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Spéciation et la biodisponibilité mesures de plutonium de l'environnement en utilisant la diffusion dans les couches minces

Published: November 9, 2015 doi: 10.3791/53188
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 1
1Institute of Radiation Physics, Lausanne University Hospital, 2Federal Office of Public Health, Bern, Switzerland, 3Laboratory of Ion Beam Physics, ETH Zurich

Summary

La technique des gradients de diffusion dans les couches minces (DGT) est proposé pour les études de spéciation de plutonium. Ce protocole décrit des expériences de diffusion de palpage le comportement de Pu (IV) et de Pu (V) en présence de matière organique. Dgts déployés dans une source karstique permettent d'évaluer la biodisponibilité de Pu.

Abstract

L'absorption biologique du plutonium (Pu) dans les écosystèmes aquatiques est particulièrement préoccupante car elle est un émetteur de particules alpha avec une longue demi-vie qui peuvent potentiellement contribuer à l'exposition du biote et les humains. Les gradients de diffusion dans mince technique des films est introduit ici pour mesures in-situ de Pu biodisponibilité et la spéciation. Une cellule de diffusion construits pour des expériences de laboratoire avec Pu et le protocole nouvellement mis au point permettent de simuler le comportement de l'environnement de Pu dans des solutions modèles de différentes compositions chimiques. Ajustement des états d'oxydation à Pu (IV) et de Pu (V) décrits dans ce protocole est essentiel afin d'enquêter sur la chimie redox complexe de plutonium dans l'environnement. L'étalonnage de cette technique et les résultats obtenus dans les expériences de laboratoire permettent de développer un dispositif DGT spécifique pour mesures in-situ dans les eaux douces Pu. Mesures de spectrométrie de masse par accélérateurde Pu accumulée par dgts dans une source karstique permis de déterminer la biodisponibilité de Pu dans un environnement d'eau douce minérale. Application de ce protocole pour les mesures Pu utilisant des dispositifs DGT dispose d'un grand potentiel pour améliorer notre compréhension de la spéciation et le transfert biologique de Pu dans les écosystèmes aquatiques.

Introduction

Le plutonium est un radionucléide présent artificielle dans l'environnement à la suite des retombées mondiale après les essais de bombes nucléaires et les accidents nucléaires. La chimie redox du plutonium a des implications importantes pour sa migration et des cycles biogéochimiques dans les systèmes aquatiques environnementales 1. Le plutonium a une chimie complexe et peut exister sous quatre états d'oxydation (III, IV, V, VI) en même temps. Par conséquent, la répartition des espèces redox de plutonium dans les eaux naturelles est extrêmement sensible à l'environnement local de produits chimiques 2,3. L'état d'oxydation du plutonium dépend aussi de l'origine de la source - cette déclaration étant surtout utile pour les environnements contaminés et des sites d'élimination. Espèces de plutonium réduits (+ III et + IV) se trouvent principalement dans les milieux anoxiques et proviennent des retombées mondiales et stockés effluents de déchets, tandis que les états d'oxydation plus élevés (+ V et + VI) peuvent être trouvés parmi les produits de désintégration d'autres actinideset dans des environnements oxiques 4.

La mobilité et le comportement environnemental de plutonium peuvent être prédits dans une certaine mesure de la spéciation redox. Plutonium + III et IV + états d'oxydation existe principalement dans la phase solide et a augmenté la capacité de sorber aux colloïdes inorganiques et la matière organique naturelle (NOM) des molécules. Plutonium + III et IV + états d'oxydation est considéré comme moins mobile. Formes oxydées plus solubles de plutonium (+ V et VI +, + V étant le plus probable) 5 peuvent potentiellement contribuer à un transfert biologique plus élevée pour les organismes aquatiques due à une plus grande mobilité. Néanmoins, en présence du NOM, en particulier de l'acide humique, Pu (V) est réduit 17, décalant le partitionnement de plusieurs ordres de grandeur en faveur de précipitations. Malgré le fait que le taux de Pu (V) à la réduction de Pu (IV) est de 4 à 5 ordres de grandeur plus rapide que la réaction inverse, la remobilisation de Pu (IV) dans des conditions oxydantes MAy ont également lieu 1. Des données expérimentales récentes sur les sédiments minérales modifiées avec Pu (IV) et soumis à des conditions oxydantes naturelles ont démontré que la concentration de Pu soluble en phase aqueuse avec le temps a augmenté de 1,6. Les auteurs expliquent par désorption par oxydation de Pu (IV) et de Pu formation de plus soluble (V) et Pu (VI) espèce. L'oxydation du Pu (IV) peut également se produire en raison des oxydes de manganèse rencontrées naturellement 7. Ces observations sont importantes pour la modélisation de biodisponibilité et de l'évaluation du risque environnemental d'élimination des déchets et des sites contaminés.

Les études sur la biodisponibilité et la spéciation du plutonium est une tâche difficile à la fois en laboratoire et in situ des conditions. De faibles concentrations environnementales, la variabilité des espèces redox et les interactions avec les colloïdes naturels, il est difficile de simuler le comportement biogéochimique de plutonium. La technique des gradients de diffusion dans les couches minces (DGT) basée surla diffusion d'espèces de contaminants libres et labiles dans un polyacrylamide (PAM) de gel est largement utilisé pour les mesures environnementales d'oligo-éléments 8. Un échantillonneur de DGT représente un dispositif à trois couches constituée d'une phase de liaison (pour la plupart des métaux en traces, il est de la résine Chelex contenu dans le gel de PAM), la couche de gel par diffusion (gel de PAM d'épaisseur variable) et une membrane de filtre de protection du gel et maintenir l'ensemble. Des couches minces de gel de Polyacrylamide, comprenant de 85% d'eau, permettent de complexes libres et des espèces labiles à diffuser plus rapidement que le plutonium lié à de grosses molécules ou de particules colloïdales NOM naturelles. Un set-up conçu pour étudier le plutonium diffusion dans les films de gel PAM mince dans des conditions de laboratoire est appelé une cellule de diffusion 9.

