Summary
Tekniken med diffusiva gradienter i tunna filmer (DGT) föreslås för artbildning studier plutonium. Detta protokoll beskriver diffusion experiment sonderings beteende Pu (IV) och Pu (V) i närvaro av organiskt material. DGTs utplacerade i en karstic våren möjliggöra en bedömning av biotillgängligheten av Pu.
Abstract
Den biologiska upptag av plutonium (Pu) i akvatiska ekosystem är särskilt oroande eftersom det är en alfa-partikel emitter med lång halveringstid som potentiellt kan bidra till exponering av biota och människor. De diffusiva gradienter i tunna filmer teknik införs här för in-situ mätningar av Pu biotillgänglighet och artbildning. En diffusionscell konstruerad för laboratorieförsök med Pu och nyutvecklade protokollet gör det möjligt att simulera miljöbeteende Pu i modelllösningar av olika kemiska sammansättningar. Justering av oxidationstillstånd till Pu (IV) och Pu (V) beskrivs i detta protokoll är nödvändig för att utreda komplexa redoxkemi av plutonium i miljön. Kalibreringen av denna teknik och de resultat som uppnåtts i laboratorieexperiment gör det möjligt att utveckla en särskild DGT anordning för in-situ Pu mätningar i sötvatten. Acceleratorbaserad masspektrometri mätningarPu samlats av DGTs i karst våren tillåts bestämma biotillgängligheten av Pu i en mineralsötvattenmiljö. Tillämpningen av detta protokoll för Pu mätningar med DGT-enheter har en stor potential att förbättra vår förståelse av artbildning och biologiska överföring av Pu i akvatiska ekosystem.
Introduction
Plutonium är en konstgjord radionuklid i miljön som en följd av den globala nedfallet efter atombomben tester och kärnkraftsolyckor. Den redoxkemi av plutonium har stor betydelse för dess migration och biogeokemiska cykling i miljö akvatiska system 1. Plutonium har en komplex kemi och kan existera i fyra oxidationstillstånden (III, IV, V, VI) samtidigt. Därför är fördelningen av redox arter av plutonium i naturliga vatten extremt känslig för den lokala kemiska miljön 2,3. Oxidationstillståndet av plutonium beror också på ursprunget till källan - detta uttalande är mest relevanta för förorenade miljöer och deponier. Minskade plutonium arter (+ III och IV +) återfinns huvudsakligen i syrefria miljöer och kommer från den globala nedfall och lagras avfall utsläpp, medan högre oxidationstillstånd (+ V och + VI) kan hittas bland sönderfallsprodukter från andra aktinideroch i oxiska miljöer 4.
Rörligheten och miljöbeteende av plutonium kan förutsägas i viss utsträckning från redox artbildning. Plutonium i + III och IV + oxidationstillstånden finns huvudsakligen i fast fas och har ökad kapacitet att sorbera på oorganiska kolloider och naturligt förekommande organiskt material (NOM) molekyler. Plutonium i + III och IV + oxidationstal anses vara mindre rörliga. Mer lösliga oxiderade former av plutonium (+ V och + VI + V är mest troligt) 5 kan eventuellt bidra till en högre biologisk överföring för vattenlevande organismer på grund av högre rörlighet. Icke desto mindre, i närvaro av NOM, särskilt av humussyra, Pu (V) reduceras 17, skiftning av partitione flera storleksordningar till förmån för utfällning. Trots det faktum att reduktionsgraden av Pu (V) till Pu (IV) är fyra till fem storleksordningar snabbare än den omvända reaktionen, mobilisering av Pu (IV) under oxiderande betingelser may också ske en. De senaste experimentella data om mineral sediment ändras med Pu (IV) och utsattes för naturliga oxiderande förhållanden har visat att koncentrationen av lösligt Pu i vattenfasen ökade med tiden 1,6. Författarna förklarar den genom oxidativ desorption av Pu (IV) och bildning av mer lösliga Pu (V) och Pu (VI) arter. Oxidation av Pu (IV) kan också uppstå på grund av naturligt stött manganoxider 7. Dessa observationer är viktiga för biologisk modellering och miljöriskbedömning för avfallshantering och förorenade områden.
Studier av biotillgänglighet och speciering av plutonium är en utmanande uppgift i både laboratorie- och in situ förhållanden. Låga koncentrationer miljömässiga, variabiliteten av redoxspecies och växelverkan med naturliga kolloider gör det svårt att simulera biogeokemiska beteende av plutonium. Tekniken med diffusiva gradienter i tunna filmer (DGT) baserat påspridning av fria och labila förorenings arter genom en polyakrylamid (PAM) gel används ofta för miljömätningar av spårelement 8. En DGT provtagaren representerar en tre-skikt anordning gjord av ett bindande fas (för majoriteten av spårmetaller är det Chelex hartset innehöll i PAM gelén), diffusiv gelskikt (PAM gel av varierande tjocklek) och ett filtermembran som skyddar gelén och håller samman enheten. Tunna filmer av polyakrylamidgel, som består av 85% vatten, göra det möjligt för fria och labila komplexa arter att sprida snabbare än plutonium bunden till stora NOM molekyler eller naturliga kolloidala partiklar. En set-up för att studera plutonium diffusion i tunn PAM gelfilmer i laboratorieförhållanden kallas en diffusionscell 9.
