The fate of actinides in the environment is of interest for a several reasons. In oceanic surface waters actinides such as thorium and protactinium, and in particular their ratio, are used as tracers of processes such as boundary scavenging and paleocirculation. Thorium is also used to estimate residence times and particle and colloid fluxes from the euphotic zone, which is useful in global carbon budgets used to assess effects of global warming. Terrestrially, contaminated areas in need of remediation, such as former nuclear weapons production facilities, remain as repositories for no longer needed actinide stockpiles or waste by-products such as plutonium. All three of these actinides: thorium, protactinium, and plutonium are known to be particle-reactive but the extent to which they sorb to immobile particles and mobile colloids can vary with environmental conditions. Understanding controls on adsorption is important in understanding uses and any limitations of these radioactive tracers caused by colloids. Often laboratory studies to understand actinide behavior are conducted at concentrations (micro- to millimolar), which are orders of magnitude higher than they are found in the environment (femto- to picomolar). Colloids, a size class of particles operationally defined as 1 nm to 1 µm in size, are ubiquitous in aquatic systems. The effect colloids have on actinide particle association, i.e. competitive or enhancing, can have a profound influence on the ultimate behavior of the actinide. The overall aim of this study is to assess sorption of thorium, protactinium and plutonium onto silica particles as a proxy for inorganic particles found in surface or ocean waters. In addition to the binary system of actinide/silica, the ternary system actinide/ organic colloid/ silica were also carried out to determine the affect of the organic colloid has on particle association. In particular, extracellular polymeric substances (EPS) extracted from laboratory grown bacteria and phytoplankton cultures were utilized as they too are ubiquitous in aquatic systems and have shown to strongly complex actinide ions, with EPS involved in oceanic scavenging of Th, as well as immobilization/mobilization of Pu in contaminated areas on land.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2002. / Vita. Includes bibliographical references. Available also from UMI Company.

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Thesis (M.S.)--Oregon State University, 2010. / Printout. Includes bibliographical references (leaves 53-55). Also available on the World Wide Web.

Thesis (M.S.)--University of Michigan, 1976.

In 2012, The Institute of Resource Ecology at the Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf organized the first international workshop of Advanced Techniques in Actinide Spectroscopy (ATAS). A very positive feedback and the wish for a continuation of the workshop were communicated from several participants to the scientific committee during the workshop and beyond. Today, the ATAS workshop has been obviously established as an international forum for the exchange of progress and new experiences on advanced spectroscopic techniques for international actinide and lanthanide research. In comparison to already established workshops and conferences on the field of radioecology, one main focus of ATAS is to generate synergistic effects and to improve the scientific discussion between spectroscopic experimentalists and theoreticians. The exchange of ideas in particular between experimental and theoretical applications in spectroscopy and the presentation of new analytical techniques are of special interest for many research institutions working on the improvement of transport models of toxic elements in the environment and the food chain as well as on reprocessing technologies of nuclear and non-nuclear waste. Spectroscopic studies in combination with theoretical modelling comprise the exploration of molecular mechanisms of complexation processes in aqueous or organic phases and of sorption reactions of the contaminants on mineral surfaces to obtain better process understanding on a molecular level. As a consequence, predictions of contaminant’s migration behaviour will become more reliable and precise. This can improve the monitoring and removal of hazardous elements from the environment and hence, will assist strategies for remediation technologies and risk assessment. Particular emphasis is placed on the results of the first inter-laboratory Round-Robin test on actinide spectroscopy (RRT). The main goal of RRT is the comprehensive molecular analysis of the actinide complex system U(VI)/acetate in aqueous solution independently investigated by different spectroscopic and quantum chemical methods applied by leading laboratories in geochemical research. Conformities as well as sources of discrepancies between the results of the different methods are to be evaluated, illuminating the potentials and limitations of cou-pling different spectroscopic and theoretical ap-proaches as tools for the comprehensive study of actinide molecule complexes. The test is understood to stimulate scientific discussions, but not as a competitive exercise between the labs of the community. Hopefully, the second ATAS workshop will continue to bundle and strengthen respective research activities and ideally act as a nucleus for an international network, closely collaborating with international partners. I am confident that the workshop will deliver many exciting ideas, promote scientific discussions, stimulate new developments and collaborations and in such a way be prosperous. This workshop would not take place without the kind support of the HZDR administration which is gratefully acknowledged. Finally, the or-ganizers cordially thank all public and private sponsors for generous funding which makes this meeting come true for scientists working on the heavy metal research field.