Une cellule de diffusion est un récipient à deux compartiments où deux compartiments séparés sont reliés par une ouverture d'une surface donnée. L'ouverture, à savoir, la fenêtre entre les deux chambres contains un disque de gel de diffusion d'une épaisseur donnée. Nous avons construit une cellule Téflon avec deux fois 100 ml compartiments et une fenêtre de diffusion circulaire de 1,7 cm de diamètre. Un compartiment est amovible, ce qui facilite l'assemblage. A 0,5 cm de large rainure sculptée autour de la fenêtre de diffusion sur le compartiment fixe sert à placer le disque de gel de diffusion. La profondeur de la rainure doit être similaire à l'épaisseur de gel de PAM destiné à être utilisé. Nous avons choisi de travailler avec un gel de PAM de 0,39 mm, donc la profondeur des rainures dans notre cellule de diffusion est de 0,39 mm. Un tableau détaillé de la cellule de diffusion est donnée à la figure 1.

Quand une solution contenant initialement le plutonium est placé dans un compartiment (A), la diffusion des espèces Pu établit un gradient de concentration dans le gel et va commencer à s'accumuler dans le deuxième compartiment (B), contenant initialement une solution ayant la même composition chimique sans Pu . La concentration initiale en espèces Pu dans le compartiment A est défini de telle sorte qu'il Remains constants ou des changements très petits (de 1% à 2% au plus) à travers l'expérience de diffusion. Tracer la quantité de Pu diffusé en fonction du temps fournit un moyen pour analyser la mobilité des espèces Pu qui règnent dans les différentes conditions environnementales simulées. Diffusion dans des films minces fournit une alternative utile pour les études sur la mobilité Pu et de la spéciation et peut être appliquée avec succès dans des conditions de terrain 10. On peut remplacer la cellule de diffusion par un échantillonneur passif, fabriqué avec le PAM gel diffusif et résine Chelex comme phase de liaison, qui sert à accumuler de diffusion des espèces Pu. Un tel échantillonneur peut être exposée dans des conditions de terrain - la quantité de Pu accumulée dans la résine sera indicative de la spéciation et la biodisponibilité de Pu dans l'environnement respectif 10.

Dans ce travail, nous avons utilisé une cellule de diffusion pour enquêter sur la mobilité de Pu (IV) et de Pu (V) des espèces et de leurs interactions avec NOM dans des conditions de laboratoire. Furthermore, nous appliqué grandes échantillonneurs DGT passifs d'une surface de 105 cm 2 d'étudier la biodisponibilité de Pu dans une source karstique des montagnes (Venoge River) Jura suisse où une fraction importante de Pu a été trouvé dans les parties intracellulaires de mousses aquatiques un travail antérieur 11. En raison de la très faible niveau de plutonium présent dans cet environnement vierge, spectrométrie de masse (AMS) techniques basées sur des accélérateurs disponibles à l'ETH Zurich ont été utilisés pour mesurer les isotopes de plutonium.

Protocol

1. Plutonium Tracer Préparation

  1. Pu (IV) la préparation du traceur
    1. De la solution stock de Pu transférer une aliquote approprié contenant la quantité désirée de Pu pour l'expérience dans un bécher de 25 ml en verre. Travailler avec 10 Bq de 239 Pu à la fois.
    2. Ajouter 1 ml de HNO 3 concentré, 0,6 ml de 1 M H NaHSO 4, 0,4 ml de 2 SO 4 concentré. Évaporer à sec sur une plaque chauffante. Chauffer doucement à 200 ° C au début pour éviter la projection d'acide.
    3. Une fois qu'aucun liquide ne reste dans le bécher, recuire le résidu à 400 ° C - 500 ° C jusqu'à ce qu'aucun dégagement de fumées blanches émanent. Le résidu est blanc lorsqu'il est refroidi et soluble dans le tampon choisi pour l'expérience.
      Note: Pu (IV) la source préparé de cette manière peut être stocké à sec jusqu'à plusieurs mois 12.
  2. Préparation Pu (V) traceur 13
    1. Oxydation Pu
      1. Transférer une partie aliquote de la STO Puck solution dans une matière plastique 20 ml de liquide à scintillation flacon avec un bouchon étanche. Travailler avec 10 Bq de 239 Pu à la fois. Ajouter 0,01 ml de 0,01 M KMnO 4 et laisser le mélange dans l'obscurité pendant au moins 6 heures.
    2. Pu (VI) l'extraction
      1. Avant l'extraction de préparer une solution de 0,5 M thénoyltrifluoroacétone (TTA) dans le cyclohexane et le protéger des exposition à la lumière. Toujours préparer cette solution immédiatement avant chaque expérience.
      2. Ajouter à la solution oxydée Pu 2 ml de 0,1 M de CH 3 COONa à pH 4,7 et 2 ml de 0,5 M thénoyltrifluoroacétone (TTA) dans le cyclohexane. Envelopper la bouteille avec du papier d'aluminium pour maintenir le mélange de réaction dans l'obscurité, agiter pendant 10 min. Séparer la phase organique contenant Pu (VI) avec une pipette et transférer dans un flacon en verre propre.
    3. Pu (VI) en Pu (V) photoréduction
      1. Laissez le flacon en verre contenant Pu (VI) -tta complexe dans le cyclohexane à la lumière ambiante pendant 2 h.
    4. Pu (V) l'extraction
      1. Ajouter à la solution exposée à la lumière 1 ml de 0,1 M CH3COONa à pH 4,7 et agiter pendant 5 min. Retirer phase aqueuse, contenant du Pu (V). Déterminer la concentration de cette source par comptage par scintillation liquide en prenant une aliquote de 100 ul.
        Note: Préparer Pu (V) des solutions immédiatement avant chaque expérience puisque la stabilité à long terme de Pu dans l'état d'oxydation + V est remise en question.

