Бентонит

Бентонит - это минеральные образования, относящиеся к классу алюмосиликатов, имеющие высокую дисперсность, т.е. обладающие размером кристаллов на уровне меньше 1 мкН. и, вследствие этого, имеющие большую удельную поверхность. Особенности кристаллохимического строения бентонитов обуславливают наличие на их поверхности ионообменных катионов, достаточно сильно 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 с древних времен (со времен Римской империи) относили глины, обладающие способностью поглощать дисперсные частицы различных размеров. Такие глины употребляли для очистки шерсти, используемой для изготовления сукна, от жира. Фуллер или fuller в английской транскрипции переводится как сукновал. Впоследствии было установлено, что в природе встречается два типа сукновальных глин. Глины одного типа использовались как сукновальные в естественном виде, другого после химической обработки или активации. Крупные скопления глин второго типа были найдены вблизи форта Бентон (США) 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 др. менее распространенные. 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 Al,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 чрезвычайно важное свойство для их промышленного использования. Среди смектитов наиболее высокой набухающей способностью обладает монтмориллонит, в котором главным обменным катионом является Na. Эти бентониты получили название щелочных бентонитов. 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.

К истинным бентонитам, в соответствии с требованиями современной промышленности, относится монтмориллонитовая глина, в которой содержание монтмориллонита 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, в которых монтмориллонита менее 70 % или вместо монтмориллонита присутствует какой-либо другой минерал из группы смектитов, следует относить к бентонитоподобным глинам или "бентоноидам".

Типовой химический состав бентонита, %

Al₂O₃	16,55	K₂O	0,92
SiO₂	52,30	Na₂O	1,92
TiO₂	0,95	P₂O₅	0,12
CaO	5,49	MgO	3,03
Fe₂O₃	5,2	S	0,36

Общими свойствами бентонитовых глин являются дисперсность, адсорбционная способность, набухаемостъ, связующая способность и другие характеристики.

Дисперсность - характеристика размера частиц в дисперсных системах, которые состоят из множества мелких частиц (дисперсной фазы), распределенных в однородной (дисперсной) среде. По размерам частиц различают грубодисперсные и высокодисперсные системы.

Коллоидность - свойство частиц дисперсной фазы размером от 10-7 до 10-5 см в результате интенсивного броуновского движения распределяться в дисперсной среде.

Набухаемость - притяжение молекул воды тонкодисперсными частицами глины. Адсорбция - способность глин поглощать вещества из жидкой среды.

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

Бентонитовый порошок представляет собой продукт сушки и тонкого помола природного материала - бентонитовой глины, сохранившей все свои коллоидно-химические свойства. Глинопорошки имеют ряд преимуществ перед комовыми глинами. Это:
- диспергирование (набухание мелких) частиц происходит быстрее и полнее, чем крупных;
- транспортировка глинопорошка, особенно на большие расстояния обходится дешевле;
- механизация и автоматизация процессов приготовления растворов;
- другие.

Качество бентопорошков и отнесение их к различным маркам определяется, во-первых, качеством исходной глины, во-вторых, методами технологической переработки. В процессе производства возможно повышение качества глинопорошков (модификация) путем обработки глин различными реагентами во время помола. Значительно улучшают качество бентопорошков, например, 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.

В зависимости от применения, бентопорошки должны отвечать определенным качественным характеристикам в соответствии с Государственными Стандартами и Техническими Условиями данной отрасли.

Глинопорошки – основной материал для приготовления буровых растворов с необходимым комплексом структурно-pеологических, фильтрационных и других специфических свойств. Химические добавки к буровым растворам рассматриваются лишь как средство регулирования показателей свойств раствора.

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.

Применение бентонита

Благодаря своим уникальным свойствам бентонит нашел широкое применение во многих областях, важнейшими из которых являются:

Бентонит для бурения
Бентонит для прокладки трубопроводов и коммуникаций (ГНБ)

Перлит

Перлит – вулканическое стекло, содержащее 70…75 % SiO2 и 2…5 % H2O. Отличительной чертой перлита от других вулканических стекол является то, что при нагревании до определенной температуры в диапазоне его размягчения, он увеличивается в объеме от четырех до двадцати раз против его первоначального объема. Такой процесс вспучивания происходит вследствие присутствия в природном перлите от двух до шести процентов связанной воды. При быстром нагревании этой породы выше 870°C , она лопается наподобие «поп корна», так как связанная вода, испаряясь, создает бесчисленные мельчайшие пузырьки в размягченных остекленевших частицах. Именно эти мельчайшие застекленевшие пузырьки обеспечивают такой изумительно малый вес и другие исключительные физические свойства вспученного перлита.

Процесс вспучивания также придает перлиту одну из наиболее отличительных его характеристик - белый цвет. В то время как перлитовая порода различается от прозрачных и светло-серых тонов до глянцево-черных, вспученный перлит различается цветом от снежно-белого до серовато-белого. Вспученный перлит производится с удельным весом от 32 кг/м3 до 240 кг/м3, годным для применения в многочисленных целях, включая фильтрацию, садоводство, изоляцию, в качестве инертных носителей и многочисленных заполнителей. Поскольку перлит является формой природного стекла, он относится к химически инертным и имеет pH, приблизительно равным 7.

Вода в сыром перлите

Вода в сыром перлите находится в двух основных формах: свободной и связанной. Свободная вода это простая влага на поверхности породы. Она оказывает ничтожный эффект на процесс вспучивания, если не считать затруднений при обработке и лишнего расхода энергии, необходимой для процесса вспучивания. Именно наличие связанной воды придаёт перлиту способность вспучивания и превращения в то, что называют "самый изменчивый минерал на свете". Вода обеспечивает два эффекта: она снижает точку размягчения минерала и действует как средство расширения расплавленной породы, в результате чего она вспучивается. Присутствие воды является результатом естественных процессов. Перлит обнаруживается на кромке потока лавы, возле первичной поверхности, где лава может быстро остыть, сформировав вулканическое стекло (обсидиан). В последующие годы под действием подземных вод, проникающих сквозь обсидиан, происходит его гидратация. Количество воды в гидроксиде обсидиана (перлите) может меняться, но обычно не более 4% в большинстве коммерческих марок.

Экспериментальные работы указывают, что, по-видимому, имеется несколько различных типов связей между перлитом и связанной водой, имеющих переменные количества освобождаемой воды под воздействием различных уровней энергии. Для вспучивания перлита требуется очень осторожный нагрев частиц с последующим удалением их из зоны нагрева. Нагрев частиц должен быть достаточно быстрым, чтобы они размягчились до вспучивания прежде, чем вода, необходимая для этого, удалится. Наиболее эффективно это осуществляется в специально сконструированных печах, выполняющих этот процесс в две или более стадии, включающие оборудование энергосберегающей рекуперации.

Особенности процесса вспучивания перлита

Вспучивание перлита так же, как и вспучивание керамзитового сырья заключается в образовании за относительно короткое время газовых пузырьков по всему объему материала на стадии его пиропластического состояния. Этот процесс может происходить при различных температурах (в частности для силикатов и алюмосиликатов 'при температурах порядка 850... 1200°С). В отличие от перлита, керамзитовое сырье перед вспучиванием должно расплавиться, и для этого необходимы дополнительные затраты тепла. Для перехода перлита в пластическое состояние без стадии аморфизации достаточно частичного его размягчения.

Главным агентом вспучивания является вода, которая бывает двух типов: структурной и подвижной. Структурная, вода покрывает стенки капилляров, подвижная находится в центре капилляров, образуя ассоциированные группы.