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電氣石的的環(huán)境功能屬性及應(yīng)用研究動(dòng)態(tài)
2019/11/6 16:51:03
◎電氣石的的環(huán)境功能屬性及應(yīng)用研究動(dòng)態(tài)
何登良，董發(fā)勤
?。ㄎ髂峡萍即髮W(xué)材料學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010）
摘要：電氣石具有永久性自發(fā)極化效應(yīng)，由于電氣石顆粒周圍存在靜電場(chǎng)，從而使電氣石具有發(fā)射遠(yuǎn)紅外線、釋放負(fù)離子、電磁屏蔽和水處理等環(huán)境功能屬于以及當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在這些領(lǐng)域的應(yīng)用研究動(dòng)態(tài)。闡述了電氣礦物物化特性與應(yīng)用之間的關(guān)系，并展望電氣石的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：電氣石；環(huán)境功能屬性；應(yīng)用
The Environmental Functional Property of Tourmaline and the Trends of Application
He Dengliang Dong Faqin
(Southwest University of Science and Technology,Mianyang,Sichuan,621010)
Abstract:One of the most important properties of tourmaline is its electric property.Tourmalines have spontaneous and permanent poles.which form electrostatic fields around tourmaline pzrticles with c axial plane as two ploes .So the tourmaline possess some water etc. Theses environmental functional properties and trends of application is presented is presented in the paper. The author expatiate the connection between properties and application in the last .At same time ,prospect the application foreground of tourmaline.
Key words:tourmaline;enmironmental functional property; trends of application
電氣石(Tourmaline) 是電氣石族礦物的總稱，是以含硼為特征的鋁、鈉、鐵、鎂、鋰的環(huán)狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，結(jié)構(gòu)式為Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6[Si6O12][BO3]3(OH,F)4。根據(jù)不同的類質(zhì)同像，可分為鐵電氣石、鎂電氣石和鋰電氣石。電氣石晶體結(jié)構(gòu)為三方晶系，對(duì)稱型為L(zhǎng)33P，晶體常呈短柱狀、長(zhǎng)柱狀或針狀，柱面有縱紋，橫斷面呈球面三角形，集合體呈針狀、纖維狀或放射狀，有時(shí)呈粒狀或隱晶質(zhì)塊狀，顏色隨成分而異，有黑色（含F(xiàn)e）、紅色（富含Mn、Li、Cs）、褐黃色（含Cr），無(wú)色透明的少見(jiàn)；玻璃光澤，硬度7~7.5，無(wú)解理，密度2.9~3.5g/cm3,具有熱電性與壓電性。電氣石作為一種新型的工業(yè)礦物，在環(huán)保、電子、醫(yī)藥、化工、輕工、建材等領(lǐng)域，由于礦物獨(dú)特的性質(zhì)及產(chǎn)品的高附加值，受到世界各國(guó)的普遍重視。
1 電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)
