Les paramètres nécessaires à la conception d’une nouvelle méthode pour la mesure des actinides de haute radiotoxicité dans les matières fécales étant définis au chapitre précédent, il est maintenant possible de mettre en pratique cette méthodologie. Dans ce chapitre, les étapes nécessaires au développement de la méthode analytique et l’optimisation des différents paramètres seront discutées en détails.
Réactifs et instruments utilisés
Toutes les solutions utilisées ont été préparées à partir de réactifs de qualité analytique ou supérieure et d’eau de très haute pureté provenant d’un système Millipore Direct-Q5 Ultrapure water system (> 18 MΩcm-1) de EMD Millipore. Les résines utilisées lors de ces travaux de recherches sont les résines DGA-N® (Normal, 50-100 µm) et UTEVA® (50- 100 µm) sous forme de cartouches de 2 mL provenant de Eichrom Technologies, Inc. (Lisle, Illinois, USA). La résine AGMP-1M sous forme chlorure (100-200 mesh) provient de Bio-Rad Laboratories Canada Ltd. (Mississauga, Ontario, Canada). Tous les autres réactifs ont été achetés de Sigma-Aldrich Canada (Oakville, Ontario, Canada) ou de Fisher Scientific Canada (Ottawa, Ontario, Canada).
Les solutions standards de 241Am proviennent d’AEA Technology plc (Culham, Abingdon, Royaume Unis). Les solutions standards de 243Am, 244Cm, 239Pu, 241Pu, 242Pu et 237Np proviennent du National Institue of Standards and Technology (NIST, Gaithersburg, MD, États-Unis).
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Instrumentation
Les mesures spectrométriques ont été effectuées à l’aide d’un ICP-MS Varian 800MS (Mississauga, ON, Canada) au Laboratoire de Radioécologie à l’Université Laval ainsi qu’un ICP-MS Element XR par Thermal Scientific (Bremen, Allemagne) à ÉACL aux Laboratoires de Chalk River. Pour ce qui est des mesures radiométriques, elles ont été effectuées à l’aide d’un spectromètre alpha Octête Plus® ayant 8 détecteurs au silicium de 450 mm2 ULTRA-AS à ion implanté par AMETEK/ORTEC Inc. (Oak Ridge, Tennessee, États-Unis).
Préparation d’échantillons synthétiques
Des échantillons de matières fécales synthétiques ont été préparés en respectant le plus possible la composition et la quantité normale de fèces d’un adulte. Il est préférable de travailler avec des échantillons synthétiques de matière fécale plutôt que des échantillons réels, parce que ceux-ci sont plus reproductibles et plus facilement accessibles lorsque nécessaire. Cette pratique est courante pour le développement de méthodes analytiques impliquant des échantillons biologiques. Noter aussi que ce sont des échantillons synthétiques qui ont servi à la validation de la méthode au Chapitre 4. La composition des échantillons synthétiques utilisés pour cette recherche a été basée sur celle publiée en 1994 par Oak Ridge National Laboratories, lors de son programme national d’inter-comparaisons de dosage biologique [52]. Le mélange proposé a été soumis à un rigoureux processus d’évaluation interlaboratoires. La composition des matières fécales synthétiques proposée par Oak Ridge National Laboratories a été très légèrement modifiée afin d’ajouter de la silice dans la matrice, ce qui se rapproche encore davantage de la réalité.
