Mixing Commercially Available Extraction Resins for Minor Actinide and Lanthanide Separation

Resumen Técnico: Mezcla de Resinas de Extracción Comerciales para la Separación de Actínidos Menores y Lantánidos

Planteamiento del Problema
La forense nuclear y el análisis de materiales irradiados requieren a menudo la separación de actínidos menores (MAs), específicamente Americio (Am) y Curio (Cm), de mezclas complejas de lantánidos (Ln) y productos de fisión/activación. Si bien los procesos de extracción con solventes como la Separación de Actínidos y Lantánidos (ALSEP) están bien establecidos para el reprocesamiento a gran escala, suelen ser poco prácticos para los tamaños de muestra pequeños típicos de la forense nuclear (a menudo <0,1 gramos). La extracción con solventes genera residuos orgánicos y requiere una regeneración compleja, mientras que la cromatografía basada en resinas ofrece una alternativa más rápida y rentable para muestras de pequeña escala sin residuos orgánicos. Sin embargo, trasladar el sistema de extracción con solventes ALSEP —que depende de la acción combinada de un intercambiador catiónico ácido (HEH[EHP]) y una diglicolamida neutra (TODGA)— a un sistema de resina de fase sólida presenta desafíos. Los autores buscaron determinar si las resinas comercialmente disponibles que contienen estos extractantes (LN2 y DGA-n de Eichrom, respectivamente) podrían mezclarse en una sola columna para replicar el rendimiento de la separación ALSEP para el aislamiento rápido de Am.

Metodología
El estudio utilizó resinas de Eichrom Technologies comercialmente disponibles: DGA-n (que contiene TODGA) y LN2 (que contiene HEH[EHP]). El enfoque experimental consistió en comparar tres configuraciones:

1. Resinas Únicas: Columnas que contienen solo DGA-n o solo LN2.
2. Resinas Apiladas: Una columna con DGA-n colocada directamente sobre una columna de LN2.
3. Resinas Mezcladas: Resinas DGA-n y LN2 mezcladas físicamente dentro de una sola columna.

La separación se probó utilizando:

• Trazadores Metálicos: Cócteles personalizados (CC-1 y CC-2) que contenían diversos metales de transición, metales alcalinotérreos y lantánidos (Ce, Eu, Nd, Pr, Sm, Tb, etc.) analizados mediante ICP-OES.
• Trazadores Radiactivos: Espolvoreos de $^{241}$Am y láminas de Uranio Altamente Enriquecido (HEU) irradiado para simular matrices reales de fisión y productos de activación.
• Protocolo de Elución: Las muestras se cargaron en 3 M HNO$_3$, se enjugaron y se eluyeron mediante ajustes secuenciales de pH (pH 2 y pH 4) de una solución de 0,015 M de DTPA/0,2 M de citrato de amonio.

Las variables clave investigadas incluyeron la relación de las resinas (1:10 de LN2:DGA-n en masa), la necesidad del tampón de citrato de amonio y el estado de disolución del ligando DTPA.

Resultos Clave

• Configuración de la Resina: Mezclar las resinas en una sola columna resultó ser superior al uso de ellas por separado o en una serie apilada. La columna mixta produjo una recuperación de Am superior al 80% en fracciones específicas con menos del 3% de traslape de lantánidos (específicamente Ce y Nd).
• Mecanismo de Separación: El sistema se comportó más como un proceso TALSPEAK avanzado que como un proceso tradicional de extracción con solventes ALSEP. En la columna de resina mixta, el HEH[EHP] (en la LN2) actuó como el extractante dominante bajo las condiciones de elución específicas, facilitando la separación de Am de los Ln a pesar de su carga trivalente y radios iónicos similares (que difieren en solo ~0,8 pm).
• Necesidad del Tampón: Contrario a algunas expectativas para los sistemas tipo TALSPEAK, se determinó que el tampón de citrato de amonio era innecesario para la separación. Los experimentos realizados sin citrato (Experimento 7) mostraron una resolución mejorada, con un cambio significativo en los perfiles de elución que separó aún más el Am de Nd y Ce.
• Tolerancia de la Matriz: La columna de resina mixta separó con éxito el Am de una matriz compleja que contenía HEU irradiado, recuperando ~55% del Am en la fracción inicial de pH 4, mientras retenía casi el 100% de los elementos no trivalentes (Ag, Ba, Co, Ru) en los pasos de carga/lavado.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo demuestra una técnica viable y rápida para separar actínidos menores de muestras mixtas de activación y productos de fisión a escala radioanalítica. Al utilizar resinas comercialmente disponibles en una configuración de modo mixto, el estudio establece un método que:

1. Evita la generación de residuos de solventes orgánicos asociados con la extracción con solventes tradicional.
2. Proporciona un alto grado de separación entre Am y Ln (específicamente Nd) a pesar de sus similitudes químicas.
3. Simplifica el proceso al eliminar la necesidad de un complejo tamponamiento con citrato de amonio en esta configuración de resina específica.

El artículo concluye que este enfoque de resina mixta ofrece una ruta práctica y rentable para el análisis de Am en forense nuclear, cerrando la brecha entre los conceptos de extracción con solventes a gran escala y el análisis cromatográfico a pequeña escala.