Um das Verhalten von Actiniden im Menschen (Stoffwechsel), in geologischen und in biologischen Systemen vorherzusagen, ist es erforderlich deren Speziation genau zu kennen. Zur Bestimmung dieser wird das chemische Verhalten des Urans hinsichtlich Komplexbildungsreaktionen und Redoxreaktionen in Modellsystemen untersucht. Anhand der gewonnenen thermodynamischen Konstanten und dem Redoxverhalten können Risikoabschätzungen für das jeweilige untersuchte System getroffen werden. Das umweltrelevante Uran(IV)-Uran(VI)-Redoxsystem besitzt mit der metastabilen fünfwertigen Oxidationsstufe einen zumeist kurzlebigen Zwischenzustand. Innerhalb dieser Arbeit gelang es erstmalig die Uran(V)-Fluoreszenz mittels laserspektroskopischer Methoden nach zu weisen. Beispielsweise konnte das Bandenmaximum von aquatischem Uranyl(V) im perchlorhaltigem Medium (λex = 255 nm) mit 440 nm, bei einer Fluoreszenzlebensdauer von 1,10 ± 0,02 μs bestimmt werden. Die fluoreszenzspektroskopische Untersuchung eines aquatischen [U(V)O2(CO3)3]5--Komplexes (λex= 255 nm und 408 nm) zeigte bei Raumtemperatur keine Fluoreszenz. Durch Anwendung der Tieftemperaturtechnik wurden bekannte Quencheffekte des Carbonats unterdrückt, so dass bei beiden Anregungswellenlängen ein für Uran(V) typisches Fluoreszenzspektrum im Bereich von 375 nm bis 450 nm, mit Bandenmaxima bei 401,5 nm (λex = 255 nm) und 413,0 nm (λex = 408 nm) detektiert werden konnte. Darüber hinaus konnte bei 153 K (λex = 255 nm) eine Fluoreszenzlebensdauer von 120 ± 0,1 μs bestimmt werden. Untersetzt wurden diese fluoreszenzspektroskopischen Nachweise durch mikroskopische Studien verschiedener Uran(IV)-Festphasen (Uraninit…UO2, Uran(IV)-Tetrachlorid…UCl4) und einer sulfathaltigen Uran(IV)-Lösung (UIVSO4). Diese wurden durch kontinuierliche Sauerstoffzufuhr zu Uran(VI) oxidiert. Die ablaufende Oxidation wurde mit dem konfokalen Laser Scanning Mikroskop (CLSM) verfolgt, wobei die Proben mit einer Wellenlänge von 408 nm zur Fluoreszenz angeregt wurden. Die auftretenden Bandenmaxima bei 445,5 nm (UO2), bei 445,5 nm (UCl4) und bei 440,0 nm (UIVSO4) konnten eindeutig der Uran(V)-Fluoreszenz zugeordnet werden. Zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mit Hilfe der Tieftemperaturfluoreszenz wurde zunächst der Einfluss der Temperatur auf das Fluoreszenzverhalten des freien Uranyl(VI)-Ions näher betrachtet. Es zeigte sich, dass mit Erwärmung der Probe (T>298 K) die Fluoreszenzlebensdauer von 1,88 μs (298 K) deutlich absinkt. Die Fluoreszenzintensität verringerte sich dabei um 2,3 % pro 1 K zwischen 273 K und 313 K. Im Gegensatz dazu, steigt die Fluoreszenzlebensdauer um das 150-fache auf 257,9 μs bei einer Verminderung der Temperatur (T <298 K) auf 153 K. Das weitere Absenken der Temperatur (T <153 K) zeigte keinen Einfluss auf die Fluoreszenzlebensdauer. Die Lage der Hauptemissionsbanden des freien Uranyl(VI)-Ions (488,0 nm, 509,4 nm, 532,4 nm, 558,0 nm, 586,0 nm) zeigte bei diesen Untersuchungen keine temperaturabhängige Verschiebung. Die Validierung der Tieftemperaturtechnik zur Bestimmung thermodynamischer Konstanten mittels zeitaufgelöster laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie erfolgte anhand des Uran(VI)-Citrat-Systems. Im Gegensatz zu bisherigen fluoreszenzspektroskopischen Betrachtungen bei Raumtemperatur wurde das Fluoreszenzsignal bei tiefen Temperaturen mit einsetzender Komplexierung nicht gequencht, woraus die Ausprägung einer gut interpretierbaren Fluoreszenz resultierte. Die Analyse der spektralen Daten mit SPECFIT ergaben mit log β 101 = 7,24 ± 0,16 für den [UO2(Cit)]--Komplex und log β 202 = 18,90 ± 0,26 für den [(UO2)2(Cit)2]2--Komplex exakt die in der Literatur angegebenen Stabilitätskonstanten. Zudem konnten Einzelkomponentenspektren mit Bandenmaxima bei 475,3 nm, 591,8 nm, 513,5 nm, 537,0 nm und 561,9 nm für den 1:0:1-Komplex und 483,6 nm, 502,7 nm, 524,5 nm, 548,1 nm und 574,0 nm für den 