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Tableau 13 : Composition des matières fécales synthétiques
Formule chimique Nom Quantité (g)
(NH4)H2PO4 Dihydrogénophosphate d’ammonium 2,10
Ca(NO3)2 Nitrate de Calcium 0,97
K2CO3 Carbonate de potassium 0,83
MgCO3 Carbonate de magnésium 0,61
Na2SO4 Sulfate de sodium 0,37
SiO2 Silice 0,15
NH4Cl Chlorure d'ammonium 0,04
(NH4)Fe(SO4)2 Sulfate d'ammonium ferrique 0,04
SnCl2 Chlorure d'étain 0,03 ZnS Sulfure de zinc 0,01 C6H13NO2 Leucine 7,10 C6H14N2O2 Lysine 5,10 Gélatine Gélatine 5,00 (C6H10O5)n Cellulose 4,00 C16H32O2 Acide palmitique 3,00 C4H9NO3 Thréonine 2,00
Huile d’arachide Huile d'arachide 1,50
C18H34O2 Acide oléique 1,00
H2O Eau 63,35
Total 100,00
La composition des échantillons fécaux synthétiques utilisés est présentée au Tableau 13. Les matières fécales se composent d’environ 63 % d’eau et de 37 % de matières « sèches ». De ce 37 %, environ 29 % est constitué de composés organiques. Pour ce projet de maîtrise, la composition proposée par Oak Ridge National Laboratories a été modifiée pour inclure 70 mg de Si par 100 g de matières fécales synthétiques, ce qui correspond à limite supérieure normale (et non absolue) de silice ingérée quotidienne soit de 20 à 63 mg
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[31, 53]. Basé sur le fait que la production quotidienne de matières fécales est d’approximativement 150 g pour les mâles et 120 g pour les femmes adultes, il a été jugé possible de travailler avec des échantillons de 100 g pour obtenir un maximum de rendement. Le mélange proposé ne tient pas compte de la composition biologique des excréments qui contiennent également des germes, bactéries et enzymes. Cependant, la matière organique étant décomposée dans l’étape de calcination, leur présence, qui constitue d’ailleurs un risque biologique, n’est pas nécessaire.
Calcination des échantillons synthétiques
Des essais ont été effectués pour obtenir une calcination optimale pour tous les types d’échantillons tels que des échantillons riches en matière organique, eau, fer, calcium et silice. Des creusets d’alumine de haute pureté par Coors Tek (Golden, Colorado, USA) ont été utilisés pour éviter que ceux-ci ne viennent ajouter des impuretés aux échantillons. Les échantillons de matières fécales ont été calcinés à environ 600 °C durant au moins 4 heures [2]. Auparavant, les échantillons ont d’abord été séchés à basse température avant d’être calcinés. Un échantillon amené à haute température trop rapidement peut générer des éclaboussures dans la fournaise, résultant en des pertes d’échantillon, et en la possibilité de contamination croisée des échantillons. Les échantillons ont donc été déshydratés à 130°C durant au moins 18 heures avant calcination. Également, afin d’éviter la combustion de l’échantillon au lieu de la calcination, une rampe de température de 1°C·minute-1 démarrant à 130°C jusqu’à 400°C a été appliquée. Cette procédure a permis d’éviter toute combustion spontanée des échantillons en autant que la porte de la fournaise demeurait fermée. Une fois la température de 400°C atteinte, l’échantillon peut être rapidement chauffé à 650°C sans risque de combustion pour un minimum de 4 heures, vu que la grande majorité de la matière organique a été décomposée.
Après calcination, les cendres refroidies ont une couleur variant du gris au noir, ce qui résulte en une combustion incomplète de l’échantillon. Afin d’améliorer le rendement de
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combustion, les échantillons calcinés ont été mélangés à 2-3 mL d’acide nitrique 8 M. Cette étape permet d’éliminer les carbonates encore très présents dans les cendres résiduelles, résultant en un important dégagement gazeux, et d’oxyder la majorité du noir de carbone contenu dans les cendres. L’acide est par la suite évaporé sous une lampe IR ou sur une plaque chauffante et les échantillons sont chauffés à 650°C pendant une heure. Après ces étapes, les cendres obtenues sont généralement blanches ou ont une faible teinte grisâtre. Le résidu obtenu contient principalement des sels minéraux qui pourront par la suite être dissous par fusion.
