Mixing Commercially Available Extraction Resins for Minor Actinide and Lanthanide Separation

技术摘要：用于轻锕系元素与镧系元素分离的商用萃取树脂混合研究

问题陈述
核取证及辐照材料分析通常需要从复杂的混合物（包含镧系元素 [Ln] 以及裂变/活化产物）中分离出轻锕系元素（MAs），特别是��离开（Am）和锔（Cm）。虽然像锕系镧系分离（ALSEP）这样的溶剂萃取工艺在规模化后处理领域已得到广泛应用，但对于核取证中典型的微量样本（通常小于 0.1 克）而言，其操作往往并不切实际。溶剂萃取会产生有机废弃物，且需要复杂的再生过程，而基于树脂的色谱法则能为小规模样本提供更快速、更具成本效益的替代方案，且不产生有机废弃物。然而，将依赖于酸性阳离子交换剂（HEH[EHP]）和中性二甘醇酰胺（TODGA）串联作用的 ALSEP 溶剂萃取系统转化为固相树脂系统存在挑战。作者旨在确定是否可以将含有这些萃取剂的商用树脂（分别为 Eichrom 公司的 LN2 和 DGA-n）在单个柱内进行混合，以复制 ALSEP 分离性能，实现镝（Am）的快速分离。

实验方法
本研究使用了商用的 Eichrom Technologies 树脂：DGA-n（含有 TOD_GA）和 LN2（含有 HEH[EHP]）。实验方法涉及比较三种配置：

1. 单一树脂： 仅含有 DGA-n 或仅含有 LN2 的色谱柱。
2. 堆叠树脂： 一个 DGA-n 柱直接置于 LN2 柱之上的色谱柱。
3. 混合树脂： 在单个色谱柱内物理混合 DGA-n 和 LN2 树脂。

分离测试使用以下物质进行：

• 金属示踪剂： 包含各种过渡金属、碱土金属和镧系元素（Ce, Eu, Nd, Pr, Sm, Tb 等）的定制混合液（CC-1 和 CC-2），通过 ICP-OES 进行分析。
• 放射性示踪剂： $^{241}$Am 掺杂以及辐照高浓铀（HEU）箔片，以模拟真实的裂变和活化产物基质。
• 洗脱方案： 将样本加载于 3 M HNO$_3$ 中，进行冲洗，并使用 0.015 M DTPA/0.2 M 柠檬酸铵溶液进行连续 pH 调节洗脱。

研究的关键变量包括：树脂比例（按质量计，LN2:DGA-n 为 1:10）、柠檬酸铵缓冲剂的必要性，以及 DTPA 配体的溶解状态。

主要结果

• 树脂配置： 在单个柱内混合树脂被证明优于单独使用或串联使用。混合柱在特定组分中实现了超过 80% 的 Am 回收率，且镧系元素（特别是 Ce 和 Nd）的重叠率低于 3%。
• 分离机制： 该系统表现得更像是一个先进的 TALSPEAK 工艺，而非传统的 ALSEP 溶剂萃取。在混合树脂柱中，HEH[EHP]（位于 LN2 上）在特定的洗脱条件下充当了主要的萃取剂，促进了 Am 与 Ln 的分离，尽管两者具有相似的三价电荷和离子半径（差异仅约 0.8 pm）。
• 缓冲剂的必要性： 与某些对 TALSPEAK 类系统的预期相反，研究发现不需要使用柠檬酸铵缓冲剂。在不含柠檬酸盐的实验（实验 7）中，分离度得到了提高，洗脱曲线发生了显著偏移，进一步实现了 Am 与 Nd 和 Ce 的分离。
• 基质耐受性： 混合树脂柱成功地从包含辐照 HEU 的复杂基质中分离出了 Am，在初始 pH 4 组分中回收了约 55% 的 Am，同时在加载/冲洗步骤中保留了近 100% 的非三价元素（Ag, Ba, Co, Ru）。

意义与主张
作者声称，这项工作展示了一种在放射性分析规模上，从混合活化及裂变产物样品中分离轻锕系元素的有效且快速的技术。通过利用商用树脂进行混合模态配置，本研究建立了一种方法，该方法：

1. 避免了传统溶剂萃取产生的有机溶剂废弃物。
2. 在 Am 与 Ln（特别是 Nd）化学性质高度相似的情况下，实现了高度的分离。
3. 通过消除在该特定树脂配置中复杂的柠檬酸铵缓冲过程，简化了流程。

论文结论指出，这种混合树脂方法为核取证中的 Am 分析提供了一条实用的、具有成本效益的路径，弥合了大规模溶剂萃取概念与小规模色谱分析之间的差距。