Sekcja Bentonit

VOLCLAY
®
Bentonit sodowy Volclay®
Minera∏ pozyskiwany z miejsca naturalnego wyst´powania,
modyfikowany dla zwi´kszenia efektywnoÊci dzia∏ania i przetwarzany do postaci szeregu materia∏ów hydroizolacyjnych, zapewnia izolowanej nim konstrukcji nieograniczonà w czasie
os∏on´ przed dzia∏aniem wody gruntowej.
Spis rozdzia∏ów:
1.0.
2.0.
Budowa bentonitu sodowego . . . . . . . . . . . 2
W∏aÊciwoÊci bentonitu sodowego. . . . . . . . . 3
2.1. W∏aÊciwoÊci fizyczne . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2. W∏aÊciwoÊci elektrochemiczne . . . . . . . . . . 3
2.3. W∏aÊciwoÊci hydratacyjne . . . . . . . . . . . . . 3
3.0.
Wp∏yw zanieczyszczeƒ na bentonit surowy . . . 5
4.0.
Wzbogacanie bentonitu. . . . . . . . . . . . . . . 5
4.1. Wybór wyjÊciowego i∏u . . . . . . . . . . . . . . 5
4.2. Traktowanie polimerami. . . . . . . . . . . . . . 6
4.3. Modyfikowanie dyspergatorami . . . . . . . . . 7
4.4. Dzia∏anie synergiczne . . . . . . . . . . . . . . . 8
5.0.
Uwagi koƒcowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
6.0.
Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Korpele 13 A – Strefa, 12-100 Szczytno
tel. (0-89) 624 92 79, fax (0-89) 624 97 32
e-mail: [email protected] http://www.cetco.pl
Dane zawarte w niniejszej publikacji majà charakter informacyjny i sà bezp∏atne. Dokument ten nie stanowi cz´Êci jakiegokolwiek kontraktu lub domniemanej umowy. OdpowiedzialnoÊç wynikajàca z ostatecznej decyzji o przydatnoÊci którejkolwiek informacji lub materia∏u w konkretnym przypadku oraz o sposobie u˝ycia, spoczywa na u˝ytkowniku wyrobów.
VOLCLAY
®
Bentonit jest i∏em o unikalnych w∏asnoÊciach fizycznych.
Genetycznie jest ska∏à osadowà powsta∏à na skutek
wietrzenia in situ popio∏ów wulkanicznych – g∏ównie
kredowych i trzeciorz´dowych – w Êrodowisku podmorskim. Jego nazwa pochodzi od pierwszego eksploatowanego z∏o˝a w Fort Benton w stanie Wyoming (USA).
Po wydobyciu ze z∏o˝a bentonit sodowy zostaje przez
Colloid Environmental Technologies Company (CETCO)
przetworzony. Proces przetwórczy polega na zastosowaniu do starannie wyselekcjonowanego bentonitu dwóch
czynników chemicznych, które dzia∏ajàc ka˝de z osobna
i ∏àcznie sprawiajà, ˝e bentonit staje si´ bardziej odporny na dzia∏anie zanieczyszczeƒ chemicznych.
metalo-tlenowo-wodorotlenowe po∏àczone mi´dzy sobà
kraw´dziami. Warstwy tetraedryczne skierowane sà wystajàcymi wierzcho∏kami do Êrodka pakietu. Aniony tlenu
– wspólne dla obu warstw – otaczajà razem z grupami
wodorotlenowymi kationy glinu, tworzàc oÊmioÊciany
warstwy oktaedrycznej (rys. 1). Warstwy w pakiecie po∏àczone sà silnymi wiàzaniami jonowo-atomowymi.
W warstwach oktaedrycznych montmorillonitu mogà zachodziç podstawienia izomorficzne glinu przez kationy
o ni˝szej wartoÊciowoÊci. Na skutek tych podstawieƒ powstaje nadmiar ∏adunku ujemnego, który lokalizuje si´ na
powierzchniach pakietów. Ten ujemny ∏adunek równowa˝ony jest przez kationy adsorbowane w przestrzeni
mi´dzypakietowej. Poniewa˝ pole elektrostatyczne pakietu jest s∏abe, kationy te sà ∏atwo wymienialne. Pojedyncza czàstka montmorillonitu ma postaç p∏ytki o gruboÊç
1 nm (10-9) i pozosta∏ych wymiarach rz´du 0,2–2 mm
(10-6). W suchym bentonicie sodowym dominuje zwykle
orientacja p∏ytek typu p∏aszczyzna-p∏aszczyzna. W przestrzeniach mi´dzypakietowych czàstek wyst´pujà kationy
wymienne i niewielkie iloÊci wody. Odleg∏oÊci mi´dzy pakietami sà zmienne i zale˝à g∏ównie od iloÊci zaadsorbowanej wody.
