Mixing Commercially Available Extraction Resins for Minor Actinide and Lanthanide Separation

기술 요약: 미량 악티늄족 및 란타넘족 분리를 위한 상용 추출 수지의 혼합

문제 정의
핵물리학적 감식(Nuclear forensics) 및 조사된 물질의 분석에는 미량의 악티늄족(MA), 특히 아메리슘(Am)과 큐륨(Cm)을 란타넘족(Ln) 및 핵분열/활성화 생성물의 복잡한 혼합물로부터 분리하는 과정이 필요하다. ALSEP(Actinide Lanthanide SEParation)와 같은 용매 추출 공정은 대규모 재처리에는 잘 확립되어 있으나, 핵감식과 같은 소규모 샘플(흔히 0.1g 미만) 분석에는 실용적이지 않은 경우가 많다. 용매 추출은 유기 폐기물을 생성하고 복잡한 재생 과정을 요구하는 반면, 레진 기반의 크로마토그래피는 유기 폐기물 없이 소규모 샘플에 대해 더 빠르고 비용 효율적인 대안을 제공한다. 산성 양이온 교환체(HEH[EHP])와 중성 디글리콜아미드(TODGA)의 직렬 작용에 의존하는 ALSEP 용매 추출 시스템을 고체상 레진 시스템으로 전환하는 데에는 어려움이 따른다. 저자들은 이러한 추출제들을 포함하는 상용 레진(각각 Eichrom의 LN2 및 DGA-n)을 단일 컬럼 내에 혼합하여 신속한 Am 분리를 위한 ALSEP 분리 성능을 재현할 수 있는지 확인하고자 하였다.

방법론
본 연구에서는 상용 Eichrom Technologies 레진인 DGA-n(TODGA 함유)과 LN2(HEH[EHP] 함유)를 사용하였다. 실험적 접근 방식은 다음 세 가지 구성을 비교하는 것을 포함한다:

1. 단일 레진: DGA-n 또는 LN2만 포함된 컬럼.
2. 적층형 레진: LN2 컬럼 바로 위에 DGA-n이 배치된 컬럼.
3. 혼합형 레진: 단일 컬럼 내에 DGA-n과 LN2 레진이 물리적으로 혼합된 형태.

분리는 다음을 사용하여 테스트되었다:

• 금속 추적자: ICP-OES로 분석되는 다양한 전이 금속, 알칼리 토금속 및 란타넘족(Ce, Eu, Nd, Pr, Sm, Tb 등)을 포함하는 맞춤형 칵테일(CC-1 및 CC-2).
• 방사성 추적자: 실제 환경의 핵분열 및 활성화 생성물 매트릭스를 모사하기 위한 $^{241}$Am 스파이크 및 조사된 고농축 우라늄(HEU) 박(foil).
• 용리 프로토콜: 샘물은 3 M HNO$_3$에서 로딩되고 세척되었으며, 0.015 M DTPA/0.2 M 암모늄 시트르산염의 순차적인 pH 조절(pH 2 및 pH 4)을 통해 용리되었다.

조사된 주요 변수는 레진의 비율(질량비 기준 LN2:DGA-n = 1:10), 암모늄 시트르산염 버퍼의 필요성, 그리고 DTPA 리간드의 용해 상태였다.

주요 결과

• 레진 구성: 레진을 단일 컬럼 내에 혼합하는 것이 단독으로 사용하거나 적층형으로 사용하는 것보다 우수함이 입증되었다. 혼합 컬럼은 특정 분획에서 80% 이상의 Am 회수율을 보였으며, 란타넘족(특히 Ce 및 Nd)과의 중첩은 3% 미만이었다.
• 분리 메커니즘: 이 시스템은 전통적인 ALSEP 용매 추출보다는 Advanced TALSPEAK 공정과 유사하게 작동하였다. 혼합 레진 컬럼 내에서 HEH[EHP](LN2에 포함됨)는 특정 용리 조건 하에서 지배적인 추출제로 작용하여, 유사한 3가 전하 및 이온 반경(약 0.8 pm 차이)을 가짐에도 불구하고 Am과 Ln 사이의 분리를 촉진하였다.
• 버퍼의 필요성: TALSPEAK 유사 시스템에 대한 일부 예상과는 달리, 암모늄 시트르산염 버퍼는 분리에 불필요한 것으로 밝혀졌다. 시트르산 없이 수행된 실험(실험 7)은 개선된 해상도를 보여주었으며, Am을 Nd 및 Ce로부터 더욱 효과적으로 분리하는 유의미한 용리 프로파일의 변화를 나타냈다.
• 매트릭스 내성: 혼합 레진 컬럼은 조사된 HEU를 포함한 복잡한 매트릭스로부터 Am을 성공적으로 분리하였으며, 초기 pH 4 분획에서 약 55%의 Am을 회수하는 동시에 비 3가 원소(Ag, Ba, Co, Ru)는 로딩/세척 단계에서 거의 100% 유지하였다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 혼합형 모드 구성을 통해 혼합 활성화 및 핵분열 생성물 샘플로부터 미량의 악티늄족을 분리하는 실행 가능한 신속 기술을 입증한다고 주장한다. 상용 레진을 활용한 이 혼합형 방식은 다음과 같은 성과를 달了:

1. 전통적인 용매 추출과 관련된 유기 용매 폐기물 발생을 방지한다.
2. 화학적 유사성(특히 Nd와의 관계)에도 불구하고 Am과 Ln 사이의 높은 분리도를 제공한다.
3. 이 특정 레진 구성에서는 복잡한 암모늄 시트르산염 버퍼링을 제거함으로써 과정을 단순화한다.

결론적으로, 이 혼합 레진 접근법은 대규모 용매 추출 개념과 소규모 크로마토그래피 분석 사이의 간극을 메움으로써, 핵감식 분야에서 Am 분석을 위한 실용적이고 비용 효율적인 경로를 제공한다.