دانلود مقاله بنتونیت

 چکیده:
بنتونیت ی سنگ رسی با خاصیت ویژه ای می باشد. رنگ این سنگ در حالت هوازده سبز روشن و سبز مایل به زرد است و ترکهایی مثل ترکهای موم سفت در آن موجود می باشد. وقتیکه یک تکه از این سنگ را خیس کنیم به چند برابر حجم خود افزایش پیدا می کند و در اثر شکسته شدن به یک خمیر صابونی تبدیل می شود.
به طور کلی بنتونیتها به سه دسته تقسیم می شوند:
1- بنتونیت با تورم زیاد یا بنتونیت سدیم
2- بنتونیت با تورم کم یا بنتونیت کلسیم
3- بنتونیت با تورم متوسط یا بنتونیت متوسط
بنتونیت فعال به خاکهایی گفته می شود که با یک ماده شیمیایی تغییراتی در آن بوجود آورند. فعال سازی بنتونیتها بیشتر با استفاده از محلول آب نمک برای تعویض یونهای کلسیم با سدیم است که با این عمل خاصیت تورمی و تعلیق پذیری بنتونیتها افزایش پیدا می کند.
گل سرشور یا رس رنگ زدا یا رس چربی زدا که احتیاج به فعال سازی ندارد و مصرف فعلی آنها برای تهیه گل حفاری، رنگ زدایی، خالص کردن روغنهای معدنی، جذب روغن از کف کارگاهها و غیره می باشد.
در فصل اول بنا به توضیح مختصری که داده شد علاوه بر تعریف و تقسیم بندی بنتونیت، مصارف و کاربرد آن از جمله استفاده بنتونیت در گل حفاری- گندله سازی- بی رنگ کننده- مصارف کشاورزی- مواد سمی- کودها- کاتالیزور- مصارف ساختمانی و سایر مصارف موردبحث و بررسی قرار گرفته است.
کانسارهای بنتونیت در شش منطقه ایران پدید آمده است که بشتر آنها در ارتباط با فعالیتهای ولکانیکی سنوزوئیک است که کلیه خصوصیات و مشخصات به تفصیل در فصل دوم آمده است.
در فصل سوم کلیه آزمایشات مربوط به بنتونیت معادن موجود در ایران مورد ارزیابی قرار گرفته است. در قسمت آزمایشگاه بنتونیت برای پی بردن به خصوصیات فیزیکی و شیمیایی بنتونیتهای ارسالی از معادن فعالیت های گوناگونی و برای تشخیص اینکه بنتونیت های استخراج شده در کدامیک از مصارف صنعتی قابل کاربرد می باشند انجام می گیرد.

مقدمه:
میلیونها سال مواد معدنی در دل خاک مدفون بوده اند و بشر به پیروی از نیازهای تدریجی خود اقدام به کشف و بهره برداری از آنها نموده اند و پس از آن اعمال فرآیندهای مناسب محصولات قابل استفاده در مورد امور مختلف از آنها بدست آورده است. تنوع مواد معدنی و کاربردهای متعدد هریک از آنها سبب شده است که این مواد بطور چشمگیری در زندگی روزمره ایفای نقش کرده و در نتیجه استخراج معادن شاخه ای از فنون و علوم متداول گردید. مسلم است که بخش عمده ای از نیازهای بشر باید از زمین تأمین شود و پتانسیل کشاورزی و ذخایر معدنی از منابع اصلی تأمین این نیازها بوده است. ارتباط کشاورزی، صنعت و معدن با یکدیگر جای هیچ گونه بحثی ندارند. لذا نمی توان هیچ یک را بر دیگری ترجیح داد و در مسیر تمدن بشر هریک جایگاه مخصوص به خود دارند.