1.0 Budowa bentonitu sodowego
G∏ównym sk∏adnikiem bentonitu sodowego jest minera∏
ilasty – montmorillonit sodowy. Montmorillonit jest minera∏em z grupy smektytu nale˝àcej do klasy krzemianów
warstwowych typu 2:1. Smektyty zbudowane sà z pakietów sk∏adajàcych si´ z dwóch warstw tetraedrycznych
i zawartej mi´dzy nimi warstwy oktaedrycznej. Podstawowymi elementami strukturalnymi warstwy tetraedrycznej sà czworoÊciany krzemowo-tlenowe po∏àczone
ze sobà naro˝ami, a warstwy oktaedrycznej oÊmioÊciany
Bentonity – najogólniej – klasyfikowane sà ze wzgl´du na
dominujàce w przestrzeniach mi´dzypakietowych katio-
tlen
OH
grupa hydroksylowa
glin
OH
krzem
OH
OH
+
Na+
d(001)
Na
Na+
Na+
na
Na+
dycz
etrae
t
a
z
c na
tw
edry
wars
okta
na
a
c
w
t
dy z
wars
etrae
t
a
tw
wars
Na
+
Na
+
n H2O
Rys. 1. Struktura i uk∏ad warstw montmorillonitu sodowego
2
Na
+
Na
+
Na
+
Na
+
n H2O
n H2O
VOLCLAY
®
ny wymienne jako sodowe lub wapniowe, chocia˝ spotyka si´ równie˝ magnezowe. Gdy przewa˝ajà jony sodu
w przestrzenie mi´dzypakietowe mo˝e zostaç zaadsorbowana znaczna iloÊç wody. To powoduje p´cznienie
struktury minera∏u a nawet mo˝e dojÊç do ca∏kowitej separacji kryszta∏u na poszczególne pakiety warstw. Proces
ten nie zachodzi z takà intensywnoÊcià, gdy w kompleksie sorpcyjnym dominuje wapƒ lub magnez. Bentonity
wapniowe i magnezowe p´czniejà znacznie s∏abiej.
2.0 W∏aÊciwoÊci bentonitu sodowego
Rys. 2. Dipolowa budowa czàsteczki wody
2.1 W∏aÊciwoÊci fizyczne
2.3 W∏aÊciwoÊci hydratacyjne
Bentonit sodowy jest powszechnie znany ze swoich wybitnych zdolnoÊci p´cznienia. Mo˝e adsorbowaç 5 razy
wi´cej wody ni˝ sam wa˝y, a przy pe∏nym nasyceniu zajmuje obj´toÊç 12–15 razy wi´kszà ni˝ w stanie suchym.
Niezwyk∏a zdolnoÊç adsorpcji wody czyni go równie˝
bardzo plastycznym i odpornym na prze∏amania i p´kni´cia, jego granica p∏ynnoÊci jest rz´du 600–800%.
Z uwagi na dost´pnoÊç dla wody i jonów wymiennych,
oprócz powierzchni zewn´trznej czàstek, równie˝ powierzchni w przestrzeniach mi´dzypakietowych, montmorillonit sodowy charakteryzuje si´ wyjàtkowo du˝à
powierzchni´ w∏aÊciwà: 700–800 m2/g. Oznacza to, ˝e
mniej ni˝ 10 gramów w pe∏ni zdyspergowanego bentonitu ma powierzchni´ w∏aÊciwà równà powierzchni boiska do pi∏ki no˝nej.
Warstwa uwodnionego bentonitu tworzy zwartà barier´ dla przep∏ywu cieczy o przewodnoÊci hydraulicznej
rz´du 10–11 m/s.
W praktyce in˝ynierskiej bardzo jest wa˝ne, ˝e bentonit
mo˝e byç nieograniczonà iloÊç razy uwadniany i suszony oraz zamra˝any i rozmra˝any bez utraty swych pierwotnych w∏aÊciwoÊci.
