A bentonita é uma argila formada pela alteração de cinzas vulcânicas, cuja nomenclatura faz alusão à sua primeira jazida descrita, situada no Fort Benton, Wyoming, EUA (Santos, 1989). Possui a montmorilonita como argilomineral predominante na sua estrutura, sendo este pertencente ao grupo das esmectitas. Grim (1968), por sua vez, refere-se às esmectitas como minerais que ocorrem apenas em partículas extremamente pequenas, cuja estrutura cristalina e cátions adsorvidos proporcionam peculiares características às argilas montmoriloníticas, a citar (1) partículas muito finas; (2) elevada carga superficial; (3) alta capacidade de troca catiônica; (4) elevada área superficial e (5) inchamento quando em presença de água.
Murray (2000) descreve que as características supracitadas resultam em propriedades que indicam a aplicação da bentonita em diversas áreas: (a) impermeabilizante de solos; (b) aglomerante de areias usadas como formas de fundição; (c) pelotização de minério de ferro; (d) descoramento de óleos e clarificação de bebidas; (e) componente de misturas utilizadas em perfuração de poços de petróleo; (f) carga mineral em produtos farmacêuticos, rações animais, produtos cosméticos e outros; (g) agente plastificante para produtos cerâmicos; (h) composição de cimento, entre outros.
Na conceituação Norte Americana, a bentonita pode ser dividida em dois tipos: bentonitas que incham (swelling bentonites) e bentonitas que não incham (non-swelling bentonites), propriedades estas atribuídas à sua constituição mineralógica. Santos (op cit.) traz a seguinte definição para os dois tipos de bentonita segundo a conceituação norte americana:
Bentonitas que incham: essas argilas são caracterizadas por sua propriedade de inchar até vinte vezes o volume da argila seca, quando imersas em água; uma vez colocada em água e expandida, a argila entra em suspensão formando espontaneamente uma solução ou gel tixotrópico, permanecendo em suspensão por meses. (...) apresentam teores apreciáveis de metais alcalino-terrosos; o sódio é o cátion trocável predominante. (...) formam-se pela alteração in situ de cinzas vulcânicas ácidas depositadas em ambiente lacustre, rico principalmente em sais sódicos. Bentonitas que não incham: são idênticas em composição mineralógica às bentonitas que incham, diferindo nos cátions trocáveis, que são predominantemente cálcio e magnésio. (...) A troca do sódio por cálcio ou magnésio em uma bentonita sódica destrói a propriedade de inchar e dispersar espontaneamente em água, além da tixotropia. (Santos, 1989. Ciência e Tecnologia de Argilas, p.143).
Conforme apresentado na Tabela 2.3, extraído do sumário mineral do Departamento Nacional de Produção Mineral (DNPM 2011), a produção mundial de bentonita no ano de
2010 foi de aproximadamente 10,3 milhões de toneladas, sendo os Estados Unidos responsável por 39,7% desta produção. O Brasil aparece como o 5º maior produtor, com 0,42 milhões de toneladas (4% da produção mundial).
Tabela 2.3 - Reservas nacionais e principais produtores mundiais de bentonita (Fonte: DNPM, 2011)
Discriminação Reservas (t) Produção (t) %
Países 2010 (r) 2009 (r) 2010 (p) 2010 (p) Estados Unidos nd 3.650.000 4.000.000 38,87% Turquia 1.000.000 1.050.000 10,20% Grécia 845.000 860.000 8,36% Alemanha 350.000 380.000 3,69% Brasil 31.388.000 217.926 326.428 3,17% Itália nd 146.000 150.000 1,46% Outros países 3.432.000 3.525.000 34,25% TOTAL nd 9.640.926 10.291.428 100,00%
Legenda: (t) toneladas; (p) preliminar; (r) revisado; nd: dados não disponíveis.
No Brasil, a Paraíba é o principal estado produtor com 79,34% da produção, seguida pela Bahia (15,12%) e São Paulo (4,69%). A empresa Bentonit União Nordeste S.A. apresenta- se como maior fornecedora nacional, tendo produzido cerca de 192.500 toneladas no ano de 2010.
Ainda segundo o sumário mineral do DNPM (2011), a destinação do total da produção de bentonita bruta no ano de 2010 foi a seguinte: extração de petróleo/gás (79,3%), refratários (14,1%), construção civil (3,0%), fundição (2,1%), pelotização (1,0%), cosméticos (0,5%) e não informado (0,5%). Para a produção de bentonita moída seca, foram informadas as seguintes aplicações: graxas e lubrificantes (66,04%), ração animal (19%), fertilizantes (6,31%), fundição (4,01%), refratários (3,83%), óleos comestíveis (0,39%) e não informado (0,5%).
Conforme mencionado anteriormente, Grim (1953) define bentonita como sendo as argilas que possuem algum ou vários argilominerais do grupo das esmectitas, com a montmorilonita como argilomineral principal. Entretanto, as bentonitas frequentemente apresentam em sua constituição mineralógica, além da montmorilonita, argilominerais cauliníticos, micas e quartzo. Farnezi (2006) realizou ensaios de difração de raios-X na bentonita sódica da revendedora Kataz de Belo Horizonte, revelando na sua composição mineralógica a
predominância da montmorilonita, caulinita, quartzo e micas (Figura 2.8). Por informação do revendedor, a referida bentonita foi adquirida em Boa Vista-PB.
Figura 2.8 - Composição mineralógica da bentonita Kataz (Fonte: Farnezi, 2006).