بدیهی است که معادن به عنوان تأمین کننده مواد اولیه صنایع موردتوجه قرار می گیرند همیشه سعی بر این بوده که استخراج مواد معدنی به صورت اقتصادی و امن صورت گیرد بدین منظور علاوه بر مطالعه گزارشها و نتیجه کارهای معادن مختلف دنیا تحقیقات پیوسته ای در زمینه چگونه گی اکتشاف، بهبود تکنیک استخراج و کشف و کاربردهای جدید مواد معدنی صورت می گیرد و امروز معدن کاری و صنایع معدنی اقلام بسیار بزرگی از درآمد برخی از کشورها را تشکیل می دهد.

فصل اول
مصارف بنتونیتهای موجود در طبیعت و نحوه پیدایش
1-1- تعریف بنتونیت
بنتونیت یک ماده معدنی از دسته رسها و شبه رسها است که از کانی مونت موریونیت و به مقدار کم بیدلیت (نوع پرمایه تر از بنتونیت آلومینیوم دار) تشکیل شده است.
اصطلاح بنتونیت برای اولین بار در سال 1898 توسط نیت (Knight) به خاک رسی که از شیل بنتون در آن زمان استخراج گردید، اطلاق شد. نام شیل بنتون نیز از کوه فورت بنتون که در 400 مایلی شمالی رودخانه راک (Rock) قرار دارد گرفته شده است.
در اوایل قرن بیستم چندین زمین شناس تشخیص دادند که اصولاً بنتونیت در لایه های سنگهای کرتاسه و ترشیری بوده و از مواد آتشفشانی حمل شده منشأ می گیرد این تشخیص آنها را به خاستگاه بنتونیت که توسط راس و (Roos) شانون (Shannon) عنوان شده بود هدایت کرد. به نظر آنها بنتونیت اساساً سنگی است مرکب از یک شبه رس متبلور که از تغییر حالت شیشه ای به حالت بلوری یک ماده آذری شیشه ای که (معمولاً اغلب توف یا خاکستری آتشفشانی است) در اثر هوازدگی شیمیایی تشکیل شده است و اکثراً دارای مقادیر مختلفی از دانه های دیگری است که به صورت بلور در شیشه آتشفشان وجود داشته اند.
این دانه های بلورین فلدسپات (معمولاً ارتوکلاسز و الیگوکلاز) بنتونیت، کوارتز پیروکسین ها زیرکون و انواع دیگر کانیهای مختلف مخصوص سنگ آذرین است.
موروثی با باقت بی فرنژانس بالا، کیلواژ آسان، مشخصه کانی شبه رس دارابودن شکل میکائی توف یا خاکستر بوده و معمولاً مونت موریونیت و یا مقدار اندکی بیدلیت است.
توصیف فوق برای بنتونیت به عنوان یک کانی سنعتی این مشکل را به وجود می آورد که طبق بنتونیت محدود به خاکستر توف و ماده اولیه شیشه ای، این تعریف و براساس خاستگاه اعلام شده آتشفشانی می گردد و کانسارهای مطبق دارای کانیهای رسی که بر این تعریف انطباق داشته ولی نمی توانند بنتونیت نامیده شوند. خاستگاه نامعلوم دارند و یا فاقد مواد اولیه شیشه ای می باشند از طرف دیگر بسیاری از کانسارها در غرب امریکا و سایر نقاط دنیا که استخراج و بنام بنتونیت بفروش می رسند با تعریف فوق مطابقت ندارد.
شاید مهمترین تعریف برای بنتونیت بعنوان یک کانی صنعتی توصیف ارائه شده توسط گریم (Grim.A.R) در مادرید اسپانیا در سال 1972 است.
طبق این تعریف بنتونیت، خاک بنتونیت خاک رسی است که ذاتاً از کانیهای اسمکتیت بدون توجه به خاستگاه آن تشکیل شده است.