Pomimo olbrzymiej iloÊci badaƒ, proces hydratacji bentonitu sodowego nie jest ca∏kowicie wyjaÊniony. Jednak
wiedza o nim jest wystarczajàca, aby pokusiç si´ tu
o ogólny opis zasadniczego mechanizmu powodujàcego adsorpcj´ wody. Na p´cznienie bentonitu sodowego
wp∏ywa kombinacja czterech czynników:
1. Polaryzacja moleku∏ wody. Czàsteczki wody, w których dwa atomy wodoru tworzà kàt 105° w stosunku do
atomu tlenu, majà kszta∏t litery V (rys. 2). Z uwagi na to,
˝e atomy tlenu majà tendencj´ do przyciàgania elektronów (e–), a atomy wodoru majà sk∏onnoÊç do ich oddawania, otoczenie czàsteczek wody w pobli˝u atomów
tlenu jest na∏adowane ujemnie, podczas gdy przestrzeƒ
wokó∏ atomów wodoru ma ∏adunek dodatni. I chocia˝
2.2 W∏aÊciwoÊci elektrochemiczne
Budowa bentonitu sodowego nadaje mu pewne
istotne w∏aÊciwoÊci elektrochemiczne. Jak ju˝ wczeÊniej wspomniano, pakiety warstw montmorillonitu
ze swej natury majà ∏àczny ∏adunek ujemny. Jednak
na kraw´dziach pakietów, gdzie kationy glinu w warstwie oktaedrycznej sà eksponowane bez pe∏nego
zrównowa˝enia anionami tlenu, mo˝liwy jest pewien
∏adunek dodatni (∏adunek kraw´dziowy). Selektywna
neutralizacja tych ∏adunków kraw´dziowych jest krytycznym aspektem procesu uszlachetniania chemicznego, dokonywanego przez CETCO.
tlen
wodór
Rys. 3. Rozmieszczenie wodorów i tlenów w sieci wody
(wg Hendricksa i Jeffersona, 1938)
3
VOLCLAY
®
atomami tlenu na powierzchniach pakietów a atomami
wodoru w wodzie (rys. 4).
3. Ujemny ∏adunek powierzchni pakietów.
Stwierdzilimy ju˝, ˝e izomorficzne podstawienia kationów w obr´bie warstwy oktaedrycznej powodujà pospolaryzowane
wstanie nadmiaru ∏adunków
czàsteczki wody
ujemnych na powierzchniach
pakietów. Elektrony te umo˝liwiajà tworzenie si´ wiàzaƒ
wodorowych o charakterze
cz´Êciowo atomowym potetraedryczna warstwa
mi´dzy czàsteczkami wody
krzemotlenowa
a powierzchniami pakietów.
Uwa˝a si´, ˝e obecnoÊç wiàzaƒ atomowych zmienia rozk∏ad elektronów w zwiàzanych bezpoÊrednio z poRys. 4. Konfiguracja sieci wody, wg Hendricksa i Jeffersona, pokazujàca po∏àczenia poprzez
wierzchnià pakietu czàstkach
wodory do przyleg∏ej powierzchni minera∏u ilastego
wody i u∏atwia im tworzenie
wartoÊç tego ∏adunku jest niedu˝a, to jednak decyduje dodatkowych wiàzaƒ atomowych w tej samej i nast´po wielu istotnych w∏aÊciwoÊciach wody. Taka budowa nej warstwie. Czàstki w nast´pnej warstwie z kolei,
czàsteczki wody powoduje, ˝e Êrodki ci´˝koÊci ∏adunków utworzà wiàzania wodorowe o charakterze cz´Êciowo
dodatniego i ujemnego nie pokrywajà si´. Czàsteczka ma atomowym z ich sàsiadami itd., do momentu powstadwa bieguny, co nadaje jej w∏aÊciwoÊci dipolu. W ten nia trzech lub czterech warstw wody o podobnej oriensposób, gdy dwie czàsteczki wody zbli˝ajà si´ do siebie, tacji (asocjacja). Jednak cechy kinetyczne wody powopowstaje przyciàganie elektrostatyczne mi´dzy atomem dujà zmniejszanie si´ si∏ kierunkowych wraz z odleg∏otlenu o ∏adunku ujemnym u podstawy „V” – w jednej Êcià, kolejne warstwy czàsteczek wody stajà si´ coraz
czàsteczce wody i atomem wodoru na∏adowanym do- mniej spr´˝yste wraz ze wzrostem odleg∏oÊci od podatnio – w rogu drugiej czàsteczki. Chocia˝ si∏a tego wierzchni pakietu (Grim, 1968).
