مقدمه:

رس‌ها و کانی‌های رسی اهمیت وکاربرد زیادی در صنعت، کشاورزی، کاربردهای مهندسی، ساختمانی، هسته‌ای، محیط زیستی و ... دارند. ویژگی‌ها و کاربرد رس‌ها تابع ساختار داخلی و ترکیب آنها است. بعلاوه عوامل دیگری نیز در تعیین نوع کاربرد آنها موثر است که از جمله می‌توان به ترکیب مواد معدنی غیر رسی موجود در ساختمان رس‌ها، ‌وجود مواد آلی و نوع و مقدار یون‌های قابل تبادل و نمک‌های محلول و بافت رس‌ها اشاره کرد. مدتی است استفاده از کانی‌های رسی در صنعت دام و طیور رواج یافته است. برخی خواص آنها در دامپروری عبارتند از: تبادل کاتیون‌های مضر و عناصر سنگین، حذف سموم، مایکوتوکسین‌ها و باکتری‌های مضر دستگاه گوارش، از بین بردن بوی نامطبوع سالن‌های پرورشی و حذف گاز آمونیاک و ... که در مجموع موجب افزایش عملکرد تولید و کارایی تبدیل غذایی آنها می‌شود. گرچه رس‌ها در حوزه‌های بسیار متنوع و پیچیده‌ای از فعالیت‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند ولی تعداد معدودی از آنها در صنعت دام و طیور به کار می‌روند.
تشخیص خاصیت کانی‌های مرسوم در دامپروری مستلزم شناخت دقیق ساختار مولکولی آنها و خویشاوندان نزدیک آنها و تفاوتهای احتمالی آنها است. در این نوشتار ابتدا به معرفی عمومی رس‌ها پرداخته و پس از ارائه یک طبقه‌بندی کلی، کانی‌های مورد استفاده در دامپروری با تأکید بیشتر مورد بررسی قرارگیرد. بدیهی است شناخت ویژگی‌ها و خصوصیات این مواد مستلزم شناخت رس‌های ساده‌تر است. در این قسمت به بررسی کائولین‌ها می‌پردازیم که ساده‌ترین نوع رس‌ها هستند.

سیلیکون و سیلیکات‌ها

عنصر سیلیکون یا سیلیسیوم رایج‌ترین شبه فلز در طبیعت، با عدد اتمی 14 و جرم اتمی 0855/28 و یک عنصر چهار ظرفیتی است که اربیتال‌های خارجی آن شبیه کربن است. در بدو خلقت کربن و سیلیسیم دو نامزد اصلی برای شکل بخشیدن به موجودات زنده و تشکیل ترکیبات آلی بودند. برخی ویژگی‌های منحصر به فرد کربن باعث شد که اساس مولکولی موجودات زنده بر پایه این عنصر بنا شود. اکسید سیلیسیم (سیلیکا) جامد ولی اکسید کربن گاز است و از دستگاه تنفس به راحتی بیرون می‌رود. اگر جانداران از سیلیس ساخته شده بودند برای دفع اکسید کربن مجبور بودند که آن را به صورت جامد از ششهای خود دفع کنند. میل ترکیبی نسبتاً بالا و تنوع ترکیبات آلی حاوی کربن از مهم‌ترین دلایلی است که در همان ابتدای خلقت، کربن را جایگزین سیلیس کرد. با این وجود سیلیس در پوسته زمین نقش مهمی دارد. سیلیکون دومین عنصر موجود در پوسته زمین (بعد از اکسیژن) است و 7/25 درصد وزن پوسته زمین را به خود اختصاص میدهد.
سیلیکاتها شامل تمامی ترکیباتی هستند که در آنها عنصر سیلیکون ارتباط‌های چهاروجهی با اکسیژن برقرار می‌کنند و در نتیجه درجات متفاوتی از پلیمر شدن را ایجاد می‌نمایند. پوسته زمین و کره ماه در نتیجه فرایندهایی از قبیل ذوب شدن، کریستال شدن، تجزیه شدن، تغیر شکل دادن و دیاژنز، از سنگ‌های آتشفشانی اولیه ساخته شد که قسمت عمده ترکیبات آن شامل انواع و اقسام سنگهای سیلیکاته است. سیلیکات‌ها به انواع مختلف مولکول‌های شیمیایی گفته می‌شود که از عنصر سیلیکون بوجود آمده و شامل ساختارهای متنوعی چون سیلیکات‌های منفرد، جفتی، خوشه‌ای (شامل حلقه‌ای، زنجیری، زنجیره‌ای دوگانه، ورقه‌ای و شبکه‌ سه بعدی) است. رس‌ها از نظر شیمیایی یکی از زیر دسته‌های سیلیکات‌های ورقه‌ای (فیلوسیلیکات‌ها) محسوب می‌شوند. کائولینیت و مونتموریلونیت (بنتونیت) از جمله خاک‌های رسی موجود در این دسته هستند. سیلیکات‌های داربستی یا سه بعدی (تکتوسیلیکات‌ها) نیز دسته دیگری از سیلیکات‌های پیچیده‌اند که از میان آنها می‌توان به سنگهای معروف «کوارتز» و «فلدسپار» و افزودنی متداول و مشهور «زئولیت» اشاره کرد. مونتموریلونیت (بنتونیت) و زئولیت (کالینوپتیلولیت) به ترتیب از دو دسته ترکیبات معدنی فیلوسیلیکات و تکتوسیلیکات هستند که در جیره انواع مختلف دام‌ها استفاده می‌شوند. مونتموریلونیت از نظر شیمیایی نوعی رس است. با وجود این می‌توان از دیدگاه تغذیه و به دلیل تشابهات زیاد ساختمانی آنها، زئولیت را نیز نوعی رس تلقی کرد.

