Введение. Растущее загрязнение окружающей среды токсичными органическими и неорганическими веществами, включая аммиак, требует разработки эффективных и экономичных методов очистки. Глубокая переработка отработанных элементов питания требует рациональных решений , что подтверждается их бесплатным приемом на утилизацию. На их долю приходится до 40 % токсинов, попадающих в окружающую среду с твёрдыми бытовыми отходами, что создаёт угрозу для экосистем. В России ежегодно потребляется около 20 000 тонн батареек, что составляет примерно миллиард штук. Из них перерабатывается не более 340 тонн на двух предприятиях — в Челябинске и Ярославле. В Республику Беларусь, по оценкам экспертов, ежегодно завозится около 500 тонн элементов питания, а перерабатывается около 110–115 тонн. Остальные, как правило, выбрасываются в мусорное ведро и попадают на свалку вместе с остальными отходами.

Данное исследование направлено на оценку потенциала применения анодной массы отработанных щелочных батарей — доступного бытового отхода, содержащего наноразмерные частицы оксида цинка, в качестве фотокатализатора для очистки воды от загрязнения аммиаком.

Основная часть

Под воздействием ультрафиолетового света длиной волны менее 390 нм на оксид цинка с содержанием частиц наноразмера электроны покидают кристаллическую решетку и переходят в свободное состояние. На их месте образуются вакансии, называемые «дырками». Электроны и «дырки» невероятно химически активны. Они способны окислить (разрушить) любое неорганическое и органическое соединение. Эти особенности делают оксид цинка одним из перспективных материалов для создания фотокатализаторов — фильтров очистки воздуха и воды [2, с. 512].

В лабораторных условиях наночастицы оксида цинка синтезируют методом электролиза, в результате чего формируются частицы с характерной цветкообразной формой. Интересно, что анодная масса отработанных щелочных батарей, демонстрирует аналогичную морфологическую структуру по данным электронной микроскопии, что свидетельствует о сходных механизмах кристаллизации в обоих случаях [1, с. 9323].

Для косвенного подтверждения наличия наночастиц в составе анодной массы было проведено исследование фотокаталитической активности образцов в сравнении с синтетическим оксидом цинка (ZnO) с размером частиц 1–100 нм. Результаты демонстрируют схожую высокую активность обоих материалов. Под воздействием УФ-излучения (254 нм) оба образца продемонстрировали переход поверхности от гидрофобного к гидрофильному состоянию, а метиленовый синий терял свой цвет в их присутствии. Краевой угол смачивания для ZnO снизился с 60° до 39° (Δ=21°), в то время как для порошка анодной массы было зафиксировано более значительное изменение — с 55° до 28° (Δ=27°). Параллельно было зафиксировано 50 %-ное фотокаталитическое обесцвечивание метиленового синего в суспензиях с исследуемыми образцами, тогда как контрольный раствор без катализатора не изменил окраску.

Результаты тестов свидетельствуют о наличии в анодной массе наноразмерных частиц ZnO, обладающих фотокаталитической активностью, не уступающей синтетическому аналогу.

Эффективность разработанного фотокаталитического покрытия на основе порошка анодной массы и акрилового связующего оценивали в эксперименте по окислению аммиака. В основной установке, содержащей фотокаталитическое покрытие, за 120 минут наблюдалось значительное снижение pH с 8,82 до 7,07 (ΔpH = 1,75), что свидетельствует о протекании процессов окисления, сопровождающихся подкислением среды. Изменение цвета теста NH₃/NH₄⁺ с зеленого на желтый к 120-й минуте указывает на практически полное удаление аммиака — концентрация снизилась с 2,5 до 0 мг/л.

Параллельное появление и усиление розовой окраски теста на NO₃⁻ подтверждает ступенчатый механизм окисления аммиака до нитрат-ионов. При этом ослабление интенсивности розовой окраски теста на NO₃⁻ с «ненасыщенного» на 90-й минуте до «слабого» на 120-й минуте на фоне полного исчезновения аммиака позволяет предположить дальнейшее восстановление нитрат-ионов до молекулярного азота (N₂) как конечного продукта фотокатализа. Впрочем, визуально зафиксировать образование N₂ не удалось из-за закрытого типа установки.

В контрольной установке изменения были минимальными: незначительное снижение pH на 0,12 единицы, сохранение зеленой окраски теста на аммиак и лишь следовые количества нитратов. Это однозначно подтверждает, что наблюдаемое в основной установке окисление аммиака является результатом именно фотокаталитического процесса на поверхности разработанного покрытия.

Заключение. Исследование показало, что анодная масса отработанных щелочных батарей содержит наноразмерные частицы оксида цинка, обладающие фотокаталитической активностью. Разработанное на её основе покрытие с акриловым связующим обеспечило высокую степень очистки воды от аммиака.

Применение данного покрытия представляет особую ценность для решения проблемы утилизации элементов питания, составляющих до 40 % токсинов в твердых бытовых отходах. Материал служит экономичной альтернативой существующим методам очистки воды и вносит вклад в переработку опасных отходов, обеспечивая двойной экологический эффект.

Перспективой продолжения данного исследования видится применение разработанной технологии на практике, в частности, для доочистки сточных вод от загрязнения аммиаком. Мы предлагаем гибридную систему очистки: физико-химическая (фотокатализ) + биологическая (фиторемедиация). Предлагаемая схема включает следующие этапы: механическая очистка сточных вод, затем их фотокаталитическая обработка по разработанному нами методу для окисления токсичной формы аммиака (NH₄⁺/NH₃) в менее токсичные окисленные формы: нитриты (NO₂⁻) и нитраты (NO₃⁻) и последующая их фиторемедиация с использованием высших водных растений, таких как Ряска малая (Lemna minor). Водное растение Ряска малая (Lemna minor), обладает исключительной скоростью роста и способностью к интенсивной абсорбции (NO₃⁻) непосредственно из воды. Это позволяет не только добиться высокой степени очистки стоков от (NO₂⁻, NO₃⁻), но и решить задачу утилизации питательных веществ путём их трансформации в ценную биомассу.

Литература:

1. Взаимосвязь между коэффициентом восстановления и состоянием заряда цинковых щелочных первичных батарей LR6. Химия материалов A., журнал, выпуск 18, 2015, С. 9323–10138. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://habr.com/ru/post/378981 / — Дата доступа: 25.08.2025.
2. Петрякова А. И. Оксид цинка как перспективный фотокатализатор: модифицирование и применение / А. И. Петрякова, В. Н. Агеев, Д. Г. Филимонов [и др.] // Успехи химии. — 2023. — Т. 92, № 5. — С. 512–535.