1898年，日本學(xué)者Kubo發(fā)現(xiàn)并提出來(lái)電氣石具有永久性自發(fā)極化效應(yīng)。電氣石晶體在沿其三次對(duì)稱軸的兩端會(huì)積聚一定量的異性電荷，產(chǎn)生異性兩極：Voigt檢測(cè)了室溫下電氣石的自發(fā)極化值，得到Ps=0.011MC/cm2。一般認(rèn)為，極化電荷的產(chǎn)生是由電氣石具有的熱電性和壓電性引起的。當(dāng)電氣石晶體所處環(huán)境溫度與壓力變化時(shí)，晶體中帶電粒子之間發(fā)生相對(duì)位移，正負(fù)電荷中心發(fā)生分離，晶體的總電矩發(fā)生相對(duì)位移，正負(fù)電荷中心發(fā)生分離，晶體的總電矩發(fā)生變化，從而導(dǎo)致極化電荷產(chǎn)生。電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)表現(xiàn)為，在電氣石晶體周圍存在奮斗目標(biāo)以C軸軸面為兩極的靜電場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)Eo=Ps/2Eo，據(jù)Voigt給出的Ps值，得到Eo=6.2×10^6V/m。當(dāng)電氣石晶粒很小時(shí)，電氣石微粒的作用相當(dāng)于一電偶極子，由于正負(fù)電荷作用相互抵消，在平行于C軸方向電場(chǎng)強(qiáng)度最大，靜電場(chǎng)隨著遠(yuǎn)離中心迅速減弱，Ex=(2/3)Eo(a/r)3，a為電氣石微粒半徑，r為測(cè)點(diǎn)距中心的距離。由此可知，在電氣石表面十幾微米范圍內(nèi)存在10~104V/m的高場(chǎng)強(qiáng)。電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)是永久性的，與其結(jié)構(gòu)和成分密切相關(guān)。電氣石晶體結(jié)構(gòu)由[Si6O18] 復(fù)三方環(huán)、[BO3]三角、[X-O5（OH）]三重八面體組成（Fe2+、Mg2+，Al3+、Li+、Fe3+、Mn2+）。構(gòu)成[Si6O18]復(fù)三方環(huán)的六個(gè)硅氧四面體，角頂指向同一方向，被解釋為其極性存在的本質(zhì)原因。
2電氣石環(huán)境功能屬性及應(yīng)用
電氣石作為環(huán)境功能材料已得到國(guó)內(nèi)外環(huán)境科學(xué)界的公認(rèn)，在日本、美國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)等國(guó)家，電氣石用于居室等小環(huán)境的改善已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。研究證明：由于自極化效應(yīng)使得電氣石具有一些環(huán)境功能屬性，如在無(wú)源條件下可產(chǎn)生負(fù)離子；具有遠(yuǎn)紅外發(fā)射功能，發(fā)射率可達(dá)0.93；電磁屏蔽功能；調(diào)節(jié)水的pH值至中性；活化水分子等。這些環(huán)境功能屬性使得電氣石具有廣泛的應(yīng)用。
2．1 電氣石的紅外輻射功能及應(yīng)用
紅外線是電子波譜的一部分，其波長(zhǎng)為0.76~1000um，介于可見(jiàn)光與微波之間。按波長(zhǎng)不同又分為近紅外（0.76~1.50um）、中紅外（1.5~5.6um）、遠(yuǎn)紅外（8~14um）和超遠(yuǎn)紅外（15~1000um）。如前所述，電氣石同時(shí)具有顯著的壓電性與熱電性，即使在常溫下，一旦環(huán)境壓力或溫度發(fā)生微弱變化，其內(nèi)部分子振動(dòng)增強(qiáng)，偶極矩發(fā)生變化，即熱運(yùn)動(dòng)使極性分子激發(fā)到更高的能級(jí)，當(dāng)它向下躍遷至較低能級(jí)時(shí)，就以發(fā)射電磁波形式被帶走。因此，電氣石向外界發(fā)射電磁波的動(dòng)力來(lái)自于外界環(huán)境之間的能量交換。
同濟(jì)大學(xué)的楊如增、楊滿珍等測(cè)試了天然黑色電氣石的紅外輻射特性，測(cè)試結(jié)果如下表所示。