تعریف رس

رس‌ها شامل مواد و کانی‌های ریز اندازه، ‌طبیعی و ‌با منشأ زمین و در واقع شامل فراورده‌های حاصل از هوادهی، ‌تغییرات حرارتی و رسوبی می‌باشند. از نظر کانی‌شناسی رس‌ها در میان ترکیبات معدنی، دارای کوچکترین اندازه‌ هستند. دانشمندان علوم مهندسی و خاک، اندازه ذرات رس را کمتر از 4 میکرومتر تعریف کرده‌اند در حالی که دانشمندان رس‌شناس اندازه 2 میکرومتر را به عنوان حد بالایی اندازه رس‌ها قائل هستند. به طورکلی رس‌ها را میتوان به عنوان «سیلیکات‌های آلومینیم آبدار» شناخت که در برخی از آنها آهن و منیزیم جایگزین آلومینیم شده و در برخی عناصر قلیایی و قلیایی خاکی جایگزین شده است. ترکیب معدنی رس‌ها تابع فراوانی نسبی و نوع کانی‌های رسی موجود در آ‌ن می‌باشد. گاه مقادیر بسیار کمی از یک نوع کانی رسی خاص، ‌اثر بسیار مهمی بر روی ویژگی‌های آن دارد. برای مثال اگر کائولین دارای مقدار اندکی از اسمکتیت در ساختمان خود باشد به شدت بر روی گرانروی برشی آن تأثیر می‌گذارد. همچنین درجه تکمیل شدن کریستال‌ها در کائولینیت بر روی خواص فیزیکی آن مؤثر است. مواد غیر رسی موجود در رس‌ها نیز بر خصوصیات آنها مؤثر است. برای مثال وجود ذرات ریز کوارتز در کائولین به شدت بر روی خاصیت سایندگی کائوین اثر می‌گذارد. مواد آلی بر روی رنگ و دیگر خصوصیات رس‌ها اثر دارد. سدیم مونتموریلونیت توان حمل مواد آلی در ساختمان خود را دارد و به همین دلیل از نظر تمایل آن برای مواد آلی و یا عدم تمایل آن برای جذب آب کاربردهای مخصوصی یافته است.