przyciàgania (nazywanego wiàzaniem wodorowym) stanowi tylko 5–10 % si∏y normalnego wiàzania atomowe- 4. ObecnoÊç sodu w pozycjach wymiennych. Przy
go mi´dzy atomami w czàsteczce, jest jednak znacznie dost´pie wystarczajàcej iloÊci czystej wody, jony sodu
wi´ksza od si∏ van der Waalsa, które utrzymujà niena∏a- w przestrzeniach mi´dzypakietowych sà „motorami” nadowane czàsteczki razem, w stanie ciek∏ym lub sta∏ym. p´dzajàcymi powy˝sze reakcje ponad ju˝ istniejàce 3–4
Najbardziej istotnym nast´pstwem tego typu wiàzaƒ jest monomolekularne warstwy wody. Ujemny ∏adunek oraz
asocjacja czàsteczek wody. Polaryzacja czàsteczek wody hexagonalne ustawienie atomów tlenu na powierzchumo˝liwia ich uporzàdkowanà adsorpcj´ w przestrze- niach pakietów warunkuje tworzenie si´ pierwszych spolaryzowanych warstw wody. Kontynuacj´ tego procesu
niach mi´dzypakietowych montmorillonitu.
umo˝liwia obecnoÊç jonów sodu, które wytwarzajà ci2. Geometrycze powinowactwo warstwy wody Ênienie osmotyczne, ciàgnàce czàsteczki wody z roztwoz warstwà tetraedrycznà pakietu. Patrzàc z góry na ru w warstw´ dyfuzyjnà, gdzie st´˝enie kationów jest
pakiet montmorillonitu, atomy tlenu na powierzchni wy˝sze ni˝ w roztworze (Grim, 1968; van Olphen, 1977,
warstwy tetraedrycznej u∏o˝one sà w w´z∏ach szeÊciokàt- Newman, 1987). Po wejÊciu w przestrzenie mi´dzypakienej siatki. Tak jak pasujàce kawa∏ki puzzli, siatka ta fizycz- towe, czàsteczki wody sà polaryzowane warstwowo, tak
nie przystaje do siatki tworzonej przez czàsteczki wody jak opisano wy˝ej. Wysokiej jakoÊci bentonit sodowy jest
(rys. 3) i mo˝liwe staje si´ wiàzanie wodorowe mi´dzy w stanie adsorbowaç 25–50 warstw wody (Grim, 1968).
tetraedryczna warstwa
krzemotlenowa
4
VOLCLAY
®
Êciwie zorientowane dla utworzenia silnych wiàzaƒ
z powierzchnià i∏u.
Rozmiary, w jakich ten mechanizm mo˝e oddzia∏ywaç
na bentonit sodowy, zale˝à w zasadzie od rodzaju i st´˝enia substancji chemicznej i czasu ekspozycji. Inne
zmienne dotyczà ogólnej jakoÊci i∏u (zw∏aszcza sk∏adu
kompleksu sorpcyjnego oraz wielkoÊci i pochodzenia ∏adunku: z warstwy oktaedrycznej, czy i tetraedrycznej),
jak równie˝ temperatury uk∏adu i∏/zanieczyszczenia.
3.0 Wp∏yw zanieczyszczeƒ
na bentonit surowy
Naturalny bentonit sodowy nie jest substancjà chemicznie oboj´tnà i w kontakcie z pewnymi zwiàzkami chemicznymi, w trakcie uwadniania jak i po, jest podatny
na degradacj´. Chemikalia mogà niekorzystnie wp∏ywaç
na bentonit sodowy na cztery sposoby:
1. Rozpuszczanie i∏u. Silnie st´˝one roztwory kwasów
i zasad mogà rozpuszczaç tlenek glinu z warstwy oktaedrycznej montmorillonitu. Mogà przez to zmieniç budow´ fizycznà i∏u i wp∏ynàç niekorzystnie na jego funkcjonowanie jako bariery hydraulicznej.
4.0 Wybogacanie bentonitu
Chocia˝ na spolaryzowane warstwy wody w bentonicie
sodowym mo˝e mieç wp∏yw obecnoÊç zanieczyszczeƒ,
to mo˝liwa jest ochrona systemu i∏/woda przez uszlachetnienie bentonitu odpowiednimi substancjami chemicznymi. W rozdziale tym omówiono opatentowany
przez American Colloid Company proces, zwi´kszajàcy
odpornoÊç naturalnego bentonitu sodowego na degradacj´ spowodowanà oddzia∏ywaniem zanieczyszczeƒ.
