国内外电气石开发研究现状及应用前景展望_张开永

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2004年3月MINING&METALLURGYMarch󰀁2004

文章编号:1005-78(2004)01-0097-04

国内外电气石开发研究现状及应用前景展望

张开永,成学海,曲鸿鲁

1

2

2

(1󰀁华北科技学院,北京燕郊065201;2󰀁山东省地质科学实验研究院,济南250013)

摘󰀁要:概述了国内外电气石在水处理、去污净化、医疗保健、填料、声电材料、涂层涂料及研磨材料等

领域的开发研究现状。阐述了电气石矿物物化特性与应用之间的关系,展望电气石在不同领域的主要应用前景。

关键词:电气石;开发研究;应用前景

中图分类号:P578󰀁953;TD985󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

PRESENTSITUATIONOFRESEARCHANDDEVELOPMENT

OFTOURMALINEANDITSAPPLICATIONFUTURE

ATHOMEANDABROAD

ZHANGKai󰀁yong1,CHENGXue󰀁hai2,QUHong󰀁lu2

(1󰀁NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,Beijing065201,China;2󰀁ShandongInstituteandLaboratoryofGeologicalSciences,Jinan250013,China)

ABSTRACT:Thispaperoutlinespresentsituationofresearchanddevelopmentoftourmalineintheareasofwa󰀁tertreatment,decontaminationandclarification,medicinalandhealthcare,filling󰀁,acoustic󰀁,electric󰀁materialsaswellaspaintandgrindingabrasives,expoundstherelationshipbetweenphysicochemicalpropertiesandusageoftourmalinemineralsandlooksforwardtothepotentialsofitsapplicationinvariousfields󰀁KEYWORDS:Tourmaline;ResearchandDevelopment;Applicationpotential

1󰀁引󰀁言

电气石(Tourmaline)是电气石族矿物的总称。化学成分较复杂,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󰀁Si6O18󰀁󰀂BO3󰀁3(OH,F)4。根据不同的类质同象,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L3P,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

收稿日期:2003-09-08

作者简介:张开永,安全环境系工程师、硕士。

3

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,是一种典型的高温气成矿物。电气石主要产于伟晶岩和气成高温热液矿床中,与绿柱石、黄玉、锂云母、独居石等

共生,也见于变质岩和砂矿中。

电气石主要生产国有前苏联、美国、缅甸、巴西等国家,非洲也是盛产电气石的地区,我国电气石资源主要分布于、内蒙古、云南、吉林、山东等省区伟晶岩发育地区。

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。随着开发应用与工艺技术研究的深入,现已取得了较大的发展,展现出广阔的应用前景。

󰀁98󰀁矿󰀁󰀁冶

2󰀁电气石开发研究现状

2󰀁1󰀁国外电气石的开发研究概况

19年,日本学者Kubo首次发现了电气石存在自发电极、电气石微粒周围存在静电场现象,他对电气石微粉的电场效应展开了一系列应用研究,由此兴起了电气石在环境、人体保健领域的研究新热潮。此后,日本、美国等国学者纷纷开始了这方面的应用性研究,陆续申请了多项专利。近几年,世界各地一些科研机构投入庞大资金从南美等地购入电气石,粉碎成微粒进行多项研究及工业性试验。在电气石开发研究领域,日、美、韩及一些欧洲国家处于领先水平,涉足的领域也很广泛,如电子、医药、化工、轻工、环保等,其产品有替代洗衣粉的洗涤球、皮肤和头发洗涤剂、化妆品填料、污水处理剂(装置)、浮尘吸收剂、人造纤维等,日本科技界将电气石广泛用于环保、医疗、日用化工、塑料、建筑装潢、国防、负离子发生装置、健康衣料及保健品、化妆品、卷烟、配药、汽车、涂料、改良土壤、水质处理、净化空气以及屏蔽电磁辐射等高科技领域。2󰀁1󰀁1󰀁水处理研究方面