2. Préparation des solutions utilisées dans les expériences

  1. Préparer des solutions tamponnées
    1. Préparer une solution 10 mM de MOPS (3- (N-morpholino) propanesulfonique) de tampon. Prendre 200 ml de cette solution et ajuster au pH souhaité par addition goutte à goutte de HCl (pH 6,5 pour une utilisation avec Pu (IV) et un pH de 5,5 pour une utilisation avec Pu (V)) de 0,1.
  2. Préparer des solutions pour les expériences avec Pu (IV)
    1. Solution A
      1. Dissoudre Pu (IV) préparé à l'étape 1.1 en soimillilitres sieurs de 10 mM MOPS solution tamponnée à pH 6,5. Bien laver le bécher avec la même solution.
      2. Porter le volume à 72 ml avec 10 mM de MOPS solution tamponnée à pH 6,5. Vérifier le pH et réajuster à 6,5 avec 0,1 M NaOH. Transfert de 72 ml de cette solution dans un bêcher propre - ce qui est le (A) solution à introduire dans le compartiment A de la cellule de diffusion.
    2. Solution B
      1. Prendre 72 ml de 10 mM MOPS solution à pH 6,5 tamponnées; ajouter 0,75 ml de 1 M Na 2 SO 4. Vérifier le pH, ré-ajuster à 6,5 si nécessaire. Transfert de 72 ml de cette solution dans un bêcher propre - ce qui est le «B» solution à introduire dans «B» compartiment de la cellule de diffusion.
    3. Préparer les solutions avec NOM
      1. Peser 1,4 mg de fulvique lyophilisée ou acide humique à obtenir une concentration de 20 ppm et le dissoudre dans le «A» containi solutionng Pu (IV). Préparer cette solution 24 heures avant d'expérimenter et pour permettre l'équilibre.
  3. Préparer des solutions pour des expériences avec Pu (V)
    1. Solution A
      1. Dissoudre Pu (V) obtenu à l'étape 1.2.4 dans 72 ml de 10 mM de MOPS à pH 5,5 solution tamponnée; ajouter 0,75 ml de 1 M NaNO 3. Vérifier le pH et ajuster à 5,5 si nécessaire. Transférer 72 ml de cette solution dans un bécher propre. Préparer la solution avec Pu (V) immédiatement avant d'expérimenter.
    2. Solution B
      1. Prendre 72 ml de 10 mM MOPS solution à pH 5,5 tamponnées; ajouter 0,75 ml de 1 M NaNO 3. Vérifier le pH et ajuster à 5,5 si nécessaire. Transférer 72 ml de cette solution dans un bécher propre.
    3. Préparer les solutions avec NOM
      1. Peser 1,4 mg de fulvique lyophilisée ou l'acide humique pour obtenir une concentration de 20 ppm et la dissoudre dans une solution contenant Pu (V). Laissez la solution pendant 24 heurespour atteindre l'état d'équilibre entre Pu (IV) et de Pu (V) espèces. Avant l'expérience de diffusion effectuer une extraction en phase liquide pour déterminer la fraction de Pu (V) comme décrit dans la Section 3.4.2.

3. Expériences de laboratoire Diffusion

  1. Préparer gel PAM
    1. Mouillez un plateau en plastique avec quelques ml d'électrolyte (par exemple, 10 mM NaNO 3), placez la bande de gel de PAM et étendre uniformément sur ​​la surface. Placez prudemment un coup de poing forte de 2,7 cm de diamètre sur la surface du gel. Éviter de glisser le poinçon sur la surface du gel.
    2. Utilisez un éclairage focalisé locale si nécessaire, il peut aider à visualiser le gel de PAM transparente. Appuyez sur le poinçon fermement contre la surface du gel et de libérer une fois qu'il est coupé.
  2. Assemblage de la cellule de diffusion
    1. Placez le disque de gel de PAM avec des pincettes dans la rainure sur la fenêtre de diffusion de manière à surface lisse. Tourner la vis de telle sorte que l'two compartiments de la cellule de diffusion tiennent ensemble, reliés entre eux par l'intermédiaire du disque de gel de PAM.
    2. Mark A et les compartiments B diffusion cellulaires. Assembler la cellule de diffusion avec le disque de gel immédiatement avant chaque expérience; ne permettent pas au gel de sécher.
  3. Lancement d'une expérience de diffusion
    1. Verser lentement les solutions A et B dans les compartiments correspondants. Assurez-vous que les deux solutions sont versés à la même vitesse afin de fournir volume égal dans chaque compartiment à tout moment, sinon le gel de diffusion peut être endommagé.
    2. Lancez la minuterie une fois que les solutions sont dans la cellule. Placez les mélangeurs électriques miniatures sur la cellule de diffusion. A ce moment, l'expérience de diffusion est considéré comme démarré.
  4. Prélever des échantillons tout au long de l'expérience de diffusion
    1. Prélever des échantillons de volume égal dans les intervalles de temps réguliers des compartiments A et B simultanément afin de maintenir des volumes constants tout au long du experiment.
      1. Prélever un échantillon de 1,00 ml à la fois dans chaque compartiment immédiatement au début de l'expérience pour déterminer la concentration initiale de Pu dans le compartiment A.
      2. Utilisez un intervalle de temps d'échantillonnage de 10 min dans des expériences sans addition de NOM et 20 minutes à plusieurs heures dans des expériences avec de l'acide humique. 2,00 ml aliquotes sont suffisantes pour offrir une bonne sensibilité pour les mesures de spectrométrie alpha.
    2. Extraction en phase liquide de Pu (IV) et de Pu (V)
      1. A la fin de l'expérience de diffusion prendre séparément des échantillons de 4 ml A et les compartiments B dans des tubes à essai avec bouchons étanches en matière plastique. On acidifie les échantillons avec 1 ml de HCl 2 M.
      2. Ajouter 5 ml de 0,5 M de bis- (2-éthyl hexyl) phosphorique (HDEHP) solution dans le cyclohexane et agiter vigoureusement les tubes à essai pendant 5 minutes. Laisser les échantillons pour permettre la séparation des phases. Retirer la phase aqueuse contenant du Pu (V).
    3. Désextraction du Pu (IV)
      1. Retour ex-tractus Pu (IV) à partir de la phase organique restante avec 5 ml de 5% de (NH 4) 2 C 2 O 4.