Optimisation de la fusion
L’efficacité de la fusion à dissoudre les sels inorganiques présents dans la matrice de matières fécales et l’influence de ces sels sur la dissolution des actinides ont été évaluées. Pour ce faire, un matériau de référence certifié d’uranium naturel, le BL-5, a été utilisé (voir Annexe 1 pour le certificat d’analyse du BL-5). La fusion de l’échantillon a été effectuée à l’aide du Fluxer M4 (Figure 10) et d’un mélange de fondant 98,50 % LiBO2 et
1,50 % LiBr. Une quantité dans un rapport massique 1 : 10 (échantillon : fondant) des sels inorganiques présents dans la matrice de matière fécales synthétique a été ajouté et dissoute. Les échantillons fondus ont été dissous dans 100 mL d’acide nitrique 3M. Les résultats sont présentés au tableau suivant (Tableau 14). Au Tableau 14, le terme « cendres » désigne des matières fécales synthétiques calcinées.
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Tableau 14 : Récupération de l’uranium dans différentes matrices dissoutes par fusion automatisé à l’aide du Fluxer M4
Matrice Récupération U (%) 100 % cendres 98 ± 3 50 % (NH 4)2Fe(SO4)2, 50 % cendres 98 ± 3 100 % CaCO3 98 ± 2 50 % MgCO 3, 50 % cendres 101 ± 3 100 % NH4H2PO4 95 ± 7 100 % Na 2SO4 99 ± 2 100 % SiO2 98 ± 3 100 % ZnS -
Pour l’ensemble des matrices étudiées, un rendement supérieur à 95 % a été obtenu excepté pour le sulfure de zinc. Ce résultat démontre la versatilité de la fusion pour la dissolution des sels inorganiques et que la plupart d’entre eux ne nuiront pas à la dissolution de l’oxyde d’uranium. Ce résultat est appuyé par le fait que les cendres obtenues, suite à la calcination et contenant un mélange des différents sels susceptibles d’être présents, n’ont pas affecté le rendement obtenu (98 ± 3 %). Dans le cas du sulfure de zinc, la décomposition par fusion a résulté en la formation d’un précipité jaune insoluble en milieu acide. Il a été observé que la fusion de sulfures par fusion boratée n’est souvent que très partielle [7]. Il est tout de même possible de dissoudre les sels de sulfures par fusion à condition de d’abord les oxyder en sulfates [54]. Il est possible d’effectuer une oxydation sèche par l’ajout d’oxydants dans le fondant, par exemple du Na2S2O8, mais ce réactif n’est pas recommandé pour des creusets
de platine selon le fabricant (Corporation Scientifique Claisse). Pour ce faire, il a été décidé d’effectuer la fusion dans des creusets de graphite avec du Na2S2O8 permettant ainsi la
décomposition complète de l’échantillon.
Le ratio échantillon fondant a été optimisé afin de pouvoir dissoudre la plus grande quantité possible d’échantillon dans le volume restreint du creuset. Il a été observé qu’un ratio 1 :
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1,2 échantillon/fondant était suffisant pour permettre la dissolution totale de l’échantillon avec un fondant de 98,50 % LiBO2 et 1,50 % LiBr. Des cendres de matières fécales
synthétiques dopées avec du BL-5 ont été mélangées, fondues, et dissoutes en milieu acide. L’uranium présent dans la solution résiduelle a ensuite été déterminé par ICP-MS. Un taux de récupération de 98 ± 3 % a été mesuré, ce qui est similaire aux résultats obtenus avec plus de fondant (Tableau 14).
