La sepiolita: un material eficaz para la higiene de las mascotas y la limpieza del medio ambiente Sepiolite: a useful material for pet hygiene and cleaning the environment

Introducción

Los materiales que proporciona la minería se encuentran presentes en muchos aspectos de nuestra vida cotidiana, haciéndonos la vida más fácil y construyendo un futuro más sostenible. En muchas ocasiones las materias primas minerales pasan inadvertidas, sin ser reconocido su verdadero valor en la sociedad. Este es el caso de la sepiolita, un mineral con unas propiedades específicas que se deben a su especial estructura, caracterizada por una gran superficie específica y porosidad interna (semejante a una esponja), lo que le confiere sus propiedades sorbentes y su versatilidad. Estas características la hacen eficaz en numerosos campos, el principal en la higiene de mascotas (sobre todo de gatos) para absorber la orina y los olores que generan sus residuos, manteniendo limpio y seco el arenero, lo que favorece el bienestar animal. Pero también presenta otras aplicaciones innovadoras, que van desde formar parte (como arcillas modificadas) de espesantes desarrollados para aumentar la viscosidad de los lodos y que puedan ser fácilmente retirados de las zonas inundadas tras la Dana que asoló Valencia,^[1] hasta utilizarse en la retirada de derrames de petróleo en los océanos que representan una grave amenaza para el medio ambiente,^[2]o en nanomedicina,^[3] como portador de fármacos (para mejorar su distribución en el organismo) y de ácidos nucleicos (para la trasferencia de genes en el tratamiento de enfermedades genéticas).

Precisamente, uno de los yacimientos de sepiolita más importantes a nivel mundial, y de mayor pureza (sobre el 90 %), se encuentra en España (Vicálvaro, Madrid), explotado a cielo abierto por la empresa minera Tolsa S. A. Para analizar su principal propiedad, la capacidad de adsorción, en sus laboratorios emplean métodos normalizados basados en la medida de la cantidad de líquido absorbido por una cantidad específica de sepiolita. A nivel didáctico, en los centros escolares, los estudiantes de ESO y Bachillerato pueden aplicar un sencillo método adaptado, con el objetivo de analizar el poder adsorbente de la sepiolita frente a diferentes líquidos y compararlo con otros materiales que se utilizan como lechos de mascotas.^[4]

Estructura y propiedades de la sepiolita

La sepiolita es una arcilla compuesta por un silicato natural hidratado de magnesio (subclase filosilicatos), de fórmula Mg₈Si₁₂O₃₀(OH)₄·8H₂O.^[5].El mineral bruto de este yacimiento presenta la siguiente composición: 78 % de sepiolita, 9 % de feldespato, 5 % de cuarzo, 4 % de mica y 4% de calcita. Generalmente, es de color blanco o grisáceo (Figura 1). Es opaco, no deja pasar la luz, y mate, no la refleja bien. En la escala de Mohs tiene una dureza de 3, por lo que se puede rayar fácilmente con la uña. No reacciona químicamente (inerte), es resistente al fuego (ignífugo), no es tóxica (ni para las personas ni para el medio ambiente) por lo que sus residuos no son peligrosos.

Mediante difracción de rayos X, se observa que presenta una estructura interna fibrosa con numerosos túneles y canales (Figura 2), formada por láminas de tetraedros de SiO₂, en la que cada seis unidades tiene lugar una inversión de 180º, lo que origina una estructura tridimensional en fibras con discontinuidades y canales paralelos.^[6]

La alta porosidad de la sepiolita y la enorme superficie específica, del orden de 300 m²/g,^[7] explica sus propiedades: elevada capacidad de retención de fluidos y baja densidad aparente (0,6 g/mL, incluyendo los espacios vacíos), por lo que flota en el agua, de aquí el nombre de “espuma de mar”.

