بنتونیت یک فیلوسیلیکات آلومینیوم دار با فرمول زیر می باشد:

Na,Ca)0.33 (Al,Mg)2Si 4O10 (OH)2. nH2o)

که اساساً از مونتموریلونیت یا کانی های گروه اسمکتیت تشکیل شده است. کانی های گروه اسمکتیت شامل سری های دی اکتاهدرال و تری اکتاهدرال است. کانی های سری دی اکتاهدرال عبارتند از: مونتموریلونیت، بیدلیت و نانترونیت. انواع تری اکتاهدرال شامل کانی های هکتوریت و ساپونیت است.

ساختار مونت موریلونیت

ساختار کانی های گروه مونت موریلونیت به صورت سه هشت وجهی و متشکل از دو لایه چهار وجهی سیلیس و یک لایه هشت وجهی مرکزی آلومینا است. ساختار فوق متعلق به پیروفیلیت بوده و سایر اعضای گروه مونت موریلونیت با جایگزینی آلومینیم به جای سیلیس (در لایه های چهار وجهی) و آلومینیم با منیزیم و آهن دو ظرفیتی (در لایه هشت وجهی) حاصل می شوند.

به علت تفاوت ساختار لایه هشت وجهی و چهار وجهی، این دو لایه قابلیت انطباق بر یکدیگر را نداشته و بر خلاف کائولینیت که بین لایه هایش پیوند هیدروژنی برقرار است، در ساختار کریستالی مونت موریلونیت ها لایه هشت وجهی بین دو لایه چهار وجهی محبوس بوده و تنها نیروی موجود، نیرو های ضعیف واندوالس است. به این خاطر در هنگام تماس با آب، ساختار کریستالی مونت موریلونیت ها به راحتی مولکول های آب را جذب و تا شش برابر حجم اولیه خود متورم می شوند.

از نقطه نظر فعالیت شیمیایی نیز گروه مونت موریلونیت به دلیل وجود لایه های درون ساختمانی خود و سهولت تفکیک پذیری این لایه ها، در مقایسه با گروه کائولینیت فعال تر هستند. از طرف دیگر وجود خاصیت جانشینی ایزومرفی در مونت موریونیت ها باعث می شود که در این گروه به راحتی یک کاتیون با کاتیونی دیگر و با باری متفاوت جایگزین گردد. به عنوان مثال اگر یک کاتیون سه ظرفیتی  مانند یون آلومینیم جایگزین یون چهار ظرفیتی سیلیسیم در شبکه چهار وجهی شود کمبود بار مثبت ایجاد شده تنها با اضافه نمودن یک کاتیون خارجی یک یا دو ظرفیتی جبران و موازنه می شود. البته در حالتی که کاتیون خارجی دو ظرفیتی باشد تعداد کاتیون های جذب شده برابر با نصف تعداد بارهای منفی آزاد شده توسط جانشینی ایزومورفی خواهد شد.

یکی از مشخصه های بارز و مهم مونت موریلونیت ها کوچکی فوق العاده اندازه ذرات آن می باشد و این امر سبب ایجاد خواص زیادی در مونت موریلونیت ها می شود. علاوه بر آن بین مونت موریلونیت های سدیمی و کلسیمی نیز تفاوت زیادی وجود دارد. نوع سدیمی این کانی دارای خاصیت شکل پذیری بسیار بیشتر و همچنین توانایی بیشتر جهت تبادل یون، نسبت به مونت موریلونیت کلسیمی می باشد.

ورقه های کانی مونت موریونیت آسانتر از ورقه های کائولینیت از هم جدا می شوند، زیرا در کائولینیت یون O^2- یک ورقه، روبروی (OH)^– در ورقه مجاور قرار گرفته است، در حالیکه در مونت مریونیت یون O^2- یک ورقه مجاور O^2- ورقه دیگر قرار گرفته است، در حالیکه در مونت مریلونیت یون O^2- یک ورقه مجاور O^2- ورقه دیگر واقع شده است. این اختلاف ناشی از جاذبه بیشتر بین یون های O^2- با ^–(OH) در مقایسه با O^2- با O^2- است، لذا کائولینیت دارای اسکلت نامتقارن و مونت موریلونیت حاوی اسکلت متقارن است. ساختار های متقارن آسان تر از ساختار های نامتقارن از هم جدا می شوند، لذا پلاستیسیته در کانی های گروه مونت موریلونیت قوی تر از پلاستیسته در کانی های گروه کائولینیت است.

از آنجا که در کانی های رسی سه لایه ای بین اتم های اکسیژن لایه سیلیکا در یک ورقه با اتم های اکسیژن ورقه زیرین، پیوند ضعیف واندوالس وجود دارد، لذا آب می تواند به راحتی بین ورقه های این گونه رس ها نفوذ نماید. تمایل شدید به جذب آب و تورم در رس های سه لایه ای، از مشخصات اصلی این گونه رس ها است. باید توجه داشت که در کانی های گروه مونت موریلونیت به دلیل همین تمایل زیاد به جذب آب، میزان آب خارج شده پس از شکل دهی و به هنگام خشک شدن، زیاد خواهد بود. خروج آب زیاد از بدنه سرامیکی سبب ایجاد نقاط ضعف، نظیر انقباض شدید و ترک خوردگی در بدنه می شود.