En diffusionscell är ett två-fack kärl där två separata fack är sammankopplade genom en öppning hos en given yta. Öppningen, dvs. fönstret mellan de två kamrarna contains en skiva för diffusion gel av en given tjocklek. Vi konstruerade en teflon cell med två 100 ml fack och en cirkulär spridning fönster 1.7 cm i diameter. Ett fack är löstagbar, vilket underlättar monteringen. En 0,5 cm bred spår ristade runt diffusion fönstret på den fasta facket tjänar till att placera diffus Gelplattan. Spårdjupet bör vara densamma PAM geltjockleken avsedd att användas. Vi väljer att arbeta med en 0,39 mm PAM gel, vilket spårdjupet i vår diffusionscellen är 0,39 mm. En detaljerad bild av diffusionscellen ges i figur 1.
När en lösning som ursprungligen innehållande plutonium placeras i ett fack (A), kommer diffunderande Pu arter etablera en koncentrationsgradient i gelén och kommer att börja ackumuleras i den andra avdelningen (B), från början innehåller en lösning med samma kemiska sammansättning utan Pu . Den initiala koncentrationen av Pu arter i kammaren A är definierad så att den remains konstant eller förändringar mycket lite (med 1% -2% som mest) hela diffusion experiment. Plotta mängden diffust Pu förhållande till tiden ger en möjlighet att analysera rörlighet Pu arter som råder i de olika simulerade miljöförhållanden. Diffusion i tunna filmer ger ett värdefullt alternativ för studier på Pu rörlighet och artbildning och kan framgångsrikt tillämpats i fältförhållanden 10. Man kan ersätta diffusionscellen av en passiv provtagaren, tillverkas med PAM diffusiv gelén och Chelex-harts som bindfasen, som tjänar till att ackumulera diffunderande Pu arter. En sådan sampler kan exponeras i fältförhållanden - mängden Pu samlats i hartset kommer att vara vägledande för artbildning och biotillgängligheten av Pu i den aktuella miljön 10.
I detta arbete har vi använt en diffusionscell för att undersöka rörlighet Pu (IV) och Pu (V) arter och deras interaktioner med NOM i laboratoriemiljö. Furthermore tillämpade vi stora passiva DGT provtagare av en yta av 105 cm 2 för att studera den biologiska tillgängligheten hos Pu i en karstic våren Schweiziska Jurabergen (Venoge River) där en betydande fraktion av Pu hittades i de intracellulära delarna av vattenlevande mossor i en tidigare arbete 11. På grund av den mycket låga nivå av plutonium som finns i denna orörda miljö, var acceleratorbaserad masspektrometri (AMS) tekniker som är tillgängliga på ETH Zürich används för att mäta plutoniumisotoper.
Protocol
1. Plutonium Tracer Framställning
- Pu (IV) tracer preparat
- Från Pu stamlösning överföra en lämplig alikvot innehållande den önskade mängden Pu för experimentet i ett 25 ml glasbägare. Arbeta med 10 Bq av 239 Pu åt gången.
- Tillsätt 1 ml koncentrerad HNO3, 0,6 ml 1 M NaHSOs 4, 0,4 ml koncentrerad H 2 SO 4. Indunsta till torrhet på en värmeplatta. Värm långsamt vid 200 ° C i början för att undvika syra projektion.
- När ingen vätska kvar i bägaren, glödga återstoden vid 400 ° C - 500 ° C tills inga vita ångor utgår. Återstoden är vita vid kylning och löslig i bufferten som valts för experimentet.
Obs: Pu (IV) källa som framställts på detta sätt kan lagras torrt upp till flera månader 12.
- Pu (V) tracer beredning 13
- Pu oxidation
- Överför en alikvot från Pu stock lösning i en plast 20 ml vätskeskintillationsflaska med en läckagesäkert lock. Arbeta med 10 Bq av 239 Pu åt gången. Lägg 0,01 ml av 0,01 M KMnO 4 och lämna blandningen i mörker under åtminstone 6 timmar.
- Pu (VI) extraktion
- Före extraktion framställa en lösning av 0,5 M thenoyltrifluoroacetone (TTA) i cyklohexan och skydda den från ljusexponering. Förbereda alltid denna lösning omedelbart före varje experiment.
- Lägg till den oxiderade Pu lösning 2 ml 0,1 M CH 3 COONa vid pH 4,7 och 2 ml 0,5 M thenoyltrifluoroacetone (TTA) i cyklohexan. Linda flaska med aluminiumfolie för att hålla reaktionsblandningen i mörker, skaka i 10 minuter. Separera den organiska fasen innehållande Pu (VI) med en pipett och överföra till en ren glasflaska.
- Pu (VI) för Pu (V) fotoreduktion
- Låt glasampuU innehållande Pu (VI) -TTA komplex i cyklohexan vid rumsbelysning i 2 timmar.
- Pu (V) extraktion
- Lägg till ljusexponerade lösning 1 ml 0,1 M CH 3 COONa vid pH 4,7 och skaka i 5 minuter. Avlägsna vattenfasen, innehållande Pu (V). Bestäm koncentrationen av denna källa genom vätskescintillationsräkning tar en 100 | il alikvot.
Obs: Förbered Pu (V) lösningar omedelbart före varje experiment, eftersom den långvariga stabiliteten av Pu i + V oxidationstillståndet ifrågasätts.
- Lägg till ljusexponerade lösning 1 ml 0,1 M CH 3 COONa vid pH 4,7 och skaka i 5 minuter. Avlägsna vattenfasen, innehållande Pu (V). Bestäm koncentrationen av denna källa genom vätskescintillationsräkning tar en 100 | il alikvot.
- Pu oxidation
2. Beredning av lösningar som används i experimenten
- Bered buffrade lösningar
- Gör 10 mM lösning av MOPS (3- (N morfolino) propansulfonsyra) -buffert. Ta 200 ml av denna lösning och justera till önskat pH genom droppvis tillsats av 0,1 M HCI (pH 6,5 för användning med Pu (IV) och pH 5,5 för användning med Pu (V)).
