Síntesis y caracterización de nanoarcillas para la encapsulación y monitorización de residuos radioactivos

Abstract

Existe un gran interés en el desarrollo de nuevos nanomateriales con propiedades ópticas y su aplicación en ámbitos muy diferentes, desde la energía a la biomedicina. Las arcillas, tanto naturales como sintéticas, son un tipo de materiales con estructura laminar que presenta numerosas aplicaciones. En particular, en el ámbito de la energía nuclear, las arcillas forman parte de una de las barreras de los depósitos geológicos profundos, cuya finalidad es retener o retardar la difusión de los residuos radioactivos. La saponita es una esmectita trioctaédrica en la que se pueden incorporar iones de lantánidos para combinar la emisión eficiente y de líneas finas de los mismos con la estabilidad estructural y la alta capacidad de adsorción de dichas arcillas. En este trabajo, tras llevar a cabo la síntesis de las nano-arcillas y el intercambio catiónico, se estudiaron las propiedades físicas antes y después de ser funcionalizadas con Eu³⁺. Se utilizaron técnicas como la difracción de rayos X, la termogravimetría o la microscopía electrónica de transmisión para la caracterización estructural y morfológica de las muestras. También se emplearon las técnicas espectroscópicas de luminiscencia, excitación y medida del tiempo de vida para el estudio de las propiedades ópticas de las arcillas intercambiadas con Eu³⁺ Las muestras de partida presentan dimensión nanométrica en sus capas teniendo la saponita un escaso orden de apilamiento. En el caso de las muestras funcionalizadas se ha comprobado que la laponita permanece intacta tras el intercambio mientras que la saponita se descompone parcialmente. Por último, el tiempo de vida medio indica que el entorno en el que se encuentra el Eu³⁺ es único en las 3 muestras.

There is great interest in the development of new nanomaterials with optical properties and their application in many different fields, from energy to biomedicine. Clays, both natural and synthetic, are a type of materials with a lamellar structure that have numerous applications. In particular, in the field of nuclear energy, clays form part of one of the barriers in deep geological repositories, the purpose of which is to retain or retard the diffusion of radioactive waste. Saponite is a trioctahedral smectite in which lanthanide ions can be incorporated to combine efficient, fine-line emission of lanthanide ions with the structural stability and high adsorption capacity of such clays. In this work, after carrying out the synthesis of the nanoclays and cation exchange, the physical properties were studied before and after being functionalised with Eu³⁺. Techniques such as X-ray diffraction, thermogravimetry and transmission electron microscopy were used for the structural and morphological characterisation of the samples. Luminescence, excitation and lifetime spectroscopic techniques were also used to study the optical properties of the clays exchanged with Eu³⁺. The starting samples have nanometric dimension in their layers, with the saponite having a low stacking order. In the case of the functionalised samples, it has been found that the laponite remains intact after exchange while the saponite partially decomposes. Finally, the half-life indicates that the environment in which Eu³⁺ is found is unique in all 3 samples.