Mixing Commercially Available Extraction Resins for Minor Actinide and Lanthanide Separation

Resumo Técnico: Mistura de Resinas de Extração Comercialmente Disponíveis para a Separação de Actinídeos Menores e Lantânios

Definição do Problema
A investigação forense nuclear e a análise de materiais irradiados frequentemente requerem a separação de actinídeos menores (MAs), especificamente Amerício (Am) e Cúrio (Cm), de misturas complexas de lantânios (Ln) e produtos de fissão/ativação. Embora os processos de extração por solvente, como a Separação de Actinídeos e Lantânios (ALSEP), estejam bem estabelecidos para o reprocessamento em larga escala, eles são frequentemente impraticáveis para amostras de pequeno porte, típicas da forense nuclear (frequentamente <0,1 gramas). A extração por solvente gera resíduos orgânicos e requer uma regeneração complexa, ao passo que a cromatografia baseada em resinas oferece uma alternativa mais rápida e econômica para amostras de pequena escala sem a geração de resíduos orgânicos. No entanto, traduzir o sistema de extração por solvente ALSEP — que se baseia na ação coordenada de um trocador de cátions ácido (HEH[EHP]) e um diglicolamida neutro (TODGA) — para um sistema de resina de fase sólida apresenta desafios. Os autores buscaram determinar se resinas comercialmente disponíveis contendo esses extratantes (LN2 e DGA-n da Eichrom, respectivamente) poderiam ser misturadas em uma única coluna para replicar o desempenho da separação ALSEP para o isolamento rápido de Am.

Metodologia
O estudo utilizou resinas comercialmente disponíveis da Eichrom Technologies: DGA-n (contendo TODGA) e LN2 (contendo HEH[EHP]). A abordagem experimental envolveu a comparação de três configurações:

1. Resinas Simples: Colunas contendo apenas DGA-n ou apenas LN2.
2. Resinas Empilhadas: Uma coluna com DGA-n posicionada diretamente acima de uma coluna de LN2.
3. Resinas Misturadas: Resinas DGA-n e LN2 fisicamente misturadas dentro de uma única coluna.

A separação foi testada utilizando:

• Traçadores Metálicos: Coquetéis customizados (CC-1 e CC-2) contendo vários metais de transição, metais alcalino-terrosos e lantânios (Ce, Eu, Nd, Pr, Sm, Tb, etc.) analisados via ICP-OES.
• Traçadores Radioativos: Spikes de $^{241}$Am e folhas de Urânio Altamente Enriquecido (HEU) irradiadas para simular matrizes reais de produtos de fissão e ativação.
• Protocolo de Eluição: As amostras foram carregadas em 3 M HNO$_3$, enxaguadas e eluídas através de ajustes sequenciais de pH (pH 2 e pH 4) de uma solução de 0,015 M DTPA/0,2 M citrato de amônio.

As principais variáveis investigadas incluíram a proporção das resinas (1:10 LN2:DGA-n em massa), a necessidade do tampão de citrato de amônio e o estado de dissolução do ligante DTPA.

Principais Resultados

• Configuração da Resina: A mistura das resinas em uma única coluna provou ser superior ao uso delas isoladamente ou em uma série empilhada. A coluna mista rendeu mais de 80% de recuperação de Am em frações específicas com menos de 3% de sobreposição de lantânios (especificamente Ce e Nd).
• Mecanismo de Separação: O sistema comportou-se mais como um processo TALSPEAK avançado do que como um processo tradicional de extração por solvente ALSEP. Na coluna de resina mista, o HEH[EHP] (na LN2) atuou como o extratante dominante sob as condições específicas de eluição, facilitando a separação de Am de Ln, apesar de suas cargas trivalentes e raios iônicos semelhantes (diferindo em apenas ~0,8 pm).
• Necessidade de Tampão: Contrariamente a algumas expectativas para sistemas do tipo TALSPEAK, o tampão de citrato de amônio mostrou-se desnecessário para a separação. Experimentos conduzidos sem citrato (Experimento 7) apresentaram uma resolução melhorada, com um deslocamento significativo nos perfis de eluição que separou ainda mais o Am de Nd e Ce.
• Tolerância à Matriz: A coluna de resina mista separou com sucesso o Am de uma matriz complexa contendo HEU irradiado, recuperando ~55% do Am na fração inicial de pH 4, enquanto reteve quase 100% dos elementos não-trivalentes (Ag, Ba, Co, Ru) nas etapas de carga/enxágue.

Significância e Alegações
Os autores alegam que este trabalho demonstra uma técnica viável e rápida para separar actinídeos menores de misturas de produtos de ativação e fissão em escala radioanalítica. Ao utilizar resinas comercialmente disponíveis em uma configuração de modo misto, o estudo estabelece um método que:

1. Evita a geração de resíduos de solventes orgânicos associados à extração por solvente tradicional.
2. Proporciona um alto grau de separação entre Am e Ln (especificamente Nd), apesar de suas semelhanças químicas.
3. Simplifica o processo ao eliminar a necessidade de complexo tamponamento com citrato de amônio nesta configuração específica de resina.

O artigo conclui que esta abordagem de resina mista oferece uma rota prática e econômica para a análise de Am em forense nuclear, preenchendo a lacuna entre os conceitos de extração por solvente em larga escala e a análise cromatográfica em pequena escala.