Introduction et applications de la bentonite aux propriétés différentes

La bentonite est un minéral silicate feuilleté dont le principal composant est la montmorillonite. Ses cations interfoliaires sont facilement échangeables, ce qui lui confère une grande capacité d'échange ionique. Surnommée « argile universelle », la bentonite est un minéral non métallique polyvalent. Selon le type et la teneur en cations échangeables des couches de montmorillonite, la bentonite est classée en bentonite sodique, bentonite calcique, bentonite magnésienne et bentonite aluminique (hydrogène). Cet article présente les différents types de bentonite en fonction de leurs propriétés, notamment leurs performances, leurs méthodes de préparation et leurs domaines d'application.

1. Présentation de la bentonite
La bentonite est un silicate feuilleté principalement composé de montmorillonite, dont les cations interfoliaires sont facilement échangeables et offrent une forte capacité d'échange ionique. Le nom « bentonite » provient des gisements d'argile du Wyoming, aux États-Unis, et elle est également connue sous le nom de « roche bentonitique » ou de « sol expansif ». La bentonite pure est rare ; la plupart des échantillons contiennent des quantités variables d'impuretés telles que du quartz, du feldspath, du mica, de la zéolite et de la pyrite. D'apparence généralement blanche, la bentonite peut également se présenter en gris clair, crème, rouge clair, rouge chair, rouge brique, brun rougeâtre, jaune-vert, noir ou marbré. Elle présente des éclats gras, cireux ou terreux, et ses surfaces de fracture peuvent être en forme de coquille ou irrégulières. Grâce à ses excellentes propriétés physiques et chimiques, la bentonite est reconnue comme « argile universelle » et est utilisée comme liant, agent de suspension, agent thixotrope, stabilisant, agent de décoloration et de purification, charge, aliment et catalyseur dans les industries métallurgique, pétrolière, de fonderie, agroalimentaire, chimique, environnementale et autres. Avec une teneur en montmorillonite généralement supérieure à 65 %, ses propriétés déterminent largement celles de la bentonite. Les principaux composants de la montmorillonite sont le dioxyde de silicium et l'oxyde d'aluminium, ainsi que de faibles quantités de magnésium, de calcium, de potassium, de sodium et de fer. Sa formule chimique est :
(Na,Ca)₀.₃₃(Al,Mg,Fe)₂(Si,Al)₄O₁₀₂·nH₂O,
et sa structure est une structure cristalline de type 2:1, constituée de deux couches tétraédriques de silicium-oxygène prenant en sandwich une couche octaédrique d'aluminium-oxygène.

Composition chimique de la bentonite

1.1 Attributs structurels
La bentonite est principalement composée de montmorillonite-bentonite de type 2:1, ainsi que de faibles quantités d'illite, de kaolinite, de chlorite, de sépiolite et d'autres minéraux. Il est largement reconnu que la teneur en montmorillonite est un indicateur de la qualité de la bentonite. D'après la littérature, la formule structurale de la montmorillonite, en demi-cellule, révèle ses caractéristiques de silicate feuilleté 2:1, avec une unité structurale formée de tétraèdres SiO₄ enserrant un octaèdre AlO₄(OH)₂. Chaque atome d'oxygène au sommet du tétraèdre pointe vers le centre de la couche et est partagé avec l'octaèdre.

1.2 Ressources et composition chimique de la bentonite en Chine
Selon le type de cations interfoliaires, la bentonite est divisée en deux types : à base de calcium, de sodium, de lithium et d’hydrogène. Plus de 90 % de la bentonite trouvée en Chine est à base de calcium, avec des teneurs en montmorillonite allant de 65 % à 90 % et des impuretés telles que des quantités mineures de quartz, de feldspath, de mica, de kaolinite, de chlorite, de calcite et de matière organique. Ses principaux composants chimiques sont la silice, l’alumine, l’eau et des traces d’oxyde de fer (III), de dioxyde de manganèse, d’oxyde de magnésium, d’oxyde de calcium, d’oxyde de potassium, d’oxyde de sodium et de dioxyde de titane. Cependant, l’origine et la géologie de la bentonite influencent directement sa composition minérale et ses propriétés chimiques, définissant ainsi ses caractéristiques physiques et chimiques et son champ d’application.

2. Classification de la bentonite
La bentonite est classée en bentonite sodique, bentonite calcique, bentonite magnésienne et bentonite aluminique (hydrogène) selon le type et la quantité de cations échangeables présents dans les couches de montmorillonite. L'espacement interfoliaire (distance entre les couches structurales) offre des avantages tels que l'échange d'ions, l'agrégation interfoliaire, la formation de piliers et l'adsorption, ce qui rend la bentonite utile comme adsorbant environnemental. Si les ions sodium dominent l'interfoliaire, la bentonite est classée comme bentonite sodique ; si les ions calcium dominent, il s'agit de bentonite calcique. En général, l'espacement interfoliaire de la bentonite varie de 0,96 à 2,14 nm, la bentonite calcique étant d'environ 1,5 nm et la bentonite sodique d'environ 1,2 nm. Ces dernières années, des méthodes telles que la pilarisation et l’échange d’ions ont été utilisées pour ajuster l’espacement entre les couches de bentonite de sodium et de lithium, modifiant ainsi ses propriétés pour créer des matériaux fonctionnels, un domaine qui est devenu un pôle de recherche.

