Mixing Commercially Available Extraction Resins for Minor Actinide and Lanthanide Separation

Technische Samenvatting: Mengen van commercieel beschikbare extractieresines voor de scheiding van minderwaardige actiniden en lanthaniden

Probleemstelling
Nucleaire forensica en de analyse van bestraalde materialen vereisen vaak de scheiding van minderwaardige actiniden (MA's), specifiek Americium (Am) en Curium (Cm), uit complexe mengsels van lanthaniden (Ln) en splijtings-/activatieproducten. Hoewel oplosmiddelextractieprocessen zoals Actinide Lanthanide SEParation (ALSEP) goed gevestigd zijn voor grootschalige verwerking, zijn ze vaak onpraktisch voor de kleine monsteromvang die typerend is voor nucleaire forensica (vaak <0,1 gram). Oplosmiddelextractie genereert organisch afval en vereist complexe regeneratie, terwijl harsgebaseerde chromatografie een snellere, kosteneffectievere alternatief biedt voor kleinschalige monsters zonder organisch afval. Het vertalen van het ALSEP-oplosmiddelextractiesysteem — dat steunt op de tandemwerking van een zure kationenuitwisselaar (HEH[EHP]) en een neutrale diglycolamide (TODGA) — naar een vaste-fase harsysteem brengt echter uitdagingen met zich mee. De auteurs wilden bepalen of commercieel beschikbare harsen die deze extractanten bevatten (respectievelijk Eichrom's LN2 en DGA-n) gemengd konden worden in een enkele kolom om de prestaties van de ALSEP-scheiding voor snelle Am-isolatie te reproduceren.

Methodologie
De studie maakte gebruik van commercieel beschikbare Eichrom Technologies-harsen: DGA-n (bevatende TODGA) en LN2 (bevatende HEH[EHP]). De experimentele aanpak omvatte het vergelijken van drie configuraties:

1. Enkele harsen: Kolommen die alleen DGA-n of alleen LN2 bevatten.
2. Gestapelde harsen: Een kolom met DGA-n direct boven een LN2-kolom.
3. Gemengde harsen: DGA-n en LN2-harsen die fysiek samen in een enkele kolom zijn gemengd.

De scheiding werd getest met behulp van:

• Metaaltracers: Custom cocktails (CC-1 en CC-2) die diverse overgangsmetalen, aardalkalimetalen en lanthaniden (Ce, Eu, Nd, Pr, Sm, Tb, etc.) bevatten, geanalyseerd via ICP-OES.
• Radioactieve tracers: $^{241}$Am-spikes en bestraalde hoogverrijkte uranium (HEU) folies om realistische splijtings- en activatieproductmatrices te simuleren.
• Elutieprotocol: Monsters werden geladen in 3 M HNO$_3$, gespoeld en geëlueerd met opeenvolgende pH-aanpassingen (pH 2 en pH 4) van een 0,015 M DTPA/0,2 M ammoniumcitraatoplossing.

Onderzochte sleutelvariabelen waren onder meer de verhouding van de harsen (1:10 LN2:DGA-n bij massa), de noodzaak van het ammoniumcitraatbuffer en de oplosstoestand van het DTPA-ligand.

Belangrijkste resultaten

• Resineconfiguratie: Het mengen van de harsen in een enkele kolom bleek superieur aan het gebruik van ze alleen of in een gestapelde serie. De gemengde kolom leverde meer dan 80% Am-terugwinning op in specifieke fracties met minder dan 3% overlap van lanthaniden (specifiek Ce en Nd).
• Scheidingsmechanisme: Het systeem gedroeg zich meer als een geavanceerd TALSPEAK-proces dan als een traditioneel ALSEP-oplosmiddelextractieproces. In de gemengde harskolom fungeerde HEH[EHP] (op LN2) als de dominante extractant onder de specifieke elutiecondities, wat de scheiding van Am van Ln faciliteerde, ondanks hun vergelijkbare trivalentie en ionische radii (die slechts ~0,8 pm verschillen).
• Noodzaak van buffer: Tegen de verwachtingen in, die voor TALSPEAK-achtige systemen gebruikelijk zijn, bleek het ammoniumcitraatbuffer niet nodig te zijn voor de scheiding. Experimenten uitgevoerd zonder citraat (Experiment 7) lieten een verbeterde resolutie zien, met een significante verschuiving in de elutieprofielen die Am verder scheidde van Nd en Ce.
• Matrixtolerantie: De gemengde harskolom slaagde erin Am te scheiden uit een complexe matrix die bestraaid HEU bevatte, waarbij ~55% van de Am werd teruggewonnen in de initiële pH 4-fractie, terwijl bijna 100% van de niet-trivalente elementen (Ag, Ba, Co, Ru) werd vastgehouden tijdens de laad-/spoelstappen.

Betekenis en claims
De auteurs stellen dat dit werk aantoont dat een levensvatbare, snelle techniek bestaat voor het scheiden van minderwaardige actiniden uit gemengde activatie- en splijtingsproductmonsters op een radioanalytische schaal. Door gebruik te maken van commercieel beschikbare harsen in een gemengde modus-configuratie, vestigt deze studie een methode die:

1. Het genereren van organisch oplosmiddelafval vermijdt dat geassocieerd wordt met traditionele oplosmiddelextractie.
2. Een hoge mate van scheiding biedt tussen Am en Ln (specifiek Nd), ondanks hun chemische gelijkenis.
3. Het proces vereenvoudigt door de noodzaak van complexe ammoniumcitraatbuffering in deze specifieke harsconfiguratie te elimineren.

Het artikel concludeert dat deze gemengde harsbenadering een praktische, kosteneffectieve route biedt voor de analyse van Am in nucleaire forensica, waarmee de brug wordt geslagen tussen grootschalige oplosmiddelextractieconcepten en kleinschalige chromatografische analyse.