Mixing Commercially Available Extraction Resins for Minor Actinide and Lanthanide Separation

技術要約：微量アクトニドおよびランタノイド分離のための市販抽出樹脂の混合

問題提起
核フォレンジックおよび照射物質の分析では、マイナーアクトニド（MA）、特にアメリシウム（Am）およびキュリウム（Cm）を、ランタノイド（Ln）や核分裂・放射化生成物の複雑な混合物から分離することが求められる。アクトニド・ランタノイド分離（ALSEP）のような溶媒抽出プロセスは、バルク規模の再処理においては確立されているが、核フォレンジックで典型的な小規模サンプル（多くの場合0.1グラム未満）には不向きである。溶媒抽出は有機廃棄物を生成し、複雑な再生工程を必要とする。一方、樹脂ベースのクロマトグラフィーは、有機廃棄物を伴わず、小規模サンプルに対してより迅速かつ費用対効果の高い代替手段となる。しかし、酸性カチオン交換体（HEH[EHP]）と中性ジグリコラムアミド（TODGA）のタンデム作用を利用したALSEP溶媒抽出システムを、固体相樹脂システムへと転換することには課題がある。著者らは、これらの抽出剤を含む市販の樹脂（それぞれEichrom社のLN2およびDGA-n）を単一のカラム内で混合することで、迅速なAm単離のためのALSEP分離性能を再現できるかどうかを検討した。

方法論
本研究では、市販のEichrom Technologies社製樹脂であるDGA-n（TODGA含有）およびLN2（HEH[EHP]含有）を用いた。実験的アプローチとして、以下の3つの構成を比較した：

1. 単一樹脂： DGA-nまたはLN2のみを含むカラム。
2. 積層樹脂： DGA-nをLN2カラムの直上に配置したカラム。
3. 混合樹脂： D selain DGA-nとLN2の樹脂を単一のカラム内に物理的に混合したもの。

分離テストには以下を用いた：

• 金属トレーサー： 様々な遷移金属、アルカリ土類金属、およびランタノイド（Ce, Eu, Nd, Pr, Sm, Tbなど）を含むカスタムカクテル（CC-1およびCC-2）を用い、ICP-OESにより分析した。
• 放射性トレーサー： $^{241}$Amスパイク、および実世界の核分裂・放射化生成物マトリックスをシミュレートした照射高濃縮ウラン（HEU）箔。
• 溶出プロトコル： サンプルを3 M HNO$_3$でロード、洗浄し、0.015 M DTPA/0.2 M アンモニウムクエン酸溶液による逐次的なpH調整（pH 2およびpH 4）を用いて溶出した。

調査された主要な変数は、樹脂の比率（質量比でLN2:DGA-n = 1:10）、アンモニウムクエン酸バッファーの必要性、およびDTPAリガンドの溶解状態であった。

主な結果

• 樹脂構成： 樹脂を単一のカラム内で混合する手法は、単独で使用する場合や積層させた場合よりも優れていることが証明された。混合カラムは、特定の画分において80%以上のAm回収率を示し、ランタノイド（特にCeおよびNd）からの重複は3%未満であった。
• 分離メカニズム： 本システムは、従来のALSEP溶媒抽出よりも、高度なTALSPEAKプロセスに近い挙動を示した。混合樹脂カラム内では、HEH[EHP]（LN2に含有）が特定の溶出条件下で支配的な抽出剤として機能し、これら（AmとLn）の電荷およびイオン半径が極めて類似している（差は約0.8 pm）にもかかわらず、AmとLnの分離を促進した。
• バッファーの必要性： TALSPEAK様システムの予想に反して、アンモニウムクエン酸バッファーは分離に不要であることが判明した。クエン酸なしで実施された実験（実験7）では、溶出プロファイルに顕著なシフトが見られ、AmとNdおよびCeの分離がさらに向上した。
• マトリックス耐性： 混合樹脂カラムは、照射HEUを含む複雑なマトリックスからAmを正常に分離し、初期のpH 4画分において約55%のAmを回収した一方で、非3価元素（Ag, Ba, Co, Ru）のほぼ100%をロード/洗浄ステップで保持した。

意義および主張
著者らは、本研究が、混合された活性化および核分裂生成物サンプルからマイナーアクトニドを分離するための、実行可能で迅速な手法を実証したと主張している。市販の樹脂を混合モード構成で利用することにより、以下の特性を持つ手法を確立した：

1. 従来の溶媒抽出に伴う有機溶媒廃棄物の生成を回避する。
2. 化学的性質が酷似している（Ndとの間で）にもかかわらず、AmとLn（特にNd）の高度な分離を実現する。
3. この特定の樹脂構成においては、複雑なアンモニウムクエン酸バッファーの工程を排除することでプロセスを簡素化する。

本論文は、この混合樹脂アプローチが、バルク規模の溶媒抽出の概念と小規模なクロマトグラフィー分析の間の溝を埋める、核フォレンジックにおけるAm分析のための実用的かつ費用対効果の高い経路を提供すると結論付けている。