2.1 Bentonite de sodium
Guo Guangsi et ses collègues ont étudié l'influence de la bentonite sodique sur la performance des revêtements réfractaires à base d'alumine. Ils ont utilisé de l'alumine et du talc comme agrégats réfractaires ; de la bentonite sodique et de la CMC comme agents de suspension composites ; et un liant composé d'hexamétaphosphate de sodium et de silicate de sodium. Avec 0,5 % de CMC, 5 % de silicate de sodium et 6 % d'hexamétaphosphate de sodium (chaque pourcentage étant basé sur la masse de l'agrégat réfractaire), ils ont fait varier la quantité de bentonite sodique. Des tests sur la densité, le pH, la viscosité, la suspension, le nivellement, l'épaisseur du revêtement, l'égouttage et la résistance ont montré qu'un ajout de 5 % de bentonite sodique produisait les meilleures performances globales.

2.2 Bentonite calcique

Propriétés physiques et chimiques de la bentonite calcique
L'image de gauche montre le diagramme de diffraction des rayons X de la bentonite calcique, tandis que celle de droite présente son image MEB. L'analyse indique que la bentonite calcique présente une structure feuilletée avec une distribution irrégulière, des tailles de particules inégales et une forme indéterminée. Les recherches de Jiang Lei sur un nouveau type de matériau composite de mise à la terre à base de bentonite calcique ont consisté à présélectionner des particules conductrices métalliques et carbonées courantes et des inhibiteurs de corrosion disponibles dans le commerce. Des expériences orthogonales ont déterminé les fractions massiques optimales de chaque composant, et des tests de performance, tels que des expériences d'encastrement simulé et de rétention d'eau, ont révélé qu'à mesure que la fraction massique de particules conductrices augmentait, la résistivité diminuait jusqu'à atteindre une valeur stable. La densité, la granulométrie, la dispersion et le rapport d'aspect des particules conductrices influençaient significativement la résistivité du composite. Dans la bentonite calcique, des inhibiteurs tels que le nitrite de sodium, le molybdate de sodium, le silicate de sodium, le chromate de sodium, le borate de sodium, le polyphosphate de sodium et le phosphate de sodium ont tous démontré une protection efficace contre la corrosion pour l'acier au carbone Q235 (limite d'élasticité 235 MPa). Compte tenu des facteurs environnementaux, économiques et d'inhibition de la corrosion, le molybdate de sodium et le polyphosphate de sodium ont été sélectionnés comme les meilleurs inhibiteurs. Des expériences orthogonales ont permis d'obtenir la formulation optimale : 2,5 % de fibres de carbone, 9 % de graphite, 1,5 % de polyphosphate de sodium, 1,5 % de molybdate de sodium, 40 % de ciment conducteur et 45,5 % de bentonite calcique. La vitesse de corrosion du Q235 était faible (0,027 mm/a), avec des produits de corrosion comprenant FeO(OH), Fe₂(CO₃)(OH), Ca₂.8, Fe₈.7Al₁.2Si₀.8(OH), Fe₂O₃ et Fe₃O₄. Les tests de rétention d'eau ont montré que, si la teneur en eau avait peu d'effet, la température influençait significativement la rétention d'eau, optimale à 30 °C. Tous les indicateurs de performance clés répondaient aux exigences du secteur de l'énergie en matière d'agents réducteurs de résistance.

2.3 Bentonite de magnésium
Dans l'étude « Modification de la bentonite et son impact sur la perméabilité des matériaux à base de ciment », Hu Yang a étudié les effets de différentes matières premières bentonitiques, températures de chauffage, types et concentrations d'agents modificateurs sur la magnésiation de la bentonite. Les résultats ont montré que des températures plus élevées amélioraient la magnésiation de la bentonite calcique, tandis que la modification à température ambiante de la bentonite sodique pouvait la convertir en bentonite magnésienne. Généralement, une concentration molaire en Mg²⁺ de 0,5 mol/L est suffisante pour la magnésiation. L'utilisation de sulfate de magnésium a permis une formation plus élevée de bentonite magnésienne. L'analyse a révélé que la bentonite calcique et la bentonite magnésienne modifiée présentaient une forte attraction ionique interfoliaire, conduisant à une adsorption d'eau plus importante et à une structure feuilletée plus dense avec une absorption d'eau plus faible, tandis que la bentonite sodique présentait des forces ioniques plus faibles, moins de molécules d'eau adsorbées, une structure plus lâche et une absorption d'eau plus importante. L'étude a également exploré les effets de la bentonite calcique, sodique et magnésienne modifiée sur l'ouvrabilité, la résistance et l'imperméabilité du mortier. Des analyses SEM/EDS et MIP ont permis d'élucider le mécanisme par lequel la bentonite améliore les propriétés d'imperméabilité et d'étanchéité du mortier. Le procédé de modification consistait à dissoudre du sulfate et du nitrate de magnésium dans de l'eau ultrapure pour préparer des solutions de différentes concentrations, à les mélanger avec de la bentonite calcique ou sodique dans un rapport de 1:20, à agiter à 1 000 tr/min à différentes températures pendant 6 heures, à filtrer la suspension, à la sécher à 105 °C et enfin à la broyer pour obtenir la bentonite magnésienne modifiée.

