Mixing Commercially Available Extraction Resins for Minor Actinide and Lanthanide Separation

Sintesi Tecnica: Miscelazione di Resine di Estrazione Commercialmente Disponibili per la Separazione di Attinidi Minori e Lantanidi

Definizione del Problema
La forense nucleare e l'analisi di materiali irradiati richiedono spesso la separazione di attinidi minori (MA), specificamente Americio (Am) e Curio (Cm), da miscele complesse di lantanidi (Ln) e prodotti di fissione/attivazione. Sebbene i processi di estrazione con solvente come l'ALSEP (Actinide Lanthanide SEParation) siano ben consolidati per la rielaborazione su larga scala, essi sono spesso impraticabili per campioni di piccole dimensioni tipici della forense nucleare (spesso <0,1 grammi). L'estrazione con solvente genera rifiuti organici e richiede una complessa rigenerazione, mentre la cromatografia basata su resine offre un'alternativa più rapida e conveniente per campioni di piccola scala senza rifiuti organici. Tuttavia, trasporre il sistema di estrazione con solvente ALSEP — che si basa sull'azione tandem di uno scambiatore cationico acido (HEH[EHP]) e di un diglicolammide neutro (TODGA) — in un sistema a resina a fase solida presenta delle sfide. Gli autori hanno cercato di determinare se resine commercialmente disponibili contenenti questi estrattanti (LN2 e DGA-n di Eichrom, rispettivamente) potessero essere miscelate in una singola colonna per replicare le prestazioni di separazione dell'ALSEP per l'isolamento rapido dell'Am.

Metodologia
Lo studio ha utilizzato resine di Eichrom Technologies commercialmente disponibili: DGA-n (contenente TODGA) e LN2 (contenente HEH[EHP]). L'approccio sperimentale ha previsto il confronto di tre configurazioni:

1. Resine Singole: Colonne contenenti solo DGA-n o solo LN2.
2. Resine Impilate: Una colonna con DGA-n posizionata direttamente sopra una colonna LN2.
3. Resine Miscelate: Resine DGA-n e LN2 fisicamente miscelate all'interno di una singola colonna.

La separazione è stata testata utilizzando:

• Traccianti Metallici: Cocktail personalizzati (CC-1 e CC-2) contenenti vari metalli di transizione, metalli alcalino-terrosi e lantanidi (Ce, Eu, Nd, Pr, Sm, Tb, ecc.) analizzati tramite ICP-OES.
• Traccianti Radioattivi: Spikes di $^{241}$Am e fogli di uranio altamente arricchito (HEU) irradiati per simulare matrici reali di prodotti di fissione e attivazione.
• Protocollo di Eluizione: I campioni sono stati caricati in HNO$_3$ 3 M, risciacquati ed eluiti mediante regolazioni sequenziali del pH (pH 2 e pH 4) di una soluzione di DTPA/NH$_4$ citrato 0,015 M.

Le variabili chiave investigate hanno incluso il rapporto tra le resine (1:10 LN2:DGA-n in massa), la necessità del tampone di citrato di ammonio e lo stato di dissoluzione del ligando DTPA.

Risultati Chiave

• Configurazione della Resina: La miscelazione delle resine in una singola colonna si è rivelata superiore all'uso delle stesse singolarmente o in serie impilata. La colonna mista ha prodotto un recupero di Am superiore all'80% in frazioni specifiche con una sovrapposizione inferiore al 3% da parte dei lantanidi (specificamente Ce e Nd).
• Meccanismo di Separazione: Il sistema si è comportato più come un processo TALSPEAK avanzato che come un tradizionale processo di estrazione con solvente ALSEP. Nella colonna a resina mista, l'HEH[EP] (su LN2) ha agito come l'estrattante dominante nelle specifiche condizioni di eluizione, facilitando la separazione di Am dai Ln nonostante la loro simile carica trivalente e i loro raggi ionici (che differiscono di soli ~0,8 pm).
• Necessità del Tampone: Contrariamente ad alcune aspettative per i sistemi di tipo TALSPEAK, il tampone di citrato di ammonio è risultato non necessario per la separazione. Gli esperimenti condotti senza citrato (Esperimento 7) hanno mostrato una risoluzione migliorata, con un significativo spostamento dei profili di eluizione che ha ulteriormente separato l'Am da Nd e Ce.
• Tolleranza della Matrice: La colonna a resina mista ha separato con successo l'Am da una matrice complessa contenente HEU irradiato, recuperando circa il 55% dell'Am nella frazione iniziale a pH 4 e trattenendo quasi il 100% degli elementi non trivalenti (Ag, Ba, Co, Ru) durante le fasi di carico/risciacquo.

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questo lavoro dimostra una tecnica valida e rapida per separare gli attinidi minori da miscele miste di prodotti di attivazione e fissione su scala radioanalitica. Utilizzando resine commercialmente disponibili in una configurazione a modalità mista, lo studio stabilisce un metodo che:

1. Evita la generazione di rifiuti di solventi organici associati alla tradizionale estrazione con solvente.
2. Fornisce un alto grado di separazione tra Am e Ln (specificamente Nd) nonostante la loro somiglianza chimica.
3. Semplifica il processo eliminando la necessità di complessi tamponi di citrato di ammonio in questa specifica configurazione di resina.

L'articolo conclude che questo approccio a resina mista offre una via pratica e conveniente per l'analisi dell'Am nella forense nucleare, colmando il divario tra i concetti di estrazione con solvente su larga scala e l'analisi cromatografica su piccola scala.