电气石的自发极化效应在环境与健康领域的应用

        [摘要]电气石具有永久性自发极化效应，其极化值不受外界电场影响。已经证实电气石颗粒周围存在静电场，而且电气石颗粒能够释放负离子和发射远红外线。利用电气石的这些性质，可将电气石应用于环境与健康领域，如水处理、环保涂料及健康衣料等。因此，电气石是一种很有前景的天然绿色环保材料。
[关键词]电气石；自发极化；环境与健康；应用
　　 电气石是以含硼为主的环状硅酸盐矿物，其化学式为Na(Mg,Fe,Mn,Li,Al)3Al6[Si6O18](BO3)3(OH,F)4。一直以来，电气石被作为宝石矿物加以利用，少量用于仪器设备中的光学元件，大量非宝石级电气石几乎未得到利用。1989年，日本学者Kubo发现并提出电气石具有永久性自发极化效应，从而为电气石为工业矿物，尤其是在环境与健康领域应用开辟出崭新的途径。
1电气石的晶体结构及其自发极化效应
　　 实验证实，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，产生异两极；与一般“诱电体”只有放入电场才会产生电极化不同，电气石不放入电场中，矿石本身也有电极化产生，其电极不受外界电场影响。Voigt检测了室温下电气石晶体的自发极化值，得到Ps=0.011uC/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着C轴轴面为两极的静电场，场强E0=2e0。据Voigt给出的Ps值，得到E0=6.2×10的6次方v/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，E2=（2/3）E0（a/r）的三次方，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的7次方（最高值）~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。电气石为3m点群，必三方晶系，晶体结构由[Si6O18]复三方环、[BO3]三角、[X-O5（OH）]三重八面体组成（X为Fe2+、Mg2+、Al、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。因此，不同结晶状况、不同成分的电气晶体，其自发极化效应有差异。对于不同产地的电气石，通过“坤特”试验可直观地比较出其极化效应的强弱。坤特试验是用等量的硫磺与铅丹混合粉末，通过一个塑料喷洒向电气石晶体，由于坤特粉在混合和通过塑料喷筛时摩擦产生静电，使坤特粉带荷，其中铅丹粉（红色）带正电荷。硫磺粉（黄色）带负电荷，同时电气石的自发极化效应使其晶体沿C轴两端带有符号相反的电荷。于是，电气石晶体带正电荷的一端吸引硫磺粉而显黄色，晶体带负电荷的一端刚吸引铅丹粉而显红色。电气石晶体极化效应的强弱可由坤特现象的明显程度（即晶体两端颜色分异性强弱）表现出来。
　　2 电气石应用于水处理
　　2．1品用电气石吸附水中重金属离子
　　 电气石具有高的机械化学稳定性，不溶于酸，将电气石晶体置于待处理废水中，电气石晶体表面会吸附水中重金属离子并形成沉淀，使水中重金属离子浓度降低且远低于国标（GB8978-88）规定值，通过水流搅动很容易使形成的沉淀脱离电气石表面，电气石可反复使用。电气石对废水中重金属离子的去除率能达到99%，去除率的高低与电气石的粒度、用量、被处理水的pH值、温度及反应时间有关。电气石对含重金属离子废水的净化原理与沸石、蒙脱石等不同，它是通过其晶体表面静电场将重金属离子吸附到晶体负极，使局部重金属离子浓度增高，与电气石表面羟基离解而产生的OH-发生反应，形成各种沉淀或碱式盐析出。当溶液中各种离子浓度达到平衡时，反应不再继续，因此不会存在处理过度的问题，也不会有负作用；而有益的K+、Na+等则不会发生沉淀，保持了自然界的平衡关系，且不产生二次污染，体现了天然自净化的特点。
　　2．2 电气石用于净化水中界面
　　 自来水管中的管壁与水的界面常常生成并附着了一层腐蚀物，使自来水受到二次污染。为了消除污染，传统做法是在水中加入化学试剂即表面活性剂来清洗水中界面的腐蚀层。这样做一是要花费用购买设备及化学品，二是处理后废水对环境有不良影响。电气石颗粒周围存在静电场，在与水接触瞬间可将水电解，产生H3O3-，并使水呈弱碱性。当水管壁金属M与碱性水接触时，形成M（OH）n化合物，管壁金属被钝化，且由于水中弱碱环境，这种钝化状态得以保持，从而防止管道生锈、结垢。用电气石净化水中界面界面较传统做法成本低且无污染产生，可广泛用于自来水厂、楼顶水箱、输水管道等各种输水、存水装置。
　　2．3电气石用于水活化

