ESTABILIDAD Y ESFUERZO CEDENTE DE DISPERSIONES DE ARCILLAS PARA LODOS DE PERFORACIÓN EN SOLUCIONES ELECTROLÍTICAS

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ESTRUCTURA

La “Monmorillonita”, por lo general, se incluye dentro de las “Esméctitas” que son “filosilicatos” del tipo 2:1, esto significa que las esméctitas, tienen estructuras organizadas laminares. Desde el punto de vista de la química estructural, estos materiales son una clase de polímeros, es decir, compuestos o mezcla de compuestos formados por enlaces de unidades moleculares repetidas.

Los filosilicatos, grupo al que pertenece la monmorillonita, consisten de unidades estructurales basada en el apilamiento de planos de iones oxígeno e hidroxilos, este apilamiento puede darse por conformación de grupos tetraédricos (SiO)44-, los cuales comparten entre sí tres de sus cuatro oxígenos con otros vecinos formando capas, de extensión infinita y fórmula (Si2O5)=, que constituyen la unidad fundamental de los filosilicatos, ver Fig I.1. Muchas veces por sustitución isomórfica; esto es, la capacidad que un ión tiene para reemplazar a otro en la estructura sin alterar la forma del cristal; los tetraedros pueden ser de Aluminio (AlO4) en cuyo caso el silicio tetraédrico puede estar sustituido por Al3+ o de hierro por reemplazo por Fe3+. Es importante considerar la disposición de los tetraedros, estos se ubican de tal forma que generan una especie de trampa hexagonal o, más precisamente, pseudo hexagonal.

Otras de las unidades estructurales, que conforman los filosilicatos, son las hojas octaédricas Fig.I.2, expresadas como [pic 1][pic 2], en donde Mm+ comprende un catión metálico y seis aniones Xb- . En algunos casos cationes más comunes de esta unidad estructural como Al3+ o Mg2+, pueden estar sustituidos por Fe2+ o Fe3+ y más raramente por Li, Cr, Mn, Ni, Cu o Zn.

[pic 3]

Figura I.1. Diagrama representativo de la hoja tetraédrica en un filosilicato

[pic 4]

Figura I.2. Diagrama representativo de la hoja octaédrica en un filosilicato

Para el caso específico de la monmorillonita, su estructura se basa en la conformación de una hoja de tetraedros unida a una hoja de octaedros, y esta a su vez con otra lámina tetraédrica para dar lugar a la estructura T:O:T, mejor conocida como 2:1, es decir, 2 hojas Tetraédricas y 1 hoja Octaédrica. La formación de esta estructura se puede visualizar en la Fig. I.3. El plano de unión, entre capas tetraédrica y octaédrica, está formado por los oxígenos de los tetraedros que se encontraban sin compartir con otros tetraedros (oxígenos apicales), y por grupos (OH)-, de forma que, en este plano quede un (OH)- en el centro de cada hexágono formado por 6 oxígenos apicales. El resto de los (OH)-, son reemplazados por los oxígenos de los tetraedros. Sin embargo, las fuerzas que unen las diferentes unidades estructurales son más débiles, que las existentes entre los iones de una misma lámina, por ese motivo los filosilicatos tienen una clara dirección de exfoliación, paralela a las láminas.

Además, en algunos filosilicatos, las láminas no son eléctricamente neutras, debido a las sustituciones de unos cationes por otros de distinta carga, estos ocurren mayormente en los lados octaédricos, mientras que el reemplazo de Si+4 con Al3+ en el lado tetraédrico es mucho menor. El balance de carga se mantiene por la presencia, en el espacio interlaminar, o espacio existente entre dos láminas consecutivas, de cationes adsorbidos. La unidad formada por una lámina más la interlámina es la unidad estructural. Los cationes interlaminares más frecuentes son alcalinos (Na y K) o alcalinotérreos (Mg y Ca).

[pic 5]

Figura I.3. Diagrama representativo de la Estructura de la monmorillonita

Por último, las arcillas pueden representarse por su fórmula química. Para la celda unitaria de la monmorillonita, su xpresión es como sigue a continuación [6]:

[pic 6]

(I.1)

O también por su formula estructural [8]

[pic 7]

(I.2)

La fórmula (I.2) da la composición planar de la celda unitaria. Los números IV y VI indican la posición tetraédrica y octaédrica respectivamente, el símbolo Mx indica la presencia de un catión compensador de valencia total “x” por celda, cuya carga se encuentra entre 0.5 y 0.9. Sin embargo, la fórmula (I.2) es idealizada, pues los reemplazos de una parte los iones aluminio por los iones de Fe+3 y los reemplazos parciales de los iones Magnesio por Fe+2, aunque son de menor proporción no se presentan en la fórmula a diferencia de (I.1).

I.2. PROPIEDADES COLOIDALES DE ARCILLAS

Como se ha mencionado anteriormente, la importancia industrial de las arcillas, estriba mayormente en las propiedades coloidales que exhiben éstas, en sistemas característicos. Propiedades de interés, no sólo para la industria de perforación petrolera, sino también para la industria de tratamiento de depósitos de desechos de materiales radiactivos y/o nucleares; involucran el estudio de interacciones entre placas de arcillas cargadas con los demás componentes del sistema. Esto conlleva al estudio del sistema, desde el plano microscópico y/o coloidal para un mejor entendimiento de algunas de sus propiedades presentes a nivel macroscópico, es por ello que se presenta a continuación, una explicación breve de algunas de las propiedades más relevante de estos sistemas:

I.2.1. EXPANDIBILIDAD DE ARCILLAS

La hinchabilidad de los minerales de arcillas, como la monmorillonita, es de vital importancia en la industria, debido a la diversidad de propiedades que puede conceder a distintos sistemas como drenaje y erosión de suelos, estabilidad de vías de comunicación terrestre y edificios, deposición de material de desechos tóxicos, y producción de petróleo, entre otras.

Hace años, algunos investigadores creían que el proceso de hinchamiento no se había comprendido completamente [9], sin embargo, estudios posteriores enmarcan el mecanismo de hinchamiento en dos tipos [1, 2]: Hinchamiento o expansión “Cristalina”, e Hinchamiento o Expansión “Osmótica”.

La expansión cristalina o de corto alcance, o como también es llamado “Hidratación de Superficie”, resulta de la adsorción de capas monomoleculares de agua sobre la superficie basal del cristal, tanto en superficies externas como en superficies