- Bered lösningar för experiment med Pu (IV)
- Lösning A
- Lös Pu (IV), som framställts i steget 1,1 sigVeral milliliter 10 mM MOPS buffrad lösning vid pH 6,5. Tvätta bägaren med samma lösning.
- Bringa volymen till 72 ml med 10 mM MOPS buffrad lösning vid pH 6,5. Kontrollera pH och justera till 6,5 med 0,1 M NaOH. Överför 72 ml av denna lösning i en ren bägare - detta är den (A) lösning som skall införas i utrymmet A i diffusionscellen.
- Lösning B
- Ta 72 ml av 10 mM MOPS buffrad lösning vid pH 6,5; lägg 0,75 ml av 1 M Na 2 SO 4. Kontrollera pH kan du justera till 6,5 om det behövs. Överför 72 ml av denna lösning i en ren bägare - detta är "B" lösning som skall införas i «B» utrymmet i diffusionscellen.
- Bered lösningar med NOM
- Väg upp 1,4 mg av frystorkat fulvosyra eller humussyra till ett erhålla koncentration av 20 ppm och upplösa den i "A" lösning containing Pu (IV). Bered denna lösning 24 timmar före att experimentera och att möjliggöra jämvikt.
- Lösning A
- Bered lösningar för experiment med Pu (V)
- Lösning A
- Lös Pu (V) erhållen i steg 1.2.4 i 72 ml av 10 mM MOPS buffrad lösning vid pH 5,5; lägg 0,75 ml av 1 M NaNOs 3. Kontrollera pH och justera till 5,5 om det behövs. Överför 72 ml av denna lösning i en ren bägare. Bered lösningen med Pu (V) omedelbart före att experimentera.
- Lösning B
- Ta 72 ml av 10 mM MOPS buffrad lösning vid pH 5,5; lägg 0,75 ml av 1 M NaNOs 3. Kontrollera pH och justera till 5,5 om det behövs. Överför 72 ml av denna lösning i en ren bägare.
- Bered lösningar med NOM
- Väg upp 1,4 mg frystorkat fulvosyra eller humussyra för erhållande av en koncentration av 20 ppm och lösas upp i En lösning innehållande Pu (V). Låt lösningen under 24 hatt nå det stationära tillståndet mellan Pu (IV) och Pu (V) arter. Före diffusion experiment utföra en vätskeextraktion fasen för att fastställa hur stor del av Pu (V) som beskrivs i avsnitt 3.4.2.
- Lösning A
3. Laboratorie Diffusion Experiment
- Bered PAM-gel
- Blöt en plastbricka med flera milliliter elektrolyt (t.ex. 10 mM NaNO 3), placera PAM gelremsa in och expandera jämnt över ytan. Placera försiktigt en vass stans av 2,7 cm i diameter på gelytan. Undvik glida stansen över gelytan.
- Använd lokal fokuserad belysning om det behövs, kan det hjälpa att visualisera den transparenta PAM gel. Tryck stansen hårt mot gelytan och släpp när den skärs.
- Montering av diffusionscellen
- Placera PAM gelplatta med pincett i spåret över spridningen fönster i en slät yta sätt. Vrid skruven så att two fack diffusionscellen hålla ihop, sammankopplade via PAM Gelplattan.
- Mark A och B diffusion cellens fack. Montera diffusionscellen med Gelplattan omedelbart före varje experiment; tillåter inte gelén torka.
- Lansera en diffusion experiment
- Häll långsamt A- och B-lösningar i motsvarande fack. Se till att båda lösningarna hälls med samma hastighet för att ge lika stor volym i varje avdelning som helst, annars det diffusiva gelén kan skadas.
- Starta timern när lösningarna är i cellen. Placera miniatyr elektriska blandare över diffusionscellen. Vid denna tid diffusion experiment anses startas.
- Provtagning hela diffusion experiment
- Ta prover av lika stor volym inom regelbundna tidsintervall från A- och B-fack samtidigt för att hålla volymerna konstant hela experiment.
- Ta ett 1,00 ml prov samtidigt i varje fack omedelbart vid början av experimentet för att bestämma den initiala Pu koncentration i ett delområde.
- Använd en samplings tidsintervall på 10 minuter i experiment utan tillsats av NOM och 20 minuter till flera timmar i experiment med humussyror. 2,00 ml alikvoter är tillräckliga för att ge god känslighet för alfa-spektrometriska mätningar.
- Flytande fas extraktion av Pu (IV) och Pu (V)
- Vid slutet av diffusionen experimentet ta separat 4 ml prover från A- och B-fack i plast provrör med täta lock. Surgör prover med 1 ml 2 M HCl.
- Tillsätt 5 ml 0,5 M bis- (2-etylhexyl) fosforsyra (HDEHP) lösning i cyklohexan och skaka provrör kraftigt under 5 minuter. Lämna prover för att möjliggöra fasseparation. Avlägsna vattenfasen innehållande Pu (V).
- Återextraktion av Pu (IV)
- Back-exvägarna Pu (IV) från den kvarvarande organiska fasen med 5 ml 5% (NH 4) 2 C 2 O 4.
- Ta prover av lika stor volym inom regelbundna tidsintervall från A- och B-fack samtidigt för att hålla volymerna konstant hela experiment.
4. Prov Behandling
- Spike prov med en intern standard
- Spike prover som ska analyseras med en avkastning spårämne. Använd en spik av 1,00 ml 242 Pu spårämne av 25 MBq ml -1 aktivitetskoncentrationen för alfa-spektrometriska mätningar.
- Oxidera prover "matris
- Indunsta prover till torrhet på en värmeplatta med 2,00 ml koncentrerad HNO3.