Dos son los procesos de retención (sorción) que tienen lugar al entrar en contacto el agua con la sepiolita:

• Absorción: las moléculas de agua penetran en los canales internos de la estructura fibrosa y porosa, quedando retenidas en el volumen interno del mineral.
• Adsorción: las moléculas de agua se fijan en la superficie externa de las paredes de los canales por fuerzas intermoleculares. Este es el principal mecanismo responsable de la gran capacidad de la sepiolita de retener líquidos (y de ser utilizado como adsorbente industrial) y al que nos referiremos a lo largo de este artículo.

Aplicaciones

Cerca del 80 % de la sepiolita extraída, se destina directamente a aplicaciones relacionadas con su buena capacidad adsorbente. Además, presenta numerosas aplicaciones, tanto industriales como relacionadas con la protección del medio ambiente.^[8]

• Industria química: adsorbente de líquidos nocivos y de gases contaminantes.
• Medio ambiente: recogida de vertidos contaminantes y derrames de petróleo, reteniéndolos y facilitando su posterior eliminación para evitar la contaminación de suelos y aguas.
• Seguridad del tráfico: adsorbiendo derrames de aceites y carburantes en vías públicas, carreteras y circuitos de carreras.
• Medicina: como principio activo para adsorber toxinas y como protector gastrointestinal.
• Alimentación animal: elaboración de piensos compuestos para mejorar la digestión y como portadores de vitaminas, minerales y antibióticos.
• Agricultura: aditivo para mejorar la retención de agua en suelos y como portador de fertilizantes.
• Construcción: aditivo en cementos especiales y mezclas de mortero.

Otros materiales utilizados como arena de gatos.

Además de la sepiolita, en el mercado se encuentran otros materiales que, por su buena capacidad de retención de líquidos, se utilizan como lechos de gatos: las perlas de sílice y la bentonita (Figura 3).

Las perlas de sílice contienen gel de sílice (sílica gel), un producto que se obtiene a partir de una solución acuosa de silicato de sodio (Na₂SiO₃), que se acidifica con ácido sulfúrico (H₂SO₄) para formar un precipitado gelatinoso (de aquí el término de gel) de ácido silícico (H₄SiO₄), que posteriormente se lava con agua y deshidrata.

Na₂SiO₃ (ac) + H₂SO₄ (ac) → H₄SiO₄ (s) + Na₂SO₄ (ac)

El gel de sílice es el mismo producto que se introduce como desecante en los envases de productos electrónicos y farmacéuticos para protegerlos de la humedad (antihumectante).

A diferencia de la sílice cristalina, mineral con la misma fórmula química y con una estructura tridimensional ordenada, el gel de sílice tiene una estructura amorfa, formada por una red tridimensional muy porosa y de gran superficie, lo que permite atraer y adherir moléculas de agua (a nivel superficial) principalmente por adsorción, al igual que el carbono activo. Esta unión se debe a las fuerzas de atracción intermoleculares de Van der Waals, entre las moléculas del adsorbente y las moléculas adsorbidas. Como resultado de estas interacciones, disminuye la energía de todo el sistema mediante un proceso exotérmico y reversible (la desorción requiere un aporte de energía).^[9]

Cuando se elabora para lecho de animales de compañía, se presenta en forma de gránulos denominados perlas de sílice, a los que se les suele añadir un aditivo antimicrobiano (desinfectante y bactericida), como cloruro de benzalconio, que inhibe el crecimiento de microorganismos por rotura de las membranas celulares.

Por otro lado, la bentonita es una arcilla compuesta principalmente por montmorillonita (silicato de aluminio hidra-tado) junto a otros minerales (cuarzo, feldespato…) y metales (magnesio, hierro…). Su estructura está formada por capas delgadas que se pueden separar y expandir, lo que hace posible almacenar moléculas de agua, formando una masa gelatinosa y provocando un considerable aumento de volumen.