2:0:2-Komplex und Fluoreszenzlebensdauern von 79 ± 15 μs (1:0:1) und 10 ± 3 μs (2:0:2) bestimmt werden. Zur Modellkomplexierung des Uran-Citrat-Systems wurde in dieser Arbeit auch das Komplexbildungsverhalten von U(IV) in Gegenwart von Citronensäure untersucht. Hierbei wurden über den gesamten pH-Wertbereich gelöste Uran-Citrat-Spezies spektroskopisch nachgewiesen und die Stabilitätskonstanten sowie die Einzelkomponentenspektren für die neu gebildeten Uran(IV) und (VI)-Spezies bestimmt. Für die neu gebildeten Citrat-Komplexe des sechswertigen Urans wurden Komplexbildungskonstanten von log β 203 = 22,67 ± 0,34 ([(UO2)2(Cit)3]5-) und log β 103 = 12,35 ± 0,22 ([UO2(Cit)3]7-) und für die Komplexe des vierwertigen Urans von log β 1-21 = -9,74 ± 0,23 ([U(OH)2Cit]-) und log β 1-31 = -20,36 ± 0,22 ([U(OH)3Cit]2-) bestimmt. Untersuchungen zum Redoxverhalten von Uran in Gegenwart von Citronensäure zeigten unter aeroben und anaeroben Versuchsbedingungen eine photochemische Reduktion vom U(VI) zu U(IV), welche spektroskopisch nachgewiesen werden konnte. Dabei zeigt speziell die Reaktion unter oxidierenden Bedingungen, welchen großen Einfluss vor allem organischen Liganden auf das chemische Verhalten des Urans haben können. Sowohl die Reduktion unter O2- als auch die unter N2-Atmosphäre, weisen ein Maximum bei einem pH-Wert von 3,5 bis 4 auf. Unter anaeroben Bedingungen reduziert die Citronensäure mit ca. 66 %, 14 % mehr Uran(VI) zu Uran(IV) als unter anaeroben Bedingungen mit ca. 52 %. Ab einem pH-Wert von 7 konnte eine Reduktion nur unter sauerstofffreien Bedingungen festgestellt werden. Die Wechselwirkung von U(VI) in Gegenwart von Glucose wurde hinsichtlich Reduktion und Komplexierung des Uran(VI) betrachtet. Mit Hilfe der zeitaufgelösten laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen wurde dabei ein Uranyl(VI)-Glucose-Komplex nachgewiesen. Die Komplexierung wurde lediglich bei pH 5 beobachtet und weist eine Komplexbildungskonstante von log β I=0,1 M = 15,25 ± 0,96 für den [UO2(C6H12O6)]2+-Komplex auf. Mit einer Fluoreszenzlebensdauer von 20,9 ± 2,9 μs und den Hauptemissionsbanden bei 499,0nm, 512,1 nm, 525,2 nm, 541,7 nm und 559,3 nm konnte der Uranyl(VI)-Glucose-Komplex fluoreszenzspektroskopisch charakterisiert werden. Unter reduzierenden Bedingungen wurde, ab pH-Wert 4 eine auftretende Umwandlung vom sechswertigen zum vierwertigen Uran durch Glucose in Gegenwart von Licht beobachtet. Der Anteil an gebildetem Uran(IV) steigt asymptotischen bis zu einem pH-Wert von 9, wo das Maximum mit 16 % bestimmt wurde. Als Reaktionsprodukt der Redoxreaktion wurde eine Uran(VI)-Uran(IV)-Mischphase mit der Summenformel [UIV(UVIO2)5(OH)2]12+ identifiziert. Mit Hilfe der cryo-TRLFS wurde, durch Verminderung von Quencheffekten die Uranspeziation in natürlichen Medien (Urin, Mineralwasser) direkt bestimmt. Proben mit Uran-Konzentrationen von < 0,1 μg/L konnten dadurch analysiert werden. In handelsüblichen Mineralwässern wurde die zu erwartende Komplexierung durch Carbonat nachgewiesen. Im Urin zeigte sich in Abhängigkeit vom pH-Wert eine unterschiedliche Uranspeziation. Die fluoreszenzspektroskopische Untersuchung wies bei niedrigerem pH-Wert (pH<6) eine Mischung aus Citrat- und Phosphat-Komplexierung des U(VI) und bei höheren pH-Wert (pH>6) eine deutliche Beteilung von Carbonat an der Komplexierung auf. Diese Ergebnisse stehen in sehr guter Übereinstimmung mit theoretischen Modellrechnungen zur Uranspeziation im Urin. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass für eine zuverlässigere Prognose des Urantransportes in Geo- und Biosphäre in Zukunft nicht nur Betrachtungen zur Komplexchemie, sondern auch zum Redoxverhalten des Urans nötig sind, um die Mobilität in der Natur richtig abschätzen zu können.

Thesis (M.S.)--Oregon State University, 2010. / Printout. Includes bibliographical references (leaves 40-42). Also available on the World Wide Web.