En se basant sur les résultats obtenus précédemment, un protocole de fusion manuelle a été développé. Les cendres de matières fécales ont été mélangées à un fondant contenant du LiBO2, du Na2S2O8 et du LiBr dans un ratio massique de 1 : 1 : 0,2 : 0,02 (cendre : LiBO2 :
Na2S2O8 : LiBr). Le Na2S2O8 permet de détruire le noir de carbone résiduel à la calcination
ainsi que d’oxyder les sulfures en sulfates. La fusion s’effectue dans un creuset de graphite de haute pureté de 20 mL provenant de SCP Science (Baie D’Urfé, Québec, Canada). L’échantillon est mélangé à l’aide d’une tige en PFTE avant la fusion. Le creuset est amené à 1000°C et laissé à cette température pour 30 minutes dans un four. Il est ensuite laissé à refroidir à < 200°C au cours de la nuit, puis finalement il est refroidi à température pièce.
Contrairement à la fusion automatisée durant laquelle le fondant en fusion est directement versé dans une solution de dissolution, pour la fusion manuelle la pastille de verre boraté obtenue doit être dissoute. Différents essais ont été effectués afin de déterminer les meilleures conditions permettant la dissolution des pastilles. La digestion des pastilles a été testée avec plusieurs acides sur des pastilles identiques composées de 1,6 g de cendres de matières fécales synthétiques fusionnées dans 2,0 g de fondant (98,50 % LiBO2 avec 1,50
% LiBr). Les temps de dissolution nécessaire à la solubilisation des pastilles à partir de 30 mL d’acide à l’essai sont donnés au Tableau 14. Certains acides ont été chauffés à reflux pour accélérer le processus de digestion.
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Tableau 15 : Temps nécessaire de dissolution de pastilles de cendres artificielles fusionnées par différents acides
Acide Temps de dissolution approximatif (h)
Acide chlorhydrique > 72
Acide nitrique > 24
Acide sulfurique ~ 5
Acide chlorhydrique à reflux ~ 3
Acide nitrique à reflux ~ 3
Aqua regia ~ 1
Aqua regia à reflux ~ 0,25
La digestion des pastilles à la température de la pièce est toujours très longue et dans le meilleur des cas elle prend 1 heure avec l’eau régale (Tableau 15). Dans le cas de l’acide chlorhydrique, la dissolution ne s’est jamais produite. La digestion des pastilles en chauffant à reflux permet d’accélérer considérablement le temps de dissolution. La digestion acide qui a été retenue est celle par l’eau régale à reflux. L’efficacité de l’aqua regia, par rapport aux autres acides, est due à la formation de chlore natif (Figure 13) qui vient attaquer la surface passive de la pastille plus rapidement et agressivement qu’un acide seul à chaud. La formation de bulles à la surface permet de briser la pastille en petits cristaux ce qui augmente la surface d’attaque de l’acide et ainsi facilite la dissolution. Ainsi, la pastille obtenue par fusion est dissoute dans 30 mL d’aqua regia à reflux pendant 1 heure, puis la solution est amenée avec de l’eau à 90 mL.
Figure 13 : Mécanisme de formation de l’aqua regia
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Optimisation de l’élimination de la silice
La silice (ou silicate) résultant de la fusion peut occasionner des problèmes lors de l’étape de la séparation chimique des actinides. Une trop grande quantité de silice peut bloquer les pores des résines. Il a été observé que des échantillons contenant plus de 100 mg de silice étaient suffisants pour obstruer les résines. La silice doit être retirée de la solution. Il existe dans la littérature quelques possibilités pour ce faire : la formation de complexes solubles, la filtration et la floculation.
La silice peut être solubilisée à l’aide de complexes. L’acide molybdique forme un complexe d’acide silicomolybdique soluble qui est stable en milieu acide. Cette méthode a été utilisée avec succès pour solubiliser les silicates d’échantillons d’eau de mer [55, 56]. Toutefois, les amines quaternaires employées en chromatographie d’extraction pour séparer les actinides font précipiter le complexe d’acide silicomolybdique. Ainsi, un tel procédé pourrait difficilement être appliqué pour la séparation des actinides.