天然黑色電氣石在還原氣氛條件下進(jìn)行熱處理后，可具有比遠(yuǎn)紅外陶瓷粉更高的紅外比輻射率值，其紅外輻射峰值與維恩定律具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在室溫下峰值輻射波長(zhǎng)為9.5um左右。天然黑色電氣石的強(qiáng)紅外輻射特性已引起人們的廣泛關(guān)注。日本已利用天然黑色電氣石開(kāi)發(fā)出一系列科技產(chǎn)品，其中包括化妝品、空氣凈化、防輻射等產(chǎn)品。日本一家公司的一項(xiàng)發(fā)明專利是關(guān)于電氣石在人造絲纖維中的應(yīng)用，即人選絲纖維中含有0.05%~2.0% ，顆粒直徑不超過(guò)0.3um的電氣石顆粒。該纖維可以通過(guò)促進(jìn)血液循環(huán)有效地增強(qiáng)人體生理機(jī)能，具體過(guò)程是將含有電氣石顆粒（均勻分散在其中）的人造絲纖維溶液，紡織成纖維形狀，而制得駐極體纖維。
采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)電氣石進(jìn)行改性試驗(yàn)，改性后的電氣石與EVA、PP、PE等混合加工可以生產(chǎn)多種產(chǎn)品，如具有EVA樹(shù)脂層的鞋襪材料、具有抗菌性能的電氣石內(nèi)衣等。日本大和紡織將放射性礦石微粉與遠(yuǎn)紅外微粒按一定比例混合后，經(jīng)整理附著于織物上，開(kāi)發(fā)了“IONINA”新產(chǎn)品。這種方法使織物具有負(fù)離子各遠(yuǎn)紅外雙重效果，其床單產(chǎn)品經(jīng)使用檢測(cè)，證明對(duì)被檢測(cè)者腦電波中的a 波產(chǎn)生抑制，因此對(duì)一些慢性病有較好的輔助療效。我國(guó)臺(tái)灣省工研院化工所與慶祥光波公司，利用納米技術(shù)和光波遠(yuǎn)紅外原料，共同開(kāi)發(fā)出納米遠(yuǎn)紅外紡織品。
在專利US6798982中，研究人員將白云母、電氣石和鑭系元素混合制備成襯墊包裹在電熱線周圍，當(dāng)電熱線受熱時(shí)，遠(yuǎn)紅外線和空氣負(fù)離子就會(huì)從電氣石襯墊中不斷地釋放出來(lái)。這種電氣石襯墊具有廣泛的作用。在專利W02004075986中涉及了一種遠(yuǎn)紅外發(fā)生器，它由稀有元素和電氣石組合而成，能夠有效產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線，可以用于人體保健和加熱保暖。中國(guó)專利CN1467313中，利用電氣石和纖維合成一種遠(yuǎn)紅外功能纖維，電氣石的含量為1%~8%，粒度120~180nm，這種纖維具有較高的健康效應(yīng)。在專利KR2002090645和KR2002067197中研究人員研制了一種含有電氣石的遠(yuǎn)紅外線，在人體保健、遠(yuǎn)紅外加熱方面的應(yīng)用具有廣闊的前景。
2．2 電氣石釋放空氣負(fù)離子功能及應(yīng)用
溫度和壓力變化引起的電氣石晶體之間的電勢(shì)差，能夠使其周圍空氣中的水分子發(fā)生微弱的電解作用；4H2O電解OH→H+，氫離子由電氣石電極之間的微弱電流中得到電子；2H++2e→H2↑，氫氧根離子與水分子結(jié)合形成空氣負(fù)離子：OH-+nH2O→O-H(H2O)n-[14]。根據(jù)大地測(cè)量學(xué)和地理物理學(xué)國(guó)際聯(lián)盟大氣聯(lián)合委員會(huì)采用的理論，空氣負(fù)離子的分子式是O2（H2O）n。負(fù)離子的生物效應(yīng)有：○1使氧自由基無(wú)毒化；○2使體液呈弱堿性；○3使空氣質(zhì)量得到改善；○4負(fù)離子對(duì)促進(jìn)健康的直接效應(yīng)；○5負(fù)離子對(duì)人體各系統(tǒng)的直接生理效應(yīng)；○6負(fù)離子對(duì)疾病有輔助治療和康復(fù)作用?？諝庳?fù)離子的作用已被廣大醫(yī)學(xué)界所認(rèn)同，除了有益人體健康之外，還具有殺菌、除塵、除臭作用。電氣石釋放負(fù)離子不耗能，不產(chǎn)生臭氧和活性氧，是理想的綠色環(huán)保材料，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電氣石的開(kāi)發(fā)研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。
韓躍新等通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙東部黑電氣石釋放負(fù)離子特性研究得到以下結(jié)論：黑電氣石釋放負(fù)離子嘗試較高，塊狀平均最大值可達(dá)18625個(gè)cm3、超細(xì)粉平均最大值可達(dá)25600個(gè)cm3,黑電氣石釋放負(fù)離子濃度相當(dāng)于海濱、瀑布、森林的負(fù)離子嘗試。河北工大梁金生等人應(yīng)用溶膠-凝膠技術(shù)在天然電氣石礦物粉表面生成高效TiO2光催化劑，制成了具有環(huán)境凈化和健康功能的新型復(fù)合材料，在電氣石自身電場(chǎng)對(duì)TiO2晶體生長(zhǎng)的影響下，TiO2在電氣石微粒表面形成了以微孔空心球和空心半球的平均粒徑為2um，應(yīng)用此種技術(shù)制得的電氣石-TiO2復(fù)合薄膜具有較高的光催化活性。
