电气石的研究和现状分析

2019-11-1 9:42:39

   ◎电气石的的环境功能属性及应用研究动态

   电气石(Tourmaline) 是电气石族矿物的总称,是以含硼为特征的铝、钠、铁、镁、锂的环状结构硅酸盐矿物,结构式为Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6[Si6O12][BO3]3(OH,F)4。根据不同的类质同像,可分为铁电气石、镁电气石和锂电气石。电气石晶体结构为三方晶系,对称型为L33P,晶体常呈短柱状、长柱状或针状,柱面有纵纹,横断面呈球面三角形,集合体呈针状、纤维状或放射状,有时呈粒状或隐晶质块状,颜色随成分而异,有黑色(含Fe)、红色(富含Mn、Li、Cs)、褐黄色(含Cr),无色透明的少见;玻璃光泽,硬度7~7.5,无解理,密度2.9~3.5g/cm3,具有热电性与压电性。电气石作为一种新型的工业矿物,在环保、电子、医药、化工、轻工、建材等领域,由于矿物独特的性质及产品的高附加值,受到世界各国的普遍重视。
   1 电气石的自发极化效应
   1898年,日本学者Kubo发现并提出来电气石具有永久性自发极化效应。电气石晶体在沿其三次对称轴的两端会积聚一定量的异性电荷,产生异性两极:Voigt检测了室温下电气石的自发极化值,得到Ps=0.011MC/cm2。一般认为,极化电荷的产生是由电气石具有的热电性和压电性引起的。当电气石晶体所处环境温度与压力变化时,晶体中带电粒子之间发生相对位移,正负电荷中心发生分离,晶体的总电矩发生相对位移,正负电荷中心发生分离,晶体的总电矩发生变化,从而导致极化电荷产生。电气石的自发极化效应表现为,在电气石晶体周围存在奋斗目标以C轴轴面为两极的静电场,场强Eo=Ps/2Eo,据Voigt给出的Ps值,得到Eo=6.2×10^6V/m。当电气石晶粒很小时,电气石微粒的作用相当于一电偶极子,由于正负电荷作用相互抵消,在平行于C轴方向电场强度最大,静电场随着远离中心迅速减弱,Ex=(2/3)Eo(a/r)3,a为电气石微粒半径,r为测点距中心的距离。由此可知,在电气石表面十几微米范围内存在10~104V/m的高场强。电气石的自发极化效应是永久性的,与其结构和成分密切相关。电气石晶体结构由[Si6O18] 复三方环、[BO3]三角、[X-O5(OH)]三重八面体组成(Fe2+、Mg2+,Al3+、Li+、Fe3+、Mn2+)。构成[Si6O18]复三方环的六个硅氧四面体,角顶指向同一方向,被解释为其极性存在的本质原因。
  2电气石环境功能属性及应用
   电气石作为环境功能材料已得到国内外环境科学界的公认,在日本、美国、韩国、中国等国家,电气石用于居室等小环境的改善已实现了产业化。研究证明:由于自极化效应使得电气石具有一些环境功能属性,如在无源条件下可产生负离子;具有远红外发射功能,发射率可达0.93;电磁屏蔽功能;调节水的pH值至中性;活化水分子等。这些环境功能属性使得电气石具有广泛的应用。
2.1 电气石的红外辐射功能及应用
   红外线是电子波谱的一部分,其波长为0.76~1000um,介于可见光与微波之间。按波长不同又分为近红外(0.76~1.50um)、中红外(1.5~5.6um)、远红外(8~14um)和超远红外(15~1000um)。如前所述,电气石同时具有显著的压电性与热电性,即使在常温下,一旦环境压力或温度发生微弱变化,其内部分子振动增强,偶极矩发生变化,即热运动使极性分子激发到更高的能级,当它向下跃迁至较低能级时,就以发射电磁波形式被带走。因此,电气石向外界发射电磁波的动力来自于外界环境之间的能量交换。
   同济大学的杨如增、杨满珍等测试了天然黑色电气石的红外辐射特性,测试结果如下表所示。

  天然黑色电气石在还原气氛条件下进行热处理后,可具有比远红外陶瓷粉更高的红外比辐射率值,其红外辐射峰值与维恩定律具有很好的对应关系,在室温下峰值辐射波长为9.5um左右。天然黑色电气石的强红外辐射特性已引起人们的广泛关注。日本已利用天然黑色电气石开发出一系列科技产品,其中包括化妆品、空气净化、防辐射等产品。日本一家公司的一项发明专利是关于电气石在人造丝纤维中的应用,即人选丝纤维中含有0.05%~2.0% ,颗粒直径不超过0.3um的电气石颗粒。该纤维可以通过促进血液循环有效地增强人体生理机能,具体过程是将含有电气石颗粒(均匀分散在其中)的人造丝纤维溶液,纺织成纤维形状,而制得驻极体纤维。
   采用硅烷偶联剂对电气石进行改性试验,改性后的电气石与EVA、PP、PE等混合加工可以生产多种产品,如具有EVA树脂层的鞋袜材料、具有抗菌性能的电气石内衣等。日本大和纺织将放射性矿石微粉与远红外微粒按一定比例混合后,经整理附着于织物上,开发了“IONINA”新产品。这种方法使织物具有负离子各远红外双重效果,其床单产品经使用检测,证明对被检测者脑电波中的a 波产生抑制,因此对一些慢性病有较好的辅助疗效。我国台湾省工研院化工所与庆祥光波公司,利用纳米技术和光波远红外原料,共同开发出纳米远红外纺织品。
   在专利US6798982中,研究人员将白云母、电气石和镧系元素混合制备成衬垫包裹在电热线周围,当电热线受热时,远红外线和空气负离子就会从电气石衬垫中不断地释放出来。这种电气石衬垫具有广泛的作用。在专利W02004075986中涉及了一种远红外发生器,它由稀有元素和电气石组合而成,能够有效产生远红外线,可以用于人体保健和加热保暖。中国专利CN1467313中,利用电气石和纤维合成一种远红外功能纤维,电气石的含量为1%~8%,粒度120~180nm,这种纤维具有较高的健康效应。在专利KR2002090645和KR2002067197中研究人员研制了一种含有电气石的远红外线,在人体保健、远红外加热方面的应用具有广阔的前景。
  2.2 电气石释放空气负离子功能及应用
   温度和压力变化引起的电气石晶体之间的电势差,能够使其周围空气中的水分子发生微弱的电解作用;4H2O电解OH→H+,氢离子由电气石电极之间的微弱电流中得到电子;2H++2e→H2↑,氢氧根离子与水分子结合形成空气负离子:OH-+nH2O→O-H(H2O)n-[14]。根据大地测量学和地理物理学国际联盟大气联合委员会采用的理论,空气负离子的分子式是O2(H2O)n。负离子的生物效应有:○1使氧自由基无毒化;○2使体液呈弱碱性;○3使空气质量得到改善;○4负离子对促进健康的直接效应;○5负离子对人体各系统的直接生理效应;○6负离子对疾病有辅助治疗和康复作用。空气负离子的作用已被广大医学界所认同,除了有益人体健康之外,还具有杀菌、除尘、除臭作用。电气石释放负离子不耗能,不产生臭氧和活性氧,是理想的绿色环保材料,目前国内外对电气石的开发研究已经取得了一定的进展。
   韩跃新等通过对内蒙东部黑电气石释放负离子特性研究得到以下结论:黑电气石释放负离子尝试较高,块状平均最大值可达18625个cm3、超细粉平均最大值可达25600个cm3,黑电气石释放负离子浓度相当于海滨、瀑布、森林的负离子尝试。河北工大梁金生等人应用溶胶-凝胶技术在天然电气石矿物粉表面生成高效TiO2光催化剂,制成了具有环境净化和健康功能的新型复合材料,在电气石自身电场对TiO2晶体生长的影响下,TiO2在电气石微粒表面形成了以微孔空心球和空心半球的平均粒径为2um,应用此种技术制得的电气石-TiO2复合薄膜具有较高的光催化活性。
   在一项发明专利(CN1222494A)中专门介绍了利用电气石制陶瓷球的技术。它由电气石磨成直径为6~140um的微粒,占总重量的3%~98%;粘土占总重量的97~2%;加水搅拌后,成型干燥烧结为直径为5~50mm的小球。它可以增强饮水活化、污水处理、农作物喷水和净化空气各领域。
   在专利CN1454560中,电气石被加入到一种陶瓷水杯和餐具中,使得这种餐具能够具有电气石的功能负离子,并介绍了其性质、功能、制备的原理和方法及在工程应用中的地位。在专利US2004060141中,0.2%~0.4的Be、1%~2%的电气石和96.8%~98.8%高分子基材料制备的空气负离子刷子,这种刷子可以释放大量的空气负离子,有益于人体健康。
   日本富士纺织利用温泉中的天然发射性矿石(电气石),经纳米技术与聚酯纤维结合,生产出“STAIYAA”负离子织物,经医学临床试验证明,对腰痛、肩疼、关节炎及过敏性皮炎等有显著疗效。据日本纤维研新闻报道,日本松下电器与一家矿石研究所合作,采用纳米级电气石和一种激发剂混入聚酯原液中生产出特殊涤纶,共同开发一种在“静置”条件下能源源不断产生负氧离子的织物;日本仓敷将放射性矿微粉与电气石粉分层附着在织物上,以提高织物的负离子化效果,生产出“HOLIC”织物,其A4纸大小的织物在空气中产生的负离子为15000个 /cm3接近森林中负离子的效果。
   电气石负离子粉体具有很大的市场前景:1它可以添加在化纤织物做成人体服饰,在人体能量的作用下,不断地产生负离子。促进人体皮肤新陈代谢、提神醒脑、消除人体异味。例如将负离子超细粉体制成母粒在纺丝时加到纤维中即可制成各种规格的负离子功能纤维,与棉纺纱制成袜子、内衣等,纺成无纺布制成保健保暖内衣,作为枕头、被子、床垫的填充料,交织后制成室内装饰材料等。此外,它还可以做成各种纤维装饰面料,对保持室内空气清新,消除室内烟、油味具有一定作用。2可以添加到油漆、涂料、木板粘接剂中,保持室内装修后空气的清新,不断释放负离子等具有一定的作用。
2.3电气石的电磁屏蔽功能及应用
   电气石可与空气中的水分子发生反应,形成阴离子,中和辐射发出的阳离子,以阻碍电磁波的传播。用含电气石微粉的物质做成外壳,就能有效的起到电磁屏蔽的作用。在一项最新实用专利(CN2358663Y)中介绍了一种电磁防护器制法,它由层状结构组成,第一层为电气石微粒层;第二层为胶层;第三层为塑料薄膜层;第四层也为胶层;第五层为纸层,这各防护器可防止有害电磁波侵袭人体,能将基转化为对人体无害的远红外线。它可广泛用于汽车驾驶室、电脑操作室、电弧操作车间、变电所等各处以及游戏机、电视机、微波炉、电热毯、电话和手机等多种电气设备上。如在专利JP2004178780中,研究人员利用电气石来消除光盘静电和电磁辐射,而且提高光盘的音质。
  2.4电气石在水处理中的应用
   电气石的结构紧密、金属离子不易进入其晶体结构,因此电气石的吸附主要为表面吸附,吸附类型主要为离子、分子吸附,类似石英、刚玉等简单氧化物,通过表面络合起吸附、浓集作用,并在电气石表面上结晶析出,从而起到净化工业废水的作用。
  (1) 对Cu2+的吸附
   电气石对含Cu2+废水的交货原理与蒙脱石等不同,它是通过静电场将Cu2+吸附到电气石的负极,使局部Cu2+浓度增高,与表面羟基离解产生的OH-发生反应,形成各种沉淀。当溶液中离子浓度达到平衡时,反应不再继续。这样,不会存在处理过度的问题,是很好的绿色环保材料。电气石具有高的机械化学稳定性,不溶于酸,通过水流搅动很容易使形成的沉淀脱离电气石表面,可所得使用。
  (2) 对SO42-的吸附
   采用含电气石的多孔陶瓷10g,浸泡于500mL H2SO4溶液(0.1mol/L)中,2个月后发现,陶瓷表面有细小结状、放射状晶体形成,经X-射线粉晶衍射确定为石膏CaSO4?2H2O。影响电气石吸附作用的主要因素为:吸附时间、温度、电气石粉体的粒度、溶液中离子浓度以及pH值等,其中影响较大的是溶液pH值,pH值增高,有利于提高电气石对重金属离子的吸附率,当pH≧6时,具有较高的吸附率。
  (3) 电气石对水体pH值的影响
   冀志江、金宗哲等通过对电气石对水体pH值的影响的研究发现电气石颗粒的电极性影响水溶液的氧化还原电位,调节水溶液的pH值,使之趋向中性,使酸性溶液pH值增大,因此可利用电气石的电极性以及对水体的氧化还原性影响处理污水
  2.5葫芦电气石在电子及声电材料中的应用
   由于电气石矿物晶体具有压电性能,这一特性被广泛应用于无线电工业中,可用电气石作波长调整器,偏光仪中的偏光片。结晶完好、无弯曲、无裂纹的电气石,可作测定空气和水中冲压用的压电计,还可用于声纳元件、测定材料的标准件、仪器和工业设备上的元件等,如用于皮肤表皮的发电控制器,设计成允许光线通过药品的附近区域,在光射方向引导出波动场。另外还用于含有抛物柱面反射方向引导波动场。另外还用于含有抛物柱面反射镜和含有电流输出的电气石晶体电动传感器。许多科学和工业仪器使用电气石,即为电气钳,能显示出光的偏振。因为电气石既是热电性又是压电性的,即在加热或压缩时都能产生电,热剂量计是测量辐射气强度的早期仪器,它也是依赖于电气石的热电特征。
  3 电气石应用研究的建议
   目前,对电气石在环境应用方面的研究与利用还处于初步阶段,电气石作为不可再生资源,数量是有限的。我们应该解决的问题主要有以下几方面。
     (1) 如何充分充分利用有限的资源,走可持续发展的道路;
     (2) 如何提高电气石微粒的电场效应;
     (3) 提高电气石的加工工艺,如电气石的超细粉碎、亚微米级分离、提高电气石的白度等问题;
     (4) 目前内外对电气石在环保领域的应用研究主要集中于水质净化、人体抗菌功能的影响;
     (5) 要进行基础理论研究,探讨影响电气石的自发极化将就的内部与外部因素,研究电气石的自身极化机理;另一方面要从微观的角度来探索其呈色机理;
     (6) 研究电气石粉体的载体如何有效的分隔开电场间干扰、促进与空气中水的接触并发生分解反应。
  4 结语
   随着我国国民经济的发展以及人们生活水平的提高,对环保、医疗保健等方面的要求会越来越高,电气石在这些领域所具有的独特作用与效果,以及较高的附加值,使其具有良好的发展前景。电气石产品的开发应用必将产生较大的社会效益和经济效益。