5. Radiokemisk Separation av Pu
- Justera Pu oxidationstillstånd
- Lös torra prover från punkt 4.2.1 i 5 ml 8 M HNO3, tillsätt 20 mg NaNO 2, värme prover vid 70 ° C under 10 minuter. Detta steg gör det möjligt att justera oxidationstillståndet för Pu till + IV.
- Fastfasextraktion Pu
- Blöt en kvartar aminbaserad anjonbytarkolonn (såsom TEVA) med 1,5 ml 8 M HNO3. Använd mikrokolonner gjorda av en ml pipettspetsen med 100 mg av den konditionerade med 1,5 ml 8 M HNO3 harts.
- Passera lösningen av punkt 5.1.1 genom kolonnen hartset med flödeshastighet av omkring 1 ml min -1. Skölj provbägaren med 2 ml 8 M HNO3 tre gånger och överföringswashouts till harts kolumner.
- Eluera Pu
- Tvätta kolonnerna med 3 ml 9 M HCl. Eluera Pu med 3 ml lösning 9 M HCl / 0,1 M HI. Indunsta eluat på den varma plattan. Behandla med 2 ml koncentrerad HNO3, indunsta till torrhet. Upprepa vid behov tills den bruna jod färgen försvinner.
- Bestäm Pu koncentration i proverna genom någon tillgänglig metod.
Anm. För koncentrationer intervallet 239 Pu som används i detta protokoll alfa-spektrometri ger en god känslighet. Förbered källor för alfa-spectrometric räknar genom elektroplätering på skivor 14 av rostfritt stål. Räkna källor på PIPS detektor (450 mm 2) i en spektrometer.
6. Analys av data
- Plot diffunderade Pu mot tid
- Plotta aktiviteten av Pu (MBq) ackumuleras i B utrymmet mot tiden (min). Korrekt för volym av provet tas ut under diffusion experiment: aktivitet av ackumulerad Pu (mBq) vid tiden t är lika med koncentrationen (mBq ml -1) bestämd i provet multiplicerat med volymen av lösningen (ml) i fack B vid tidpunkten för provtagningen (se exempel på kalkylbladet - Figur 2).
- För att rita på samma grafdata från flera experiment med olika Pu koncentrationer användningskoncentrationer normaliseras mot ursprungliga Pu koncentrationen av fack A.
- Beräkna diffusionskoefficient
- Beräkna diffusionskoefficient D (cm 2 -1) av Pu terna för varje experiment 10. Använd ekvation (1):
(1)
där Ag är spridningen geltjockleken (cm), C den ursprungliga Pu koncentration (MBq ml -1), S spridningen området (cm 2) och A aktiviteten (mBq) i Pu arter sprids i kammaren B vid tiden t (sek). AA / At är lutningen för den linjära kurva av Pu diffunderat in i B-facket mot tid.
- Beräkna diffusionskoefficient D (cm 2 -1) av Pu terna för varje experiment 10. Använd ekvation (1):
(1) 7. biotillgänglighetsstudier av Pu i natur Sötvatten
- Förbered DGT provtagare
- Blöt en plastbricka med flera milliliter elektrolyt (t.ex. 10 mM NaNO 3), placera bottenplattan (se figur 3) i DGT provtagaren. Använd lokal belysning om det behövs, kan det hjälpa att visualisera transparenta geler.
- Positipå en 6 cm x 22 cm Chelex harts gelremsa och expandera jämnt över plattans yta. Placera på toppen av harts gelskiktet en 6 cm x 22 cm PAM diffusiv gelremsa och expandera jämnt över ytan. Se till att geler inte är glidande och är placerade i en slät yta sätt.
- Täck det diffusiva gelskiktet med en 6 cm x 22 cm stycke av ett filtermembran. Placera locket ram DGT provtagningsutrustningen (se figur 3) över filtermembranet och stänga aggregatet något trycka på ramen på kanterna.
- Skär sträcker gel delar med en vass lansett, öppna och justera gelskikt vid behov tills en jämn platta yta erhålls. Fäst enheten med skruvar.
- Blöt DGT provtagare med flera milliliter elektrolyt (t.ex. 10 mM NaNO 3). Förvara våt i en förseglad plastpåse upp till flera veckor vid 4-5 ° C.
- Utplacering av DGTs i en naturlig vattenförekomst
- Distribuera DGTs i kroppen av vattnet antingen suspendera dem på ett starkt rep eller installera på ett stabilt vertikalt stöd på ett sätt att ge en konstant tangentiell vattenflöde längs ytan av DGT. Distribuera DGT enheter i sötvatten för två till tre veckor för att ackumulera Pu vid en koncentration som är tillräcklig för mätningar.
- Hämta DGTs från vattnet. Skruva montering, ta ut filtermembran och släng. Ta ut övre gelskiktet (PAM diffusiv gel) och kassera.
- Överför harts gelen i en glasbägare innehållande 20 ml 8 M HNO3 och spik prover som ska analyseras med en avkastning spårämne. Använd en spik av 1,00 ml av 242 Pu spårämne av 0,25 MBq ml -1 (1,7 pg ml -1) aktivitetskoncentration för AMS mätningar. Efter att ha väl AGIlättat, lämna prover O / N för Pu eluering.
- Filtrera lösningarna från hartset gelproverna; Skölj de återstående harts geler med 5 ml 8 M HNO3 och kombinera washouts med prover. Lägg 20 mg NaNO 2 till varje prov, värm lösningarna vid 70 ° C under 10 minuter. Detta steg gör det möjligt att justera oxidationstillståndet för Pu till + IV.