在一項(xiàng)發(fā)明專利（CN1222494A）中專門介紹了利用電氣石制陶瓷球的技術(shù)。它由電氣石磨成直徑為6~140um的微粒，占總重量的3%~98%；粘土占總重量的97~2%；加水?dāng)嚢韬?，成型干燥燒結(jié)為直徑為5~50mm的小球。它可以增強(qiáng)飲水活化、污水處理、農(nóng)作物噴水和凈化空氣各領(lǐng)域。
在專利CN1454560中，電氣石被加入到一種陶瓷水杯和餐具中，使得這種餐具能夠具有電氣石的功能負(fù)離子，并介紹了其性質(zhì)、功能、制備的原理和方法及在工程應(yīng)用中的地位。在專利US2004060141中，0.2%~0.4的Be、1%~2%的電氣石和96.8%~98.8%高分子基材料制備的空氣負(fù)離子刷子，這種刷子可以釋放大量的空氣負(fù)離子，有益于人體健康。
日本富士紡織利用溫泉中的天然發(fā)射性礦石（電氣石），經(jīng)納米技術(shù)與聚酯纖維結(jié)合，生產(chǎn)出“STAIYAA”負(fù)離子織物，經(jīng)醫(yī)學(xué)臨床試驗(yàn)證明，對(duì)腰痛、肩疼、關(guān)節(jié)炎及過(guò)敏性皮炎等有顯著療效。據(jù)日本纖維研新聞報(bào)道，日本松下電器與一家礦石研究所合作，采用納米級(jí)電氣石和一種激發(fā)劑混入聚酯原液中生產(chǎn)出特殊滌綸，共同開(kāi)發(fā)一種在“靜置”條件下能源源不斷產(chǎn)生負(fù)氧離子的織物；日本倉(cāng)敷將放射性礦微粉與電氣石粉分層附著在織物上，以提高織物的負(fù)離子化效果，生產(chǎn)出“HOLIC”織物，其A4紙大小的織物在空氣中產(chǎn)生的負(fù)離子為15000個(gè) /cm3接近森林中負(fù)離子的效果。
電氣石負(fù)離子粉體具有很大的市場(chǎng)前景：1它可以添加在化纖織物做成人體服飾，在人體能量的作用下，不斷地產(chǎn)生負(fù)離子。促進(jìn)人體皮膚新陳代謝、提神醒腦、消除人體異味。例如將負(fù)離子超細(xì)粉體制成母粒在紡絲時(shí)加到纖維中即可制成各種規(guī)格的負(fù)離子功能纖維，與棉紡紗制成襪子、內(nèi)衣等，紡成無(wú)紡布制成保健保暖內(nèi)衣，作為枕頭、被子、床墊的填充料，交織后制成室內(nèi)裝飾材料等。此外，它還可以做成各種纖維裝飾面料，對(duì)保持室內(nèi)空氣清新，消除室內(nèi)煙、油味具有一定作用。2可以添加到油漆、涂料、木板粘接劑中，保持室內(nèi)裝修后空氣的清新，不斷釋放負(fù)離子等具有一定的作用。
2．3電氣石的電磁屏蔽功能及應(yīng)用
電氣石可與空氣中的水分子發(fā)生反應(yīng)，形成陰離子，中和輻射發(fā)出的陽(yáng)離子，以阻礙電磁波的傳播。用含電氣石微粉的物質(zhì)做成外殼，就能有效的起到電磁屏蔽的作用。在一項(xiàng)最新實(shí)用專利（CN2358663Y）中介紹了一種電磁防護(hù)器制法，它由層狀結(jié)構(gòu)組成，第一層為電氣石微粒層；第二層為膠層；第三層為塑料薄膜層；第四層也為膠層；第五層為紙層，這各防護(hù)器可防止有害電磁波侵襲人體，能將基轉(zhuǎn)化為對(duì)人體無(wú)害的遠(yuǎn)紅外線。它可廣泛用于汽車駕駛室、電腦操作室、電弧操作車間、變電所等各處以及游戲機(jī)、電視機(jī)、微波爐、電熱毯、電話和手機(jī)等多種電氣設(shè)備上。如在專利JP2004178780中，研究人員利用電氣石來(lái)消除光盤靜電和電磁輻射，而且提高光盤的音質(zhì)。
2．4電氣石在水處理中的應(yīng)用
電氣石的結(jié)構(gòu)緊密、金屬離子不易進(jìn)入其晶體結(jié)構(gòu)，因此電氣石的吸附主要為表面吸附，吸附類型主要為離子、分子吸附，類似石英、剛玉等簡(jiǎn)單氧化物，通過(guò)表面絡(luò)合起吸附、濃集作用，并在電氣石表面上結(jié)晶析出，從而起到凈化工業(yè)廢水的作用。
（1） 對(duì)Cu2+的吸附
