◎電氣石的的環(huán)境功能屬性及應(yīng)用研究動(dòng)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(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(mén)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(pán)靜電和電磁輻射，而且提高光盤(pán)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。
　?。?） 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。
　?。?） 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?，即在加熱或壓縮時(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。

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