2. Wymiana jonów sodu w przestrzeniach mi´dzypakietowych. Wymienne kationy sodowe w bentonicie
naturalnym mogà w ∏atwy sposób zostaç wymienione
na kationy obecne w roztworze. Jak wczeÊniej wspomiano, obecnoÊç jonów sodu w przestrzeniach mi´dzypakietowych umo˝liwia olbrzymie p´cznienie bentonitu.
Zastàpienie sodu innymi kationami wielowartoÊciowymi
w znacznym stopniu obni˝a p´cznienie. Si∏y przyciàgania jonowo-elektrostatycznego pomi´dzy ujemnie na∏adowanymi powierzchniami pakietów, a znajdujàcymi si´
pomi´dzy nimi jonami, sà wi´ksze dla kationów wielowartoÊciowych ni˝ dla jednowartoÊciowego jonu sodu,
przez co trudniej jest wejÊç czàsteczkom wody pomi´dzy
pakiety (Grim, 1962). Obni˝enie zdolnoÊci p´cznienia
zazwyczaj odpowiada istotnemu zmniejszeniu skutecznoÊci dzia∏ania bentonitu jako bariery hydraulicznej.
4.1 Wybór wyjÊciowego i∏u
Zasadnicze znaczenie we wzbogacaniu i∏ów bentonitowych ma wybór samego naturalnego i∏u. Z doÊwiadczenia ACC w tym zakresie wynika, ˝e pewne i∏y sà bardziej
podatne na uszlachetnianie od innych. Jest wa˝ne, aby
wydobycie i przetworzenie wybranych i∏ów by∏o starannie kontrolowane, tak jak ca∏a procedura wzbogacania.
Odporne na zanieczyszczenia produkty CETCO wytwarzane sà z i∏ów, w których inwersje tetraedryczne oraz izomorficzne podstawienia wewnàtrz sieci krystalicznej sà
minimalne, poniewa˝ w∏aÊnie te zjawiska zosta∏y zidentyfikowane jako wywierajàce du˝y wp∏yw na podatnoÊç
i∏ów na uszlachetnianie. Taka kontrola surowca i∏owego
„od poczàtku do koƒca” zapewnia maksymalizacj´ efektywnoÊci procesów chemicznego wzbogacania.
3. Adsorpcja zanieczyszczeƒ organicznych. W systemach i∏/woda obecnoÊç zwiàzków organicznych
(w tym wi´kszoÊci w´glowodorów i ich chlorowcopochodnych) utrudnia tworzenie si´ spolaryzowanych
warstw moleku∏ wody. To powoduje powstanie p´kni´ç
skurczowych i makroporów, które zmniejszajà sprawnoÊç hydraulicznà bentonitu. Reakcja pojawia si´ jako
funkcja rozpuszczalnoÊci, st´˝enia i czasu ekspozycji zanieczyszczeƒ organicznych obecnych w roztworze. Dla
wielu substancji organicznych te niekorzystne zjawiska
pojawiajà si´ tylko w przypadku ich wysokich st´˝eƒ.
4. „Wspó∏zawodnictwo” jonów. Je˝eli w oddzia∏ujàcym na bentonit roztworze wodnym wyst´puje wysokie
st´˝enie jonów (wapnia, potasu, magnezu, azotu,
chlorków, fosforanów), p´cznienie bentonitu mo˝e
znacznie zmaleç, poniewa˝ sàsiednie otaczajàce jon
czàsteczki wody dà˝à do reorientacji swojej dwubiegunowoÊci w kierunku jonów tak, ˝e nie sà one ju˝ w∏a-
Rys. 5. Rozmieszczenie p∏ytek w agregacie przed hydratacjà
5
VOLCLAY
®
nie rozdziela p∏ytki w takim agregacie i dost´pnym staje si´ do dalszej hydratacji niezmiernie wielki obszar powierzchni i∏u. I∏ taki jest bardziej efektywny w zakresie
os∏abienia potencjalnego dzia∏ania destrukcyjnego zanieczyszczeƒ chemicznych (Alther, 1984).
Stwierdzono, ˝e zasi´g dezagregacji jest zale˝ny od stabilnoÊci makrostruktury agregatu, od stopnia podstawieƒ jonowych w warstwach tetraedrycznych i oktaedrycznych i od rozk∏adu kationów mi´dzypakietowych.
Te w∏aÊciwoÊci i∏u podstawowego sà monitorowane
przez ACC podczas jego uszlachetniania.