- Blöt en kvartar aminbaserad anjonbytarhartset patron med 10 ml 8 M HNO3. Passera lösningarna av punkt 7.4.1 genom utbyte hartspatronen med flödeshastighet av omkring 1 ml min -1. Skölj provbägaren med 5 ml 8 M HNO3 tre gånger och överföra washouts till jonbytarmassa patron.
- Tvätta patroner med 10 ml 9 M HCL. Eluera Pu med 15 ml lösning 9 M HCl / 0,1 M HI. Indunsta eluatet på en värmeplatta. Behandla med 2 ml koncentrerad HNO 3, evaporate till torrhet. Upprepa vid behov tills den bruna jodfärgen har försvunnit helt.
- Upprepa radiokemisk separation av Pu en till två gånger om högre rening krävs - beroende på resultatet av Pu detekteringssystem. Utför andra och tredje separationerna på mikrokolonner gjorda av en ml pipettspetsen med 100 mg bytarharts rade med 1,5 ml 8 M HNO3.
- Bestäm Pu koncentration i proverna. Använd masspektrometri tekniker för att mäta 239 Pu på grund av den mycket låga nivå av plutonium i den orörda miljön.
Obs: I detta arbete använder AMS anläggningen trimmas för analys av aktinider vid Laboratoriet för Ion Beam fysik vid schweiziska federala tekniska institutet i Zürich.
8. Analys av data
- Beräkna koncentrationen (C DGT i μBq ml -1) biotillgängligt (labila) Pu species i bulkvattnet från mängden Pu ackumuleras genom DGT under installationsperioden. Använd ekvation (2):
(2)
där A är aktiviteten (μBq) Pu ackumulerats i bindfasen, Ag diffusionsskiktet (gel + filtermembranet) tjocklek (cm), D är diffusionskoefficienten av Pu i PAM-gel (cm 2 sek -1), S diffusionen område (cm 2), och t varaktighet utplacering (sek). - Jämför C DGT Pu bestämdes genom DGTs med total Pu koncentration i bulkvattnet, liksom med andra tillgängliga artbildning data.
(2) 9. radiokemisk separation för bestämning av den totala Pu i Bulk Water
- Tillstånd vattenprov
- Pumpa vatten från den studerade kroppen av vatten genom ett 45 pm membranfilter i en plastic mottagare. Arbeta med prover av 10 till 50 L för AMS mätningar. Surgör vattnet till pH 2 med HNO3 omedelbart efter provtagning vid provtagningsplatsen före transport till laboratoriet.
- Fällning Pu på järnhydroxider
- I laboratoriet införa en överliggande omrörare i mottagaren. Spike provet med Pu avkastnings tracer. Använd en spik av 1,00 ml av 242 Pu spårämne av 0,25 MBq ml -1 (1,7 pg ml -1) aktivitetskoncentration för AMS mätningar.
- Lägg FeCl3 · 6H 2 O tar ca 0,25 g per 10 L prov. Efter att ha omrördes under 30 minuter, utfällning järnhydroxider med NH4OH vid pH 8.
- Andra utfällning av Pu på järnhydroxider
- Dekantera supernatanten från vattenprov från punkt 9.2.2. Återskapa fällningen av järnhydroxider i en 2 L glasbägare, skölj mottagaren med avjoniserat vatten och kombinera washouts med sample.
- Lös fällningen i ~ 100 ml 5 M HCl, värm till 90 ° C för att sönderdela karbonater. Filtrera om så krävs när lösningen svalnat. Åter utfälla järnhydroxider med NH4OH vid pH 8.
- Tillstånd järnhydroxider för analys
- Dekantera supernatanten från provet från punkt 9.3.2. Återvinna fällningen av järnhydroxid i ett centrifugeringskärl. Centrifug, kassera supernatanten. Tvätta fällningen med avjoniserat vatten. Upprepa 2-3 gånger.
- Lös fällningen i 10 ml 8 M HNO3, underkasta sig radiokemisk separation av Pu som tidigare beskrivits i avsnitten 7,4-7,6.
10. Förbered Prover för AMS Mätningar
- Fällning Pu på järnhydroxider
- Efter radiokemisk separation, upplösa det slutliga provet i 0,5 ml 1 M HCl, överföra provet med en plastpipett i en 2,5 ml glasflaska. Skölj provbägaren TWICe med 0,5 ml 1 M HCl, överföra washouts till samma flaskan.
- Tillsätt 0,5 ml 2 mg ml -1 Fe 3+ lager lösning för att ge 1 mg järn. Fällning järnhydroxider lägga några droppar koncentrerad NH4OH. Centrifugera och dekantera supernatanten.
- Tvätta fällningen med avjoniserat vatten, centrifugera och dekantera supernatanten. Torka fällningen på värmeplattan vid 90 ° C.
- Förbered mål för AMS mätningar
- Baka hydroxiderna utfällas från punkt 10.1.3 i en ugn för 2-3 timmar vid 650 ° C. Blanda med 3-4 mg niob metallpulver och tryck fast en Ti mål hållare för AMS mätningar.
Obs: Vi mätte proven med den kompakta (0,6 MV) AMS-systemet "TANDY" vid den schweiziska federala tekniska institutet (ETH Zürich) inställd för mätning av aktinider 15,16.
- Baka hydroxiderna utfällas från punkt 10.1.3 i en ugn för 2-3 timmar vid 650 ° C. Blanda med 3-4 mg niob metallpulver och tryck fast en Ti mål hållare för AMS mätningar.