Análisis comparativo de la capacidad de adsorción de la sepiolita

Como se ha indicado anteriormente, el principal mecanismo de sorción que tiene lugar en la sepiolita es la adsorción; por ello, la parte experimental se refiere a este proceso.

Objetivos principales

• Calcular la capacidad adsorbente de la sepiolita frente a diferentes líquidos.
• Realizar un análisis comparativo de la capacidad de adsorción de la sepiolita frente a otros materiales utilizados como lecho de mascotas.

Fundamento teórico

La capacidad de adsorción (C _ads) de arcillas, como la sepiolita, está directamente relacionada con sus propiedades: porosidad, capacidad de hidratación e hinchamiento. Esta característica se determina mediante métodos que miden la cantidad de líquido que un material puede adsorber en un tiempo determinado y se puede expresar de diferentes formas. Principalmente, mediante la relación entre la masa de líquido adsorbida (m _adsorbida) y la masa de adsorbente (m _adsorbente) utilizada:

C _ads (%) = (m _adsorbida / m _adsorbente)·100

Así, una capacidad adsorbente del 100 % de la sepiolita respecto al agua, significa que 1 kg de sepiolita puede adsorber hasta 1 kg de agua.

El volumen de agua adsorbida (V _ads) se obtiene a partir de la diferencia entre el volumen de agua añadido (V _añadido) y el recogido (V _recogido) que no ha sido adsorbido.

V _ads = V _añadido – V _recogido

Conocido este volumen y su densidad, se obtiene su masa. Se han tomado las siguientes densidades: aceite de girasol 0,9 g·mL^-1, gasolina 0,7 g·mL^-1, lejía y anticongelante 1,1 g·mL^-1 y vinagre, la misma que la del agua, 1g·mL^-1.

Materiales

Los materiales empleados para el desarrollo del proyecto fueron los siguientes (Figura 4):

• Lechos de gato: sepiolita, bentonita y perlas de sílice.
• Líquidos: agua destilada, vinagre de manzana (acidez 5º), aceite de girasol, lejía (37 g de cloro activo por litro), anticongelante (10% etilenglicol) y gasolina (95 octanos).
• Balanza digital.
• Probetas de plástico (u otros tubos cilíndricos) de 7,07 cm² perforadas con un punzón de 2mm por su base para permitir el goteo de líquidos. Se realizaron 5 agujeros.
• Probetas de vidrio de 100 mL.
• Vasos de precipitados de 250 mL.

Procedimiento

El procedimiento seguido (Figura 5), que se indica a continuación es una adaptación del método Ford y de la norma Westinghouse de Tolsa.^[10]

• Medir 50 g de sepiolita en una balanza.
• Introducir la sepiolita en la probeta perforada, y sujetarla con un soporte universal con pinza, en una posición inclinada, sobre 45º. (Figura 5).
• Colocar un vaso de precipitados debajo de la probeta.
• Verter 50 mL. de agua en la probeta con sepiolita.
• Recoger en un vaso de precipitados el agua que sale por la parte inferior de la probeta.
• Transferir este líquido a una probeta graduada para medir su volumen.
• Repetir el mismo procedimiento con otros líquidos: vinagre, aceite, lejía, anticongelante y gasolina. Cada experimento se debe repetir 3 de veces para minimizar el error.

De forma semejante, se sigue el mismo procedimiento para analizar otros materiales utilizados como lecho de gatos: bentonita y perlas de sílice.

Resultados

En el caso de la sepiolita, al añadir 50 mL. de agua sobre 50 g del mineral, se recogieron 12 mL. de líquido. El volumen adsorbido se obtiene por diferencia entre ambos volúmenes, siendo de 38 mL. Como la densidad del agua es de 1g·mL^-1, la masa será de 38 g. Con estos valores, se puede calcular la capacidad de adsorción del mineral:

C _ads = (m _adsorbida / m _adsorbente)·100 = 38 g/ 50 g)·100 = 70%

Los resultados obtenidos para la sepiolita en lo que respecta al agua, y a los otros líquidos, se recogen en la tabla 1.