Jeszcze inny mechanizm, dzi´ki któremu polimery
zwi´kszajà odpornoÊç bentonitu na zanieczyszczenia,
polega na tworzeniu ochronnej hermetyzacji wokó∏
uwodnionych p∏ytek montmorillonitu. Polimer d∏ugo∏aƒcuchowy wià˝e si´ na kraw´dziach p∏ytek i zawija
(opakowuje niejako) zaadsorbowane warstwy wody
p∏ytki z innym miejscem wiàzania tej samej lub innej
p∏ytki. Odleg∏oÊç od powierzchni p∏ytki, na której wyst´puje to „zawiniàtko“ polimerowe jest odleg∏oÊcià, przy
której stabilnoÊç zaadsorbowanych warstw wody jest
wystarczajàco s∏aba, aby byç przezwyci´˝anà przez
obecnoÊç ∏aƒcucha polimeru. ¸aƒcuch polimeru i jego
du˝e grupy funkcyjne dzia∏ajà wtedy jak bariera fizyczna w celu ochrony spolaryzowanych warstw wody
w obr´bie polimeru i zapobiegajà wymianie jonowej lub
innym efektom, które powodujà kurczenie si´ warstw
wody.
Niezwykle wa˝ne jest, aby odpowiednio oceniç w∏aÊciwà iloÊç polimerów dodawanych do bazowego i∏u. Dodawanie zbyt du˝ych iloÊci mo˝e daç w efekcie i∏ o niskiej jakoÊci, w innym znów przypadku mo˝na osiàgnàç
dobre w∏aÊciwoÊci fizyczne, lecz sam polimer b´dzie
dzia∏a∏ jako bariera hydrauliczna, a nie i∏. ACC wybiera
do swego procesu uszlachetniania tylko takie bentonity,
których w∏aÊciwoÊci fizyczne najlepiej nadajà si´ do stosowania w przes∏onach wodoszczelnych i dok∏ada staraƒ, aby poprawiç jakoÊç i∏u, a nie sztucznie zast´powaç go polimerami.
4.2 Traktowanie polimerami
Swobodne p´cznienie charakteryzuje zdolnoÊci bentonitu do adsorpcji wody. Jest istotnym wskaênikiem jego
sprawnoÊci jako bariery hydraulicznej.
Polimery stosowane do wzbogacania bentonitu sà specjalnie wybranymi, rozpuszczalnymi w wodzie polielektrolitami, sk∏adajàcymi si´ z czàsteczek o d∏ugich ∏aƒcu-
Rys. 6. Jeden z efektów dzia∏ania polimerów: uniemo˝liwienie
∏àczenia p∏ytek typu kraw´dê-p∏aszczyzna, co zwi´ksza
dezagregacj´ i∏u
chach, z grupami anionów usytuowanych wzd∏u˝ ca∏ej
d∏ugoÊci ∏aƒcucha. Po rozpuszczeniu w wodzie polimery rozwijajà si´, wzmacniajàc konfiguracj´, z uwagi na
wzajemne odpychanie grup o tym samym ∏adunku
wzd∏u˝ ∏aƒcucha.
Polimery poprawiajà dzia∏anie bentonitu sodowego,
zw∏aszcza przez wspomaganie procesu dezagregacji
czàsteczek i∏u (p∏ytek). Agregat mineralogiczny mo˝e
zawieraç dziesiàtki tysi´cy czàsteczek. Nieuwodnione
p∏ytki orientujà si´ wzgl´dem siebie w uk∏adach typu
p∏aszczyzna-p∏aszczyzna, kraw´dê-p∏aszczyzna (rys. 5).
Kiedy w systemie i∏/polimer pojawia si´ woda, anionowe grupy funkcyjne polimerów absorbujà si´ na nià
i neutralizujà dodatnio na∏adowane kraw´dzie czàstek i∏u. Ta reakcja sprzyja rozdzieleniu czàstek, jako
˝e polimer pokonuje si∏y kraw´dziowe makrostruktury
(rys. 6).
Gdy ∏aƒcuchy polimeru sà absorbowane na czàstkach
w obr´bie agregatu mineralogicznego, polimer fizycz-
Na +
O
O
–
Na +
O
–
Na +
O
O
–
Na +
O
–
O
O P O P O P O P O P O P O P
–
O
Al +
O
O
p o w i e r z c h n i a
–
O
Al +
O
k r a w ´ d z i
O
–
O
Al +
c z à s t k i
Rys. 7. ¸àczenia anionowych dyspergatorów z kraw´dzià p∏ytki
(wg van Olphena, 1977)
6
VOLCLAY
®
sorbowanej wody. Ponadto usuwa si´ wszelkie efekty
rozrywajàce w warstwie adsorbowanej wody powodowane dodatnim ∏adunkiem kraw´dziowym.