با این تعریف اختلاف بین بنتونیت عنوان شده توسط زمین شناسان و بنتونیت صنعتی از بین رفته و مشکل رسهای اسمکتیتی که از سنگهای آذرین غیر از توف خاکستر یا شیشه تشکیل شده، یا اسمکتیت هایی که رسوبی بوده و منشأ نامعلومی دارند حل می شود. در هر صورت وقتی بنتونیت با این تعریف و معنی بکار می رود جزو سنگهای دارای بیش از یک کانی محسوب و در خیلی از موارد تشخیص آن از کل سر شور (Fullers Earth) ممکن نخواهد بود. بنتونیت ها را به چندین طریق تقسیم بندی می نمایند که یکی از این روشها تقسیم بندی برمبنای ظرفیت تورمی آنها در حالت تر یا مخلوط با آب است. چنانکه بنتونیت هایی که دارای یون سدیم Na+ غالب یا یون سدیم قابل تعویض فراوان می باشند ظرفیت تورمی خیلی زیادی از خود نشان می دهند و وقتی به آنها آب اضافه شود، توده های ژل مانندی را تشکیل می دهند.
ظرفیت تورمی بنتونیت هایی که کلسیم قابل تعویض آنها از سایر یونها بیشتر است (Ca++) کمتر از نوع سدیم دار آن است. بعضی از انواع کلسیم دار کمی بیش از رسهای معمولی متورم می شوند و در آب به صورت گلوله های ریز با دانه های به هم چسبیده در می آیند.
بنتونیتهای دارای کلسیم و سدیم متوسط، بنتونیتهای مخلوط نامیده می شوند. تمایل این نوع به تورم متوسط بوده و ژل کم حجمی را نسبت به نوع سدیم دار (با وزن مساوی) تشکیل می دهند.
بنابراین با توجه به موارد بالا بنتونیتها را به سه دسته زیر تقسیم می کنند:
الف) بتونیت با تورم زیاد یا بنتونیت سدیم
ب) بنتونیت با تورم کم یا بنتونیت کلسیم
ج) بنتونیت با تورم متوسط یا بنتونیت متوسط
در صنعت به بنتونیت ها با تورم کم و متوسط عنوان ساب بنتونیت (Bentonite Sub) اطلاق می گردد.
بنتونیت در امریکا برحسب محل جغرافیایی کانسار و همچنین کاربردهای آن تقسیم بندی می کنند مثلاً:
بنتونیت های جنوبی، به بنتونیت های کلسیم کم تورم واقع در کنار خلیج مکزیک گفته می شود.
بنتونیت وایومینگ یا غربی، به بنتونیت های سدیم با تورم زیاد واقع در وایومینگ و ایالات نزدیک آن گفته می شود.
بنتونیتهای گل حفاری بنتونیتهای چسبیده مصرفی در ماسه ریخته گیری و بنتونیت چسبیده یا کونیتی با توجه به مصرف آنها توسط بازرگانان عنوان می شود.
سایر عناوین مثل بنتونیت ییلد بالا و ییلد پایین، بنتونیت ژل بالا و پایین، بنتونیت با مقاومت زیاد و کم نیز برای تشخیص بنتونیت از نظر کیفی در بازار مصطلح است.
تقسیم بندی مختلف دیگری نیز وجود دارد که خیلی مودر توجه نیست. بنتونیت دارای چنان انواع گوناگونی است که بعضی از آنها در تقسیم بندی متعارف نمی گنجد یکی از این بنتونیت ها مکتوریت است که دارای خاصیت تورمی زیادی بوده و از نوع اسمکتیت لیتیم دار است که عمدتاً در کالیفرنیا و ایالتهای هم جوار آن قرار دارند و نمی توانند جزو بنتونیتهای وایومینگ قرار گیرند و حتی در غرب قرار نگرفته اند تا جزو بنتونیتهای غربی محسوب گردند. غیر از آن بنتونیت هایی هستند که منیزیم (Mg++) و یا هیدروژن (H+) فراوان داشته و یا یون قابل تعویض غالب دارند. این نوع بنتونیت سدیم یا کلسیم دار نبوده و ظاهراً بعضی از آنها خاصیت تورمی کمی داشتند و بقیه ظرفیت تورمی نسبتاً بالایی دارند.