4. Traitement de l'échantillon

  1. Spike échantillons avec un standard interne
    1. Spike échantillons à analyser avec un traceur de rendement. Utiliser un pic de 1,00 ml de 242 Pu traceur de 25 mBq ml -1 concentration d'activité pour les mesures alpha-spectrométrique.
  2. Oxyder la matrice de échantillons
    1. Évaporer les échantillons à sec sur une plaque chauffante avec 2.00 ml de HNO 3 concentré.

5. Séparation radiochimique de Pu

  1. Réglez l'état d'oxydation Pu
    1. Dissoudre échantillons secs à partir du point 4.2.1 dans 5 ml 8 M HNO 3, ajouter 20 mg NaNO 2, des échantillons de chaleur à 70 ° C pendant 10 min. Cette étape permet d'ajuster l'état de Pu d'oxydation + IV.
  2. Extraction en phase solide de Pu
    1. Mouiller une colonne à base d'amine quaternaire-anion résine échangeuse (comme TEVA) avec 1,5 ml 8 M HNO 3. Utiliser des micro-colonnes en 1 ml pointe de la pipette avec 100 mg de la résine conditionnée avec 1,5 ml 8 M HNO 3.
    2. Faire passer la solution du point 5.1.1 à travers la colonne de résine avec un taux d'environ 1 ml min -1. Rincer le bécher avec 2 ml 8 M HNO 3 trois fois et les affouillements de transfert à la résine colonnes.
  3. Elute Pu
    1. Laver colonnes avec 3 ml HCl 9. Elute Pu avec 3 ml de solution M HCl 9 / 0,1 M HI. Évaporer éluats sur la plaque chauffante. Traiter avec 2 ml concentrés HNO 3, évaporer à sec. Répétez si nécessaire jusqu'à ce que la couleur brune de l'iode disparaît.
    2. Déterminer la concentration Pu dans les échantillons par toute méthode disponible.
      Remarque. Pour la gamme de concentrations de 239 Pu utilisé dans ce protocole alpha-spectrométrie fournit une bonne sensibilité. Préparer sources pour l'alpha-spectrometric comptage par galvanoplastie sur des disques en acier inoxydable 14. Comptez sources sur PIPS détecteur (450 mm 2) dans un spectromètre.

6. Analyse des données

  1. Terrain diffusé Pu en fonction du temps
    1. Tracer l'activité de Pu (mBq) accumulées dans le compartiment B en fonction du temps (min). Corriger pour le volume de l'échantillon prélevé au cours de l'expérience de diffusion: activité du cumul Pu (mBq) à l'instant t est égale à la concentration (mBq ml -1) déterminée dans l'échantillon multiplié par le volume de la solution (ml) dans le compartiment B au moment de l'échantillonnage (voir l'exemple de la feuille de calcul - Figure 2).
    2. Pour tracer sur les mêmes données de graphe de plusieurs expériences avec différentes concentrations Pu, les concentrations d'utilisation normalisées à la concentration initiale de Pu compartiment A.
  2. Calculer le coefficient de diffusion
    1. Calculer coefficient de diffusion D (cm 2 sec -1) des espèces PU pour chaque expérience 10. L'utilisation de l'équation (1):
      Equation 1 (1)
      où Ag est l'épaisseur de gel de diffusion (cm), C la concentration initiale Pu (mBq ml -1), S l'aire de diffusion (cm 2), et A l'activité (mBq) d'espèces Pu diffusés dans le compartiment B au temps t (sec). AA / At est la pente de la courbe linéaire de Pu diffusé dans le compartiment B en fonction du temps.

7. Études de biodisponibilité de Pu dans les eaux douces naturelles

  1. Préparer échantillonneurs DGT
    1. Mouillez un plateau en plastique avec quelques ml d'électrolyte (par exemple, 10 mM NaNO 3), placez la plaque de fond (voir Figure 3) de l'échantillonneur de la DGT. Utilisez un éclairage local si nécessaire, il peut aider à visualiser des gels transparents.
    2. Positisur un Chelex bande de gel de résine 6 cm x 22 cm et d'étendre uniformément sur la surface de la plaque. Placez sur le dessus de la couche de gel de résine une bande de gel de diffusion 6 cm × 22 cm PAM et étendre uniformément sur la surface. Assurez-vous que les gels ne sont pas coulissantes et sont positionnés de manière à surface lisse.
    3. Couvrir la couche de gel par diffusion avec un 6 cm x 22 cm d'un morceau de membrane filtre. Placez le cadre de la couverture de l'échantillonneur de la DGT (voir Figure 3) sur la membrane du filtre et fermer l'ensemble appuyant légèrement le cadre sur les bords.
    4. Couper les pièces de gel étendant avec une lancette forte, ouverte et réaligner couches de gel si nécessaire jusqu'à une surface de plaque lisse est obtenue. Fixer l'ensemble avec des vis.
    5. Mouiller les échantillonneurs DGT avec quelques ml d'électrolyte (par exemple, 10 mM NaNO 3). Stocker humide dans un sac en plastique scellé jusqu'à plusieurs semaines à 4-5 ° C.
  2. Déploiement de dgts dans un plan d'eau naturel
      Figure 4.
    1. Déployer dgts dans le corps de l'eau, soit de les suspendre sur une corde solide ou d'installer sur un support vertical stable de manière à fournir un débit d'eau tangentielle constante le long de la surface de la DGT. Déployer dispositifs DGT dans les eaux douces pour deux à trois semaines afin d'accumuler le Pu à une concentration suffisante pour les mesures.
  3. Traitement des dgts récupérées
    1. Récupérer dgts de l'eau. Dévissez l'assemblage, sortez membrane filtrante et le jeter. Sortez la couche de gel supérieure (PAM de gel de diffusion) et le jeter.
    2. Transférer le gel de résine dans un récipient en verre contenant 20 ml 8 M HNO 3 et des échantillons de pointe afin d'être analysé avec un traceur de rendement. Utiliser un pic de 1,00 ml de 242 Pu traceur de 0,25 mBq ml -1 (1,7 pg ml -1) la concentration de l'activité pour les mesures de la MGS. Après avoir bien agiles unes dans laissez échantillons O / N pour le Pu élution.
  4. Éluats État DGT
    1. Filtrer les solutions à partir des échantillons de gel à base de résine; rincer les gels de résine restants avec 5 ml 8 M HNO 3 et de combiner les affouillements avec des échantillons. Ajouter 20 mg de NaNO 2 pour chaque échantillon, chauffer les solutions à 70 ° C pendant 10 min. Cette étape permet d'ajuster l'état de Pu d'oxydation + IV.
  5. Extraction en phase solide de Pu
    1. Mouiller un anion cartouche de résine échangeuse quaternaire à base d'amine avec 10 ml de HNO 3 M 8. Passer les solutions du point 7.4.1 à travers la cartouche de résine d'échange avec taux d'environ 1 ml min -1 d'écoulement. Rincer le bécher avec 5 ml de HNO 3 8 M et trois fois pour transférer les affouillements cartouche de résine échangeuse.
  6. Elute Pu
    1. Laver les cartouches avec 10 ml 9 M HCL. Elute Pu avec 15 ml de solution M HCl 9 / 0,1 M HI. Évaporer éluat sur une plaque chauffante. Traiter avec 2 ml de HNO 3 concentré, evaporate à sec. Répétez si nécessaire jusqu'à ce que la couleur brune de l'iode a complètement disparu.
    2. Répéter la séparation radiochimique de Pu une à deux fois plus si la purification plus élevé est nécessaire - en fonction de la performance du système de détection Pu. Effectuez la deuxième et la troisième séparations sur les micro-colonnes en 1 ml pointe de la pipette avec 100 mg de résine échangeuse climatisées avec 1,5 ml 8 M HNO 3.
    3. Déterminer Pu concentration dans les échantillons. Utilisez les techniques de spectrométrie de masse pour mesurer Pu 239 en raison de la très faible niveau de plutonium dans l'environnement vierge.
      Remarque: Dans cette œuvre, utilisez l'installation AMS à l'écoute pour l'analyse des actinides au Laboratoire de Ion Beam Physique à l'Institut fédéral suisse de technologie de Zurich.

