Mixing Commercially Available Extraction Resins for Minor Actinide and Lanthanide Separation

Résumé technique : Mélange de résines d'extraction commerciales pour la séparation des actinides mineurs et des lanthanides

Problématique
La forensique nucléaire et l'analyse de matériaux irradiés nécessitent souvent la séparation des actinides mineurs (MA), spécifiquement l'Américium (Am) et le Curium (Cm), à partir de mélanges complexes de lanthanides (Ln) et de produits de fission ou d'activation. Bien que les processus d'extraction par solvant comme l'ALSEP (Actinide Lanthanide SEParation) soient bien établis pour le retraitement à grande échelle, ils sont souvent peu pratiques pour les échantillons de petite taille typiques de la forensique nucléaire (souvent < 0,1 gramme). L'extraction par solvant génère des déchets organiques et nécessite une régénération complexe, tandis que la chromatographie sur résine offre une alternative plus rapide et plus rentable pour les échantillons de petite échelle sans déchets organiques. Cependant, la transposition du système d'extraction par solvant ALSEP — qui repose sur l'action tandem d'un échangeur de cations acide (HEH[EHP]) et d'un diglycolamide neutre (TODGA) — en un système de résine en phase solide présente des défis. Les auteurs ont cherché à déterminer si des résines commercialement disponibles contenant ces extractants (LN2 et DGA-n d'Eichrom, respectivement) pouvaient être mélangées dans une seule colonne pour reproduire les performances de séparation ALSEP pour l'isolement rapide de l'Am.

Méthodologie
L'étude a utilisé des résines d'Eichrom Technologies commercialement disponibles : la DGA-n (contenant du TODGA) et la LN2 (contenant du HEH[EHP]). L'approche expérimentale consistait à comparer trois configurations :

1. Résines simples : Colonnes contenant uniquement de la DGA-n ou uniquement de la LN2.
2. Résines empilées : Une colonne avec de la DGA-n placée directement au-dessus d'une colonne LN2.
3. Résines mélangées : Les résines DGA-n et LN2 physiquement mélangées au sein d'une seule colonne.

La séparation a été testée en utilisant :

• Traceurs métalliques : Des cocktails personnalisés (CC-1 et CC-2) contenant divers métaux de transition, des métaux alcalino-terreux et des lanthanides (Ce, Eu, Nd, Pr, Sm, Tb, etc.) analysés par ICP-OES.
• Traceurs radioactifs : Des pics de $^{241}$Am et des feuilles d'uranium hautement enrichi (HEU) irradiées pour simuler des matrices réelles de produits de fission et d'activation.
• Protocole d'élution : Les échantillons ont été chargés dans du HNO$_3$ 3 M, rincés, puis élués par ajustements successifs de pH (pH 2 et pH 4) d'une solution de DTPA/ammonium citrate 0,015 M.

Les variables clés investiguées incluaient le ratio des résines (1:10 LN2:DGA-n en masse), la nécessité du tampon d'ammonium citrate, et l'état de dissolution du ligand DTPA.

Résultats clés

• Configuration de la résine : Le mélange des résines dans une seule colonne s'est avéré supérieur à l'utilisation de celles-ci seules ou en série empilée. La colonne mixte a produit plus de 80 % de récupération d'Am dans des fractions spécifiques avec moins de 3 % de chevauchement avec les lanthanides (spécifiquement le Ce et le Nd).
• Mécanisme de séparation : Le système se comportait davantage comme un processus TALSPEAK avancé que comme un processus traditionnel d'extraction par solvant ALSEP. Dans la colonne de résine mixte, le HEH[EHP] (sur la LN2) a agi comme l'extractant dominant sous les conditions d'élution spécifiques, facilitant la séparation de l'Am des Ln malgré leur charge trivalente et leurs rayons ioniques similaires (différant de seulement ~0,8 pm).
• Nécessité du tampon : Contrairement à certaines attentes pour les systèmes de type TALSPEAK, le tampon d'ammonium citrate s'est révélé inutile pour la séparation. Les expériences menées sans citrate (Expérience 7) ont montré une résolution améliorée, avec un décalage significatif des profils d'élution qui a davantage séparé l'Am du Nd et du Ce.
• Tolérance de la matrice : La colonne de résine mixte a réussi à séparer l'Am d'une matrice complexe contenant de l'HEU irradié, récupérant environ 55 % de l'Am dans la fraction initiale à pH 4 tout en retenant presque 100 % des éléments non trivalents (Ag, Ba, Co, Ru) lors des étapes de chargement/rinçage.

Signification et revendications
Les auteurs affirment que ce travail démontre une technique viable et rapide pour séparer les actinides mineurs de mélanges complexes de produits d'activation et de fission sur une échelle radioanalytique. En utilisant des résines commercialement disponibles dans une configuration à mode mixte, l'étude établit une méthode qui :

1. Évite la génération de déchets de solvants organiques associés à l'extraction traditionnelle par solvant.
2. Fournit un degré élevé de séparation entre l'Am et les Ln (spécifiquement le Nd) malgré leurs similitudes chimiques.
3. Simplifie le processus en éliminant le besoin de l'utilisation complexe de tampon d'ammonium citrate dans cette configuration spécifique de résine.

L'article conclut que cette approche de mélange de résines offre une voie pratique et rentable pour l'analyse de l'Am en forensique nucléaire, comblant le fossé entre les concepts d'extraction par solvant à grande échelle et l'analyse chromatographique à petite échelle.