Dyspergatory anionowe majà te˝ inny pozytywny wp∏yw
na wzrost odpornoÊci bentonitu sodowego na zanieczyszczenia. Nie wszystkie dyspergatory dodawane do uk∏adu
bentonit/woda sà zu˝ywane do odwrócenia ∏adunku kraw´dziowego. Niektóre z dyspergatorów pozostajà w niewch∏oni´tej wodzie. JeÊli potencjalnie szkodliwe kationy sà
równie˝ obecne w uk∏adzie i∏/woda, nadmiar anionów
dyspergatora b´dzie przyciàgany do kationów. Zgodnie
z teorià roztworów elektrolitycznych w sàsiedztwie kationów b´dzie wi´ksza koncentracja anionów ni˝ w pozosta∏ej obj´toÊci niewch∏oni´tego roztworu. Inaczej mówiàc,
wokó∏ kationów pojawi si´ swego rodzaju „chmura“ anionowa i odpychanie elektrostatyczne b´dzie redukowa∏o
reakcj´ pomi´dzy chmurà anionów a p∏ytkami i∏u o ∏adunku ujemnym (van Olphen, 1977).
Wreszcie, w bardzo ograniczonym zakresie, stosowany
dyspergator zawiera sód, który oddziela si´ od swych
funkcyjnych grup polijonowych w trakcie hydratacji. Iony te mogà wnikaç pomi´dzy warstwy tetraedryczne
i u∏atwiç mi´dzypakietowà adsorbcj´ wody.
4.3 Modyfikowani dyspergatorami
W technologii minera∏ów ilastych znana jest ca∏a gama
Êrodków chemicznych, które mogà zamieniç sztywnà
zawiesin´ i∏u w regularnà, swobodnie p∏ynàcà ciecz. Tego rodzaju Êrodki chemiczne okreÊlane sà jako deflokulanty lub dyspergatory. ACC ma du˝e doÊwiadczenie
w stosowaniu dyspergatorów do wiertniczych p∏uczek
bentonitowych i w sterowaniu ich w∏asnoÊciami reologicznymi. Okaza∏o si´ równie˝, ˝e pewne reakcje chemiczne zachodzàce mi´dzy odpowiednimi deflokulantami i bentonitem sodowym majà równie du˝e znaczenie w poprawianiu cech odpornoÊciowych bentonitu na
zanieczyszczenia.
Dyspergatory dzia∏ajà na zasadzie zjawiska polegajàcego na odwróceniu ∏adunku kraw´dziowego, gdzie
aniony dyspergatora preferujà reakcje z eksponowanymi na kraw´dziach p∏ytek kationami glinu (rys. 7). Reakcje te nie wyst´pujà na powierzchniach p∏ytek o ∏adunku ujemnym, poniewa˝ tylko dodatnio na∏adowane kraw´dzie b´dà wchodzi∏y w reakcje z anionami
dyspergatora. Nawet bardzo ma∏e dodatki dyspergatora b´dà dawa∏y istotne efekty w reologii i odpornoÊci na
zanieczyszczenia bentonitu sodowego.
Dwa mechanizmy powodujà adsorbcj´
anionowych dyspergatorów na kraw´dziach p∏ytek i∏u. Pierwszy polega na
elektrostatycznym przyciàganiu mi´dzy
anionami dyspergatora i eksponowanymi kationami glinu. Przyciàganie elektrostatyczne tylko neutralizuje ∏adunek
kraw´dziowy, podczas gdy drugi mechanizm pozwala na adsorbcj´ nadmiaru anionów w celu odwrócenia ∏adunku kraw´dziowego z dodatniego
na ujemny. Pewne dyspergatory sà bardziej sk∏onne do wchodzenia w reakcje
z eksponowanymi jonami glinu na kraw´dziach czàstek bentonitu w wyniku
czego tworzy si´ z∏o˝ony anion, w którym polijonowy dyspergator ∏àczy si´
z miejscem o ∏adunku dodatnim, powodujàc nierównowag´ ∏adunku netto.
