Aplicación de propiedades ópticas de Eu 3+ en silicatos laminares para almacenamiento de contaminantes

Abstract

Planteamiento del problema: en los últimos años, debido al aumento significativo de los residuos radiactivos nace la necesidad de diseñar sistemas seguros, sostenibles y eficientes para su almacenamiento a largo plazo. Los materiales arcillosos han sido estudiados como una posible barrera de contención para depósitos geológicos profundos debido a su estabilidad estructural y capacidad de intercambio iónico. No obstante, la caracterización de los mecanismos de cationes radiactivos sigue siendo objeto de estudio. El ion europio (Eu3+), se ha propuesto como sonda espectroscópica para el estudio de las interacciones entre las arcillas y los cationes, gracias a sus propiedades luminiscentes y su similitud con los actínidos trivalentes. El objeto de este trabajo es la evaluación y comparación de la capacidad de retención e inmovilización del Eu3+ en dos silicatos laminares: Mica-2 y Laponita, mediante técnicas no convencionales ópticas y el análisis de la influencia de tratamientos hidrotermales en dichas arcillas Resultados: tras llevar a cabo la síntesis de las mica de alta carga y el intercambio catiónico en ambas arcillas: Mica-2 y Laponita, se llevó a cabo el análisis del comportamiento estructural y óptico del ion europio, antes y después de someter ambas arcillas a tratamientos hidrotermales. Para su estudio se implementaron técnicas no convencionales como microscopia electrónica de transición (TEM) para la caracterización estructural de ambas muestras, tanto de las iniciales como las muestras intercambiadas. También se emplearon técnicas espectroscópicas para el estudio de las propiedades ópticas de las arcillas as intercambiadas con europio. Conclusiones: tras la realización de este trabajo se pueden concluir las siguientes premisas: 1) Se logró llevar a cabo correctamente el intercambio catiónico de la arcillas Laponita y Mica-2 con iones Eu3+, permitiendo su incorporación en la estructura de ambos silicatos laminares. 2) La técnica TEM ha permitido la caracterización de ambas arcillas, Mica-2 y Laponita, tanto en su estado inicial como al ser intercambiadas con europio. 3) Las propiedades ópticas del Eu3+ se caracterizaron adecuadamente en ambas arcillas, Laponita y Mica-2, demostrando el uso del ión como sonda espectroscópica dependiente del entorno cristalino, validando de este modo su uso como sensor óptico. 4) Los tratamientos aplicados a las muestras a 300ºC durante cuatro intervalos de tiempo, mostraron la formación de nuevas fases cristalinas donde el Eu3+ queda inmovilizado. 5) La Mica-2 muestra una mayor intensidad de luminiscencia y sitios más homogéneos para Eu3+, indicando una mayor selectividad y capacidad de retención; mientras, la Laponita debido a su menor tamaño y mayor superficie especifica, ofrece ventajas en la dispersión y en la accesibilidad superficial, dotándola de mayor sensibilidad óptica, a pesar de que presenta estructuras más heterogéneas en los sitios de incorporación.

Scope: in recent years, the significant increase in radioactive waste has led to the need for the design of safe, sustainable, and efficient systems for its long-term storage. Clay materials have been studied as a potential containment barrier for deep geological deposits thanks to their structural stability and ion exchange capacity. However, characterizating of the mechanisms of radioactive cations remains a research area. The europium ion (Eu3+) has been suggested as a spectroscopic probe to study the interactions between clays and cations, thanks to its luminescent properties and its similarity to trivalent actinides. This study aims to evaluate and compare the retention and immobilisation capacity of Eu3+ in two layered silicates: Mica-2 and Laponite, using unconventional optical techniques and analyse the influence of hydrothermal treatments on these clays. Results: following the synthesis of high-loaded mica and cationic exchange in both clays: Mica-2 and Laponite, an analysis of the structural and optical behaviour of the europium ion was analysed, before and after the clays were subjected to hydrothermal treatments. For the study, unconventional techniques such as transmission electron microscopy (TEM) were used to characterise the structure of the initial and exchanged samples. Spectroscopic techniques were also employed to study the optical properties of the clays exchanged with europium. Conclusions: upon completion of this work, the following conclusions were drawn: 1) The cation exchange of Laponite and Mica-2 clays with Eu3+ ions was successfully conducted, allowing their incorporation into the structure of both layered silicates. 2) The TEM technique allowed the characterisation of both clays, Mica-2 and Laponite, both in their initial state and their exchanged states with europium. 3) The optical properties of Eu3+ were adequately characterised in both clays, Laponite and Mica-2, proving the use of the ion as a spectroscopic probe dependent on the crystalline environment and validating its use as an optical sensor. 4) The treatments applied to the samples at 300ºC for four time intervals showed the formation of new crystalline phases where Eu3+ becomes immobilised. 5) The Mica-2 exhibits a higher luminescence and more homogeneous sites for Eu3+, indicating greater selectivity and retention capacity; meanwhile, Laponite, due to its smaller size and greater specific surface area, offers advantages in dispersion and surface accessibility, endowing it with greater optical sensitivity, despite exhibiting more heterogeneous structures in the incorporation sites.