بنتونیت های دیگری نیز وجود دارد که بنتونیتهای پتاسیم (K) بنتونیت یا متابنتونی نامیده می شوند. این بنتونیت ها در سنگ های پالئوزوئیک نواحی آپالاچی و دره می سی سی پی و جاهای دیگر یافت می شوند و ظاهراً از خاکسترهای آتشفشانی تشکیل شده اند. عموماً دارای ایلیت و مخلوطی از کانی های لایه ای هستند. پیشوند متا در متابنتونیت از متامورفیسم می آید، چرا که عقیده بر این است که این نوع بنتونیت به وسیله عمل دگرگونی با درجه پائین یا دیاژنز پدید آمده است. سابقاً از این نوع بنتونیتها برای خالص کردن چربی خوک استفاده می گردند.
گل سرشور (Fullers Earth) یا رس رنگ زدا یا رس چربی زدا به رسها یا سایر مود خاکی دانه ریز گفته می شود که بدون احتیاج به فعال سازی مصنوعی کم و بیش رنگ زدا و جاذب رطوبت بوده و برای مصارف دیگر نیز بکار می روند از نظر ترکیبی یا کانی شناسی ویژگی خاصی ندارد. این عنوان برای اولین بار به خاکهایی که برای شستشو و پاک کردن پشم بکار می رفت اطلاق گردید. عمل آن در این شستشو جداکردن روغن و کثافت از پشم بود. نیم قرن پیش وقتی متوجه شدند که مردم محلی از این خاکها برای چربی زدایی و تمیزکردن پشم استفاده می کنند پرسشهایی را شروع کرده و مشاهده کرده اند که این خاکها توانایی رنگ زدایی و خالص کردن روغنهای معدنی نباتی و حیوانی را نیز دارند.
مصرف فعلی آنها بیشتر برای رنگ زدایی و خالص کردن روغنهای معدنی است ولی در مصارفی چون جذب روغن از کف کارگاهها و در بعضی موارد جهت تهیه گل حفاری و به عنوان پرکننده که خواص غیر از جاذب بودن می باشد نیز بکار می روند.
رسهای سفیدکننده (Bleeching clays) به خاکهای فعال طبیعی یا سایر بنتونیتها و رس های دیگر (مثل بوکسیت) اطلاق می شود که بوسیله اسید بصورت صنعتی فعال می شوند البته به رسهای طبیعی فعال نیز که دارای این خاصیت هستند رس سفید کننده گفته می شود و هردو نوع جزو رسهای جاذب نیز دسته بندی می گردند. عنوان رسهای جاذب نیز به خاکهای فعال طبیعی که به عناوین مختلف بمنظور جذب بکار می روند گفته می شود. این خاکها غیر از آنهایی است که برای عمل آوردن روغن بکار می روند.
خاک اسیدی طبیعی (Acid Earth Natural) یا خاک اسیدی (Acid Erth) به بعضی از انواع آناپواژیت گفته می شود که در آنها مقداری از یون ئیدروژن یا یون کلسیم و منیزیم جانشین شده باشد.
بنتونیت فعال به خاکهایی گفته می شود که با یک ماده شیمیایی تغییراتی در آن بوجود آورند.
این تغییر باعث ایجاد خصوصیات جدید یا تقویت خاصیت موجود در آنها می گردد. در بیشتر موارد که فعال سازی با اسید انجام می گردد به فعال سازی اسیدی مشهور است و محصول به دست آمده را بنتونیت فعال اسیدی می نامند خاکهایی که استعداد فعال شدن اسیدی دارند در اثر این عمل خاصیت رنگبری و سفیدکنندگی شدید پیدا می کنند.
نوع دیگر فعال سازی تعویض یون کلسیم در بنتونیتهای کلسیم دار با یون سدیم است که بیشتر با استفاده از محلول آب نمک یا کربنات سدیم (سودالش) یا مواد شیمیایی دیگر انجام می گیرد تا بنتونیتهایی که دارای خاصیت تورمی و تعلیق پذیری کمی هستند و خیلی برای تهیه ماسه های ریخته گری مناسب نیستند و یا ییلد آنها برای مصرف در گل حفاری پایین است، تقویت شوند.