電氣石對(duì)含Cu2+廢水的交貨原理與蒙脫石等不同，它是通過(guò)靜電場(chǎng)將Cu2+吸附到電氣石的負(fù)極，使局部Cu2+濃度增高，與表面羥基離解產(chǎn)生的OH-發(fā)生反應(yīng)，形成各種沉淀。當(dāng)溶液中離子濃度達(dá)到平衡時(shí)，反應(yīng)不再繼續(xù)。這樣，不會(huì)存在處理過(guò)度的問(wèn)題，是很好的綠色環(huán)保材料。電氣石具有高的機(jī)械化學(xué)穩(wěn)定性，不溶于酸，通過(guò)水流攪動(dòng)很容易使形成的沉淀脫離電氣石表面，可所得使用。
?。?） 對(duì)SO42-的吸附
采用含電氣石的多孔陶瓷10g，浸泡于500mL H2SO4溶液（0.1mol/L）中，2個(gè)月后發(fā)現(xiàn)，陶瓷表面有細(xì)小結(jié)狀、放射狀晶體形成，經(jīng)X-射線粉晶衍射確定為石膏CaSO4?2H2O。影響電氣石吸附作用的主要因素為：吸附時(shí)間、溫度、電氣石粉體的粒度、溶液中離子濃度以及pH值等，其中影響較大的是溶液pH值，pH值增高，有利于提高電氣石對(duì)重金屬離子的吸附率，當(dāng)pH≧6時(shí)，具有較高的吸附率。
（3） 電氣石對(duì)水體pH值的影響
冀志江、金宗哲等通過(guò)對(duì)電氣石對(duì)水體pH值的影響的研究發(fā)現(xiàn)電氣石顆粒的電極性影響水溶液的氧化還原電位，調(diào)節(jié)水溶液的pH值，使之趨向中性，使酸性溶液pH值增大，因此可利用電氣石的電極性以及對(duì)水體的氧化還原性影響處理污水
2．5葫蘆電氣石在電子及聲電材料中的應(yīng)用
由于電氣石礦物晶體具有壓電性能，這一特性被廣泛應(yīng)用于無(wú)線電工業(yè)中，可用電氣石作波長(zhǎng)調(diào)整器，偏光儀中的偏光片。結(jié)晶完好、無(wú)彎曲、無(wú)裂紋的電氣石，可作測(cè)定空氣和水中沖壓用的壓電計(jì)，還可用于聲納元件、測(cè)定材料的標(biāo)準(zhǔn)件、儀器和工業(yè)設(shè)備上的元件等，如用于皮膚表皮的發(fā)電控制器，設(shè)計(jì)成允許光線通過(guò)藥品的附近區(qū)域，在光射方向引導(dǎo)出波動(dòng)場(chǎng)。另外還用于含有拋物柱面反射方向引導(dǎo)波動(dòng)場(chǎng)。另外還用于含有拋物柱面反射鏡和含有電流輸出的電氣石晶體電動(dòng)傳感器。許多科學(xué)和工業(yè)儀器使用電氣石，即為電氣鉗，能顯示出光的偏振。因?yàn)殡姎馐仁菬犭娦杂质菈弘娦缘模丛诩訜峄驂嚎s時(shí)都能產(chǎn)生電，熱劑量計(jì)是測(cè)量輻射氣強(qiáng)度的早期儀器，它也是依賴于電氣石的熱電特征。
3 電氣石應(yīng)用研究的建議
目前，對(duì)電氣石在環(huán)境應(yīng)用方面的研究與利用還處于初步階段，電氣石作為不可再生資源，數(shù)量是有限的。我們應(yīng)該解決的問(wèn)題主要有以下幾方面。
（1） 如何充分充分利用有限的資源，走可持續(xù)發(fā)展的道路；
（2） 如何提高電氣石微粒的電場(chǎng)效應(yīng)；
（3） 提高電氣石的加工工藝，如電氣石的超細(xì)粉碎、亞微米級(jí)分離、提高電氣石的白度等問(wèn)題；
（4） 目前內(nèi)外對(duì)電氣石在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要集中于水質(zhì)凈化、人體抗菌功能的影響；
（5） 要進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究，探討影響電氣石的自發(fā)極化將就的內(nèi)部與外部因素，研究電氣石的自身極化機(jī)理；另一方面要從微觀的角度來(lái)探索其呈色機(jī)理；
（6） 研究電氣石粉體的載體如何有效的分隔開(kāi)電場(chǎng)間干擾、促進(jìn)與空氣中水的接觸并發(fā)生分解反應(yīng)。
4 結(jié)語(yǔ)
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們生活水平的提高，對(duì)環(huán)保、醫(yī)療保健等方面的要求會(huì)越來(lái)越高，電氣石在這些領(lǐng)域所具有的獨(dú)特作用與效果，以及較高的附加值，使其具有良好的發(fā)展前景。電氣石產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用必將產(chǎn)生較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。