En general, los valores obtenidos de la capacidad de adsorción para la sepiolita son significativamente inferiores a los proporcionados por el fabricante: 100-120 % para el agua y 50-70 % para el aceite. Entre las posibles razones, la más probable es que la sepiolita analizada no es totalmente pura. Aunque en los sacos de este producto generalmente no aparece esta información, la sepiolita destinada a arena de gatos suele ser la menos pura.^[11] Este dato condiciona en buena medida la cantidad de agua adsorbida. Por otro lado, además del agua que contiene en su composición química el mineral hidratado, el producto comercial puede alcanzar hasta un 12 % de humedad propia.

Los resultados obtenidos para la bentonita y las perlas de sílice se muestran en las tablas 2 y 3, respectivamente. Se debe indicar que la capacidad adsorbente para la bentonita solo pudo ser analizada para el agua, aceite y gasolina. Para los otros líquidos, no se obtuvieron resultados debido al elevado carácter aglomerante de la bentonita: formaba una masa tan densa y compacta que impedía el paso.

Desde el punto de vista económico, el precio de mercado de los lechos difiere bastante: el de la sepiolita es 0,28 €/kg, el de la bentonita, 0,75 €/kg, y el de las perlas de sílice, 2,11 €/kg. La sepiolita es el material más económico, en contraposición con las perlas de sílice, que tienen un coste considerablemente superior: 7,5 veces el de la sepiolita.

Análisis de resultados

En la gráfica 1 se resumen todos los resultados de la investigación y de su análisis se deducen las siguientes conclusiones:

1. La mayor capacidad de adsorción de la sepiolita es frente el agua, mientras que para el aceite y la gasolina ofrece los valores menores. Este mineral es el lecho que reúne la mejor relación entre la capacidad de absorción y el precio.
2. La sepiolita, dada su composición química y estructura, tiene mayor afinidad por las moléculas polares (ácido acético, agua) que por otros líquidos formados por moléculas de mayor tamaño y menos polares (presentes en el aceite y la gasolina), por lo que a las moléculas polares les resulta más fácil llenar los canales de la estructura.
3. La bentonita presenta una capacidad de adsorción de líquidos inferior al resto de lechos analizados. De forma semejante al resto, el agua es el líquido que más adsorbe.
4. Las perlas de sílice retienen mayor cantidad de líquidos que los otros dos lechos. Sigue una tendencia similar a la sepiolita, con una eficacia mayor para el agua y menor para el aceite y la gasolina. Si bien, su coste es bastante elevado.

Gestión de residuos

Los materiales sólidos impregnados en agua, vinagre, lejía y pueden ser tratados como residuos que no se reciclan y verterlos al contenedor gris. Los residuos sólidos impregnados en gasolina, anticongelante y aceite, se consideran peligrosos y deben ser recogidos en bolsas independientes para depositarlas en un punto limpio.

Conclusiones

El análisis de la sepiolita en el laboratorio, un producto cotidiano presente en numerosos hogares, permite a los estudiantes de ESO y Bachillerato realizar una investigación cuantitativa sobre el principal índice de calidad de la sepiolita, poniendo en práctica contenidos y habilidades del currículo de física y química. A la vez, se muestra la relación entre la química y otras subdisciplinas, como la geoquímica: de la composición química de los minerales depende su estructura tridimensional y, de esta, sus propiedades (físicas y químicas) y aplicaciones. El conjunto de todo ello hace de este estudio un recurso didáctico excelente para las aulas de secundaria.

Agradecimientos

Agradecer a la Facultad de Ciencias Químicas de la UCM la concesión del primer premio en el III Certamen de Proyectos

Educativos de Química (2025), por el trabajo presentado sobre la sepiolita, en el que participaron estudiantes de 4ºESO del IES Francisco Umbral (Ciempozuelos. Madrid).