8. Analyse des données

  1. Calculer la concentration (C DGT dans μBq ml -1) des biodisponible (labile) Pu spECIES dans l'eau en vrac à partir de la quantité de Pu accumulée par la DGT au cours de la période de déploiement. L'utilisation de l'équation (2):
    Equation 2 (2)
    où A est l'activité (μBq) de Pu accumulé dans la phase liante, Ag de la couche de diffusion (membrane de gel + filtre) Epaisseur (cm), D le coefficient de diffusion de Pu dans le gel de PAM (cm 2 s -1), S la zone de diffusion (cm 2), et t la durée de déploiement (sec).
  2. Comparez C DGT de Pu déterminé par dgts avec concentration totale Pu dans l'eau en vrac, ainsi que d'autres données de spéciation disponibles.

9. Séparation radiochimique pour la détermination du total Pu dans l'eau en vrac

  1. Condition échantillon d'eau
    1. Pomper l'eau du corps étudiée de l'eau à travers un filtre à membrane de 45 um dans une plastic destinataire. Travailler avec des échantillons de 10 à 50 L pour les mesures de la MGS. On acidifie l'eau à pH 2 avec du HNO 3 immédiatement après le prélèvement au niveau du site d'échantillonnage avant le transport vers le laboratoire.
  2. Précipiter Pu sur hydroxydes de fer
    1. Dans le laboratoire introduire un agitateur de tête dans le récipient. Addition de l'échantillon avec un rendement Pu traceur. Utiliser un pic de 1,00 ml de 242 Pu traceur de 0,25 mBq ml -1 (1,7 pg ml -1) la concentration de l'activité pour les mesures de la MGS.
    2. Ajouter FeCl 3 · 6H 2 O prenant environ 0,25 g par 10 L échantillon. Après avoir agité pendant 30 minutes, un précipité d'hydroxydes de fer avec NH 4 OH à un pH de 8.
  3. Seconde précipitation du Pu sur hydroxydes de fer
    1. Décanter le surnageant de l'échantillon de l'eau du point 9.2.2. Récupérer le précipité d'hydroxydes de fer dans un bécher de 2 L. de verre, rincez le récipient avec de l'eau déminéralisée et de combiner les affouillements avec le sample.
    2. On dissout le précipité dans du HCl M ~ 100 ml 5, de la chaleur à 90 ° C pour décomposer les carbonates. Filtrer si nécessaire lorsque la solution est refroidie. Re-précipiter des hydroxydes de fer avec NH 4 OH à un pH de 8.
  4. Condition hydroxydes de fer pour l'analyse
    1. Décanter le surnageant de l'échantillon du point 9.3.2. Récupérer le précipité d'hydroxyde de fer dans une cuve de centrifugation. Centrifugeuse, jeter le surnageant. Laver le précipité avec de l'eau déminéralisée. Répéter 2-3 fois.
    2. Dissoudre le précipité dans 10 ml 8 M HNO 3, présente à la séparation radiochimique de Pu comme décrit précédemment dans les sections 7.4-7.6.

10. Préparer les échantillons pour les mesures AMS

  1. Précipiter Pu sur hydroxydes de fer
    1. Après séparation radiochimique, dissoudre l'échantillon final dans HCl 0,5 M ml 1, transférer l'échantillon avec une pipette en plastique dans un 2,5 ml flacon en verre. Rincer le TWIC échantillon de béchere avec HCl 0,5 ml 1, transférer les affouillements à la même flacon.
    2. Ajouter 0,5 ml de 2 mg ml -1 stocks la solution de Fe de fournir 1 mg de fer. Précipiter des hydroxydes de fer en ajoutant quelques gouttes de NH4OH concentré. Centrifugeuse et décanter le surnageant.
    3. Laver le précipité avec de l'eau déminéralisée, centrifugeuse et décanter le surnageant. Sécher le précipité sur la plaque chaude à 90 ° C.
  2. Préparer cible pour les mesures AMS
    1. Cuire les hydroxydes précipitent à partir du point 10.1.3 dans un four pendant 2-3 heures à 650 ° C. Bien mélanger avec 3-4 mg de poudre de métal niobium et presse dans un support de cible de Ti pour les mesures de la MGS.
      Note: Nous avons mesuré les échantillons avec le compact (0,6 MT) système AMS "TANDY" à l'Institut fédéral suisse de technologie (ETH Zurich) accordé pour les mesures d'actinides 15,16.

