Digestion

L’étape de digestion acide est nécessaire afin de libérer l’uranium de la matière organique restante mais également pour solubiliser le squelette et les écailles de poisson. Le squelette et les écailles sont constitués majoritairement d’hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2(CO3)x) qui se

décompose à partir de 1430 °C. [67] Les groupements carbonates peuvent s’insérer dans la structure de l’hydroxyapatite par substitution des groupements hydroxyles ou phosphates. La présence de ces groupements dépend de l’âge du tissu osseux. La digestion acide permet de solubiliser l’hydroxyapatite puisque celle-ci est de nature basique et donc soluble dans l’acide nitrique. La digestion acide a également été optimisée dans le but d’avoir une meilleure récupération d’uranium. L’HNO3 à une concentration de 6 M a été remplacé par de l’HNO3 concentré permettant ainsi une

meilleure récupération en uranium. Rappelons que la digestion de la méthode de départ pour 50 grammes de chair se faisait avec 40 mL d’HNO3 6 M et que les échantillons étaient chauffés à

reflux pendant 2 heures avant d’être évaporés à sec. Rappelons également que dans ces conditions, une récupération de 70 ± 5 % en uranium est obtenue. L’utilisation d’un volume de 30 mL d’HNO3

concentré permet d’augmenter ce pourcentage. En effet, une digestion à reflux pendant 1 heure permet d’atteindre une récupération de 78 ± 4 % tandis qu’une digestion à reflux pendant 2 heures permet d’obtenir une récupération de 90 ± 2 %. De plus, comme mentionné précédemment au tableau 2, plusieurs groupes de recherche ont utilisé, en plus de l’acide nitrique, du peroxyde d’hydrogène pour digérer les échantillons de nature biologique. Cependant, dans notre cas, l’ajout d’H2O2 n’a pas d’influence sur la récupération d’uranium. Le tableau 14 montre que la récupération

en uranium avec l’ajout de peroxyde d’hydrogène et d’acide nitrique est de 89 ± 3 % et de 91 ± 6 % avec de l’acide nitrique seulement. C’est pourquoi la digestion acide d’échantillon de poisson se fait avec un volume de 30 mL d’HNO3 concentré à reflux pendant 2 heures avant d’être évaporée à sec.

Tableau 14: Comparaison de la récupération d’uranium avec et sans H2O2.

Acide utilisée Temps de digestion (H)

Récupération uranium (%)

HNO3 – H2O2 2 89 ± 3

HNO3 2 91 ± 6

En conclusion, l’optimisation de la méthode de départ a permis de passer d’une récupération de 49,0 ± 0,5 % à 90 ± 2 % d’uranium. La méthode a été optimisée en termes d’efficacité de

récupération mais également en termes de temps de préparation d’échantillon. En termes d’efficacité de récupération, les rampes de température du four et la digestion sont deux aspects critiques de la méthode. Une augmentation de température de 1 °C par minute pour la déshydratation et la calcination augmente la récupération d’uranium de 21 % et une digestion avec de l’acide nitrique concentré augmente la récupération de 20 % supplémentaire. En termes de temps, la durée de la calcination n’a pas d’impact sur la récupération d’uranium, mais plutôt sur le temps total de préparation d’échantillon. Une première calcination plus longue, c’est-à-dire de 22 heures au lieu de 16 heures, permet d’éliminer davantage de matière organique. De plus, une digestion avec l’acide nitrique concentré permet de décomposer plus efficacement la matière organique restantes. Une fois ces deux étapes accomplies, une deuxième calcination, mais seulement de 8 heures est suffisante pour éliminer la totalité de la matière organique restante à l’intérieur de l’échantillon. Puisque la première calcination et la digestion sont plus efficaces, cela a permis de diminuer le nombre d’étapes pour obtenir la méthode de préparation finale. En effet, la méthode finale comporte deux calcinations et une digestion pour un total de trois jours de préparation comparativement à la méthode de départ qui comportait trois calcinations et deux digestions pour un total de quatre jours de préparation afin d’obtenir des cendres totalement blanches (voir figure 21).