Representative Results
Diffusionsförsök
Avsätta verksamhet av 239 Pu spridda i B utrymme diffusionscellen i förhållande till tiden ger en visuell representation av flödet av de 239 Pu arter diffunderar genom PAM gel. Diffusionskoefficienter beräknas utifrån dessa tomter enligt ekvation 1 ger ytterligare ett sätt att jämföra rörlighet olika 239 Pu redoxspecies i olika kemiska miljöer (Figur 2). Figur 5 visar diffusion experiment med Pu (IV) och Pu (IV) -Pu (V) blandade arter, respektive i de MOPS-buffert och i närvaro av 20 ppm av HA. En jämförelse av dessa diagram visar att Pu (V) är väsentligt mer mobil än Pu (IV) .Detta är särskilt giltigt för Pu (IV) och Pu (V) när HA (molekylvikt 5-40 kDa i våra experiment, kännetecknad av det SI av Cusnir et al.) 10 tillsätts som komplexmolekyler. Pu (V) käll solution framställd enligt det protokoll som beskrivs i detta dokument innehåller övervägande Pu (V) arter. Flytande fas extraktion med HDEHP vid slutet av diffusionen experimentet i MOPS buffrade lösning hittades 80% ± 10% av Pu (V). Den kemiska utbytet av denna extraktion är 80%. Lösningen med Pu (V) i närvaro av 20 ppm av HA ekvilibrerades under 24 h och Pu (V) fraktionen i denna modell lösning 35% ± 10%.
Studier på Pu biotillgänglighet i naturliga sötvatten
Flera DGT enheter konstruerade i vårt laboratorium framgångsrikt exponeras under perioder på två till tre veckor i en karst våren de schweiziska Jurabergen. Detta är en mineral fjädern med den pH för vattnet i området av 6,5 till 7,5, ledningsförmåga över 400 ìS cm -1 och mättades med syre. Dessa experiment visade god användbarhet och robusthet gel heter utan spår av biobeväxning, möjligen också på grund av than låg temperatur av fjädern (7 ° C). DGTs hämtas efter distributioner var väl bevarat, med gelskikt intakta, bevara ursprungliga form och utseende. Pu ackumuleras av DGTs analyserades av AMS. AMS ger betydande fördelar jämfört med andra analytiska tekniker: det är mycket känslig (ner till sub-FG nivåer), och kräver mycket lägre initial provmängd än alfa-spektrometri eller ICP-MS-tekniker. Dessutom är molekylära isobariska störningar, såsom uran-hydrid (238 UH), eller andra molekyler effektivt undertryckt under AMS mätning och inte stör 239 Pu upptäckt. För vissa tekniska skäl (troligen en förorening med 239 Pu under kemiska separationer), kunde vi inte använda uppgifterna för 239 Pu för de första tillämpningarna av DGTs inom området. Ändå Pu resultat 240 var opartisk. Således har vi beräknade 239 Pu innehåll från den uppmätta <sup> 240 Pu, med 0,18 som 240 Pu / 239 Pu atomförhållande för nedfall plutonium. Resultaten är sammanfattade i tabell 1.
239 Pu koncentrationer som uppmätts i bulk vattenprover liknar koncentrationer som tidigare rapporterats för denna akvifär (1-7 μBq L -1) 11. Dessutom 239 Pu koncentrationer beräknas från DGT mätningar är liknande inom osäkerheten i mätningen. Eftersom DGTs ackumuleras endast fria och labila Pu arter, kan man uppskatta den del av biotillgängligt Pu i detta vatten. Data i tabell 1 visar att alla de 239 Pu arter som finns i bulk vatten finns i en biotillgänglig form. Detta är ett intressant resultat i ljuset av tidigare rön 11, vilka har avslöjat den övervägande ackumulering av 239 + 240 Pu i den intracellulära fraktionen av de akvatiska mossor växer i fjädern jämfört med
Figur 1. Diffusion cell som används för experiment på Pu diffusion genom PAM gel. Spår tjocklek 0,5 cm, spårdjupet 0,39 mm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Snapshot Excel-dokumentet används för beräkningar av diffusionskoefficienten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Stor yta DGT anordning för miljö Pu artbildning mätningar Delar av DGT-enheten -. Bottenplattan och täckramen -. Visas till vänster och montering med besättnings hål till höger Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. DGT sampler anordningar fast i hållaren (vänster) exponeras i Venoge Spring (till höger) för Pu biotillgänglighet mätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. Handlingen i 239 Pu diffunderat in B utrymmet i diffusionscellen i olika kemiska miljöer. Experimentella datapunkter ges för 239 Pu (IV) och 239 Pu (V), respektive i MOPS-buffert samt för 239 Pu (IV) - 239 Pu (V) blandade arter (35% ± 10% av Pu (V)) i närvaro av HA. Linjen visas för 239 Pu (IV) -Ha har beräknats med hjälp av en diffusionskoefficient av 0,50 x 10 -6 cm 2 sek -1 tidigare 10 bestäms. Diffusionskoefficienter beräknade från ekvation 1 är: Pu (IV) i MOPS-buffert - 2,29 × 10 -6 cm 2 sek -1, Pu (V) i MOPS-buffert - 3,50 × 10 -6 cm 2 sek -1, Pu (IV) - Pu (V) med HA - 0,92 × 10 -6 cm 2 sek -1. Från toppen till botten: Pu (V) i MOPS-buffert (röd öppen cirkel), Pu (IV) i MOPS-buffert (blå öppna trianglar), Pu (IV) - Pu (V) i närvaro av 20 ppm HA (grön öppna kvadrater), Pu (IV) i närvaro av 20 ppm av HA (brun öppna diamanter). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Provtyp | Antal mätningar | 239 Pu koncentration, μBq L -1 |
| Bulkvatten | 2 | 1,9 ± 0,55 |
| DGT 0,39 mm | 2 1,74 ± 0,9 | |
| DGT 0,78 mm | 1 | 1,79 ± 0,9 |
Tabell 1. Representativa resultat för 239 Pu mätningar av AMS i bulkvattnet och DGT provtagare. 239 Pu i bulk vatten sattes samtidigt utfälldes från 20 L vatten med järnhydroxider, extraherades på aktinid specifika jonbytarmassa och mäts av AMS . 239 Pu koncentrationer för DGT mätningar beräknas med hjälp av ekvation 2 och diffusionskoefficienten för Pu (IV). Osäkerheter för k = 2; u (95).