Representative Results

Expériences de diffusion

Tracer les activités de Pu 239 diffusées dans le compartiment B de la cellule de diffusion en fonction du temps donne une représentation visuelle du flux des espèces 239 Pu diffusion à travers le gel de l'APM. Les coefficients de diffusion calculés à partir de ces emplacements conformément à l'équation 1 de fournir un moyen supplémentaire permettant de comparer la mobilité des différents 239 espèces redox Pu dans divers environnements chimiques (figure 2). La figure 5 illustre les expériences de diffusion avec Pu (IV) et de Pu (IV) -Pu (V) les espèces mélangées, respectivement, dans les tampon MOPS et en présence de 20 ppm de HA. Une comparaison de ces parcelles montre que Pu (V) est beaucoup plus mobile que Pu (IV) .Cet est particulièrement valable pour Pu (IV) et de Pu (V) lorsque HA (MW 5-40 kDa dans nos expériences, caractérisé dans le par SI Cusnir et al.) 10 est ajouté en tant que complexant molécules. Pu (V) la source solution préparé selon le protocole décrit dans le présent document contient de manière prédominante des espèces Pu (V). Extraction en phase liquide avec HDEHP à la fin de l'expérience de diffusion dans les MOPS solution tamponnée a trouvé 80% ± 10% de Pu (V). Le rendement chimique de cette extraction est de 80%. La solution de Pu (V) en présence de 20 ppm de HA a été équilibrée pendant 24 h et Pu (V) dans cette fraction de solution modèle était de 35% ± 10%.

Les études sur Pu biodisponibilité dans les eaux douces naturelles

Plusieurs dispositifs DGT construits dans notre laboratoire ont été exposés avec succès pour des périodes de deux à trois semaines dans une source karstique des montagnes du Jura suisse. Ceci est une source d'eau minérale avec le pH de l'eau dans la plage de 6,5 à 7,5, une conductivité supérieure à 400 microsiemens cm-1 et saturé avec de l'oxygène. Ces expériences ont démontré une bonne applicabilité et la robustesse des ensembles de gel, sans aucune trace de l'encrassement biologique, peut-être aussi à cause de til basse température du ressort (7 ° C). Dgts récupérés après les déploiements ont été bien conservés, avec des couches de gel intacts, conservant la forme initiale et l'aspect visuel. Pu accumulée par dgts a été analysée par AMS. AMS offre des avantages considérables par rapport aux autres techniques d'analyse: il est très sensible (à des niveaux sous-FG), et nécessite montant initial de l'échantillon beaucoup plus faible que l'alpha-spectrométrie ou techniques ICP-MS. En outre, des interférences isobariques moléculaires, tels que l'hydrure d'uranium (238 UH), ou d'autres molécules sont efficacement supprimés pendant la mesure AMS et ne pas interférer avec la détection 239 Pu. Pour des raisons techniques (le plus probablement d'une contamination par 239 Pu pendant les séparations chimiques), nous ne pouvions pas utiliser les données pour 239 Pu pour les premières applications de dgts dans le domaine. Néanmoins, les résultats de 240 Pu étaient impartiale. Ainsi, nous avons calculé le 239 Pu contenu de la mesure <sup> 240 Pu, prenant 0,18 en 240 Pu / 239 Pu rapport atomique pour Fallout plutonium. Les résultats sont résumés dans le tableau 1.

239 Pu concentrations mesurées dans les échantillons d'eau en vrac sont similaires aux concentrations précédemment rapportées pour cet aquifère (1-7 μBq L -1) 11. En outre, 239 Pu concentrations calculées à partir de mesures de la DGT sont similaires dans les incertitudes de la mesure. Depuis dgts accumulent seules espèces libres et labiles Pu, on peut estimer la fraction biodisponible de Pu dans cette eau. Les données figurant dans le tableau 1 indiquent que tous les 239 espèces Pu présents dans l'eau en vrac se trouvent dans une forme biodisponible. Ceci est un résultat intéressant à la lumière des résultats précédents 11, qui ont révélé l'accumulation prédominante de 239 + 240 Pu dans la fraction intracellulaire des mousses aquatiques croissance au printemps par rapport à et 90 Sr. Les 11 auteurs ont suggéré que la mobilité accrue de Pu dans cet aquifère naturel était due à la formation d'un complexe soluble de carbonate Pu, peut-être comme un Pu (V) sous forme de plutonyle, complexe uranyle-carbonate semblable à l'état naturel. Eau de la source Venoge est l'eau dure, avec une concentration élevée en carbonate et une très faible teneur en NOM (environ 1 ppm).

Figure 1
Figure 1. cellule de diffusion utilisés pour des expériences sur la diffusion Pu à travers le gel de PAM. La gorge épaisseur 0,5 cm, la profondeur de rainure de 0,39 mm. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. SnapshOT de la feuille de calcul Excel utilisée pour les calculs du coefficient de diffusion. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Dispositif de Grand-surface DGT pour les mesures environnementales de spéciation Pu composants de l'appareil DGT -. La plaque de fond et le cadre de la couverture -. Représenté à gauche, l'assemblage avec des trous d'équipage sur le droit S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Dispositifs échantillonneurs 4. DGT de chiffre fixe dans le support (à gauche) exposés dans la Venoge spring (à droite) pour les mesures de biodisponibilité Pu. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5. Terrain de la 239 Pu diffusé dans le compartiment B de la cellule de diffusion dans différents environnements chimiques. Les points de données expérimentales sont données pour 239 Pu (IV) et 239 Pu (V), respectivement, en tampon MOPS ainsi que pour 239 Pu (IV) - 239 Pu (V) des espèces mixtes (35% ± 10% de Pu (V)) en présence de HA. La ligne indiquée pour 239 Pu (IV) HA a été calculée en utilisant un coefficient de diffusion de 0,50 × 10 -6 cm 2 s -1 précédemment déterminé 10. Les coefficients de diffusion calculés à partir de l'équation 1 sont: Pu (IV) dans du tampon MOPS - 2,29 × 10 -6 cm 2 s -1, Pu (V) dans un tampon MOPS - 3,50 × 10 -6 cm 2 s -1, Pu (IV) - Pu (V) avec HA - 0,92 × 10 -6 cm 2 s -1. De haut en bas: Pu (V) dans un tampon MOPS (cercle rouge ouverte), Pu (IV) dans le tampon MOPS (bleu triangles vides), Pu (IV) - Pu (V) en présence de 20 ppm de HA (vert carrés ouverts), Pu (IV) en présence de 20 ppm de HA (diamants bruns ouverts). S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Type d'échantillon Nombre de mesures 239 concentration Pu, μBq L -1
Eau en vrac 2 1,9 ± 0,55
DGT 0,39 mm 2 1,74 ± 0,9
DGT 0,78 mm 1 1,79 ± 0,9

