AP19577049 – Synthesis, characterization and physicochemical study of sorbents of biomass origin for purification of industrial waters from radionuclides

The goals of the project: (1) to synthesize activated carbons by chemical activation, doping with nitrogen using the hydrothermal method, (2) to characterize the material and (3) to test their use for industrial samples of the National Atomic Center (Kurchatov).

Relevance: The problem this project addresses is Kazakhstan's growing need to clean up radioactive runoff from existing uranium mines (129 in total) that leach radioisotopes into fresh water (eg, on the Shu River, South Kazakhstan) (1); modern biomedical treatments using radioisotopes (eg 124I and 131I) (2) in hospitals; future introduction of nuclear energy in the country (3) and support the decontamination of the site where nuclear weapons were tested (Semipalatinsk Test Site (SIP) and which is a source of radionuclides (137Cs) into the environment.

Scientific supervisor: PhD, Kudaibergenov K.K.

Results obtained: Within the research project, a full cycle of studies was carried out, including the synthesis, modification, and characterization of biomass-derived sorbents for radionuclide removal from water. Technological protocols were developed for producing carbon sorbents from plant waste through carbonization, chemical activation, and functional modification. Comprehensive physicochemical characterization was performed using XRD, SEM-EDX, BET, FTIR, and TGA methods. It was found that modification significantly increases the specific surface area and creates active sites responsible for the efficient binding of Cs⁺ and I₃⁻ ions. Experimental tests on both model solutions and real contaminated groundwater demonstrated high removal efficiencies, including validation on samples from the Degelen test site. The developed sorbents and processes showed strong performance, reproducibility, and high potential for practical environmental applications.

List of publications with links to them

1. Кунарбекова М.С., Кудайбергенов К.К., Азат С. Сорбция радиоактивного йода на активированных углях // Материалы X Международной конференции «Семипалатинский испытательный полигон: наследие и перспективы развития научно-технического потенциала». – 2023. – С. 33.
2. Кунарбекова М., Сапаргали И., Сеймуханова Л., Кудайбергенов К., Азат С. Синтез нановолоконного композита, легированного азотными группами, из биомассы путем химической активации // Горение и плазмохимия. – 2024. – Т. 22, № 1. – С. 3–11. – DOI: https://doi.org/10.18321/cpc22(1)3-11
3. Kunarbekova M., Busquets R., Sailaukhanuly Ye., Mikhalovsky S.V., Toshtay K., Kudaibergenov K., Azat S. Carbon adsorbents for the uptake of radioactive iodine from contaminated water effluents: A systematic review // Journal of Water Process Engineering. – 2024. – Vol. 67. – Article 106174. – ISSN 2214-7144. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2024.106174
4. Кунарбекова М.С., Азат С. Biomass-derived carbons for the sorption of radionuclides // Сборник тезисов 2-й Международной конференции по физике высоких энергий, материаловедению и нанотехнологиям (ICHEPMS-2024), посвящённой памяти академика НАН РК Эрнста Гербертовича Бооса. – 2024. – С. 53.
5. Kunarbekova M.S., Sapargali I.O., Seimukhanova L.N., Kudaibergenov K.K., Zhantikeyev U.E., Azat S. Synthesis of nanocomposite sorbent modified with nitrogen groups from walnut and buckwheat husk biomass by chemical activation // Материалы X международной российско-казахстанской научно-практической конференции «Химические технологии функциональных материалов», посвященной 90-летию образования Казахского национального университета имени аль-Фараби. – 2024. – С. 27.
6. Кунарбекова М.С., Сапаргали И.О., Сеймуханова Л.Н., Кудайбергенов К.К., Азат С. Синтез нанокомпозитного сорбента, модифицированного азотными группами из биомассы на основе гречневой шелухи путем активации KOH // Материалы VIII Казахстанской студенческой научно-практической конференции «Химическая физика и наноматериалы», посвящённой 110-летию со дня рождения трижды Героя Социалистического Труда, академика Я.Б. Зельдовича. – 2024. – С. 129–130.
7. Кудайбергенов К.К., Азат С., Жантикеев У.Е., Кунарбекова М.С., Сапаргали И.О., Сеймуханова Л.Н. Способ получения сорбционного материала для очистки воды от радионуклидов // Полезная модель №9470. – 2024. – URL: https://gosreestr.kazpatent.kz/Utilitymodel/Details?docNumber=394453
8. Kunarbekova M., Busquets R., Sapargali I., Seimukhanova L., Zhantikeyev U., Kudaibergenov K., Azat S. Synthesis and Characterization of Activated Carbon From Biomass // In: Mabrouk A., Bachar A., Azat S., Amrousse R. (eds.) Innovative Materials for Industrial Applications: Synthesis, Characterization and Evaluation. – IGI Global Scientific Publishing, 2025. – Pp. 329–348. – DOI: https://doi.org/10.4018/979-8-3693-7505-1.ch011