Development of devices to integrate in automatic methodologies for determining radionuclides in residues and environmental samples

Abstract

[eng] In this thesis, different devices have been developed, using 3D printing technology or numerical control tools, which have been integrated into automatic analysis systems that use flow injection analysis techniques. The first two works describe a device, made by means of numerical control tools, which allows the study of 226Ra, U and Th dynamic lixiviation from residues and environmental samples (phosphogypsum, soil and sediment). The device was integrated into two automatic flow systems, which combine the Lab-On-Valve techniques and multi-syringe flow injection analysis (LOV-MSFIA). The systems allow to perform the on-line lixiviation, extraction and preconcentration of the studied radionuclides. In both works, a subsequent off-line detection is performed, which for 226Ra is carried out in a low background proportional counter, and for U and Th in an ICP-MS. The proposed systems allowed to study the lixiviation process from a new approach, since they are based on a dynamic lixiviation with constant renewal of the extractant, which imitates the natural lixiviation process. The third work consists of two parts. The first part describes the use of 3D stereolithography technique, which allows the printing in three dimensions of complex structures with high precision. The 3D device manufactured was coated with TEVA resin, for the selective extraction /preconcentration of U(VI) in environmental samples. In the second part, the integration of this 3D device into an automatic flow system is presented, with ICP-MS off-line detection. The proposed method uses the technique of sequential injection analysis (SIA). The results obtained, both in the analytical parameters and in the analysis of samples, have been satisfactory. This work proposes a simple method for the selective extraction of U in environmental samples without the requirement of a pretreatment. The fourth work presents a completely automated system, which allows the on-line extraction and detection of 90Sr. The detection system was developed in collaboration with the company iC-Málaga and uses a liquid scintillation counter based on photomultiplier tubes. The automatic system combines the flow analysis techniques of LOV and MSFIA, and integrates two 3D printed devices, a dark box to isolate the flow cell from ambient light and a mixer to achieve a homogeneous mixture between the eluate and the scintillation liquid. The constructed sensor prototype allows to carry out all the steps of the analytical protocol, including the extraction and preconcentration of 90Sr, the mixture of the eluate with the scintillation liquid and the on-line count of the beta emissions.

[spa] En esta tesis se han desarrollado diferentes dispositivos, usando la tecnología de impresión 3D o herramientas de control numérico, que se han integrado en sistemas automáticos de análisis que utilizan técnicas de análisis por inyección en flujo. Los dos primeros trabajos describen un dispositivo, realizado por medio de herramientas de control numérico, que permite el estudio de la lixiviación dinámica de 226Ra, U y Th en residuos y muestras ambientales (fosfoyeso, suelo y sedimento). El dispositivo se integró en dos sistemas automáticos en flujo, que combinan las técnicas Lab-On-Valve y el análisis por inyección en flujo multijeringa (LOV-MSFIA). Los sistemas permiten realizar la lixiviación, extracción y preconcentración en línea de los radionúclidos estudiados. En ambos trabajos se realiza una detección posterior fuera de línea, que para el 226Ra se lleva a cabo en un contador proporcional de bajo fondo, y para el U y el Th en un ICP-MS. Los sistemas propuestos permitieron estudiar el proceso de lixiviación desde un nuevo enfoque, ya que se basan en una lixiviación dinámica con renovación constante del extractante, que imita el proceso de lixiviación natural. El tercer trabajo consta de dos partes. En la primera parte se describe el uso de la técnica de impresión en 3D por estereolitografía, que permite la impresión en tres dimensiones de estructuras complejas con alta precisión. El dispositivo 3D fabricado fue recubierto con la resina TEVA, para la extracción/ preconcentración selectiva de U(VI) en muestras ambientales. En la segunda parte, se presenta la integración de este dispositivo 3D en un sistema en flujo automático, con posterior detección mediante un ICP-MS. El método propuesto utiliza la técnica de análisis por inyección secuencial (SIA). Los resultados obtenidos, tanto en los parámetros analíticos como en el análisis de muestras, han sido satisfactorios. Este trabajo propone un método simple para la extracción selectiva de U en muestras ambientales sin el requerimiento de un pretratamiento. El cuarto trabajo presenta un sistema completamente automatizado, que permite la extracción y detección en línea de 90Sr. El sistema de detección fue desarrollado en colaboración con la empresa iC-Málaga y utiliza un contador de centelleo líquido basado en tubos fotomultiplicadores. El sistema automático combina las técnicas de análisis en flujo LOV y MSFIA, e integra dos dispositivos impresos en 3D, una caja oscura para aislar la celda de flujo de la luz ambiental y un mezclador para lograr una mezcla homogénea del eluato y el líquido de centelleo. El prototipo de sensor construido permite llevar a cabo todos los pasos del protocolo analítico, incluyendo la extracción y preconcentración de 90Sr, la mezcla del eluato con el líquido de centelleo y el contaje en línea de las emisiones beta.