بدلیل اهمیت این موضوع و همچنین بدلیل عرضه شدن بنتونیت های فعال شده تحت عنوان بنتونیت فعال در بازار نسبت به شرح فعال سازی بنتونیت بخصوص فعال سازی اسیدی در انتهابی مبحث (انواع کانیهای موجود در طبیعت) اشاره خواهد شد.
عنوان اورگا بنتونیت به مونت موریوتی گفته می شود که از واکنش بنتونیت اوکتارسی لامین (octadeylamin) با فرمول (C18H37NH4) حاصل می شود و نام تجاری آن ایوژل (Ivegel) است. شکل پذیری مونت موریونت در درجه حرارت 100 الی 150 درجه سانتیگراد با از دست دادن آب کاهش یافته و خواص خاک رس کائولینیتی و ایلیت را بخود می گیرد و شکل پذیری آن بلافاصله پس از اضافه کردن آب به خوبی انجام نمی گیرد بلکه باید پس از اضافه کردن آب مدتی به حال خود گذاشته شود تا این خاصیت به حالت ایده آل برسد.
2-1- مصرف و کاربرد بنتونیت
بنتونیت به دلیل خواص نرم بودن، تورم پذیری، کلوئیدی و خوب مخلوط شدن با آب، خمیری شدن، پلاستیک شدن، چسبندگی و چسبانندگی، جاذب بودن و غیره دارای مصارف پرشماری است از جمله گل حفاری، عامل چسباننده در ماسه های ریخته گری، جلوگیری از نفوذ آب از سدها و کانالها و استخرهای آب، عامل شفاف کننده مایعات به خصوص آبمیوه ها، زلال کردن آب و صاف کردن مایعات از جمله پارافین، گندله کردن مواد معدنی از جمله سنگ آهن، گلوله کردن غذای دام، حیوانات اهلی، ناقل در رنگها و سایر مواد اسپری شدن چون سموم گیاهی و حیوانی پرکننده در خیلی از صنایع از جمله کاغذ و رنگ و غیره و صنایع پاک کننده از جمله صابون سازی، تهیه بعضی از انواع سرامیک جهت تکمیل فرمول بدنه یا لعاب، تهیه سموم کشاورزی و دفع آفات نباتی، صنایع داروسازی، بعنوان فیلتر، به عنوان کاتالیزور، رنگبری روغنهای صنعتی، نفتی و خوراکی، جداکردن صمغ از بنزین، لجنهای اسیدی از روغنها، آتشفشانی، صنعت کرم ابریشم، در معادن ذغال سنگ جهت فرونشاندن آتش و یا برای پوشش دیواره های محل استخراج شده جهت ممانعت از وورد هوا و ممانعت از خودسوزی زغال و غیره.
مونت موریونت یا بنتونیت ها را با توجه به کاربردهای فراوان آنها به طور خلاصه به شرح زیر دسته بندی می نمایند.
بنتونیت کلسیم
بنتونیت سدیم
مونت مورینت معروف به خاک اسیدی
کاربرد این بنتونیتها به طور خلاصه بدین شرح می باشد.
بنتونیت کلسیم:
در ماسه ریخته گری، جاذبه های روغن و گریس، فیلترکردن و تصفیه، غذای دام و حیوانات اهلی
بنتونیت سدیم:
گلهای حفاری، ماسه ریخته گری، گندله سازی، غذای حیوانات، نیازهای مهندسی سویل
مونت موریونیت معروف به خاک اسیدی:
کف لانه های حیوانات خانگی، جاذب گریس و روغن، روان سازی، ناقل رنگ و غیره
ارزش بنتونیت سدیم بیشتر به دلیل چسبندگی و چسبانندگی آن می باشد در صورتیکه بنتونیت کلسیم و خاکهای طبیعی فعال بیشتر بدلیل خواص جاذب بودن، کاتالیزوری، توان تعویض کانیونی و بالاخره چسبانندگی آنها ارزشمند است.
