Química de las arcillas Introducción Un entendimiento riguroso de las arcillas puede ser la herramienta más valiosa del ingeniero de lodos. La arcilla puede ser añadida intencionalmente, tal como en el caso de M-I GEL*, o puede entrar en el lodo como contaminante importante mediante la dispersión de los sólidos de peroración En la industria de !uidos de peroración, peroración, ciertos minerales arcillosos tales como la esmectita, uno de los principales componentes de l a "entonita, son usados para proporcionar viscosidad, estructura de gel # control de $ltrado. Las arcillas de la ormación se incorporan inevita"lemente en el sistema de !uido de peroración durante las operaciones de peroración # pueden causar varios pro"lemas. %or lo tanto, los minerales arcillosos pueden ser "ene$ciosos o dañinos para el sistema de !uido.
-El t&rmino bentonita se usa para descri"ir la montmorillonita sódica e'plotada comercialmente (la cual constitu#e una orma de esmectita) ue se usa como aditivo para el lodo de peroración.
la bentonita sódica se hincha cuatro veces más que la bentonita cálcica, la bentonita sódica generará una viscosidad cuatro veces más importante Geológicamente, la bentonita es una capa de ceniza volcánica alterada. Uno de los más grandes depósitos de esta ceni+a volcánica se produo hace más de millones de años en cierta regiones de /orteam&rica, conocidas ho# como las 0lac1 2ills de 3#oming # 4a1ota del 5ur, # las 0ig 2orn Mountains de 3#oming. La arcilla "enton6tica e'plotada en 3#oming proviene pre cisamente de esta capa de "entonita depositada volcánicamente. La arcilla "enton6tica e'plotada en otras áreas del mundo pueden provenir de otros tipos de depósitos geológicos. 4e"ido a sus peueños tamaños de part6culas, las arcillas # los minerales arcillosos son anali+ados con t&cnicas especiales tales como la diracción de ra#os 7, la a"sorción inrarroa # la microscopia electrónica. La 8apacidad de Intercam"io 8atiónico (8E8), la adsorción de agua # el área super$cial son algunas de las propiedades de los minerales arcillosos ue suelen ser determinadas para lograr una meor caracteri+ación de los minerales arcillosos # minimi+ar los pro"lemas de peroración.
Tipos de Arcillas %ueden ser clasi$cados en tres tipos
El primer tipo consta de arcillas en orma de agua no hincha"les como la atapulguita o la sepiolita. 5e cree ue la orma de las part6culas es responsa"le de la capacidad ue la arcilla tiene para aumentar la viscosidad.
El segundo tipo son las arcillas laminares no hincha"les (o ligeramente hincha"les)9 ilita, clorita y kaolinita, las cuales están descritas más adelante.
El tercer tipo son las montmorillonitas laminares mu# hincha"les.
Las arcillas son generalmente del tipo de dos capas como la 1aolinita o del tipo de tres capas como la montmorillonita, la clorita o la ilita. 8ada part6cula de arcilla laminar se compone de un apilamiento de capas unitaria paralelas.
5e componen de capas unitarias constituidas por dos hoas tetra&dricas de cada lado de una hoa octa&drica, en cierto modo como un emparedado.
ARCIA! "#$T"#RI#$%TICA! &ARCIA! '( TR(! CA)A!*
5i se sustitu#e un átomo de aluminio (:l;<) por un solo átomo de magnesio (Mg=<) en la estructura reticular (dis posición de los átomos), &sta tendrá un electrón e'cedente o una carga negativa. La carga negativa neta es compensada por la adsorción de cationes (iones positivos) en las super$cies de la capa unitaria, tanto en las super$cies interiores como en las super$cies e'teriores del apilamiento.
IITA! &ARCIA! '( TR(! CA)A!*
Las ilitas tienen la misma estructura "ásica ue las montmorillonitas, pero no muestran la capacidad de hinchamiento entre capas. En ve+ de la sus titución de :l;< por Mg=< como en la montmorillonita, la ilita tiene
una sustitución de 5i>< por :l;<, lo cual a?n produce una carga negativa. Los cationes compensadores son principalmente el ion potasio (@<), como lo indica la Aigura .
