Complexation of protactinium(V) with sulphate ions
Comportement chimique du protactinium(V) en préscence d'ions sulphates
Résumé
Protactinium is experiencing a renewal of interest in the frame of long-term energy production. Modelling the behaviour of this element in the geosphere requires thermodynamic and structural data relevant to environmental conditions. Now deep clayey formation are considered for the disposal of radioactive waste and high values of natural sulphate contents have been determined in pore water in equilibrium with clay surface. Because of its tendency to polymerisation, hydrolysis and sorption on all solid supports, the equilibria constants relative to monomer species were determined at tracer scale (ca. 10 - 12 M) with 233Pa. The complexation constants of Pa(V) and sulphate ions were calculated starting from a systematic study of the apparent distribution coefficient D in the system TTA/Toluene/H2O/Na2SO4/HClO4/NaClO4 and as a function of ionic strength, temperature, free sulphate, protons and chelatant concentration. First of all, the interaction between free species H+, SO42-, Na+ leads to the formation of HSO4- and NaSO4- , for which concentrations depend upon the related thermodynamic constants. For this purpose a computer code was developed in order to determine all free species concentration. This iterative code takes into account the influence of temperature and ionic strength (sit modelling) on thermodynamic constants. The direct measure of Pa(V) in the organic and aqueous phase by g-spectrometry had conducted to estimate the apparent distribution coefficient D as function of free sulphate ions. Complexation constants have been determined after a mathematical treatment of D. The extrapolation of these constants at zero ionic strength have been realized by sit modelling at different temperatures. Besides, enthalpy and entropy values were calculated. Parallely, the structural study of Pa(V) was performed using 231Pa. xanes and exafs spectra show unambiguously the absence of the trans dioxo bond that characterizes the other early actinide elements like U and Np. In concentrated sulphuric acid (12 M), Pa(V) is proved to exhibit a single oxo bond. In 0.5 M and 0.05 M HF medium, the results indicate the absence of any oxo bond : Pa(V) exists in the form of a pure fluoro–complex.
La modelisation du comportement des actinides dans l'environnement necessite l'acquisition de donnees structurales et thermodynamiques sur les especes susceptibles d'etre presentes dans les milieux naturels. Le protactinium est un element possedant une tendance tres marquee vis–à–vis de l'hydrolyse, de la polymerisation et de la sorption sur tout support solide. Dans ce cas, la determination des constantes d'equilibre relatives a des especes monomeres ne peut etre effectuee qu'a l'echelle des traces (CPa < 10-10M) avec l'isotope 233Pa. Les constantes de complexation de Pa(V) avec les ions sulfate ont donc ete determinees a partir d'une etude systematique des variations du coefficient de partage de Pa(V) dans le systeme TTA/toluene/H2O/Na2SO4/HClO4/NaClO4, en fonction de differents parametres tels que les concentrations de sulfate et de protons libres, la force ionique, la temperature, et la concentration de l'extractant. Compte tenu de l'interdependance des especes en phase aqueuse, il a ete necessaire de developper un code de calcul iteratif prenant en compte les reactions de dissociation de HSO4- et de formation de NaSO4- , mais egalement l'influence de la temperature et de la force ionique. Pour chaque valeur de µ et de temperature, et pour une concentration de proton libre fixee, le programme permet de calculer l'ensemble des concentrations des especes libres en solution. Les donnees de sortie sont les volumes de solutions meres de NaClO4, HClO4 et Na2SO4 a introduire pour realiser les solutions retenues. La mesure directe de la quantite de 233Pa en phase organique et aqueuse, par spectrometrie gamma, nous a permis de calculer le coefficient de partage (D) en fonction de la concentration des ions libres SO42-. Les experiences, effectuees en changeant differents parametres, montrent une forte dependance de D avec : la temperature, la concentration de la tta, la concentration des ions libres H+ et la concentration des ions sulfate libres. Les constantes de complexation ont ete determinees à l'aide d'un traitement mathematique des donnees de partage. L'extrapolation de ces constantes à force ionique nulle a ete realisee en utilisant le modele sit pour differentes valeurs de temperature. Parallelement, une etude structurale de Pa(V) en milieu sulfurique (13 et 4 M) et en milieu fluorhydrique (HF 0, 5 et 0, 05 M) a ete realisee avec l'isotope 231Pa. Les spectres exafs et xanes ont montre l'absence de liaison Pa = O dans le cas du milieu fluorhydrique. En milieu sulfurique une seule liaison oxo a ete mise en evidence, ce qui differe des actinides V et VI qui conservent toujours leur liaison trans-dioxo.
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