Im wy˝sza jest wartoÊciowoÊç dyspergatora, tym wi´kszy jest ∏adunek ujemny netto. Ca∏a p∏ytka staje si´ wtedy na∏adowana ujemnie i tym samym niemo˝liwe stajà si´ ∏àczenia p∏ytek
kraw´dê-p∏aszczyzna. Odleg∏oÊci mi´dzy p∏ytkami wzrastajà, pozwalajàc na
formowanie si´ grubszych warstw ad- Rys. 8. Efekt synergiczny dzia∏ania dyspergatorów i polimerów
7
dyspergator
polimer
VOLCLAY
®
4.4 Dzia∏anie synergiczne
Na wszystkie bentonity uszlachetniane przez CETCO oddzia∏uje si´ zarówno dyspergatorami jak i polimerami.
Wzrost odpornoÊci na zanieczyszczenia pojawia si´ jako
efekt wspó∏dzia∏ania tych dwóch czynników. Jest prawdopodobne, ˝e dyspergator zajmuje znaczny obszar
dost´pnych wiàzaƒ kraw´dziowych i zmusza niejako
polimer do przechodzenia poprzez p∏ytki (do robienia
raczej swego rodzaju mostków przez p∏ytki, ni˝ do tworzenia wiàzaƒ wzd∏u˝ kraw´dzi).Ten efekt mostkowy
polimeru tworzy pow∏ok´ ochronnà i faktycznie zabezpiecza przed wciàganiem w mi´dzypakietowy system
wodny szkodliwych substancji organicznych i nieorganicznych (rys. 8). Uwa˝a si´, ˝e tworzenie tych mostów
i opakowaƒ z polimerów nie pojawia si´, gdy brak jest
dyspergatora. I odwrotnie: odpornoÊç na zanieczyszczenia nie wzrasta w sposób istotny poprzez odwrócenie ∏adunku kraw´dziowego przy zastosowaniu dyspergatora, gdy brakuje polimeru. Oba te czynniki muszà
byç obecne w odpowiedniej proporcji dla uzyskania
w∏aÊciwej odpornoÊci bentonitu na zanieczyszczenia.
5.0 Uwagi koƒcowe
Wiele lat doÊwiadczeƒ ACC w uszlachetnianiu bentonitów wykazuje, ˝e ten proces chemiczny jest efektywny
w zabezpieczaniu d∏ugoterminowym i∏u przed szkodliwymi czynnikami. Poniewa˝ istnieje nieograniczona iloÊç
Êrodowisk chemicznych, wobec których uszczelnienia
oparte na bentonicie mogà byç eksponowane, trudno
jest okreÊliç generalnà efektywnoÊç uszlachetnianych
bentonitów. Niemniej, przy porównaniach czynionych od
czasu do czasu sà w pe∏ni uzasadnione dane potwierdza-
jàce ich wy˝szoÊç nad bentonitami nieprzetworzonymi
pod wzgl´dem zachowania swych w∏aÊciwoÊci fizykochemicznych w warunkach oddzia∏ywania zanieczyszczeƒ.
Jednak nawet bentonity uszlachetnione nie sà zalecane,
gdy zastosowanie wymaga d∏ugoterminowej odpornoÊci
na bardzo st´˝one roztwory soli w czystej postaci lub
zwiàzków organicznych. Je˝eli bentonity sà przewidziane
do u˝ycia w jakimkolwiek Êrodowisku o wysokim stopniu
zanieczyszczenia, gdzie istniejà obawy o kompatybilnoÊç,
wówczas CETCO wykonuje badania dla dostosowania
bentonitu do okreÊlonego zastosowania.
Literatura
G. R. Alther (1984), The Function and Effect of Polymers
in Polymer-Treated Bentonites, „Bulletin of the
Association of Engineering Geologists”, vol. 21,
nr 1, str. 112–115.
R. E. Grim (1962), Applied Clay Mineralogy, McGrow-Hill Book Company.
R. E. Grim (1968), Clay Mineralogy, wyd. 2, McGrow-Hill Book Company.
S. B. Hendricks i M. E. Jefferson (1938), Structure of Kaolin and Talc-Pyrophyllite Hydrates and Their Bearing on Water Sorption of Clay, „Am. Mineralogist”, vol. 23, str. 863–875.
A.C.D. Newman (ed.) (1987), Chemistry of Clays and
Clay Minerals, „Mineralogical Society Monograph No. 6”, John Wiley & Sons.
I. E. Odom (1986), Na/Ca Montmorillonite: Properties
and Uses, „Society of Mining Engineers Transactions”, vol. 282.
H. van Olphen (1977), An Introduction to Clay Colloid
Chemistry, wyd. 2, John Wiley & Sons.