◎電氣石的的環(huán)境功能屬性及應用研究動態(tài)

　　 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，對稱型為L33P，晶體常呈短柱狀、長柱狀或針狀，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），無色透明的少見；玻璃光澤，硬度7~7.5，無解理，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，由于礦物獨特的性質(zhì)及產(chǎn)品的高附加值，受到世界各國的普遍重視。
   1 電氣石的自發(fā)極化效應
　　 1898年，日本學者Kubo發(fā)現(xiàn)并提出來電氣石具有永久性自發(fā)極化效應。電氣石晶體在沿其三次對稱軸的兩端會積聚一定量的異性電荷，產(chǎn)生異性兩極：Voigt檢測了室溫下電氣石的自發(fā)極化值，得到Ps=0.011MC/cm2。一般認為，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。當電氣石晶體所處環(huán)境溫度與壓力變化時，晶體中帶電粒子之間發(fā)生相對位移，正負電荷中心發(fā)生分離，晶體的總電矩發(fā)生相對位移，正負電荷中心發(fā)生分離，晶體的總電矩發(fā)生變化，從而導致極化電荷產(chǎn)生。電氣石的自發(fā)極化效應表現(xiàn)為，在電氣石晶體周圍存在奮斗目標以C軸軸面為兩極的靜電場，場強Eo=Ps/2Eo，據(jù)Voigt給出的Ps值，得到Eo=6.2×10^6V/m。當電氣石晶粒很小時，電氣石微粒的作用相當于一電偶極子，由于正負電荷作用相互抵消，在平行于C軸方向電場強度最大，靜電場隨著遠離中心迅速減弱，Ex=(2/3)Eo(a/r)3，a為電氣石微粒半徑，r為測點距中心的距離。由此可知，在電氣石表面十幾微米范圍內(nèi)存在10~104V/m的高場強。電氣石的自發(fā)極化效應是永久性的，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]復三方環(huán)的六個硅氧四面體，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)境功能屬性及應用
　　 電氣石作為環(huán)境功能材料已得到國內(nèi)外環(huán)境科學界的公認，在日本、美國、韓國、中國等國家，電氣石用于居室等小環(huán)境的改善已實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。研究證明：由于自極化效應使得電氣石具有一些環(huán)境功能屬性，如在無源條件下可產(chǎn)生負離子；具有遠紅外發(fā)射功能，發(fā)射率可達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用。
2．1 電氣石的紅外輻射功能及應用
　　 紅外線是電子波譜的一部分，其波長為0.76~1000um，介于可見光與微波之間。按波長不同又分為近紅外（0.76~1.50um）、中紅外（1.5~5.6um）、遠紅外（8~14um）和超遠紅外（15~1000um）。如前所述，電氣石同時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)部分子振動增強，偶極矩發(fā)生變化，即熱運動使極性分子激發(fā)到更高的能級，當它向下躍遷至較低能級時，就以發(fā)射電磁波形式被帶走。因此，電氣石向外界發(fā)射電磁波的動力來自于外界環(huán)境之間的能量交換。
　　 同濟大學的楊如增、楊滿珍等測試了天然黑色電氣石的紅外輻射特性，測試結(jié)果如下表所示。

