Bentonit là gì? Các công bố nghiên cứu khoa học về Bentonit

Khái niệm và thành phần khoáng chất

Bentonit là nhóm đất sét có thành phần chính là khoáng montmorillonit, một loại sét lớp tách kép phân tử với khả năng trao đổi cation và trương nở vượt trội. Montmorillonit chiếm từ 60–80 % khối lượng, còn lại là các khoáng sét khác như illit, kaolinit và các thành phần phụ như quartz, feldspar.

Công thức hóa học tổng quát của bentonit có thể biểu diễn dưới dạng (Na,Ca)0.3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·nH2O, trong đó n biến thiên tùy độ ẩm và mức độ trương nở. Ion Na⁺ hoặc Ca²⁺ nằm giữa các lớp tách kép tạo ra áp lực hút giữ nước, dẫn đến khả năng trương nở đáng kể.

Thành phần khoáng chất ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất và ứng dụng của bentonit. Bentonit natri thường trương nở mạnh (swelling > 10 lần), phù hợp làm chất tăng nhớt trong dung dịch khoan; trong khi bentonit canxi có khả năng hấp phụ cao, ứng dụng trong xử lý nước và môi trường.

Cơ chế hình thành và nguồn gốc địa chất

Bentonit hình thành chủ yếu từ quá trình phong hóa thủy hóa kính núi lửa và tufa núi lửa giàu silic. Tro núi lửa kính hóa thạch tiếp xúc lâu dài với nước trung tính hoặc kiềm, Al và Mg thay thế Si trong cấu trúc kính, tổng hợp thành khoáng montmorillonit.

Các bể trầm tích hay hố sâu sau hoạt động núi lửa (maar, crater lake) giữ lại tro núi lửa và nước tương đối tĩnh, tạo điều kiện thuận lợi cho bentonit phát triển. Địa tầng Green River Formation (bang Wyoming, Mỹ) và các bồn địa Rift ở châu Phi là ví dụ điển hình về mỏ bentonit quy mô lớn.

Môi trường hình thành quyết định tính chất hóa học như tỷ lệ Na/Ca, độ nhạy pH và lượng khoáng phụ. Quá trình biến chất sau này (nén lắng, thay đổi nhiệt độ) có thể làm giảm khả năng trương nở nhưng tăng độ cứng đồng nhất của lớp sét.

Phân loại và tiêu chuẩn chất lượng

Theo ion trao đổi chính, bentonit chia thành hai nhóm cơ bản:

• Bentonit natri (Na-bentonit): chủ yếu chứa natri giữa các lớp, trương nở cao, ổn định ở pH rộng, thích hợp cho dung dịch khoan và các ứng dụng yêu cầu độ nhớt lớn.
• Bentonit canxi (Ca-bentonit): chứa nhiều canxi, hút ẩm và hấp phụ tốt, thường dùng trong xử lý nước thải, lọc dầu thực vật và làm chất đông tụ trong mỹ phẩm.

Tiêu chuẩn chất lượng bentonit dựa trên các chỉ tiêu chính:

Chỉ tiêu	Na-bentonit	Ca-bentonit
Độ trương nở (ml/g)	≥ 15	< 5
Hàm lượng montmorillonit (%)	≥ 70	≥ 60
Độ pH (10 % dung dịch)	8,5–10	7–9
Hàm lượng Fe2O3 (%)	< 3	< 5

Tính chất vật lý và hóa học

Bentonit sở hữu diện tích bề mặt lớn (BET = 50–200 m²/g) do cấu trúc lớp mỏng, mang điện tích bề mặt âm, giúp hấp phụ ion kim loại nặng và phân tử hữu cơ hiệu quả. Khả năng trao đổi cation (CEC) đạt 80–150 meq/100 g, tùy nguồn gốc khoáng và quy trình chế biến.

Vật lý, bentonit natri trương nở khi tiếp xúc với nước, hình thành gel nhớt với độ nhớt tới vài nghìn cP, giữ nhiệt độ và pH ổn định. Bentonit canxi có khả năng hấp thụ dầu và chất độc hữu cơ, dùng trong lọc và tách pha dầu – nước.

Về hóa học, bentonit ổn định trong dải pH rộng (4–12), không tan trong dung dịch kiềm trung bình và axit loãng. Khả năng hấp phụ phụ thuộc vào pH, nhiệt độ và nồng độ ion trong môi trường. Các ion Al³⁺, Mg²⁺ và Fe³⁺ có thể chiếm chỗ Na⁺ hay Ca²⁺ qua quá trình trao đổi ion, làm thay đổi tính chất trương nở và hấp phụ của bentonit.

Ứng dụng trong khoan dầu khí và giếng khoan

Bentonit natri là thành phần chính trong dung dịch khoan (drilling mud), giúp ổn định thành giếng và kiểm soát áp suất đáy lỗ. Khi trương nở, bentonit tạo ra gel nhớt, giữ lại mảnh khoan, giảm ma sát và ngăn ngừa sập vách. Độ nhớt của dung dịch điều chỉnh bằng liều lượng bentonit và phụ gia (polymer, barite) để phù hợp với điều kiện địa tầng.

Đặc tính trao đổi cation và diện tích bề mặt lớn giúp bentonit hấp phụ ion kim loại từ đá nền, giảm chance đóng cặn trong ống khoan. Hiệp hội Dầu khí Hoa Kỳ (API) quy định tiêu chuẩn API 13B-1 cho dung dịch khoan bentonit, đảm bảo giá trị độ trương nở ≥15 ml/g và độ nhớt phù hợp ở cắt 600 rpm.