Tableau 1. Les résultats représentatifs pour 239 Pu mesures par AMS dans l'eau en vrac et des échantillonneurs DGT. 239 Pu dans l'eau en vrac a été co-précipités à partir de 20 L d'eau avec des hydroxydes de fer, extrait de la résine de change spécifique actinides et mesurée par AMS . 239 des concentrations Pu pour les mesures DGT calculées selon l'équation 2 et coefficient de diffusion pour Pu (IV). Incertitudes pour k = 2; u (95).

Discussion

La méthodologie DGT décrit ici pour des expériences avec Pu utilisant une cellule de diffusion fournit une approche fiable pour diverses études sur les espèces redox Pu et leurs interactions avec les molécules organiques, des particules colloïdales et les systèmes environnementaux simulés. D'autres applications de dgts pour les mesures environnementales de Pu contribueront à notre compréhension de la biodisponibilité et le sort de ce radionucléide dans les écosystèmes aquatiques.

Expériences de diffusion de laboratoire

Afin de réaliser une expérience de diffusion réussie avec des conclusions significatives sur la mobilité Pu et les interactions concernant un environnement chimique spécifique, bien définies et contrôlables conditions doivent être fournis. L'ajustement de Pu états d'oxydation avant d'expérimenter est essentiel de simplifier l'interprétation des données ainsi que pour simuler divers comportements biogéochimiques des espèces redox Pu. La sensibilité des espèces à Pules variations de pH fait tamponner les solutions un must. Une attention particulière devrait être attirée sur les caractéristiques de cellules de diffusion et configuration: l'utilisation de matériaux non-sorption polymère Téflon évite adsorption sur les parois des cellules et permet un assemblage étanche robuste, prévention de la perte de Pu de diffuser des solutions pendant l'expérience.

La concentration initiale Pu à être introduite dans le compartiment A, ainsi que l'intervalle d'échantillonnage et le volume de chaque échantillon prélevé pendant l'expérience de diffusion dépendent de la méthode d'analyse disponible dans le laboratoire. Toute méthode analytique est disponible peut être utilisé pour la détermination de la concentration de Pu dans les échantillons provenant de la cellule de diffusion, mais ce choix est étroitement lié à l'activité initiale du Pu pris pour l'expérience. 10 Bq de 239 Pu comme recommandé dans ce protocole (donnant 100-140 mBq ml -1 ou ~ 2 × 10 -13 mol ml -1) sont suffisantes pour fournir assez de sensibilité pour Measurements par spectrométrie alpha-et généralement ne posent pas de problèmes particuliers pour la réglementation de la radioprotection. La concentration initiale de Pu peut être réduite si d'autres techniques analytiques plus sensibles, sont disponibles pour la détermination Pu (par exemple, la spectrométrie de masse). Intervalle d'échantillonnage peut être choisie pour chaque expérience de diffusion, en fonction de la concentration initiale Pu, et le taux attendu de diffusion à travers le gel de l'APM. En dépit du fait que les fractions aliquotes à partir d'expériences de diffusion ne contiennent pas de radionucléides autres que Pu, la présence de sels minéraux et de la mémoire tampon MOPS peut interférer avec la méthode d'analyse, ce qui réduit l'efficacité et la précision de l'analyse quantitative. Par conséquent, il est préférable d'effectuer une séparation chimique de Pu sur ces échantillons.

La cellule de diffusion fournit la meilleure approche pour étudier la diffusion dans le gel d'PAM depuis le gel est exposé directement à une solution bien agitée. Ainsi, les effets de la bo de diffusioncouche undary (DBL) à la surface du gel sont considérés comme négligeables. Bon agitation des solutions lors d'une expérience de diffusion est essentielle, permettant pour la minimisation des effets DBL. Dans le même temps, il faut procéder avec prudence afin de ne pas perturber le gel de PAM.

Études de biodisponibilité Pu dans les eaux douces naturelles

Les résultats produits par ce spectacle de protocole que la mesure de plutonium avec des dispositifs DGT fournit un outil efficace pour étudier la biodisponibilité du plutonium dans l'eau douce. DGT mesures donnent concentration moyenne dans le temps des espèces libres et labiles, les deux formes les plus importantes pour l'absorption biologique par des organismes vivants. En outre, la cinétique de l'interaction de la matière organique avec Pu peuvent être étudiés en utilisant des gels de différentes épaisseurs. Le temps nécessaire pour les espèces Pu-NOM se diffuser à travers le gel permettra complexes les plus labiles de dissocier. DGT mesures peuvent être complétées btechniques d'ultrafiltration y, qui donnent le pourcentage d'espèces colloïdales Pu-dessus d'une taille donnée (par exemple, 8 kDa). Espèces colloïdales Pu sont généralement considérées comme des espèces non-biodisponibles et font partie de la fraction Pu pas mesurables en utilisant la DGT.