مهمترين بخش بنتونيت را كاني هاي گروه اسمكتيت تشكيل مي دهند. اسمكتيت شامل دسته هاي دي اكتاهدرال و تري اكتاهدرال است . كانيهاي دستههاي دي اكتاهدرال شامل مونت موريلونيت ، بيدليت و نانترونيت و سری تري اكتاهدرال شامل هكتوريت وساپونيت است.

فرمول كلي دي اكتاهدرال عبارت است از :  

در فرمول بالا R کاتیون بین لایه ای و mH2O تعداد مولکول های آب بین لایه ای است. در موقعیت تتراهدرال Al به جای Si و در موقعیت اکتاهدرال Al به مقدار جزیی توسط Fe و گاهی توسط Mg و Fe و دیگر کاتیون های دوظرفیتی جانشین می شود.

کانی مونت موریلونیتاز جمله مهمترین کانی بنتونیت ها به شمار می رود. فرومول کلی مونت موریلونیت به شرح زیر است.

در این فرومول A شامل کاتیون ها Na، K و یا 0.5Ca در کانی مونت موریلونیت، جانشین کاتیون ها در موقعیت اکتاهدرال شده اند، بدین معنی که سدیم و کلسیم به جای یکدیگر نشسته اند.

 

از خواص مهم كاني هاي مونت موريلونيت، جانشيني يوني ، خاصيت شكل پذيري ، انبساط – انقباض و رنگ بری آن ها را مي توان نام برد. ميزان هر يك از اين خواص به تركيب شيميايي و ساختار كاني بستگي دارد. در كاني مونتموريلونيت سديم دار، ميزان شكل پذيري و انبساط و انقباض، از نوع كلسيم دار آن بيشتر است . ابعاد شبكه مونت موريلونيت-  سديم و كلسيم از  9.6 آنگستروم در حالت معمولي به ۲۰ آنگستروم درصورتي  که رطوبت محيط صد درصد باشد، افزايش خواهد يافت . ميزان جذب و تورم مونتموريلونيت سديم دار چندين برابر حجم آن  است ، به طوري كه حالت ژله اي ، پلاستيكي و چسبندگي به خود مي گيرد.

اندازة بلور، شکل و بار الكتريكي ذرات از جمله موارد مهمی هستند که موجب خواص و کاربری متفاوت مونتموريلونيتها میشوند. بلورهای مونتموريلونيت مسطح هستند. ابعاد سطح تا ۱۰۰۰ نانومتر (۱۰۰۰۰ انگسترم) و ضخامت تا 0.92 نانومتر است (شکل ۱). بنابراين بلور مونت موريلونيت دارای سطح فوق العاده زياد است و يک گرم آن درحدود ۸۰۰ متر مربع مساحت دارد. گستردگی و بالا بودن مساحت سطح مونت موريلونيت موجب افزايش تماس آب و در نتيجه ميزان بسيار کم مونت موريلونيت در آب می تواند موجب افزايش در ميزان غلظت آب شود.

شکل ۱ نمايش ابعاد مونت موريلونيت در سطح و در ضخامت

هر بلور مونت موريلونيت در مجموع دارای بار منفی است، بنابراين می تواند کاتيون های بار مثبت نظير سديم و کلسيم را جذب نمايد (شکل ۲). لبه های مونت موريلونيت ها به ميزان محدود دارای بار مثبت بوده ولذا قادرند آنيون های با بار منفی و ملکول ها را نيز جذب كنند. کاتيون های واقع در سطح مونت موريلونيت به سهولت قابل جانشينی با کاتيون های ديگر هستند كه به اين قابليت ظرفيت جانشينی کاتيونی گفته می شود .(cation exchange capacity

مونت موريلونيت به دليل بار منفی وقتي که در آب قرار می گيرد تحت تاثير نيروی الکترواستاتيک حاصل از اين بار منفی سطح مونت موريلونيت و بار مثبت کاتيون های آب به حالت تعليق باقی مانده و حالت ژله يا کلوئيدی به خود می گيرد (شکل ۳)، و غلظت آب با ايجاد حالت کلوئيدی افزايش می يابد. چنانچه محلول به حركت درآيد (با هم زدن) سمت گيري ذرات رس به هم مي خورد و غلظت محلول کاهش خواهد يافت. با برقراری حالت سکون، غلظت به حالت اوليه باز مي گردد. مونت موريلونت های نوع سديم دار قابليت تورم بيشتري از نوع کلسيم دار دارند.

شکل ۳ نمايش حالت کلوئيدی ذرات مونتموريلونيت

بنتونيت ها با توجه به نوع کانی مونت موريلونيت، در صنايع مختلف استفاده می شوند که مهمترين آنها از نوع سديم دار به قرار زيرند.

در حفاري هاي نفت و گاز و مواد معدني ديگر به عنوان گل حفاری، درتهیه قالب هاي ريخته گري به دليل خاصيت پلاستيكي و چسبندگي آن ، برايتهیه گندوله آهني در صنعت، به منظور عايق بندی و كنترل كانال هاي انتقال آب، سموم آفات نباتی در کشاورزی و فرايندهاي زيست محيطی و در مسايل بهداشتي به عنوان ماده شوينده. نوع كلسيم دار آن به دليل قابليت مناسب جانشيني كاتيوني اش در تصفيه مواد و رنگ بري به كار برده مي شود.