ساختمان رس ها و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آنها

ساختار اتمی کانی‌های رسی شامل دو نوع واحدهای ساختمانی است که ورقه‌های هشت وجهی و چهار وجهی نامیده میشوند. ورقه‌های هشت‌وجهی (تصویر 1) متشکل از گروه‌های اکسیژن و هیدروکسیل است که در میان آنها اتم‌های آلومینیم، آهن و منیزیم وجود داشته و نوعی آرایش هشت وجهی به آن می‌دهد. وقتی آلومینیم با سه ظرفیت مثبت در میان این هشت وجهی‌ها قرار گرفته، ‌تنها دو سوم جایگاه‌ها از نظر متعادل کردن بارهای الکتریکی پر می‌گردند. در این صورت ماده معدنی را دی‌اکتاهدرال می‌نامند. وقتی عنصر منیزیم که دارای دو بار مثبت است در مرکز هشت وجهی قرار می‌گیرد، هر سه جایگاه پر شده و ساختمان آن به تعادل می‌رسد. ماده معدنی را در این حالت تری‌اکتاهدرال می‌نامند.

تصویر 1 - ورقه های اکتاهدرال (هشت وجهی)

دومین واحد ساختمانی رس‌ها متشکل از ورقه‌ها یا لایه‌های حاوی واحدهای تتراهدرون یا چهار وجهی سیلیکون (سیلیسیوم) است. سیلیکون در مرکز و در فاصله یکسانی از اکسیژن‌های چهار گوشه آن قرار گرفته است. واحدهای متعدد تتراهدرون‌ در کنار هم قرار می‌گیرند و در دو جهت افقی توسعه می‌یابند و ایجاد شبکه‌های شش وجهی تکرار شونده مینمایند. نتیجه ساختاری است که اصطلاحاً «ورقه‌های تتراهدرال» نامیده می‌شود (تصویر 2). ورقه تتراهدرال سیلیکونی و ورقه اکتاهدرال در کنار هم قرارگرفته و اکسیژن‌ها و گروه‌های هیدروکسیلی رأسی خود را به اشتراک می‌گذارند و تولید رس‌های 1:1 (مثل کائولینیت) یا 2:1 (مثل ایلیت و مونتموریلونیت) می‌کنند.

تصویر 2 - ورقه های تتراهدرال (چهار وجهی)

رس‌های 1:1 به ازای هر یک ورقه اکتاهدرال دارای یک ورقه تتراهدرال هستند در حالی که رسهای 2:1 به ازای هر یک ورقه اکتاهدرال ، دو ورقه تتراهدرال در دو طرف آنها قرار می‌گیرد. رس‌های 1:1 دارای ساختمان ساده‌تری بوده و چنانچه در جدول 1 دیده می‌شود مجموع بار الکتریکی واحدهای سازنده کائولینیت که یکی از گونه‌های معروف و فراوان این گروه از کانی‌های رسی محسوب می‌شود، برابر صفر است. به همین دلیل فاقد بسیاری از خواص رس‌ها می‌باشند که مستلزم استفاده از ویژگی باردار بودن مولکول، جاذبه برای یونها و در نتیجه تبادل یونی است. وجود بار الکتریکی (و در نتیجه ظرفیت تبادل کاتیونی) و وجود خلل و فرج موجود در ساختمان رس‌های پیچیده 2:1 منشأ بسیاری از خواص آنها است.

جدول 1- توزیع بار الکتریکی در لایه های کائولینیت

این ویژگی‌ها در رس‌هایی از نوع بنتونیت که با گستردگی در صنعت پرورش طیور استفاده میشود، از اهمیت زیادی برخوردار است. در جدول شماره 2، طبقه‌بندی رس‌ها از نظر نحوه لایه‌بندی آنها ارائه شده است. ملاحظه می‌گردد که رس‌ها را از این نظر به دو دسته رس‌های 1:1 و 2:1 تقسیم می‌گردند. رس‌های 1:1 به دو گروه کائولین-سرپانتین و تالک –پیروفیلیت تقسیم می‌شوند در حالی که رسهای 2:1 دارای تنوع و پیچیدگی ساختمانی مفصل‌تری هستند و گروه‌های بیشتری را شامل می‌شوند که از میان آنها می‌توان به گروه‌های اسمکتیت، ورمیکولیت، میکا و کلریت اشاره کرد که به ترتیب دارای بار الکتریکی بیشتری هستند.