À ce stade, les dispositifs DGT ont été déployés uniquement en eau douce d'une source karstique des montagnes du Jura suisse. Faibles concentrations dans l'environnement de Pu exigent un déploiement à long terme de dispositifs DGT, qui peuvent rencontrer des inconvénients potentiels. Encrassement biologique de la surface DGT représente un inconvénient important, augmentant l'épaisseur DBL et limitant ainsi le flux de Pu à travers le gel de PAM. Reliure phase des dgts exposées dans les eaux marines ou dans les eaux de forte minéralisation peut être saturé rapidement avec d'autres métaux traces, de déformer les données d'accumulation de Pu. Détermination des niveaux de Pu environnement de trace requiert une séparation radiochimique approfondie et des méthodes d'analyse très sensibles. Mesure AMSs appliqués dans ce protocole ne sont pas largement disponibles, mais peuvent être remplacés par d'autres techniques de spectrométrie de masse. Cependant, une séparation radiochimique rigoureuse est nécessaire pour éliminer l'interférence isobarique 238 UH à partir d'uranium naturel.

L'équation 2 indique que la taille du dispositif DGT est un paramètre essentiel qui peut être réglée pour augmenter la quantité de Pu accumulée pendant un temps donné déploiement. Bandes de gel commerciaux sont disponibles uniquement avec une surface maximum de 6 cm x 22 cm. Par conséquent, la fenêtre de l'échantillonneur de la DGT a été augmenté à 105 cm 2 (5 cm x 21 cm), ce qui rend possible d'accumuler suffisamment d'espèces pour Pu relativement courts délais de déploiement. Le montage d'un tel échantillonneur DGT exige précision et une attention particulière pour les propriétés de la feuille de gel de PAM tout en manipulant. Il est d'une importance fondamentale pour assembler des couches de gel dans un uniforme face lisse "sandwich" dans le but de fournir un homoflux-cutanée d'espèces Pu de l'eau en vrac à travers le gel de diffusion. Une bonne circulation de l'eau à la surface de la DGT est également un paramètre important, mais il est principalement déterminé par les conditions d'écoulement dans l'aquifère. Il est recommandé de placer des dispositifs DGT pour les mesures Pu à environ 45 ° vers la direction de l'écoulement de l'eau afin de fournir un approvisionnement régulier en eau et de minimiser les effets de la DBL.

Coefficient de diffusion utilisée dans l'équation 2 doit être corrigée si la température dans le corps étudié d'eau est différente de la température à laquelle le coefficient de diffusion a été déterminée. Effets de la température sur les coefficients de diffusion sont donnés par l'équation de Stokes-Einstein (équation 3):
Équation 3 (3)
où D 1 et D 2 sont des coefficients de diffusion (cm 2 s -1), η 1 η et 2 sont des viscosités (mPa.s) de water à des températures T 1 et T 2 (K), respectivement.

Actuellement, il n'y a aucune méthode pour étudier la spéciation Pu dans un environnement vierge, sauf pour les calculs thermodynamiques basés sur, par exemple, le pH et les paramètres d'oxydoréduction. Ces paramètres ne sont disponibles que pour les macro-éléments, tels que les carbonates de fer, de manganèse ou de cations. Ainsi, Pu spéciation est dérivée de ces espèces mesurables, mais ne représente pas une mesure «réelle». Ici, nous pensons que la diffusion de la technique de film de gel PAM mince tel que présenté dans le présent document est une étape importante dans la résolution du problème de la spéciation Pu, car il permet de mesurer en libre situ et espèces labiles et, éventuellement, attestant espèces plutonyle. Bien que seulement quelques mesures de la DGT Pu environnement dans les eaux douces ont été entrepris jusqu'à présent, les résultats obtenus sont encourageants pour d'autres applications de la technique DGT pour spéciation études de biodisponibilité et Pu.Déploiement de dgts dans les eaux riches en matières organiques sera potentiellement fournir des informations importantes sur la mobilité et les interactions Pu en présence de molécules d'NOM. Des résultats intéressants devraient être attendus à partir de mesures de la DGT dans les environnements marins contaminés, comme les mers côtières autour de l'usine de retraitement nucléaire de Sellafield et l'Fukushima Daiichi centrale nucléaire endommagée.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
239Pu tracer CEA Source PU239-ELSC10
242Pu tracer LNSIRR Source Pu242 N° 790 from Laboratory for National Standards of Ionizing Radiation of Russia
25 ml Beakers
Pipette Socorex
Disposable plastic pipettes Semadeni
20 ml Plastic scintillation vial Semadeni
Aluminium foil
Hot plate
Tweezers
Actinide exchange resin - TEVA - B Triskem TE-B50-A
Actinide exchange resin - TEVA - R cartridges Triskem TE-R10-S
1 ml Pipette tips Socorex
PAM gel strip 6×21 cm DGT Research Ltd 0.39 mm and 0.78 mm thickness / www.dgtresearch.com
Chelex gel strip 6×21 cm DGT Research Ltd 0.40 mm thickness / www.dgtresearch.com
Diffusion cell Fabricated / in-house workshop
Ø 27 mm Punch Fabricated / in-house workshop
Plastic tray
DGT set-up Fabricated / in-house workshop
Membrane filter PALL Corporation HT-450 Tuffryn Polysulfone Membrane Disc Filter 0.45 μm / 145 μm thickness
Nitric acid  Carlo Erba 408025
Sulfuric acid Sigma-Aldrich 84720
Hydrocloric acid Carlo Erba 403981
Hydriodic acid Merck 100341
Potassium permanganate Merck 105082
Sodium hydrogen sulfate Merck 106352
Sodium sulfate Merck 106647
Sodium nitrate Sigma-Aldrich 31440
Sodium nitrite Fluka 71759
Sodium acetate Merck 106281
Ammonium oxalate Fluka 9900
Bis-(2-ethyl hexyl) phosphoric acid (HDEHP) Merck 177092
2-thenoyltrifluoroacetone (TTA) Fluka 88300
MOPS buffer Sigma-Aldrich M9381 MOPS sodium salt
Cyclohexane Carlo Erba
Humic acid Extracted from an organic-rich soil of an Alpine Valley, freeze-dried, MW 5-40 kDa
NH4OH Carlo Erba 419943
FeCl3·H2O Sigma-Aldrich 44944

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