Discussion
DGT metod som beskrivs här för experiment med Pu med hjälp av en diffusionscell ger en tillförlitlig metod för olika studier på Pu redox arter och deras interaktioner med organiska molekyler, kolloidala partiklar och simulerade miljösystem. Ytterligare tillämpningar av DGTs för miljö mätningar av Pu kommer att bidra till vår förståelse av biotillgänglighet och öde denna radionuklid i akvatiska ekosystem.
Laboratorie diffusionsförsök
För att utföra en framgångsrik spridning experiment med meningsfulla slutsatser om Pu rörlighet och samspel som rör en specifik kemisk miljö, väl definierade och kontrollerbara villkor måste lämnas. Justeringen av Pu oxidationstillstånd före experimentet är avgörande för att förenkla datatolknings samt att simulera olika biogeokemiska beteenden av Pu redoxämne. Känsligheten hos Pu arterpH-variationer gör buffring lösningarna ett måste. Särskild uppmärksamhet bör riktas mot diffusionscellen funktioner och inställningar: användning av icke-sorberande Teflon polymermaterial undviker adsorption på cellväggarna och ger en robust tät montering, att förhindra förlust av Pu diffunderar lösningar under experimentet.
Den ursprungliga Pu koncentrationen som skall införas i A-facket, samt samplingsintervallet och volymen av varje prov som tas under diffusion experiment beror på den analysmetod som finns i laboratoriet. Alla tillgängliga analytisk metod kan användas för bestämning av Pu-koncentrationen i proverna från diffusionscellen, men detta val är tätt bundna till den ursprungliga aktiviteten av Pu tas för experimentet. 10 Bq av 239 Pu som rekommenderas i detta protokoll (som ger 100-140 MBq ml -1 eller ~ 2 × 10 -13 mol ml -1) är tillräckliga för att ge tillräcklig känslighet för measuremmedelsingredienser från alfa-spektrometri och i allmänhet inte utgör särskilda problem för strålskyddsföreskrifter. Den initiala koncentrationen av Pu kan reduceras om andra, mer känsliga, analystekniker finns tillgängliga för Pu bestämning (t.ex. masspektrometri). Samplingsintervall kan väljas för varje diffusion experiment, beroende på Pu initiala koncentrationen, och den förväntade diffusionshastigheten genom PAM gel. Trots det faktum att portioner från diffusion experiment inte innehåller andra än Pu radionuklider, kan förekomsten av mineralsalter och MOPS-buffert störa analysförfarande, vilket minskar effektiviteten och precisionen i kvantitativ analys. Därför är det föredraget att utföra en kemisk separation av Pu på dessa prover.
Diffusionscellen ger det bästa sättet för att studera diffusion i PAM gelén eftersom gelén exponeras direkt till en väl omrörd lösning. Således, effekterna av det diffuserande boundary skikt (DBL) vid gelytan anses försumbar. God omrörning av lösningarna under en diffusion experiment är viktigt, vilket möjliggör minimering av DBL effekter. På samma gång bör man gå försiktigt för att inte störa PAM gel.
Studier av Pu biotillgänglighet i naturliga sötvatten
Resultaten som produceras av detta protokoll visar att mäta plutonium med DGT enheter ger ett effektivt verktyg för att studera biotillgängligheten av plutonium i sötvatten. DGT mätningar ge tidsgenomsnittshalt av fria och labila arter, de två viktigaste formerna för biologiskt upptag av levande organismer. Dessutom kan kinetiken för interaktionen av Pu med organiskt material att undersökas med användning av geler av olika tjocklek. Den tid som krävs för Pu-NOM arter diffundera genom gelen gör det möjligt för de mest labila komplex att dissociera. DGT mätningar kan kompletteras by ultratekniker, som ger andelen Pu koUoidala arter över en viss storlek (t.ex. 8 kDa). Pu koUoidala arter brukar betraktas som icke-biotillgängliga arter och är en del av Pu fraktion som inte kan mätas med hjälp av DGT.
Vid denna tidpunkt var de DGT enheter utplacerade endast i sötvatten av en Karst våren de schweiziska Jurabergen. Låga koncentrationer av Pu miljö kräver en långsiktig utbyggnad av DGT-enheter, som kan stöta på potentiella nackdelar. Biobeväxning av DGT ytan utgör en betydande nackdel, öka DBL tjocklek och därmed begränsa flödet av Pu genom PAM gel. Bindande fasen av DGTs exponerade i marina vatten eller vatten med hög mineralisering kan snabbt mättad med andra spårmetaller, förvränga data för ackumulering av Pu. Fastställande av spårmängder av miljö Pu kräver en grundlig radiokemisk separation och mycket känsliga analysmetoder. AMS mätnings tillämpas i detta protokoll är inte allmänt tillgängliga, men kan ersättas av andra masspektrometri tekniker. Det är dock nödvändigt med en rigorös radiokemisk separation för att eliminera isobara störningar 238 UH från naturligt förekommande uran.