+I'RATACI$ '( A! ARCIA!
El cristal de "entonita se compone de tres capas9 una capa de al?mina con una capa de s6lice encima # otra de"ao. La laminilla de arcilla está cargada negativamente # una nu"e de cationes está relacionada con &sta. 5i un gran n?mero de estos cationes son sodio, la arcilla será recuentemente llamada montmorillonita sódica. 5i los cationes son principalmente calcio, la arcilla será llamada montmorillonita cálcica.
)R#C(!#! '( ($AC( '( A! )ART%CA! '( ARCIA :demás de conocer la cantidad # calidad de las arcillas de un lodo, se reuiere conocer el estado de asociación de las part6culas de arcilla. Los distintos procesos de enlace de las part6culas de arcilla son importantes para la Beolog6a de las suspensiones de arcilla. Estos procesos de enlace de"en ser comprendidos para entender # controlar los cam"ios geológicos en los !uidos de peroración. Las part6culas de arcilla se asocian cuando están en uno de los siguientes estados9 agregación, dispersión, !oculación o des !oculación &ver la .igura /*0 %ueden estar en uno o varios estados de asociación al mismo tiempo, con un estado de asociación predominando.
a agregación (enlace de cara a cara) resulta en la ormación de láminas o pauetes más gruesos. Esto reduce el n?mero de part6culas # causa una reducción de la viscosidad plástica.
a dispersión, reacción contraria a la agregación, resulta en un ma#or n?mero de part6culas # viscosidades plásticas más altas. Las laminillas de arcilla son normalmente agregadas antes de ser hidratadas # cierta dispersión ocurre a medida ue se hidratan.
a 1oculación se re$ere a la asociación de "orde a "orde #Co "orde a cara de las part6culas, resultando en la ormación de una estructura similar a un Dcastillo de naipes. Esto causa un aumento de la viscosidad, geli$cación # $ltrado
a des 1oculación es la disociación de las part6culas !oculadas. La adición de ciertos productos u6micos al lodo neutrali+a las cargas electrou6micas en las arcillas. Esto elimina la atracción ue resulta del enlace "orde a "orde #Co "orde a cara entre las par t6culas de arcilla.
R($'I"I($T# '( A! ARCIA! El rendimiento de las arcillas se de$ne como el n?mero de "arriles de lodo de F cp. (8entipoise) ue se puede o"tener a partir de una tonelada de material seco 0 a .igura 2 ilustra la ra+ón por la cual se seleccionó F cp. 8omo valor determinante para el rendimiento. La parte cr6tica de la curva para todos los tipos de arcilla aparece a F cp. Grandes adiciones de arcilla hasta F cp. :umentan mu# poco la viscosidad, mientras ue las peueñas cantidades de arcilla tienen un eecto marcado so"re la viscosidad de más de F cp.
.ACT#R(! Q( A.(CTA$ ( R($'I"I($T# '( A! ARCIA!
La hidratación # la dispersión de la arcilla seca son mu# aectadas si el agua de preparación contiene sal o varios iones metálicos, muchos lodos de peroración son preparados con agua salada por ra+ones de econom6a # conveniencia. Un análisis t6pico del agua salada puede contener los siguientes componentes9
El agua ue contiene cualuier concentración de sal puede ser saturada con una sal adicional. El agua salada saturada contiene apro'imadamente ;F. mgCL de cloruro de sodio. 5e reuiere apro'imadamente F= l"C""l de sal para saturar el agua dulce. El eecto de varias concentraciones de estos iones so"re la hidratación de la "entonita.