جدول 2: انواع رس‌ها بر اساس نوع لایه‌بندی و بار الکتریکی به همراه نمونه‌های تیپیک آنها

هر یک از این گروه‌های فوق به نوبه خود به گروه‌های فرعی بیشتری تقسیم میشوند. به این ترتیب کائولینیت (خاک چینی) متعلق به گروه کائولین –سرپانتین و از نوع دی‌اکتاهدرال است یعنی در مرکز واحدهای ساختمانی اکتاهدرال آنها عنصر آلومینیم وجود دارد در حالی که سرپانتین از همین گروه است با این تفاوت که از نوع تری‌اکتاهدرال می‌باشد زیرا در مرکز واحدهای اکتاهدرال آن عنصر غیر آلومینیم به ویژه منیزیم به کار رفته است. در ادامه مبحث خصوصیات بیشتری از کائولینیت ارائه خواهد شد تا سادگی و کیفیت ساختار شیمیایی آن از نزدیک مورد بررسی قرار گیرد. بررسی ساختار ساده این دسته از رس‌ها به ماکمک می‌کند تا ساختار پیچیده‌تر رس‌های دسته 2:1 را بهتر درک کنیم.

تقسیم‌بندی رس‌های با لایه‌بندی 2:1 پیچیده‌تر است. هر یک از گروه‌های فرعی آن دارای انواع رس است که در این جدول نمونه‌های شاخص آن ارائه شده است. برای مثال مونتموریلونیت که بخش عمده محصول تجاری بنتونیت است متعلق به گروه اسمکتیت و در گروه‌بندی فرعی دی‌اکتاهدرال واقع شده است که دارای بار الکتریکی 2/0 تا 6/0 است و در صنعت پرورش طیور مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه بحث مطالب بیشتری در مورد این رس ارائه خواهد شد. ساختار و ترکیب رس‌های صنعتی همچون کائولین، اسمکتیت، سپیولیت و ... بسیار متفاوت است حتی اگر همان گونه که دیدیم ساختار اولیه آنها از ورقه‌های چهار وجهی و هشت وجهی ساخته شده باشد. خصوصیات شیمیایی و فیزیکی رس‌ها تابع نحوه قرارگرفتن و ترکیب شیمیایی همین ورقه‌های چهار و هشت وجهی است. کائولین همانگونه که قبلاً گفته شد ساختار اساسی کائولین موجود در کانی‌های مختلف از قبیل کائولینیت، دیکتیت و هالوی‌سیت متشکل از یک ورقه چهار وجهی و یک ورقه هشت‌وجهی است. تمامی اکسیژن‌های رأسی تتراهدرونهای سیلیسی در یک جهت کشیده شده‌اند به طوری که اکسیژن‌ها و گروه‌های هیدروکسیلی که برای متوازن کردن بار الکتریکی باید وجود داشته باشند با سیلیکون‌های موجود در ورقه تتراهدرونی و آلومینیم ورقه اکتاهدرونی به اشتراک گذاشته می‌شوند. (تصویر 3) .

تصویر 3 - ساختمان کائولینیت (چینی)

فرمول ساختمانی کائولینیت Al4Si4O10(OH)8 و به لحاظ تئوریک دارای 54/46 درصد سیلیکا (SiO2)، 5/39 درصد اکسید آلومینیم (Al2O3) و 96/13 درصد آب است. تنها دو سوم موقعیت‌های اکتاهدرال توسط اتمهای آلومینیم پر شده است. اتم‌های آلومینیم توسط چهار اکسیژن و هشت هیدروکسیل احاطه شده است. در جدول 1 توزیع بار الکتریکی در هر واحد ساختمانی موجود در لایه‌های کائولینیت نشان داده شد. بار الکتریکی در واحدهای ساختمانی رس‌های گروه کائولین متوازن است. کانی‌های مربوطه را اصطلاحاً رسی‌های 1:1 می‌نامند که در آنها ورقه‌های چهار وجهی و هشت وجهی در جهت محورهای a- و b- بی وقفه ادامه می‌یابد و این در حالی است که در جهت محور c- این لایه‌ها به صورت یک در میان بر روی هم پشته می‌شوند (تصویر 3). تفاوت بین کانی‌های گروه کائولین بستگی به روش پشته شدن لایه‌ها بر روی هم دارد. ضخامت هر یک از این لایه‌ها برابر 13/7 آنگستروم است. برای مثال «دیکیت» دارای دو لایه واحد و در «ناکریت» شش لایه واحد دارند و «هالوی‌سیت» به دو شکل است: هیدراته و غیرهیدراته. در هالوی‌سیت هیدراته یک لایه از مولکول‌های آب بین لایه‌ها وجود دارد که ضخامت آن برابر 10 آنگستروم است (تصویر 3) در حالی که در نوع دهیدراته آن، ضخامت بین لایه‌ها برابر 2/7 آنگستروم است. شکل هالوی‌سیت معمولا به صورت لوله‌های طویل شده است (تصویر 4 - قسمت بالا) در حالی که شکل فیزیکی کائولینیت به صورت صفحات و پشته‌های شش وجهی است (تصویر 4- قسمت پایین).