Figure 21 : Comparaison de la méthode de préparation d’échantillon de tissu biologique de départ (A) et celle finale (B).

Une fois la méthode de préparation optimisée, celle-ci a été testée sur des poissons entiers et pour déterminer la récupération de l’uranium. Pour ce faire, une dorade grise entière de 691 grammes a été utilisée dans laquelle 200 µg d’uranium ont été ajouté (voir tableau 15). L’analyse des cendres a déterminé que la récupération d’uranium était de 109 ± 3 %. Une récupération excédant 100 % peut être due à la présence d’uranium naturel dans le poisson entier dont la concentration est plus importante que celle dans un sous-échantillon. Dans ce cas-ci, la présence d’uranium naturel ne peut être vérifiée à l’aide d’un blanc puisqu’il est impossible d’obtenir deux poissons entiers identiques et de même masse. Cependant, il serait possible d’utiliser un isotope artificiel de l’uranium comme par exemple l’uranium 236 qui permettrait de déterminer la récupération en uranium pour cette méthode. De plus l’analyse des cendres pour un poisson entier se fait par ICP-MS et non par ICP-OES. Il s’avère que le fer est une interférence spectrale sur la longueur d’onde 385 nm de l’uranium qui est la plus abondante et celle utilisée pour les analyses par ICP-OES. La concentration en fer dans 50 grammes de chair est insuffisante pour interférer sur la longueur d’onde de l’uranium, mais assez élevée dans un poisson entier. En effet, les résultats d’analyse des cendres de poisson entier par ICP-OES montrent que la concentration en uranium est de 193 ± 2 %. Pour éviter ces interférences spectrales, les analyses sont donc faites par ICP-MS.

Tableau 15 : Récupération d’uranium et de plutonium dans 50 grammes de chair de saumon et dans une dorade grise entière.

Type d’échantillon Masses de l’échantillon (g) Quantité d’uranium ajoutée (µg) Récupérations (%) Instruments Chair 50 10 90 ± 2 ICP-OES

Dorade grise 691 200 109 ± 3 ICP-MS

Quantité de plutonium ajoutée (ng)

Chair 50 5 8,0 ± 0,4 ICP-MS

Les analyses pour la récupération du plutonium dans 50 grammes de chair sont faites par ICP- MS puisque l’ICP-OES ne permet pas l’analyse de ce radionucléide. À 50 grammes de chair, une quantité de 5 ng de plutonium est ajoutée et la récupération obtenue est de 8,0 ± 0,4 % (voir tableau 15). Selon ce résultat, il semblerait que la méthode de préparation d’échantillon n’est pas adaptée dans le cas du plutonium. Pour les analyses de plutonium, un étalon interne de rhodium dont la quantité est de 5 ng est ajouté aux étalons de la courbe d’étalonnage ainsi qu’à chaque échantillon. En comparant les intensités du rhodium présent dans les solutions, une diminution a été observée pour les échantillons causée par une concentration élevée en ions dans les cendres. Lors d’analyse

par ICP-MS, l’effet matriciel est présent pour des concentrations plus élevées que 500 µg/mL et que 1000 µg/mL selon les éléments présents.[58] Le tableau 16 montre les concentrations de quelques éléments présents dans les cendres de 50 g de chair solubilisée dans 10 mL d’acide nitrique. Ces valeurs prouvent qu’au moins trois éléments soit le sodium (Na), le calcium (Ca) et le magnésium (Mg) sont à des concentrations au-delà de 500 et 1000 µg/mL provoquant ainsi un effet matriciel lors des analyses. Il est à noter que le même effet n’est pas observé pour les analyses de l’uranium puisque les échantillons, étant davantage concentrés pour procéder à des analyses par ICP-OES, ont été dilués par la suite pour être analysés par ICP-MS. Dans le cas du plutonium, l’extraction au point trouble devra être performée sur les cendres afin de séparer le plutonium de la matrice pour faciliter les analyses.