电气石具有热电性与压电性,能吸附空气中的细小灰尘,同时还可以增强饮水活性,从而可用于饮用水活性化、污水处理、农作物施喷等领域。

电气石矿物在水中的Zeta电位-20󰀁885mV,由于羟基化表面的存在,通过静电相互吸引可与水中的阴阳离子发生作用,由于自发极化效应,在电气石的周围存在着以c轴轴面为两极的静电场,E0=Ps/2󰀁0。据Voigt给出的Ps值,得到E0=6󰀁2󰀁106V/m。静电场随着远离中心迅速减弱,Er=(2/3)E0(a/r),式中a为电气石微粒半径,r为距中心的距离,由此可知,在电气石表面厚度十几微米范围内存在107(最高值)~104V/m的高场强,在静电场的作用下,水分子发生电解,形成H和OH,H和水分子结合形成活性分子H3O+,活性分子具有极强的界面活性,可以吸引水中的杂质、污垢,起到

-净化水源的作用;OH和水分子结合形成负离子,可以增加空气中的负离子数,改善人们的生活环境。2󰀁1󰀁2󰀁去污净化研究方面

根据电气石与水的作用机理,电气石可作为各种洗衣粉、洗涤剂的替代品,如制造含有电气石颗粒的无磷远红外陶瓷洗衣球,在洗衣过程中,反射的远红外线作用于水分子,使水分子获得能量,产生大量活性氧及负离子,利用界面活性化原理,洗去衣物上+

-+

3

的污垢。如具抗菌、防霉、杀虫、除臭且放射红外线的合成陶瓷,其组成为:20%~30%的蛇纹石、15%~25%的菱镁矿、20%~30%的角闪石、15%~25%的硅石、3%~7%的电气石和3%~7%的凝灰岩,该合成陶瓷属碱性,pH为常数,放射红外线、产生负离子、分解成氨、驱散蚊虫,可用于清洗浴室或卫生间除臭。

2󰀁1󰀁3󰀁医疗保健研究方面

由于电气石能够将有害电磁波转化为对人体无害的远红外线,可制成各种防护器,用于电脑操作室、电弧操作间、变电所等各处,以及电视机、游戏机、手机等各种电气防护器设备上。还可用于促进血液循环和新陈代谢、解除疲劳,以及抗菌、除臭、防霉、防蛀、抗静电性能、足部按摩、加快康复等医疗保健方面。如用于提高血液循环的保健鞋,该鞋中含有电气石薄片,置于鞋底的边缘或鞋主体的相应地方,电气石薄片在红外辐射下产生电刺激,从而促进腿部和脚部的血液循环;含有电气石颗粒的驻极合成纤维,电气石粒子与合成纤维质量比为0󰀁5%~2%,电气石颗粒最大直径0󰀁2󰀁m,平均直径0󰀁15󰀁m或更小,其优点是电气石颗粒很容易均匀分散于合成纤维中,用于服装尤其是体育运动的纤维服装中,可以产生高活性离子,改善血液循环,使人精力旺盛。

2󰀁1󰀁4󰀁填料研究方面

电气石矿物的颜色较深,用硅烷偶联剂表面改性后,可作为填料用于不透明橡塑材料中。如电气石与塑料原料和润滑剂通过一定的比例混合在一起,在挤压机中挤压均匀并发酵,然后注满形成念珠形、环形等,应用在塑料工业中的很多产品里,具有一定的优势。如用聚苯乙烯或含有聚苯乙烯的共聚物与平均直径为0󰀁1󰀁m至1mm的电气石颗粒相混合,加热成型制取的复合物,具有产生良好的离子作用,用于食品保鲜、除臭灭菌、电磁波消减等工业领域。

2󰀁1󰀁5󰀁声电材料研究方面

由于电气石矿物具有压电性能,即在压力或张力的作用下能激起表面荷电,如果将其置于外电场中,电气石晶体将相应地发生伸展或收缩。当外电场为一交变电场时,将随着电场的变号而同步地交替发生伸展和收缩,亦即发生其振动频率与电场频率相同的机械振动。这一特性被广泛地应用于无线电工业中,电气石可用作无线电工业用的波长调整器,偏光仪中的偏光片。结晶完好、无弯曲、无裂纹张开永等:国内外电气石开发研究现状及应用前景展望󰀁99󰀁