　　平常人们饮用的水中，由于氢键作用，水分被缔合成大分子团（通常有36~37个水分子），导致水分的活性降低和老化，即使是纯净水，也只解决了水污染问题，而没有解决水退化问题。老化试验的水功能较差，不能使人体得到较强的活力。用电气石经烧结制成陶瓷来处理饮用水，由于其发射远红外线与水中氢键共振，可将大分子团的氢键切断，经核磁共振检测，水分子团变小到6~8个水分子。不的分子团越小，水能量越高，其渗透力、溶解力、代谢力就越强，即水分子被除数活化。
3电气石用于保健与环保功能性纺织品
　　 经红外发射率测定，电气石在常温下能发射波长4~14um，发射率在0.92以上的远红外线。电气石的这种功能与其电学性质有关，电气石同时具有显著的压电性与热性，即使在常温下，一旦环境压力或温度发生微弱变化，其内部分子即振动增强，偶极矩发生变化，即热运动使极性分子激发到更高的能级，当它向下跃迁时，就把多余的能量以光子的形式被带走。因此，电气石向外界发射红外线的动力来自于外界环境温度与压力的变化，该过程的本质是电气石与环境之间发生的能量交换过程。将电气石用于纺织品，其发射远红外线与释放负离子两种功能协同作用比单一功能更激发人体细胞的活性，促进人体血液循环及新陈代谢，是理想的保健功能材料，可制成保健内衣、健康寝具等产品。电气石应用于纺织品的关键技术在于电气石超细粉的制备与表面改性。研究表明，电气石的自发极化效应引起的电气石颗粒沿着C轴两端的静电压，随着粒径减少而增大。通过超细技术将电气石加工到微米直至亚微米级，可极大提高电气石颗粒的表面活性，从而获得较强的释放负离子与发射远红外线的保健功能。另一方面，为了纺丝工艺的质量不受影响，作为杂质掺入的电气石颗粒粒径必需足够细且需经过表面改性。
　　 含电气石的纺织品还可制成窗帘、沙发套等软装潢材料，其释放的负离子可发挥环保功能。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，，或OH-(H2O)n,或CO4-（H2O）n。这里所说具有环保功能的空气负离子主要指前两种小分子负离子。空气负离子能还原来自大气的污染物质、氮氧化物、香烟等产生的活性氧（氧自由基）、减少过多活性氧对人体的危害；中和带正电的空气飘尘无电荷后沉降，使空气得到净化。电气石是永久性释放负离子的天然矿物材料，与人工获得负离子的方法相比，电气石释放负离子不耗能，不产生臭氧和活性氧，制成软装潢纺织品，可改善室内小环境的空气质量，是理想的绿色环保材料。电气石永久释放负离子的机理目前有几种解释，其中之一是归因于电气石对水的电解作用：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→OH-(H2O)n根据这种理论，电气石释放负离子的浓度与其自发极化效应强弱有关，必要条件是空气中的水分。
　　4 电气石用于涂料
　　4．1 电气石用于涂料

　　电气石具有自发永久地释放负离子这一功能，用于、外墙涂料可防止酸雨对建筑物的损害；用于室内装饰涂料可净化室内空气；与有机硅氧烷树脂配合制成涂料涂在中、高档汽车上，可提高汽车外皮的耐酸性和而溶剂性，可代替上光蜡。
　　4．2 电气石用于海洋防腐涂料
　　 电气石可用于阻止海洋生物粘附与生锈的远洋船只船身防腐涂料。传统防腐采用有机锡化合物，对海洋环境有破坏作用，国际组织已限定到2003年，全球范围内禁止使用有机锡化合物的防腐涂料。
　　 应用电气石的海洋防腐涂料是目前较理想的发展方向。电气石通过对的电解形成一层单分子膜，可阻止海洋生物如贝类、藻类附着在船体上生长；同时电气石释放负离子的功能可为船身金属材料提供电子，使金属免于被氧化夺去电子而锈蚀。电气石的防腐机理完全避免了涂料对海洋环境的破坏。

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