3-1- گل حفاری
بنتونیت بدلیل تعلیق پذیری واستاندارد سیلان در غلظت های بالا و قدرت آب بندی در اثر تورم از حدود 70 سال پیش بعنوان گل حفاری مصرف می شود. این نوع بنتونیت بیشتر از نوع سدیک یا تورم پذیر است. بنتونیت کلسیم یا خاک اسیدی بندرت برای این کار مصرف می شود. برای این کار بنتونیت را به صورت گل (مخلوط ساده بنتونیت با آب) که به گل وانیلا (Vanilla) معروف است در می آورند و در چاهها و گمانه های حفاری تزریق می کنند تا دیواره آنها را بصورت ژل پوشانده، ترک و شکافهای دیواره گمانه ها را پرکرده و موجب کاهش آب (افت آب) تزریقی در گمانه گردد. لیزی و سیلان آن (در اثر جریان یابی) حرکت دستگاه حفاری را در گمانه ها آسانتر می نمایند.
در گمانه هایی که در کناره دریا و یا در میان سازندهای آبدار حفر می شود تزریق بنتونیت به تنهایی یا با مواد دیگر مانع نفوذ بیش از حد آب بداخل این گمانه ها می شود. برای آزمایش تعلیق پذیری 5/22 گرم بنتونیت را با 350 سانتی متر مکعب آب مقطر مخلوط کرده و زمان تعلیق و غلظت آنرا تعیین می کنند و با غلظت سنج مخصوص در 300 تا 600 دور یید (Yield) آنرا اندازه گیری می نمایند که ییلد موردنظر حداقل بایستی 90 bbl درهر تن باشد. این مخلوط را سپس از فیلتر پرس تحت فشار گذرانده و حجم آب بدست آمده را اندازه گیری می کنند.
روش دیگر آزمایش سرندتر است. برای این کار 1 گرم بنتونیت با نرمی مش 200 تا 350 سانتی متر مکعب آب مخلوط کرده و از سرند مخصوص می گذرانند. باقی مانده روی الک خشک کرده و وزن می نمایند تا درصد بنتونیت ردشده از سرند تعیین شود. این رقم نباید از 205 درصد بیشتر باشد و در مورد آتاپولوژیت این رقم 8 درصد است.
بیشترین کاربرد بنتونیت برای گل حفاری در ده سال 1971 تا 1981 در سال 1981 بوده است.
چنانچه کشورهای غربی در این سال حدود 8/1 میلیون تن در چاههای نفت مصرف کرده اند که اغلب از نوع سدیک بوده است. در این میان امریکا بزرگترین مصرف کننده در این صنعت است و در سال 1981 به تنهایی حدود 940 تن، یعنین صف مصرف دنیای غرب را به خود اختصاص داده است. در جایی که آب معدنی در ناحیه حفاری مانع کار شود از رسهای نوع هورمیت یا به عبارتی آتاپولژیت و سپیولیت بجای بنتونیت استفاده می کنند. جداکثر رطوبت بنتونیتی که برای گل حفاری به کار می رود بطور استاندارد و برای زمان تحویل و حمل 100 درصد برای بنتونیت و 61 درصد برای آتاپولژیت است.
ماسه به تنهایی قابلیت چسبندگی ندارد. اگر قالبهای ریخته گری با ماسه خالص ساخته شوند قبل یا در موقع ریخته گری از هم پاشیده می شوند. برای جلوگیری از این قضیه از خاصیت چسبندگی بنتونیت استفاده می شود. به ماسه های ریخته گری، مقداری بنتونیت که از 15 درصد تجاوز نمی کند، می افزایند.
این ماسه ها بنتونیت دار جهت فرم دادن فلزات و آلیاژها به صورت ریخته گری بارها مورد استفاده قرار می گیرند فاصله زمانی استفاده مجدد ممکن است از یک ساعت کمتر باشد و چون فلزات با درجه حرارت بالا در قالب ریخته می شوند بنابراین ممکن است باعث از بین بردن خواص مطلوب بنتونیت مخلوط شده با ماسه گردند.

فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد

تعداد صفحات این مقاله   186 صفحه

پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید