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電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)在環(huán)境與健康領(lǐng)域的應(yīng)用
2019/11/6 16:55:26
電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)在環(huán)境與健康領(lǐng)域的應(yīng)用
[摘要]電氣石具有永久性自發(fā)極化效應(yīng)，其極化值不受外界電場影響。已經(jīng)證實(shí)電氣石顆粒周圍存在靜電場，而且電氣石顆粒能夠釋放負(fù)離子和發(fā)射遠(yuǎn)紅外線。利用電氣石的這些性質(zhì)，可將電氣石應(yīng)用于環(huán)境與健康領(lǐng)域，如水處理、環(huán)保涂料及健康衣料等。因此，電氣石是一種很有前景的天然綠色環(huán)保材料。
[關(guān)鍵詞]電氣石；自發(fā)極化；環(huán)境與健康；應(yīng)用
電氣石是以含硼為主的環(huán)狀硅酸鹽礦物，其化學(xué)式為Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6[Si6O18](BO3)3(OH,F)4。一直以來，電氣石被作為寶石礦物加以利用，少量用于儀器設(shè)備中的光學(xué)元件，大量非寶石級(jí)電氣石幾乎未得到利用。1989年，日本學(xué)者Kubo發(fā)現(xiàn)并提出電氣石具有永久性自發(fā)極化效應(yīng)，從而為電氣石為工業(yè)礦物，尤其是在環(huán)境與健康領(lǐng)域應(yīng)用開辟出嶄新的途徑。
1電氣石的晶體結(jié)構(gòu)及其自發(fā)極化效應(yīng)
實(shí)驗(yàn)證實(shí)，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)生異兩極；與一般“誘電體”只有放入電場才會(huì)產(chǎn)生電極化不同，電氣石不放入電場中，礦石本身也有電極化產(chǎn)生，其電極不受外界電場影響。Voigt檢測了室溫下電氣石晶體的自發(fā)極化值，得到Ps=0.011uC/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著C軸軸面為兩極的靜電場，場強(qiáng)E0=2e0。據(jù)Voigt給出的Ps值，得到E0=6.2×10的6次方v/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軸方向電場強(qiáng)度最大，靜電場隨著遠(yuǎn)離中心迅速減弱，E2=（2/3）E0（a/r）的三次方，a為電氣石微粒半徑，r為測點(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的7次方（最高值）~104V/m的高場強(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)。電氣石為3m點(diǎn)群，必三方晶系，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（X為Fe2+、Mg2+、Al、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。因此，不同結(jié)晶狀況、不同成分的電氣晶體，其自發(fā)極化效應(yīng)有差異。對(duì)于不同產(chǎn)地的電氣石，通過“坤特”試驗(yàn)可直觀地比較出其極化效應(yīng)的強(qiáng)弱。坤特試驗(yàn)是用等量的硫磺與鉛丹混合粉末，通過一個(gè)塑料噴灑向電氣石晶體，由于坤特粉在混合和通過塑料噴篩時(shí)摩擦產(chǎn)生靜電，使坤特粉帶荷，其中鉛丹粉（紅色）帶正電荷。硫磺粉（黃色）帶負(fù)電荷，同時(shí)電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)使其晶體沿C軸兩端帶有符號(hào)相反的電荷。于是，電氣石晶體帶正電荷的一端吸引硫磺粉而顯黃色，晶體帶負(fù)電荷的一端剛吸引鉛丹粉而顯紅色。電氣石晶體極化效應(yīng)的強(qiáng)弱可由坤特現(xiàn)象的明顯程度（即晶體兩端顏色分異性強(qiáng)弱）表現(xiàn)出來。
2 電氣石應(yīng)用于水處理
2．1品用電氣石吸附水中重金屬離子
電氣石具有高的機(jī)械化學(xué)穩(wěn)定性，不溶于酸，將電氣石晶體置于待處理廢水中，電氣石晶體表面會(huì)吸附水中重金屬離子并形成沉淀，使水中重金屬離子濃度降低且遠(yuǎn)低于國標(biāo)（GB8978-88）規(guī)定值，通過水流攪動(dòng)很容易使形成的沉淀脫離電氣石表面，電氣石可反復(fù)使用。電氣石對(duì)廢水中重金屬離子的去除率能達(dá)到99%，去除率的高低與電氣石的粒度、用量、被處理水的pH值、溫度及反應(yīng)時(shí)間有關(guān)。電氣石對(duì)含重金屬離子廢水的凈化原理與沸石、蒙脫石等不同，它是通過其晶體表面靜電場將重金屬離子吸附到晶體負(fù)極，使局部重金屬離子濃度增高，與電氣石表面羥基離解而產(chǎn)生的OH-發(fā)生反應(yīng)，形成各種沉淀或堿式鹽析出。當(dāng)溶液中各種離子濃度達(dá)到平衡時(shí)，反應(yīng)不再繼續(xù)，因此不會(huì)存在處理過度的問題，也不會(huì)有負(fù)作用；而有益的K+、Na+等則不會(huì)發(fā)生沉淀，保持了自然界的平衡關(guān)系，且不產(chǎn)生二次污染，體現(xiàn)了天然自凈化的特點(diǎn)。
2．2 電氣石用于凈化水中界面
自來水管中的管壁與水的界面常常生成并附著了一層腐蝕物，使自來水受到二次污染。為了消除污染，傳統(tǒng)做法是在水中加入化學(xué)試劑即表面活性劑來清洗水中界面的腐蝕層。這樣做一是要花費(fèi)用購買設(shè)備及化學(xué)品，二是處理后廢水對(duì)環(huán)境有不良影響。電氣石顆粒周圍存在靜電場，在與水接觸瞬間可將水電解，產(chǎn)生H3O3-，并使水呈弱堿性。當(dāng)水管壁金屬M(fèi)與堿性水接觸時(shí)，形成M（OH）n化合物，管壁金屬被鈍化，且由于水中弱堿環(huán)境，這種鈍化狀態(tài)得以保持，從而防止管道生銹、結(jié)垢。用電氣石凈化水中界面界面較傳統(tǒng)做法成本低且無污染產(chǎn)生，可廣泛用于自來水廠、樓頂水箱、輸水管道等各種輸水、存水裝置。
2．3電氣石用于水活化
平常人們飲用的水中，由于氫鍵作用，水分被締合成大分子團(tuán)（通常有36~37個(gè)水分子），導(dǎo)致水分的活性降低和老化，即使是純凈水，也只解決了水污染問題，而沒有解決水退化問題。老化試驗(yàn)的水功能較差，不能使人體得到較強(qiáng)的活力。用電氣石經(jīng)燒結(jié)制成陶瓷來處理飲用水，由于其發(fā)射遠(yuǎn)紅外線與水中氫鍵共振，可將大分子團(tuán)的氫鍵切斷，經(jīng)核磁共振檢測，水分子團(tuán)變小到6~8個(gè)水分子。不的分子團(tuán)越小，水能量越高，其滲透力、溶解力、代謝力就越強(qiáng)，即水分子被除數(shù)活化。
3電氣石用于保健與環(huán)保功能性紡織品
經(jīng)紅外發(fā)射率測定，電氣石在常溫下能發(fā)射波長4~14um，發(fā)射率在0.92以上的遠(yuǎn)紅外線。電氣石的這種功能與其電學(xué)性質(zhì)有關(guān)，電氣石同時(shí)具有顯著的壓電性與熱性，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)部分子即振動(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)它向下躍遷時(shí)，就把多余的能量以光子的形式被帶走。因此，電氣石向外界發(fā)射紅外線的動(dòng)力來自于外界環(huán)境溫度與壓力的變化，該過程的本質(zhì)是電氣石與環(huán)境之間發(fā)生的能量交換過程。將電氣石用于紡織品，其發(fā)射遠(yuǎn)紅外線與釋放負(fù)離子兩種功能協(xié)同作用比單一功能更激發(fā)人體細(xì)胞的活性，促進(jìn)人體血液循環(huán)及新陳代謝，是理想的保健功能材料，可制成保健內(nèi)衣、健康寢具等產(chǎn)品。電氣石應(yīng)用于紡織品的關(guān)鍵技術(shù)在于電氣石超細(xì)粉的制備與表面改性。研究表明，電氣石的自發(fā)極化效應(yīng)引起的電氣石顆粒沿著C軸兩端的靜電壓，隨著粒徑減少而增大。通過超細(xì)技術(shù)將電氣石加工到微米直至亞微米級(jí)，可極大提高電氣石顆粒的表面活性，從而獲得較強(qiáng)的釋放負(fù)離子與發(fā)射遠(yuǎn)紅外線的保健功能。另一方面，為了紡絲工藝的質(zhì)量不受影響，作為雜質(zhì)摻入的電氣石顆粒粒徑必需足夠細(xì)且需經(jīng)過表面改性。
含電氣石的紡織品還可制成窗簾、沙發(fā)套等軟裝潢材料，其釋放的負(fù)離子可發(fā)揮環(huán)保功能。根據(jù)大地測量學(xué)和地理物理學(xué)國際聯(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，，或OH-(H2O)n,或CO4-（H2O）n。這里所說具有環(huán)保功能的空氣負(fù)離子主要指前兩種小分子負(fù)離子?？諝庳?fù)離子能還原來自大氣的污染物質(zhì)、氮氧化物、香煙等產(chǎn)生的活性氧（氧自由基）、減少過多活性氧對(duì)人體的危害；中和帶正電的空氣飄塵無電荷后沉降，使空氣得到凈化。電氣石是永久性釋放負(fù)離子的天然礦物材料，與人工獲得負(fù)離子的方法相比，電氣石釋放負(fù)離子不耗能，不產(chǎn)生臭氧和活性氧，制成軟裝潢紡織品，可改善室內(nèi)小環(huán)境的空氣質(zhì)量，是理想的綠色環(huán)保材料。電氣石永久釋放負(fù)離子的機(jī)理目前有幾種解釋，其中之一是歸因于電氣石對(duì)水的電解作用：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→OH-(H2O)n根據(jù)這種理論，電氣石釋放負(fù)離子的濃度與其自發(fā)極化效應(yīng)強(qiáng)弱有關(guān)，必要條件是空氣中的水分。
4 電氣石用于涂料
4．1 電氣石用于涂料
電氣石具有自發(fā)永久地釋放負(fù)離子這一功能，用于、外墻涂料可防止酸雨對(duì)建筑物的損害；用于室內(nèi)裝飾涂料可凈化室內(nèi)空氣；與有機(jī)硅氧烷樹脂配合制成涂料涂在中、高檔汽車上，可提高汽車外皮的耐酸性和而溶劑性，可代替上光蠟。
4．2 電氣石用于海洋防腐涂料
電氣石可用于阻止海洋生物粘附與生銹的遠(yuǎn)洋船只船身防腐涂料。傳統(tǒng)防腐采用有機(jī)錫化合物，對(duì)海洋環(huán)境有破壞作用，國際組織已限定到2003年，全球范圍內(nèi)禁止使用有機(jī)錫化合物的防腐涂料。
應(yīng)用電氣石的海洋防腐涂料是目前較理想的發(fā)展方向。電氣石通過對(duì)的電解形成一層單分子膜，可阻止海洋生物如貝類、藻類附著在船體上生長；同時(shí)電氣石釋放負(fù)離子的功能可為船身金屬材料提供電子，使金屬免于被氧化奪去電子而銹蝕。電氣石的防腐機(jī)理完全避免了涂料對(duì)海洋環(huán)境的破壞。