La hidratación de dos cu"os id&nticos de "entonita, el primero en agua dulce # el segundo en agua salada.
a .igura 33 muestra el cu"o de "entonita inicialmente en un vaso de precipitado, # nuevamente despu&s de H= horas. 5e puede o"servar claramente la hidratación # el hinchamiento consiguiente.
a .igura 34 muestra el cu"o de "entonita inicialmente en el agua salada # nuevamente despu&s de H= horas. Está claro ue no se ha producido casi ninguna hidratación.
F. La ormación de estructuras de esco"illas amontonadas por los esuer+os de corte. Esto presenta una simple analog6a con la agitación de paa en agua.
=. Las uer+as de atracción entre part6culas, creadas por cargas de enlaces rotos en los "ordes de aguas rotos por los esuer+os de corte.
La "entonita puede ser usada como viscosi$cador e$ca+ en agua salada si es pre hidratada en agua dulce antes de ser añadida al agua salada. Besulta conveniente mantener un p2 de a F # tratar la lechada de "entonita pre hidratada con un des!oculante antes de añadirla al agua salada. 4e esta manera, se puede reducir la !oculación inicial seguida por una p&rdida de viscosidad causada por la deshidratación en el am"iente de agua salada. Esto está ilustrado en la .igura 35. 5e preparó una lechada de ; l"C""l de "entonita, deando ue se hidrate. Luego ue añadida a un "arril euivalente de agua con una concentración de F. mgCL de cloruro de sodio.
a .igura 36 representa el aumento inicial de viscosidad de"ido a la !oculación causada por la adición del catión divalente 8a=<. Esto, a su ve+, causa la agregación de las part6culas # una disminución de l a viscosidad de"ido a la deshidratación # a la reducción del n?mero de part6culas.
a .igura 37 muestra undamentalmente la misma cosa, e'cepto ue la !oculación # la agregación son causadas por la acción de masas de /a<, de"ido a su concentración.
(.(CT# '( )+ El rendimiento de la "entonita. ilustra la viscosidad de una lechada de "entonita en relación con dierentes valores de p2. La ma#or6a de todos los lodos de peroración son tratados de manera ue sean alcalinos, es decir ue de"er6an tener un p2 ma#or de H. 8omo el p2 no aecta la viscosidad, una de las principales consideraciones es la selección del rango de p2 más desea"le para optimi+ar las propiedades reológicas del !uido de peroración.
I$!TAACI#$ '( !)(R.ICI( 308Qu9 es un dinamómetro: R0 Es un instrumento utili+ado para medir uer+as o para pesar o"etos. El dinamómetro tradicional, inventado por Isaaac /eJton "asa su uncionamiento en el estiramiento de un soporte ue sigue la le# de elasticidad de 2oo1e en el rango de medición. El dinamómetro unciona gracias a un resorte o espiral ue tiene en el interior el cual puede alargase cuando se aplica una uer+a so"re el .Una agua o indicador suele mostrar, paralelamente la uer+a.
A)ICA!I#$(!; E'isten dinamómetros para diversas unciones .Una de ellas es la de pesar, es decir para medir el peso algo # por euivalencia determinar su masa. Esto con lleva la necesidad de cali"rar el instrumento cada ve+ ue se cam"ia de u"icación, especialmente en medidas de precisión, de"ido a la variación de la relación entre la masa # el peso, ue es la aceleración de la gravedad # depende del despla+amiento.
)
) es el peso, cu#a unidad "asica en el sistema internacional es el /eJton. " es la masa, cu#a unidad "ásica es el 1ilogramo. = es la aceleración de la gravedad cu#a unidad "ásica en el mCs= 8Qu9 es un ecómetro: R0Es una herramienta de codigo a"ierto parala medición # lectura transversal de la ecolog6a en el proceso de diseño, construcción # uso de los edi$cios, ue cuanti$ca tanto los impactos so"re la tierra, como so"re los ecosistemas # la salud humana. El ecómetro utili+a el lenguae del análisis de ciclo de vida (:8K) para cuanti$car los impactos so"re las principales áreas de protección9 Becursos, Ecosistemas, # salud humana.