Une seconde méthode pour retirer la silice de solutions acides est la filtration. Cette méthode est simple et est utilisée pour certaines applications. Cependant, la formation du gel de silice peut entraîner l’adsorption de métaux de la solution. La condensation des silicates est aussi un processus complexe qui dépend de l’acidité de la solution, de son volume, de la température, du temps et des impuretés présentes. Il est donc difficile d’obtenir des rendements constants. Il est possible en amenant à sec une solution à ébullition de HCl de former un gel qui peut être facilement filtré [57]. Le précipité est alors filtré et la solution de nouveau évaporée dans les mêmes conditions pour accroître le rendement. Toutefois ces étapes sont longues et s’inscrivent difficilement dans le développement de méthodes d’urgence. Aussi, en utilisant cette méthode, le risque de perte d’échantillon est élevé tout comme le risque de contamination. La filtration de la silice peut-être longue, voire même impossible pour certains échantillons. Cette méthode, bien que simple, présente trop d’inconvénients pour pouvoir être employée dans le cadre de la mesure d’échantillons radioactifs.
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La floculation est un procédé d’agglomération de petites particules à de plus gros agrégats. Cette technique a été utilisée avec succès par Smith [58] et Croudace [11] pour faire précipiter les silicates d’échantillons environnementaux après fusion (à l’hydroxyde de sodium) à l’aide de polyéthylène glycol (PEG). L’utilisation de PEG semble être l’approche la plus intéressante pour retirer la silice d’échantillons de fusion et sera évaluée dans ce mémoire.
Une solution de PEG-2000 10 % a été préparée et 1 mL a été ajouté à la solution fraichement dissoute de la fusion. Le précipité formé dans le mélange a ensuite été centrifugé. Des essais pour séparer le précipité de la solution par filtration ont été tentés, mais ce procédé était beaucoup moins rapide que la centrifugation et n’a donc pas été utilisé. Le précipité obtenu suite à la centrifugation formait un gel peu compact. Différents PEG ont été étudiés pour ce projet. L’efficacité des composés a été faite en mesurant la teneur en Si par ICP-OES (Optima 3000, Perkin Elmers) de la solution après centrifugation. Les tests d’efficacité ont été effectués en dissolvant 150 mg de SiO2 provenant d’une
solution de 29,2 % SiO2 en milieu Na2O·H2O dans 30 mL d’acide chlorhydrique chauffé à
reflux pendant 1 heure puis diluée à 90 mL. Ensuite, 1 mL d’une solution contenant 10 % du PEG a été ajoutée, puis la solution a été agitée pendant 20 minutes puis laissée à reposer pendant 30 minutes pour que le précipité puisse se former. Le précipité a été alors séparé par centrifugation à 3 500 tours·minute-1 pendant 3 minutes et du Mg(II) a été ajouté comme étalon interne. Les résultats obtenus sont présentés au Tableau 16.
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Tableau 16 : Élimination de la silice par plusieurs PEG soumis aux mêmes conditions PEG Élimination du Si (%)
1500 93 ± 2
2000 93 ± 3
6000 93 ± 2
35000 93 ± 2
L’efficacité de la précipitation de la silice est la même pour tous les types de PEG étudiés (voir Tableau 16). Il a été observé que le PEG-6000 et le PEG-35000 formaient un précipité plus compact après centrifugation. Dans le cas du PEG-1500, le précipité peut facilement être déplacé du fond du tube conique en transvidant la solution. Il est donc préférable de travailler avec des PEG de haute masse. Le PEG 6000 a été choisi au lieu du PEG-35000 dû à la solubilité supérieure et à la dispersion rapide du PEG-6000 dans la solution acide. L’influence de la méthode développée sur les actinides a été évaluée. Il a été déterminé que l’uranium et le plutonium ne sont pas précipités par le PEG et demeurent donc en solution (environ 102 %) (Tableau 17).
