Mixing Commercially Available Extraction Resins for Minor Actinide and Lanthanide Separation

Technische Zusammenfassung: Mischung kommerziell erhältlicher Extraktionsharze zur Trennung von Minoren Aktiniden und Lanthaniden

Problemstellung
Die nukleare Forensik und die Analyse bestrahlter Materialien erfordern oft die Trennung von Minoren Aktiniden (MAs), insbesondere Americium (Am) und Curium (Cm), aus komplexen Gemischen von Lanthaniden (Ln) und Spalt- bzw. Aktivierungsprodukten. Während Flüssig-Flüssig-Extraktionsprozesse wie das Actinide Lanthanide SEParation (ALSEP)-Verfahren für die großtechnische Aufarbeitung gut etabliert sind, sind sie für die kleinen Probenmengen, die typisch für die nukleare Forensik sind (oft < 0,1 Gramm), häufig unpraktisch. Die Flüssig-Flüssig-Extraktion erzeugt organische Abfälle und erfordert eine komplexe Regeneration, wohingegen die harzbasierte Chromatographie eine schnellere, kostengünstigere Alternative für kleine Probenmengen ohne organische Abfälle bietet. Die Herausforderung bestand darin, das ALSEP-Lösungsmittelextraktionssystem – welches auf der tandemartigen Wirkung eines sauren Kationenaustauschers (HEH[EHP]) und eines neutralen Diglykolamids (TODGA) beruht – in ein Festphasen-Harzsystem zu übertragen. Die Autoren untersuchten, ob kommerziell erhältliche Harze, die diese Extraktionsmittel enthalten (Eichroms LN2 bzw. DGA-n), in einer einzigen Säule gemischt werden könnten, um die ALSEP-Trennleistung für eine schnelle Am-Isolierung zu replizieren.

Methodik
Die Studie verwendete kommerziell erhältliche Eichrom-Technologien-Harze: DGA-n (enthält TODGA) und LN2 (enthält HEH[EHP]). Der experimentelle Ansatz verglich drei Konfigurationen:

1. Einzelne Harze: Säulen, die nur DGA-n oder nur LN2 enthalten.
2. Gestapelte Harze: Eine Säule mit DGA-n direkt über einer LN2-Säule.
3. Gemischte Harze: DGA-n- und LN2-Harze, die physikalisch in einer einzigen Säule gemischt sind.

Die Trennung wurde getestet unter Verwendung von:

• Metall-Tracer: Maßgeschneiderte Cocktails (CC-1 und CC-2), die verschiedene Übergangsmetalle, Erdalkalimetalle und Lanthaniden (Ce, Eu, Nd, Pr, Sm, Tb, etc.) enthalten, analysiert mittels ICP-OES.
• Radioaktive Tracer: $^{241}$Am-Spikes und bestrahlte hochangereicherte Uranfolien (HEU), um reale Fissions- und Aktivierungsprodukt-Matrizen zu simulieren.
• Elutionsprotokoll: Proben wurden in 3 M HNO$_3$ geladen, gespült und unter Verwendung sequenzieller pH-Wert-Anpassungen (pH 2 und pH 4) einer 0,015 M DTPA/0,2 M Ammoniumcitrat-Lösung eluiert.

Untersuchte Schlüsselvariablen waren das Verhältnis der Harze (1:10 LN2:DGA-n nach Masse), die Notwendigkeit des Ammoniumcitrat-Puffers und der Dissoziationszustand des DTPA-Liganden.

Wesentliche Ergebnisse

• Harzkonfiguration: Das Mischen der Harze in einer einzigen Säule erwies sich als überlegen gegenüber der Verwendung der Einzelharze oder einer gestapelten Serie. Die gemischte Säule lieferte über 80 % Am-Wiederfindung in spezifischen Fraktionen bei weniger als 3 % Überlappung durch Lanthaniden (speziell Ce und Nd).
• Trennmechanismus: Das System verhielt sich eher wie ein fortgeschrittener TALSPEAK-Prozess als wie ein traditioneller ALSEP-Lösungsmittelextraktionsprozess. In der gemischten Harzsäule fungierte das HEH[EHP] (auf LN2) unter den spezifischen Elutionsbedingungen als dominierendes Extraktionsmittel, was die Trennung von Am von Ln ermöglichte, trotz deren ähnlicher dreiwertiger Ladung und Ionenradien (Differenz von nur ~0,8 pm).
• Notwendigkeit des Puffers: Entgegen einiger Erwartungen an TALSPEAK-ähnliche Systeme wurde festgestellt, dass der Ammoniumcitrat-Puffer für die Trennung nicht notwendig war. Experimente ohne Citrat (Experiment 7) zeigten eine verbesserte Auflösung, mit einem signifikanten Shift in den Elutionsprofilen, der Am weiter von Nd und Ce trennte.
• Matrixtoleranz: Die gemischte Harzsäule trennte Am erfolgreich aus einer komplexen Matrix, die bestrahlte HEU enthielt, wobei ~55 % des Am in der ersten pH-4-Fraktion gewonnen wurden, während nahezu 100 % der nicht-dreiwertigen Elemente (Ag, Ba, Co, Ru) in den Lade-/Spülschritten zurückgehalten wurden.

Bedeutung und Ansprüche
Die Autoren behaupten, dass diese Arbeit eine praktikable, schnelle Technik zur Trennung von Minoren Aktiniden aus gemischten Aktivierungs- und Spaltproduktproben auf einer radioanalytischen Skala demonstriert. Durch die Verwendung kommerziell erhältlicher Harze in einer gemischten Modalkonfiguration etabliert die Studie eine Methode, die:

1. Die Entstehung von organischen Lösungsmittelabfällen vermeidet, die mit der traditionellen Flüssig-Flüssig-Extraktion verbunden sind.
2. Einen hohen Grad der Trennung zwischen Am und Ln (speziell Nd) trotz deren chemischer Ähnlichkeit bietet.
3. Den Prozess vereinfacht, indem die Notwendigkeit eines komplexen Ammoniumcitrat-Puffers in dieser spezifischen Harzkonfiguration entfällt.

Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass dieser gemischte Harzansatz eine praktische, kostengünstige Route für die Analyse von Am in der nuklearen Forensik darstellt, welche die Lücke zwischen großtechnischen Flüssig-Flüssig-Extraktionskonzepten und der chromatographischen Analyse im kleinen Maßstab schließt.