[cat] En aquesta tesi s'han desenvolupat diferents dispositius emprant tecnologies d'impressió 3D, o eines de control numèric, les quals s'han integrat en sistemes automàtics d'anàlisi que utilitzen tècniques d'anàlisi per injecció en flux. Els dos primers treballs descriuen un dispositiu realitzat per mitjà d'eines de control numèric, que permet l'estudi de la lixiviació dinàmica de 226Ra, U i Th en residus i mostres ambientals (fosfoyeso, terra i sediment). El dispositiu es va integrar en dos sistemes automàtics en flux, que combinen les tècniques Lab-On-Valve i l'anàlisi per injecció en flux multixeringa (LOV-MSFIA). Els sistemes permeten realitzar la lixiviació, extracció i preconcentració en línia dels radionúclids estudiats. En ambdós treballs es realitza una detecció posterior fora de línia, que per al 226Ra es porta a terme en un comptador proporcional de baix fons, i per l'U i el Th en un ICP-MS. Els sistemes proposats van permetre estudiar el procés de lixiviació des d'un nou enfocament, ja que es basen en una lixiviació dinàmica amb renovació constant de l'extractant, que imita el procés de lixiviació natural. El tercer treball consta de dues parts. A la primera part es descriu l'ús de la tècnica d'impressió en 3D per estereolitografia, que permet la impressió en tres dimensions d'estructures complexes amb alta precisió. El dispositiu 3D fabricat va ser recobert amb la resina TEVA, per a l'extracció / preconcentració selectiva d'U(VI) en mostres ambientals. A la segona part, es presenta la integració d'aquest dispositiu 3D en un sistema en flux automàtic, amb posterior detecció mitjançant un ICP-MS. El mètode proposat utilitza la tècnica d'anàlisi per injecció seqüencial (SIA). Els resultats obtinguts, tant en els paràmetres analítics com en l'anàlisi de mostres, han estat satisfactoris. En aquest treball es proposa un mètode simple per a l'extracció selectiva d'U en mostres ambientals sense el requeriment d'un pretractament. El quart treball presenta un sistema completament automatitzat, que permet l'extracció i detecció en línia de 90Sr. El sistema de detecció va ser desenvolupat en col•laboració amb l'empresa iC-Màlaga i utilitza un comptador de centelleig líquid basat en tubs fotomultiplicadors. El sistema automàtic combina les tècniques d'anàlisi en flux LOV i MSFIA, i integra dos dispositius impresos en 3D, una caixa fosca per aïllar la cel•la de detecció de la llum ambiental i un mesclador per aconseguir una barreja homogènia de l'eluat i el líquid de centelleig. El prototip de sensor construït permet dur a terme tots els passos del protocol analític, incloent-hi l'extracció i preconcentració de 90Sr, la barreja de l'eluat amb el líquid de centelleig i el comptatge en línia de les emissions beta.