Tableau 17 : Rendements (%) de récupération de 233U et de 242Pu suite à une floculation avec du PEG-6000 dans HCl 3M
Radionucléide Rendement
233U 102 ± 3 242Pu 102 ± 2
Le procédé de floculation étant efficace pour retirer la silice et n’affectant pas les actinides en solution, il a été décidé d’appliquer ce procédé dans la méthode générale. Suite à la fusion boratée, la silice est éliminée en rendant la solution 0,1 % (m/v) PEG-6000. La solution est ensuite agitée 20 minutes, reposée 30 minutes puis le précipité est séparé par centrifugation. La centrifugation est effectuée à 3 500 tours·minute-1 pendant 3 minutes dans des tubes coniques en polypropylène de 50 mL. Le précipité est rincé avec 10 mL d’acide nitrique 2 M et le surnageant est ajouté au reste de la solution.
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Coprécipitation des actinides par HTiO
La préconcentration des actinides pour ce projet s’est effectuée par coprécipitation au HTiO [59-61]. Cette étape permet de réduire le volume de la solution de fusion et de faciliter la séparation en éliminant les borates et autres anions présents. Pour chaque solution acide suivant la fusion, 1 mL d’une solution de TiOCl2 7% (grade trace métal) est ajouté et la
solution est agitée jusqu’à homogénéité. Cette solution acide est amenée à pH 9 avec de l’hydroxyde d’ammonium sous forte agitation par un barreau magnétique. Après ajustement du pH, la solution est agitée pendant encore 10 minutes puis elle est transférée dans un tube conique de 50 mL en polypropylène. Par la suite, le surnageant est retiré de la solution par centrifugation du tube conique à 3 500 tours·minute-1 pendant 3 minutes. Le précipité d’hydroxyde de titane hydraté obtenu est finalement rincé avec 10 mL d’eau pure et centrifugé de nouveau dans les mêmes conditions. Le précipité est ensuite redissous.
Tableau 18 : Rendements (%) de récupération de 233U et de 242Pu suite à une coprécipitation par HTiO d’une solution HCl 3M
Radionucléide Rendement
233U 99 ± 2 242Pu 99 ± 1
Les rendements de coprécipitation obtenus pour l’uranium et le plutonium sont très élevés tel que montré au Tableau 18. On peut raisonnablement avancer que tous les actinides d’intérêt auront une réactivité similaire puisqu’ils sont tous précipités en milieu basique (pH 9) [62] [63].
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Figure 14 : Représentation statistique de l’hydroxyde de titane hydraté
Le précipité d’hydroxyde de titane hydraté (Figure 14) est dissous en ajoutant un volume égal au précipité d’acide nitrique concentré. Une fois le précipité dissous, la solution est rendue 0,3 M de H2O2. La solution est agitée à l’aide d’une tige en PFTE et/ou par un
Vortex, puis elle est laissée reposée jusqu’à la dissolution complète, ce qui prend au plus 5 minutes. La solution de peroxyde de titane obtenue est rendue 0,03 mole de NaNO2 à partir
d’une solution de NaNO2 3M afin d’ajuster le degré d’oxydation des actinides. Après 10
minutes de réaction, on procède à la séparation des actinides.
Séparation des actinides
Les actinides doivent être séparés pour réduire le nombre d’interférences lors de leur mesure. La méthode de séparation des actinides utilisée se base sur une méthode proposée pour l’urine par Dai et coll. [60] et a été adaptée et optimisée pour permettre son utilisation avec des échantillons de matières fécales. Ce procédé de séparation permet de séparer les actinides majeurs (Th, Pu, Np, U, Am, Cm) en 4 fractions à partir d’une solution HNO3
8M, H2O2 0,3M et NaNO2 0,03 M. La séparation s’effectue en utilisant 3 résines :
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Figure 15 : Schéma de séparation des actinides développer par Dai et coll. [55]
Dans un premier temps, le Th(IV), Np(IV) et Pu(IV) sont retenus sur la résine AG®MP-1,