Tableau 16 : Concentrations de quelques éléments présents dans les cendres de poisson.

Éléments Concentrations (µg/mL) Li 24 Sr 6 Na 1900 Ca 2200 Mg 660

La méthode de préparation finale est donc prometteuse. Celle-ci s’applique à des échantillons de faible quantité, soit 50 grammes, ainsi qu’à des échantillons plus importants, soit des poissons entiers, pour la récupération d’uranium. De plus, la méthode s’applique à différentes espèces de poisson comme le saumon et la dorade grise. Toutefois, il est difficile de faire la même conclusion pour ce qui est du plutonium dû aux effets matriciels.

4.2 Extraction au point trouble

La méthode d’extraction au point trouble de Labrecque et ses collègues [48, 52] présentée précédemment a été testée afin de vérifier son efficacité à extraire l’uranium et le plutonium pour des échantillons de tissu biologique de poisson. Au préalable, une quantité de 10 µg d’uranium a été ajoutée à 50 grammes de chair pour ensuite être traités par la méthode de préparation décrite dans la section 3.1. Les cendres obtenues, soit environ 0,5 grammes contenant l’uranium, ont été solubilisées à l’aide d’acide nitrique et les réactifs pour effectuer la CPE ont été ajoutés à la solution selon les concentrations présentes dans le tableau 17. La solution a été analysée par ICP-OES et la

récupération en uranium était de 15 ± 3 %. Rappelons que l’agent d’extraction H2DEH[MDP] a une

bonne affinité pour les actinides et que les travaux antérieurs du groupe ont démontré qu’il est possible d’obtenir des rendements en uranium et en plutonium supérieurs à 95 et 98 %, respectivement, pour des échantillons de sol, de sédiments, d’urine, d’eau potable ainsi que pour les eaux usées. Cependant, il semblerait que pour des échantillons de nature biologique, des effets matriciels importants empêchent une récupération efficace en uranium.

Tableau 17 : Paramètres et conditions pour la CPE de Labrecque et ses collègues. [52]

Paramètres Conditions Échantillon 6,5 mL [TTX-114] 12 µmol [H2DEH[MDP]] 2 µmol [CTAB] 1 µmol [KBr] 100 µmol [KBrO3] 15 µmol Textraction 4 °C CPT 25 °C

Deux hypothèses ont été déduites de ce résultat. Premièrement, la présence de matière organique restante dans les cendres pourrait avoir un impact sur l’extraction au point trouble. Les surfactants de la famille du triton sont également utilisés afin d’extraire et de préconcentrer les composés organiques. En solution aqueuse, les composés organiques partiellement soluble ou hydrophobes sont extraits à l’intérieur des micelles. [68] Il y a donc possibilité d’interaction entre les micelles et la matière organique dans les cendres pouvant ainsi diminuer l’efficacité d’extraction. Deuxièmement, le seuil de tolérance de la CPE pour certains éléments peut être atteint dû à la concentration élevée en ions dans les cendres. Le seuil de tolérance représente la concentration maximale d’un élément que peut contenir la solution sans qu’il y ait un impact sur le rendement d’extraction par CPE. Une concentration élevée de certains ions peut affecter la solubilité ou la formation des micelles et ainsi avoir une influence sur l’efficacité d’extraction. Par exemple, Labrecque et ses collègues ont déterminé les seuils de tolérance de plusieurs cations et anions dont la présence peut être problématique lors de l’extraction selon leurs concentrations (voir tableau suivant). [52]