Ekvation 2 visar att storleken på DGT anordningen är en väsentlig parameter som kan avstämmas för att öka mängden ackumulerad Pu under en given utvecklingstiden. Kommersiella gelremsor finns endast med en maximal yta på 6 cm x 22 cm. Därför har fönstret i DGT provtagaren ökats till 105 cm 2 (5 cm x 21 cm), vilket gör det möjligt att samla tillräckligt med Pu arter för relativt korta distributionstider. Monteringen av en sådan DGT provtagaren kräver precision och särskild hänsyn till de egenskaper PAM gelarket medan manipulera. Det är av grundläggande betydelse att montera gelskikt till en slät yta uniform "sandwich" för att ge en homogerogen flöde av Pu arter från bulkvattnet genom det diffuserande gelén. Bra vattenflöde vid DGT ytan är också en viktig parameter, men det är oftast bestäms av flödesförhållandena i akvifären. Det rekommenderas att placera DGT anordningar för Pu mätningar vid ca 45 ° mot riktningen för vattenflödet i syfte att ge en stadig vattentillförsel och minimera effekterna av DBL.
Diffusionskoefficient som används i ekvationen 2 måste korrigeras om temperaturen i den studerade kroppen av vatten är en annan än den temperatur vid vilken diffusionskoefficienten bestämdes. Temperatur effekter på diffusionskoefficienterna ges av Stokes-Einsteins ekvation (ekvation 3): 
(3)
där D 1 och D 2 är diffusionskoefficienter (cm 2 sek -1), η 1 och η 2 är viskositeter (mPa sek) av water vid temperaturer T 1 och T 2 (K) respektive.
För närvarande finns det ingen metod att undersöka Pu artbildning i ren miljö, med undantag för termodynamiska beräkningar baserade på t.ex. pH och redox parametrar. Dessa parametrar är endast tillgängliga för makrokomponenter, såsom karbonater, järn eller mangankatjoner. Således är Pu artbildning från dessa mätbara arter men utgör inte en "riktig" mätning. Här tror vi att diffusion i tunn PAM gelfilmen teknik som presenteras i detta dokument är ett viktigt steg för att lösa Pu artbildning problem eftersom det gör det möjligt att mäta in situ fri och labila arter och eventuellt styrker plutonyl arter. Även om bara ett fåtal DGT mätningar av miljö Pu i sötvatten har gjorts hittills, är de erhållna resultaten uppmuntrande för ytterligare tillämpningar av DGT-tekniken för Pu artbildning och biotillgänglighetsstudier.Utplacering av DGTs i organiska rika vatten kommer eventuellt att ge viktig information om Pu rörlighet och interaktion i närvaro av NOM-molekyler. Intressanta resultat bör förväntas från DGT mätningar i förorenade marina miljöer, såsom kusthaven runt Sellafield upparbetningsanläggningen och skadade Fukushima Daiichi kärnkraftverket.
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 |
References
- Kaplan, D. I., et al. Influence of oxidation states on plutonium mobility during long-term transport through an unsaturated subsurface environment. Environ. Sci. Technol. 38 (19), 5053-5058 (2004).
- Taylor, D. M. Environmental plutonium - Creation of the universe to twenty-first century mankind. Plutonium in the Environment. 1, 1-14 (2001).
- Maher, K., Bargar, J. R., Brown, G. E. Environmental Speciation of Actinides. Inorganic Chemistry. 52 (7), 3510-3532 (2013).
- Kurosaki, H., Kaplan, D. I., Clark, S. B. Impact of environmental curium on plutonium migration and isotopic signatures. Environ. Sci. Technol. 48 (23), 13985-13991 (2014).
- Orlandini, K. A., Penrose, W. R., Nelson, D. M. Pu(V) as the stable form of oxidized plutonium in natural-waters. Marine Chemistry. 18 (1), 49-57 (1986).
- Kaplan, D. I., et al. Eleven-year field study of Pu migration from Pu III, IV, and VI sources. Environ. Sci. Technol. 40 (2), 443-448 (2006).
- Morgenstern, A., Choppin, G. R. Kinetics of the oxidation of Pu(IV) by manganese dioxide. Radiochim. Acta. 90 (2), 69-74 (2002).
- Davison, W., Zhang, H. In-situ speciation measurements of trace components in natural-waters using thin-film gels. Nature. 367 (6463), 546-548 (1994).
- Zhang, H., Davison, W. Diffusional characteristics of hydrogels used in DGT and DET techniques. Anal. Chim. Acta. 398 (2-3), 329-340 (1999).
- Cusnir, R., Steinmann, P., Bochud, F., Froidevaux, P. A DGT Technique for Plutonium Bioavailability Measurements. Environ. Sci. Technol. 48 (18), 10829-10834 (2014).
- Froidevaux, P., Steinmann, P., Pourcelot, L. Long-Term and Long-Range Migration of Radioactive Fallout in a Karst System. Environ. Sci. Technol. 44 (22), 8479-8484 (2010).
- Bajo, S., Eikenberg, J. Preparation of a stable tracer solution of plutonium (IV). Radiochim. Acta. 91 (9), 495-497 (2003).
- Saito, A., Roberts, R. A., Choppin, G. R. Preparation of solutions of tracer level plutonium (V). Anal. Chem. 57 (1), 390-391 (1985).
- Bajo, S., Eikenberg, J. Electrodeposition of actinides for alpha-spectrometry. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 242 (3), 745-751 (1999).
- Dai, X. X., Christl, M., Kramer-Tremblay, S., Synal, H. A. Ultra-trace determination of plutonium in urine samples using a compact accelerator mass spectrometry system operating at 300 kV. Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 27 (1), 126-130 (2012).
- Christl, M., et al. The ETH Zurich AMS facilities: Performance parameters and reference materials. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 294, 29-38 (2013).
- Blinova, O., et al. Redox interactions of Pu(V) in solutions containing different humic substances. Journal of Alloys and Compounds. 444, 486-490 (2007).