تصویر 4 - میکروگراف الکترونی هالوی سیت و کائولینیت

خاک‌هایی که دارای کائولینیت زیادی هستند اصطلاحاً رس چینی یا کائولین نام دارند. کائولین نام یکی از استان‌های کشور چین است که مقادیر قابل ملاحظه‌ای از این نوع خاک را دارد. کائولینیت ماده اصلی ظروف چینی و خاک سفید و نرمی است که از هوادهی شیمیایی کانی‌های سیلیکات آلومینیوم همچون فلدسپار به ویژه در آب و هوای گرم و مرطوب مثل جنگل‌های حاره‌ای بوجود می‌آید. هر چه به سمت مناطق خنک‌تر و خشک‌تر می‌رویم کائولینیت کم می‌شود و در عوض نسبت کانی‌های رسی همچون ایلیت (در هوای سردتر) و یا اسمکتیت (در هوای خشک‌تر) افزایش می‌یابد. در برخی مناطق دنیا آلودگی با اکسید آهن باعث شده است که رنگ این کانی‌ها به قرمز متمایل شود. کائولینیت را در سرامیک‌سازی، طب،‌ افزودنی‌های خوراکی، خمیر دندان و مواد لامپ‌های مهتابی و مواد آرایشی بکار می‌برند. کائولینیت دارای ظرفیت چروک-تورم و نیز ظرفیت تبادل کاتیونی اندک (1 تا 15 میلی‌اکی‌والان در 100 گرم) است و به راحتی و با سرعت و با مقدار اندکی آب اشباع شده و خمیر ایجاد میکند. خمیر کائولینیت بعد از پختن در 530 درجه سانتی‌گراد، حالت سفتی پیدا می‌کند. از این خاصیت برای تولید «ظروف چینی» استفاده می‌شود. اگرچه غیر از کائولینیت مواد و خاک‌های دیگری نیز به آن افزوده میشود.

کائولینیت به دلیل ساختار ساده و بدون بار الکتریکی خود، دارای ظرفیت جذب آب بالایی نیست، قدرت تبادل کاتیونی ندارد و قادر به ایجاد سوسپانسیون در غلظت‌های کم نیست. به همین دلیل کارایی چندانی در جیره غذایی طیور ندارد. با این وجود رس‌های کائولین را می‌توان برای افزایش راندمان انرژی جیره بکار برد، بدون اینکه در جهت افزایش رشد و بهبود کیفیت لاشه جوجه‌ها از آن انتنظاری برود. هر چه ذرات کائولین ریزتر باشد بهتر است. کائولین خوب، انرژی هر گرم غذا را به اندازه دو کالری افزایش می‌دهد. دلیل آن کاهش سرعت عبور مواد از دستگاه گوارش است. در شماره بعدی مجله، مطالبی در مورد مونتموریلونیت (بنتونیت) ارائه شده و خصوصیات شیمیایی و خواص تغذیه‌ای آن در صنعت مرغداری بررسی خواهد شد.

مرتضی بیکی بندرآبادی
عضو هیئت علمی مرکز تحقیقات جهاد کشاورزی استان قم