흙이야기6 - 벤토나이트의 특성

[지구인]

벤토나이트는 보통 펠식 화산회가 속성 작용(암석화)에 의해 생성되고 층상을 이룬다. 대부분이 신제 3기의 화산회나 유문암이 변질된 것이다. 가장 유명한 와이오밍의 벤토나이트는 백악기 시대의 화선 활동에 의해 생성된 것으로 추정된다. 벤토나이트(BENTONITE)의 광물학적 명칭은 몬모릴로 나이트(MONTMORILLONITE)라고 하며 처음 프랑스에서 발견 되었으나 포토 벤톤 지방의 근처에서 광맥이 처음 발견 되어 이 지방의 명칭을 붙혀 벤토나이트라고 불리워 지고 있다. 벤토나이트의 광맥은 전 세계적으로 분포되어 있으며 우리나라에도 경주지방에 광산이 있다. 그러나 방수에 필요한 벤토나이트(소디움 벤토나이트)는 미국의 중서부 지역, 호주와 중국등에 집중 되어 있다. 벤토나이트의 색상은 회색 노란색, 초록색, 적색 등으로 다양하나 벤토나이트의 색상이 품질에 영향을 주는 인자는 아니다. 그리고 벤토나이트는 그 다양한 특성으로 인하여 방수 용도 이외에 화장품, 페인트, 주물, 천공작업 시 윤활류, 오폐수 처리제 등으로 그 용도가 다양하다.

	벤토나이트는 몬모릴로 나이트(MONTMORILLONITE) 계통의 팽창성 3층판(Si-Ai-Si)으로 이루어진 점토이며 납석(Pyrophylite) 화학 구조식인 Al2Si4(OH)로 형성 되어 있다.
	그중 Aluminum oxide 중간층인 Gibbsite layer에서 3+가인 Aluminum이 2+가인 Magnesium으로 대체되고 -1가 만큼의 부족한 전하를 Na(Sodium)로 만족시킨 형태가 소디움(나트륨) 벤토나이트 이고 Ca로 만족시킨 형태가 칼슘 벤토나이트 이다. 일반적으로 우리가 이야기하는 벤토나이트는 소디움 벤토나이트를 말하는 것으로 그 이유는 소디움 벤토나이트가 칼슘 벤토나이트 보다 팽창성을 비롯한 모든 성능이 우수하여 벤토나이트를 이용한 모든 종목에서 95%이상은 소디움 벤토나이트 만을 이용하기 때문이다. 벤토나이트의 팽창 원리는 벤토나이트의 중간층인 Gibbsite 층에서 발생하는 전하의 불균형으로 인하여 벤토나이트 각층의 모서리는 양성(+), 표면은 음성(-)이 존재하는 양극성이 띄게되며 이 양극성으로 인하여 물분자를 끌어당겨 흡착하게 되며 이 물분자는 다시 더욱더 많은 물 분자를 끌어 당기게 되어 벤토나이트 층간의 공간으로 물분자가 흡착, 판구조로 되어 있는 벤토나이트 구조가 하우스 구조(Hous of Cards 구조)로 변화하게 되어 부피가 증가하게 된다.

자료출처 : 한국벤토나이트(주)

* 공업용도의 벤토나이트 특성
(1) 팽창성
양질의 소디움 벤토나이트는 물과 반응하며 원해의 체적보다 13～16배가 팽창하며 무게의 5배까지 물을 흡수한다. 이 특성으로 인해 벤토나이트는 흔히 씰란드로 사용되어 왔다. 즉, 토사와 섞어 층을 만들면 물이 침투하지 못하게 한다. 폐수처리장이나 쓰레기 매립장의 주위를 이렇게 처리하여 주변토사나 지하수의 오염을 예방하기도 한다.

물과 반응하면 칼슘계 벤토나이트는 약 3배, 나트륨 벤토나이트는 약 15배까지 팽창하며 무게의 5배까지 물을 흡수한다. 이렇게 팽창한 벤토나이트는 겔화가 되며 이 겔은 물을 배척하는 성질을 지닌다. 이 성질을 이용하여 방수재의 원료로 쓰인다.

(2) 치밀성
소디움 벤토나이트는 그 층의 두께가 4mm～9mm일 경우 구 투수계수가
1×10(-8승)～1×10(-12승)cm/sec에 달하는 불투수층을 형성한다. 이는 30cm두께의 진흙의 100배에 상당하는 치밀성을 나타내는 것과 같다.

(3) 자체보수성(self-sealing)
소디움 벤토나이트는 물과 반응시 발생하는 자체 고팽창 성능에 의하여 콘크리트 구체에 3mm 이내의 군열이 발생한 곳에서도 자체적으로 팽창하여 매꿔 줌으로서 방수 능력이 유지된다.

(4) 회복성
벤토나이트는 물과 반응할EO 체적의 13～16배에 달하는 팽창성을 보이는데, 물의제거 또는 증발이 발생하는 경우, 벤토나이트는 원래의 체적으로 수축되는 회복성을 나타내게된다.

(5) 점결성- 벤토나이트는 다른 물질과 혼합하여 다른 물질을 서로 점결 시키는 성질을 가지고 있다. 이때 벤토나이트는 화학적으로 활성을 일으키지 않으므로 점착되는 재료의 원래의 화학적 특성에 영향을 주지 않는다. 높은 온도에서도 이 성질은 변하지 않아 주물용 모래의 점착제로 널리 이용된다.

(6) 농후성- 벤토나이트는 겔 상태를 형성하므로 점성이 낮은 다른 재료들을 농축하는 효과가 있으며, 벤토나이트를 이용한 현탁액은 장시간이 지나도 침전등이 발생하지 않고 완벽한 콜로이드 상태를 이루므로 페인트 약품 흑연 등의 각종 공업 원료의 첨가제로 사용된다.

(7) 윤활성- 겔화된 벤토나이트는 높은 윤활 특성을 가지게 되며 예전에는 마차 바퀴를 끼울때 윤활제로 사용되기도 하였으며 각종 천공작업에 윤활 성분을 주기 위하여 사용된다.