Tableau18:Seuil de tolérance de la CPE pour certains anions et cations. [52] Ions Concentrations (mg/L) 𝐍𝐚+_{, 𝐊}+ ₂₀₀₀ 𝐋𝐢+ ₁₁₀₀ 𝐁𝐚𝟐+_{, 𝐒𝐫}𝟐+_{, 𝐌𝐠}𝟐+ ₁₀₀ 𝐂𝐚𝟐+ ₅₀₀ 𝐙𝐧𝟐+ ₁₂₀ 𝐀𝐥𝟑+ ₁₅ 𝐅𝐞𝟑+ ₂₄ 𝐏𝐛𝟐+ ₁₀ 𝐍𝐢𝟐+ ₁₀ 𝐍𝐎_𝟑− ₄₀₀₀ 𝐂𝐥− ₃₀₀₀ 𝐂𝐎_𝟑𝟐−_{, 𝐏𝐎} 𝟒 𝟑−_{, 𝐁𝐫}−_{, 𝐒𝐎} 𝟒 𝟐− ₁₀₀₀ 𝐁𝐎_𝟐− _{˃ 6500}

Pour vérifier s’il y a présence de matière organique résiduelle, la technique de la spectroscopie infrarouge a été effectuée sur les cendres. Le spectre obtenu présente une large bande entre 2750 et 3500 cm-1, deux pics d’intensité faible entre 1250 et 1750 cm-1 et deux pics très intenses pour des longueurs d’onde allant de 750 à 1250 cm-1

(voir figure 22 A). Ce spectre a été comparé avec la littérature afin de déterminer à quels groupements correspondent les pics et la large bande. L’analyse du spectre expérimental est basée sur les recherches de Tomoyo Goto et Keiko Sasaki portant sur l’hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2(CO3)x) contenu dans les ossements de thon.

[69]

Ceux-ci présentent les spectres infrarouges des os calcinés à différentes températures et non calcinés (voir figure 22, spectre de droite). Les ossements sont constitués principalement de matière inorganique soit l’hydroxyapatite ainsi que de collagène (protéines) et d’une faible quantité d’eau. Un intérêt particulier est porté sur les spectres pour des températures de calcination de 400 et de 600 °C puisque nos calcinations se font à 450 °C. Ces deux spectres présentent une large bande à 3000- 3600 cm-1 qui est attribuée aux groupements OH- des molécules d’eau. Le spectre à 600 °C présente un pic sur la large bande à 3570 cm-1 et un autre à 635 cm-1 qui correspondent aux groupements hydroxyles. De plus, les pics entre 567 et 608 cm-1 correspondent au mode de vibrations de

déformation des liens O-P-O et ceux entre 961 et 1093 cm-1 représentent le mode de vibrations d’allongement du lien P-O des groupements phosphates. Pour finir, les pics à 1414-1500 cm-1

témoignent de la présence de groupements carbonates dont l’intensité diminue avec l’augmentation de la température de calcination. Il est donc possible de déduire que la large bande entre 2750 et 3500 cm-1 du spectre expérimental correspond à des molécules d’eau et des groupements d’hydroxydes, que les pics entre 1250 et 1750 cm-1

correspondent aux groupements carbonates et que les pics entre 750 et 1250 cm-1 correspondent à des groupements de phosphate. De plus, le spectre des ossements de thon non calcinés présente plusieurs pics caractéristiques des constituants de la matière organique tels que les groupements CH (2926 et 2854 cm-1), les amides (1655, 1542 et 1165 cm-1) ainsi que les groupements carbonyles (1744 cm-1) qu’on ne retrouve pas dans le spectre que nous avons obtenu. L’analyse du spectre permet donc de conclure que la teneur en matière organique dans les échantillons calcinés est très faible ou nulle. Il est à noter que le spectre expérimental en absorbance est comparé au spectre en transmittance de la littérature à des fins qualitatives seulement afin de déterminer la nature des groupements présents dans les cendres de poisson. En plus, le spectre expérimental ne permet pas une analyse à des nombres d’onde plus faible que 750 cm-1.

Figure 22 : Spectre infrarouge expérimental de cendres de poisson (A) et les spectres infrarouges de l’hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2(CO3)x) (B).