　　天然黑色電氣石在還原氣氛條件下進行熱處理后，可具有比遠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應關(guān)系，在室溫下峰值輻射波長為9.5um左右。天然黑色電氣石的強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發(fā)明專利是關(guān)于電氣石在人造絲纖維中的應用，即人選絲纖維中含有0.05%~2.0% ，顆粒直徑不超過0.3um的電氣石顆粒。該纖維可以通過促進血液循環(huán)有效地增強人體生理機能，具體過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)劑對電氣石進行改性試驗，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紅外微粒按一定比例混合后，經(jīng)整理附著于織物上，開發(fā)了“IONINA”新產(chǎn)品。這種方法使織物具有負離子各遠紅外雙重效果，其床單產(chǎn)品經(jīng)使用檢測，證明對被檢測者腦電波中的a 波產(chǎn)生抑制，因此對一些慢性病有較好的輔助療效。我國臺灣省工研院化工所與慶祥光波公司，利用納米技術(shù)和光波遠紅外原料，共同開發(fā)出納米遠紅外紡織品。
　　 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，當電熱線受熱時，遠紅外線和空氣負離子就會從電氣石襯墊中不斷地釋放出來。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)生遠紅外線，可以用于人體保健和加熱保暖。中國專利CN1467313中，利用電氣石和纖維合成一種遠紅外功能纖維，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。在專利KR2002090645和KR2002067197中研究人員研制了一種含有電氣石的遠紅外線，在人體保健、遠紅外加熱方面的應用具有廣闊的前景。
　　2．2 電氣石釋放空氣負離子功能及應用
　　 溫度和壓力變化引起的電氣石晶體之間的電勢差，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)合形成空氣負離子：OH-+nH2O→O-H(H2O)n-[14]。根據(jù)大地測量學和地理物理學國際聯(lián)盟大氣聯(lián)合委員會采用的理論，空氣負離子的分子式是O2（H2O）n。負離子的生物效應有：○1使氧自由基無毒化；○2使體液呈弱堿性；○3使空氣質(zhì)量得到改善；○4負離子對促進健康的直接效應；○5負離子對人體各系統(tǒng)的直接生理效應；○6負離子對疾病有輔助治療和康復作用。空氣負離子的作用已被廣大醫(yī)學界所認同，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，目前國內(nèi)外對電氣石的開發(fā)研究已經(jīng)取得了一定的進展。
　　 韓躍新等通過對內(nèi)蒙東部黑電氣石釋放負離子特性研究得到以下結(jié)論：黑電氣石釋放負離子嘗試較高，塊狀平均最大值可達18625個cm3、超細粉平均最大值可達25600個cm3,黑電氣石釋放負離子濃度相當于海濱、瀑布、森林的負離子嘗試。河北工大梁金生等人應用溶膠-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合材料，在電氣石自身電場對TiO2晶體生長的影響下，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，應用此種技術(shù)制得的電氣石-TiO2復合薄膜具有較高的光催化活性。
　　 在一項發(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%；加水攪拌后，成型干燥燒結(jié)為直徑為5~50mm的小球。它可以增強飲水活化、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離子刷子，這種刷子可以釋放大量的空氣負離子，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”負離子織物，經(jīng)醫(yī)學臨床試驗證明，對腰痛、肩疼、關(guān)節(jié)炎及過敏性皮炎等有顯著療效。據(jù)日本纖維研新聞報道，日本松下電器與一家礦石研究所合作，采用納米級電氣石和一種激發(fā)劑混入聚酯原液中生產(chǎn)出特殊滌綸，共同開發(fā)一種在“靜置”條件下能源源不斷產(chǎn)生負氧離子的織物；日本倉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)生的負離子為15000個 /cm3接近森林中負離子的效果。
　　 電氣石負離子粉體具有很大的市場前景：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)生負離子。促進人體皮膚新陳代謝、提神醒腦、消除人體異味。例如將負離子超細粉體制成母粒在紡絲時加到纖維中即可制成各種規(guī)格的負離子功能纖維，與棉紡紗制成襪子、內(nèi)衣等，紡成無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，不斷釋放負離子等具有一定的作用。
2．3電氣石的電磁屏蔽功能及應用
　　 電氣石可與空氣中的水分子發(fā)生反應，形成陰離子，中和輻射發(fā)出的陽離子，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。在一項最新實用專利（CN2358663Y）中介紹了一種電磁防護器制法，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，這各防護器可防止有害電磁波侵襲人體，能將基轉(zhuǎn)化為對人體無害的遠紅外線。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、電視機、微波爐、電熱毯、電話和手機等多種電氣設(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用
　　 電氣石的結(jié)構(gòu)緊密、金屬離子不易進入其晶體結(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、剛玉等簡單氧化物，通過表面絡合起吸附、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。
　?。?） 對Cu2+的吸附
　　 電氣石對含Cu2+廢水的交貨原理與蒙脫石等不同，它是通過靜電場將Cu2+吸附到電氣石的負極，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，形成各種沉淀。當溶液中離子濃度達到平衡時，反應不再繼續(xù)。這樣，不會存在處理過度的問題，是很好的綠色環(huán)保材料。電氣石具有高的機械化學穩(wěn)定性，不溶于酸，通過水流攪動很容易使形成的沉淀脫離電氣石表面，可所得使用。
　?。?） 對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個月后發(fā)現(xiàn)，陶瓷表面有細小結(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重金屬離子的吸附率，當pH≧6時，具有較高的吸附率。
　?。?） 電氣石對水體pH值的影響
　　 冀志江、金宗哲等通過對電氣石對水體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用
　　 由于電氣石礦物晶體具有壓電性能，這一特性被廣泛應用于無線電工業(yè)中，可用電氣石作波長調(diào)整器，偏光儀中的偏光片。結(jié)晶完好、無彎曲、無裂紋的電氣石，可作測定空氣和水中沖壓用的壓電計，還可用于聲納元件、測定材料的標準件、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)計成允許光線通過藥品的附近區(qū)域，在光射方向引導出波動場。另外還用于含有拋物柱面反射方向引導波動場。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傳感器。許多科學和工業(yè)儀器使用電氣石，即為電氣鉗，能顯示出光的偏振。因為電氣石既是熱電性又是壓電性的，即在加熱或壓縮時都能產(chǎn)生電，熱劑量計是測量輻射氣強度的早期儀器，它也是依賴于電氣石的熱電特征。
　　3 電氣石應用研究的建議
　　 目前，對電氣石在環(huán)境應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。我們應該解決的問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效應；
　　　　 （3） 提高電氣石的加工工藝，如電氣石的超細粉碎、亞微米級分離、提高電氣石的白度等問題；
　　　　 （4） 目前內(nèi)外對電氣石在環(huán)保領(lǐng)域的應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理；另一方面要從微觀的角度來探索其呈色機理；
　　　　 （6） 研究電氣石粉體的載體如何有效的分隔開電場間干擾、促進與空氣中水的接觸并發(fā)生分解反應。
　　4 結(jié)語
　　 隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展以及人們生活水平的提高，對環(huán)保、醫(yī)療保健等方面的要求會越來越高，電氣石在這些領(lǐng)域所具有的獨特作用與效果，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)品的開發(fā)應用必將產(chǎn)生較大的社會效益和經(jīng)濟效益。

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