2.4 Bentonite d'aluminium (hydrogène)
Les recherches de Sheng Kai, intitulées « Préparation de bentonite à piliers d'aluminium par micro-ondes et ses performances d'adsorption », ont utilisé la bentonite calcique du Liaoning comme matière première. Après modification au sodium, elle a servi de support pour la préparation de bentonite à piliers d'aluminium, de bentonite à piliers fer-aluminium et de bentonite à piliers zirconium-aluminium par micro-ondes. Plusieurs techniques de caractérisation ont été utilisées pour étudier la bentonite à piliers, et les conditions d'adsorption optimales pour les eaux usées de colorants simulées ont été étudiées.

3. Domaines d'application de la bentonite

3.1 Traitement des eaux usées du bétail
Shao Hong et ses collègues ont préparé une bentonite modifiée à haute performance d'adsorption en utilisant du chlorure d'aluminium hexahydraté combiné à du dodécyl sulfate de sodium. Dans des conditions de dosage de 3 g, 20 minutes d'agitation à 200 tr/min et une concentration d'azote ammoniacal de 300 mg/L, le taux d'élimination de l'azote ammoniacal a atteint 88,41 %. Meng Hailing a utilisé une irradiation par micro-ondes à haute efficacité avec du sulfate ferrique et du sulfate d'aluminium comme modificateurs pour produire des bentonites de sodium modifiées. Les deux produits modifiés ont montré une porosité, un espacement intercouche et une surface spécifique significativement accrus, avec des taux d'élimination du phosphore de l'eau dépassant 98 %.

3.2 Couvertures imperméables en bentonite
Une couverture imperméable en bentonite est un matériau composite imperméable obtenu en répartissant uniformément des particules de bentonite entre deux géotextiles dans des proportions spécifiques, puis en les liant (souvent par aiguilletage) pour former un matériau présentant de fines alvéoles. Les géotextiles servent principalement de couches protectrices. La couverture exploite la propriété de la bentonite de se dilater au contact de l'eau : la bentonite sodique utilisée peut se dilater des dizaines de fois au contact de l'eau. Le procédé d'aiguilletage emprisonne la bentonite entre les géotextiles, formant ainsi un système colloïdal uniforme, hautement adhésif et à faible conductivité hydraulique, qui empêche efficacement la pénétration de l'eau. Utilisées pour la première fois à la fin des années 1980 pour les décharges, les garages souterrains et les lacs artificiels, les couvertures imperméables en bentonite ont été largement adoptées dans le monde entier comme matériau d'étanchéité efficace. Il en existe trois principaux types, fabriqués à partir de bentonite sodique ou calcique, avec des méthodes de fabrication légèrement différentes. Ils sont utilisés pour résoudre les problèmes d'imperméabilisation et d'infiltration dans divers domaines d'ingénierie, notamment le renforcement des décharges, les projets de conservation de l'eau (pour améliorer l'imperméabilité des canaux et renforcer les barrages et les remblais), la construction de métro (pour protéger les structures souterraines), les bassins de résidus métalliques (pour empêcher les fuites d'ions métalliques et la contamination de l'environnement), ainsi que dans les mines, les lacs artificiels, les tunnels et les piscines.

3.3 Parois d'étanchéité en coulis de bentonite et de ciment
Les murs d'étanchéité en coulis de ciment bentonite sont construits en mélangeant du ciment Portland ordinaire, de la bentonite et de l'eau dans des proportions spécifiques pour former un coulis, qui est ensuite injecté dans des tranchées pré-creusées afin de former une barrière offrant une excellente imperméabilité. Depuis les années 1950, les pays européens utilisent des murs d'étanchéité verticaux en ciment-bentonite pour empêcher la propagation des eaux souterraines contaminées. Cette technologie a été étendue aux barrages, aux lacs et même au stockage de déchets de métaux lourds ou hautement radioactifs. Cependant, les composants chimiques et les polluants présents dans les eaux souterraines peuvent réagir avec la matrice ciment-bentonite, affectant significativement l'imperméabilité et la résistance du mur. De plus, la bentonite peut être transformée en coulis ou en bandes d'étanchéité pour l'étanchéité des joints de construction ou des interfaces d'éléments préfabriqués.

Résumé
La bentonite est un minéral argileux abondamment disponible en Chine, dont la montmorillonite est le principal composant. Surnommée « argile universelle » en raison de ses excellentes propriétés physiques et chimiques, elle est largement utilisée comme liant, agent de suspension, agent thixotrope, stabilisant, agent décolorant, charge, aliment pour animaux, catalyseur, etc., dans des secteurs tels que la métallurgie, le pétrole, la fonderie, l'agroalimentaire, la chimie et la protection de l'environnement. Face à l'expansion de ses domaines d'application, la recherche sur la bentonite continue d'évoluer.

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