Le spectre des cendres de poisson présenté précédemment confirme que ce n’est probablement pas une interaction avec la matière organique qui influence la CPE. Ceci semble donc favoriser la deuxième hypothèse, soit celle de l’atteinte des seuils de tolérance de la CPE. Les cendres de poisson représentent une matrice complexe chargée en ions inorganiques dont la concentration de ceux-ci peut être élevée et dépasser les seuils de tolérance. Il est possible d’observer sur le spectre expérimental des pics intenses qui correspondent aux groupements phosphates. Il faudra donc vérifier si la concentration en phosphate dans les cendres est assez élevée pour atteindre le seuil de tolérance et avoir un impact sur l’extraction au point trouble. Il est toutefois impossible de se baser sur le spectre IR afin de connaître la concentration en phosphate puisque celui-ci permet seulement une analyse qualitative.

En 1997, le groupe de recherche de Horwitz a publié un article sur l’efficacité de la résine Dipex à séparer et préconcentrer les actinides à partir de solution aqueuses. [70] La résine Dipex utilise le H2DEH[MDP] comme agent d’extraction. Le groupe de Horwitz a vérifié l’impact de la présence

des groupements phosphates et sulfates sur l’extraction du neptunium (IV), un actinide comme l’uranium. Selon les graphiques de la figure 20, plus la concentration en phosphate et en sulfate augmente, plus la rétention du neptunium sur la résine diminue. Le facteur de capacité k’ pour l’absorption du neptunium diminue passant de 5x107

à 2x104 dans le HCl 1 mol/L et de 106 à 2x104 dans le HCl 3 mol/L avec l’augmentation de la concentration en phosphate et en sulfate. La capacité k’ représente la quantité d’ions fixés sur la résine durant la phase de saturation. Cependant, les chercheurs rapportent que même si ces anions ont un impact sur la rétention du neptunium, la valeur du k’ reste néanmoins supérieure à 104

. Ils ont donc conclu que l’affinité de la résine Dipex pour les actinides est tellement forte que même à une concentration allant jusqu’à 4 mol/L de phosphate et de sulfate la valeur de k’ Np(IV) est assez élevée pour permettre une séparation efficace.

Figure 23 : Effet des phosphates et des sulfates sur l’absorption du Np(IV) par la résine Dipex. [70]

Selon cet article, la présence des groupements de phosphate ne devraient pas affecter l’efficacité d’extraction du H2DEH[MDP]. Des tests ont été effectués pour déterminer s’il en va de même pour

l’extraction de l’uranium et du plutonium par CPE pour des échantillons biologiques. Pour ce faire, les tests ont été faits à partir d’échantillon sans matrice, c’est-à-dire sans la présence de cendres puisque la concentration en phosphate reste inconnue et afin d’éviter tout autre interférence possible. L’uranium a été ajouté directement à l’acide nitrique suivit de l’ajout des réactifs nécessaires à la CPE selon les concentrations mentionnées au tableau 17. Les phosphates ont été ajoutés aux solutions sous forme de sel de phosphate de potassium (K3PO4) à des concentrations

allant de 950 à 4750 mg/L soit égales ou supérieures au seuil de tolérance de 1000 mg/L pour la CPE. [52] La récupération en uranium obtenue varie de 88 à 97 %, soit une perte d’efficacité allant de 3 à 12 % selon la concentration en phosphate ajoutée (voir tableau 19). Comme pour les travaux du groupe de Horwitz, la présence de phosphates lors de la CPE semble influencer légèrement l’efficacité de complexation entre l’uranium et le H2DEH[MDP].

Tableau 19: Résultats pour les CPE avec ajout de K3PO4.