• Ổn định thành giếng: ngăn sập vách do áp suất tầng.
• Kiểm soát mất dung dịch: gel nhớt ngăn chảy ngược.
• Giảm ma sát: bảo vệ ống khoan và dây chuyền khoan.

Ứng dụng trong xử lý nước và xử lý môi trường

Khả năng hấp phụ mạnh mẽ của bentonit canxi và natri cho phép loại bỏ kim loại nặng (Pb²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺) và các hợp chất hữu cơ độc hại (phenol, thuốc trừ sâu) trong nước thải công nghiệp. Bentonit được sử dụng trong bể keo tụ và lọc sinh học (biofilter), tăng hiệu suất loại bỏ ô nhiễm lên 70–90 % theo báo cáo của EPA (EPA).

Trong ứng dụng lót nền bãi chôn lấp và hồ chứa chất thải nguy hại, bentonit tạo lớp chắn kín (liner) ngăn chặn rò rỉ chất độc ra môi trường. Độ thấm (permeability) của lớp bentonit–nhựa composite thường ≤10^–9 m/s, đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế cho geomembrane (ASTM D5887).

Chất ô nhiễm	Loại bentonit	Hiệu suất (%)
Chì (Pb²⁺)	Ca-bentonit	85–90
Cadimi (Cd²⁺)	Na-bentonit	75–80
Phenol	Ca-bentonit	65–70

Ứng dụng trong dược phẩm và mỹ phẩm

Bentonit được sử dụng làm tá dược (excipient) trong viên nén và gel bôi ngoài da nhờ khả năng hấp phụ độc tố và dịu viêm. Trong công thức gel bôi da, 2–5 % bentonit tạo kết cấu mịn, ổn định pH và điều chỉnh độ nhớt, đồng thời hấp phụ bã nhờn trên da.

Trong mặt nạ đất sét (clay mask), bentonit canxi đóng vai trò hút dầu thừa, giảm mụn và làm sạch lỗ chân lông. Theo báo cáo của Hội Dược Điển Châu Âu (Ph. Eur.), bentonit mỹ phẩm phải đạt độ tinh khiết cao, không chứa nồng độ kim loại nặng vượt ngưỡng an toàn.

• Thuốc bôi ngoài: hỗ trợ làm lành vết thương, giảm viêm.
• Mặt nạ thải độc: hút bã nhờn, làm sạch sâu.
• Gel dùng tại chỗ: ổn định kết cấu, không gây kích ứng.

Ứng dụng trong công nghiệp xây dựng và vật liệu

Trong bê tông chống thấm, bentonit natri được thêm dưới dạng bột (0,5–1 %) để điều chỉnh độ sệt và tăng tính kín nước. Các thử nghiệm cho thấy bê tông pha bentonit giảm độ thấm tĩnh xuống 30–40 % so với bê tông chuẩn, nâng cao tuổi thọ công trình.

Trong vữa trát và gạch chịu lửa, bentonit cải thiện độ dẻo, giảm co ngót và cải thiện tính dẫn nhiệt. Trong gạch không nung (soil-cement blocks), hàm lượng bentonit 3–5 % giúp tăng cường cường độ nén 10–15 % và giảm tỷ lệ hút nước.

Tác động môi trường và an toàn sức khỏe

Bentonit thường được đánh giá an toàn khi sử dụng trong nước và dược phẩm. Tuy nhiên, bụi silica tinh thể trong bentonit có thể gây bệnh bụi phổi (silicosis) nếu hít phải trong thời gian dài. OSHA quy định giới hạn PEL cho bụi tổng bentonit là 15 mg/m³ và bụi hô hấpable 5 mg/m³.

Việc khai thác bentonit cần quản lý bụi và xử lý nước thải mỏ. Công ty khai thác phải áp dụng biện pháp che phủ bề mặt, phun sương giảm bụi, và thu gom nước rửa để tái sử dụng, hạn chế ô nhiễm nguồn nước xung quanh.

Thị trường, khai thác và triển vọng phát triển

Công suất khai thác bentonit toàn cầu đạt khoảng 30 triệu tấn/năm, dẫn đầu bởi Mỹ, Trung Quốc và Thổ Nhĩ Kỳ. Thị trường dự báo tăng trưởng 5–7 %/năm nhờ nhu cầu trong khoan dầu, xử lý nước và xây dựng.

Xu hướng tương lai bao gồm phát triển bentonit tinh khiết cao qua công nghệ rửa và phân loại hạt, cũng như ứng dụng nano-bentonit trong composite polymer để tạo vật liệu siêu thấm, dẫn điện và tự phục hồi.

• Tăng cường công nghệ chế biến: rửa, sấy phân tán hạt.
• Ứng dụng nano-bentonit: composite siêu thấm, vật liệu tự phục hồi.
• Khai thác bền vững: phục hồi mỏ, quản lý nước và bụi.

Tài liệu tham khảo

1. U.S. Geological Survey. Mineral Commodity Summaries: Bentonite. 2024. Link
2. American Petroleum Institute. API Recommended Practice 13B-1: Field Testing of Drilling Fluids. 2022.
3. Environmental Protection Agency. Bentonite for Waste Containment. 2021. Link
4. European Pharmacopoeia Commission. Monograph: Bentonite for Pharmaceutical Use. Ph. Eur. 10.7, 2023.
5. International Journal of Mineral Processing. Advances in Bentonite Applications. 2020.