado, en la mayoria de los casos, no es posible, pues la mezcla alcanza temperaturas superiores a los 650ºC, y a esas temperaturas la arcilla pierde parte de su agua de constitución, proceso que es irreversible, y pierde con ello sus propiedades, no puediendo ser recuperada.

Las especificaciones que han de cumplir las bentonitas para ser utilizadas como arenas de moldeo son las normas SFSA 13 T-65 (Kendall, 1966):

* Contenido en agua: 6-12 %

* pH > 8,2

* Contenido en oxidos de calcio < 0,7 %

* Límite líquido: >600, <850

* Resistencia a la compresión en verde: >58 KPa

* Deformación en verde: 2,5 %

* Resistencia a la cizalla en verde: 17 KPa

* Resistencia a la tracción en verde: 10 KPa

* Resistencia a la compresión en seco: 565 KPa

* Capacidad de azul de metileno: 100 Meq/100 g

 

3.3.2. Lodos de perforación

A pesar de los importantes cambios que van sufriendo con el tiempo las formulaciones de los lodos de perforación, (comenzó a utilizarse a principios de siglo) este sigue siendo uno de los mercados más importantes de las bentonitas.

Las funciones que debe cumplir el lodo son:

 

* Extracción del ripio y limpieza del fondo del pozo

* Enfriamiento de la herramienta de perforación

* Control de presiones de formaión y estabilización de las paredes

* Mantenimiento en suspensión del ripio

* Transmisión de potencia hidraúlica al tricono

* Soportar parte del peso de la sarta de perforación

* Permitir la adición de agentes densificantes

 

Las especificaciones que deben cumplir las bentonitas destinadas a este uso son las Normas API STD 13 a API RP 13:

* Lectura en viscosímetro a 600 rpm > 30

* Filtrado máximo = 13,5

* Yiel point = viscosidad plástica x 3

* Residuo sobre tamiz 200-mesh (2,5 % sobre mezcla de 10 g en 350 cc de agua y 0,2 g de agente dispersante)

* Humedad 10 %

Las bentonitas de Wyoming son las más utilizadas para la preparación de lodos de perforación.

 

3.3.3. Peletización

La bentonita se ha benido usando desde los años 50 como agente aglutinante en la producción de pelets del material previamente pulverizado durante las tareas de separación y concentración. La proporción de bentonita añadida es del 0,5 %, en la mayor parte de los casos.

Aunque no existen especificaciones estandarizadas para este uso, se emplean bentonitas sódicas, naturales o activadas, puesto que son las únicas que forman buenos pelets con las resistencias en verde y en seco requeridas, así como una resistencia mecánica elevada tras la calcinación.

 

3.3.4. Absorbentes

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 contaminánes orgánicos.

Se utiliza además como soporte de productos químicos, como por ejemplo, hervicidas, pesticidas e insecticidas, posibilitando una distribución homogénea del producto tóxico.

En los últimos años, además, están compitiendo con otras arcillas absorbentes (sepiolita y paligorskita) como materia prima para la fabricación de lechos de animales. La demanda de bentonitas para este uso varia sustancialmente de unos paise a otros, así en Estados Unidos comenzaron a utilizarse a finales de los años 80, sin embargo en Europa el mercado es mas complejo y su demanda mucho menor.

Las especificaciones requeridas por este sector son las Normas ASTM C341-65 "Standard Methods for sampling and evaluation of Sorptive Mineral Products Used as Floor Absorbents":

* Absorción de acite >0,8 ml/g

* Absorción de agua >0,9 ml/g

* Solubilidad en agua destilada <1,5 %

 

3.3.5. Material de Sellado

La creciente importancia que está tomado en los ultimos años, por parte de los gobiernos de toda Europa, la legislación en lo referente a medio ambiente, ha favorecido la apertura y desarrollo de todo un mercado orientado hacia el uso de bentonitas como material de sellado en depósitos de residuos tanto tóxicos y peligrosos, como radiactivos de baja, media y alta actividad.

Durante muchos años las bentonitas se han venido utilizando en mezclas de suelos en torno a los vertederos, con el fin de disminuir la permeabilidad de los mismos. De esta forma se impide el escape de gases o lixiviados generados en el depósito. Esta mezcla se podia realizar in situ o sacando el suelo de su emplazamiento, mezclándolo con la bentonita y volviendolo a colocar en su sitio, la ventaja de la primera alternativa es que supone un gasto menor, pero sin embargo, implica una mezcla menos homogénea, la segunda alternativa, sin embargo, es más cara pero asegura una mejor homogeneización de la mezcla bentonita-suelo. Por otro lado, esto disminuye la cantidad de bentonita necesaria (5-6 %), frente a 7-8 % para la utilizada en mezclas in situ.

Más recientemente 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 ente dos capas, una de geotextil y otra de geomembrana (plasticos manufacturados, como polietileno de alta densidad o polipropileno, entre otros) (Lagrada et al., 1996).

La geomembrana es impermeable, mientras que el geotextil es permeable, de modo que permite a la bentonita hinchar, produciendo la barrera de sellado compactada.
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