Solutions Quantité ajoutée à la CPE (mg/L) Récupération U (%)

1 950 89 ± 6

2 1900 90 ± 10

3 2850 97 ± 6

4 3800 88 ± 5

5 4750 90 ± 10

Ainsi, il est fort probable que d’autres éléments de la matrice influencent aussi les rendements d’extraction. Le tableau 20 compare les concentrations des éléments présentés précédemment dans le tableau 16 et les seuils de tolérance pour la CPE déterminés par Labrecque et ses collègues (tableau 18). [52]

Tableau 20 : Seuils de tolérance de la CPE pour certains éléments présents dans les cendres de poisson.

Ions Concentration présente dans les cendres (mg/L)

Seuil de tolérance CPE (mg/L) [52] 𝐋𝐢+ _{24 1100} 𝐒𝐫𝟐+_{, 𝐌𝐠}𝟐+ _{6 100} 𝐍𝐚+ _{1900 2000} 𝐂𝐚𝟐+ _{2200 500} 𝐀𝐥𝟑+ _{6 15} 𝐅𝐞𝟑+ _{11 24}

En observant ces valeurs, seule la concentration en calcium de 2200 mg/L présente dans les cendres dépasse largement le seuil de tolérance de 500 mg/L. Même si le H2DEH[MDP] a une

affinité très élevée pour les actinides avec des états d’oxydation de +3, +4 et +6, cet agent extraction possède aussi une bonne affinité pour d’autres éléments qu’on retrouve fréquemment dans les échantillons environnementaux. Le groupe de recherche de Horwitz a également vérifié l’influence de la présence d’éléments tels que le calcium, l’aluminium et le fer sur la rétention de l’américium par le H2DEH[MDP] pour différentes concentrations d’acide chlorhydrique.

éléments augmente selon l’ordre suivant : Fe(II) ˂ Ca(II) ˂ Al(III) ˂ Fe(III). À cause de leur degré d’oxydation, le Fe(II) et le Ca(II) ont un faible impact sur la rétention de l’américium dont les k’ demeurent plus élevés que 100 pour des concentrations en ions allant de 0,01 à 2 mol/L (voir figure 24). Puisque le H2DEH[MDP] possède une bonne affinité pour les éléments avec un degré

d’oxydation de +3, l’Al(III) et le Fe(III) ont une influence plus importante sur la rétention de l’américium et cette influence est plus prononcée pour le fer. Le Fer(III) pour des concentrations égales ou supérieures à 0,01 M influence grandement les valeurs de k’Am et cela indépendamment de la concentration en HCl. Plus la concentration en Fe(III) augmente, plus la valeur de k’ approche 100.

Figure 24 : Rétention de l’Am sur la résine Dipex en présence de Ca(II), Al(III), Fe(II) et Fe(III) dans du HCl 1 mol/L, 2 mol/L et 4 mol/L.[70]

Puisqu’il semble y avoir certains éléments qui peuvent influencer la CPE (calcium, phosphate), des modifications devront être apportées afin d’adapter cette technique aux échantillons biologiques. Pour optimiser la CPE, quelques pistes de solution ont été explorées. Puisque le

problème semble être dû à la concentration élevée en ions dans les cendres, les solutions contenant les cendres ont été soit diluées, soit la masse de cendre a été diminuée pour un même volume. Pour ce faire, trois solutions différentes ont été testées. Rappelons que les 0,5 grammes de cendres obtenues par calcination sont solubilisées dans un volume total de 10 mL incluant les réactifs pour effectuer la CPE et que la récupération en uranium est de 15 ± 3 %. Les premiers tests se sont faits à partir d’une diminution de la masse de cendre utilisée. La première solution d’extraction contenait 0,2 g de cendre et la deuxième solution 0,1 g de cendre toujours dans un volume total de 10 mL pour la CPE (voir tableau 21). La récupération en uranium pour la première solution est de 26 ± 2 % et de 39 ± 2 % pour la deuxième. Pour le dernier test, une masse de 0,25 g de cendres a été solubilisée dans un volume total de 50 mL d’acide nitrique. Par la suite, un volume de 6,5 mL de cette solution a été utilisé pour effectuer l’extraction au point trouble dont le volume total de la