Santos (1989) ressalta que a fórmula genérica da montmorilonita pode variar consideravelmente devido a substituições isomórficas no reticulado cristalino e nos cátions trocáveis. Karnland et al. (2008) avaliou a composição química de algumas bentonitas com cerca de 80% de montmorilonita. A composição química típica encontrada por ele para a estrutura da montmorilonita foi [Si7,94 Al0,06][Al3,10 Ti0,01 Fe0,37 Mg0,49] O20(OH)4 Ca0,05 Mg0,02
P0,01 Na0,46. Os colchetes indicam os componentes presentes nas folhas tetraédrica e
octaédrica, já a água e cátions adsorvidos apresentam-se a direita da fórmula e indicam a distribuição de cátions trocáveis.
Mitchell (1993) define substituição isomórfica como a substituição de íons de uma espécie por íons de outro tipo, de mesma valência ou não, mas com a manutenção da estrutura cristalina. No caso dos argilominerais do grupo das esmectitas, Grim (1953) cita que as principais substituições isomórficas ocorrem no alumínio e no silício por outros cátions: o alumínio (presente na folha octaédrica da camada) pode ser substituído por magnésio, ferro, zinco, níquel, lítio, ou outros cátions como, cálcio e sódio; já o silício (presente na folha tetraédrica da camada) normalmente é substituído por fósforo. No caso específico da montmorilonita, a principal substituição isomórfica ocorre no alumínio por cátions como cálcio e sódio, detalhados adiante.
A definição supracitada remete à estrutura cristalina dos argilominerais, cujo arranjo compete primordial controle das propriedades físicas e químicas dos solos (Santos, 1989). Os grupos fundamentais na formação de qualquer rede cristalina são os grupos tetraédricos, constituídos por átomos de oxigênio (íons de oxigênio ou íons hidroxila) ligados a cátions de Si4+, Al3+, Fe3+, Fe2+, e os grupos octaédricos, constituídos por átomos de oxigênio (íons de
oxigênio ou íons hidroxila) ligados a cátions de Al3+, Mg2+, Fe3+, Fe2+ (ocasionalmente Cr3+,
Mn2+, Zn2+, Li+).
No caso da bentonita, constituído essencialmente pelo argilomineral montmorilonita, a rede cristalina é formada por silicatos hidratados com estrutura em folhas tetraédricas de silício (ou alumínio) e oxigênio, e folhas octaédricas de alumínio (magnésio ou ferro) e oxigênio, em proporção de 2:1, respectivamente. Neumann (2000) apresenta um esquema dessa distribuição na Figura 2.9.
Figura 2.9 - Esquema do arranjo atômico da bentonita (Fonte: Neumann et al., 2000).
Especificamente, as folhas tetraédricas da montmorilonita caracterizam-se por apresentarem o alumínio substituído parcialmente por outros cátions, o que origina um excesso de carga negativa na superfície das partículas, além de apresentarem ligações químicas quebradas nas bordas, também compensadas por cátions (Santos, 1989). Estes cátions adsorvidos nas faces e bordas de cada partícula podem ser substituídos por outros cátions, conferindo a estes argilominerais uma elevada capacidade de troca catiônica (CTC). Os cátions mais habitualmente encontrados nas montmorilonitas são Na+ e Ca2+, razão pela denominação de
bentonitas sódicas e cálcicas, respectivamente.
A Tabela 2.4, proposta por Guyonnet et al. (2009), apresenta percentuais típicos de cátions normalmente encontradas em bentonitas sódicas e cálcicas comercializadas. Constata-se
que os percentuais de cátions de sódio e cálcio são mais relevantes, porém a presença de cátions de magnésio e potássio são frenquentes em menores proporções.
Tabela 2.4 - Percentuais típicos de cátions em bentonitas comerciais (Fonte: Guyonnet et al., 2009).
Bentonita % de Cátions Livres
Na+ Ca2+ Mg2+ K+ Sódicas 87,6 6,4 4,8 1,2 80,3 11,3 7,9 0,6 Cálcicas 27,8 66,9 3,4 1,8 27,5 65,1 6,2 1,2 12,6 81,0 5,3 1,2 10,6 79,1 9,9 0,5 7,6 84,1 7,8 0,5 5,1 87,5 6,0 1,4
Karnland et al. (2008) ainda relatam que o fato determinante na formação da bentonita sódica ou cálcica se deve a eletro-afinidade dos cátions com as ligações das partículas, podendo ser seqüenciada da seguinte forma: H+ > Al+3 > Ca+2 > Mg+2 > K+ > NH+4 > Na+ >
Li+. Entretanto, esta ordem pode ser alterada conforme a disponibilidade de cátions durante
a reação, ou seja, se houver muito mais Na+ do que Ca+, o primeiro prevalecerá sobre o
segundo. Koch (2002) apresenta um esquema das lamelas (camadas) dos dois tipos principais de bentonita (sódicas e cálcicas) tanto secas quanto hidratadas (Figura 2.10).
Figura 2.10 - Característica das lamelas em bentonitas cálcicas e sódicas no estado desidratado e
É possível observar na Figura 2.10 que os cátions Ca2+ já são pré-hidratados por quatro
moléculas de água (estado adsorvido), o que atenua a capacidade de atração com outras moléculas de água quando a bentonita é submersa. Já os cátions Na+ se ligam a apenas
duas moléculas de água (estado adsorvido). Este fato, em conjunto com a maior capacidade de hidratação do sódio, resulta em estrutura coloidal com maior espessura da dupla camada e consequente maior capacidade de retenção de água quando submersa. Por este motivo, é sabido que a bentonita sódica é mais reativa e mais expansível do que a bentonita cálcica, entretanto é menos estável em meio aquoso rico em Ca2+, uma vez que o cátion Na+ “cede”
lugar ao Ca2+ (o cálcio possui maior eletro-afinidade do que o sódio pela partícula devido à
maior valência iônica).