的电气石,可用作测定空气和水中冲压用的压电计,还可用于声呐元件、测试材料的标准、仪器和工业设备上的元器件等。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。现行控制器用于电疗,也用于电化皮肤表皮以刺激神经,这种疗法有望代替针刺、炙刺、远红外射线疗法。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。2󰀁1󰀁6󰀁涂层涂料研究方面

在远洋船只的船身涂料中掺入电气石微粉,能吸附阴离子,并且通过对水的电解形成一单分子膜,可阻止海洋生物如贝类、藻类附着在船体上生长,从而避免了有害的涂料对海洋环境的破坏。根据电气石的性能,超细电气石可作具有防锈性能的涂料填料。涂料中的电气石颗粒产生弱电流,吸附在表面的水分子通过弱电流作用进行电解,合成的OH-与水分子结合形成H3O2,它是一种表面活性剂,通过表面活性剂污锈与水分子进行结合,并从表面脱落。该产品具有较好的防锈性能,可用于建筑、船舶等行业。

作为移动电话、家用电器等涂层的涂料,将3%~20%的电气石加在100%的PVC中,有益于身心健康,用于冰箱中具有食品保鲜、杀菌和除用。2󰀁1󰀁7󰀁研磨材料研究方面

电气石矿物的硬度大,一般为7󰀁2,可作为研磨材料使用,也可以大量利用一些非电子工业用的细粒电气石,使宝贵的电气石资源得到充分利用。通过黏合剂把天然的电气石研磨粒子粘接起来,由于电气石的高硬度和压电性质,可形成离子型磨抛石,该磨抛石是由天然电气石的研磨粒子组成,通过黏合剂粘接,具有较高的加工效率、获得令人满意的加工表面、安全无污染的工作环境等优点。抛光时在金属的涂敷表面不会产生灰尘,可产生适宜于人体呼吸的空气离子聚合体,使劳动者恢复疲劳。同时由于电气石的硬度大,还可用于公路的路面建筑料,将预定细度的电气石铺放在主要路面材料之上,可减少雨水的停留,使在多雪地区的高速公路利用电气石路面材料成为可能,提高环境质量。

2󰀁2󰀁国内电气石的开发研究概况

与上述国家相比较,我国在电气石的研究与开发方面有一定的差距,有关电气石综合性和基础性的研究报道及产品开发较少。我国具有较为丰富的电气石资源,除作为宝石及科研设备部件外,还有相当大的资源没有得到开发与利用,尤其是黑电气石。-

国内电气石属易采易选矿种,品位高、质量好,开发前景广阔。

过去人们一直将电气石作为宝石矿物对待,对电气石的非宝石应用研究未被认识,致使大量的不能作宝石的电气石资源得不到开发利用,或者仅作为研磨材料原料,或者弃之一边。适用于作为宝石的电气石毕竟只是少数,大多数不能成为宝石原料,所以应大力加强作为工业矿物的深层次利用价值的研究。电气石作为一种新型的环保矿物,国家有关部门也在关注这一新兴学科的发展动向,并给予一定的支持,在基础理论研究方面,其水平已具有参与国际学术交流、对话和竞争的能力。在对电气石的开发利用方式中,尚有许多理论和实践方面的问题有待研究和探索,同时电气石质量评价工业标准也有待尽快制定。

目前、山东、云南、广西、江苏等省已有电气石原矿、晶体(单晶)、微粉、超细微粉原料供应。在开发应用研究中,已开发的产品有环保型洗涤球、自来水净化用陶瓷球、负离子功能纤维、电气石内外墙涂料和空气除味剂等。

3󰀁电气石应用前景展望

电气石矿物作为一种正在被开发的新型资源,其应用越来越受到世界各国的重视,各种专利技术越来越多,有电气石的制造方法、电气石陶瓷球的制造、含电气石颗粒人造纤维的制法等。我们通过对国内山东省、云南省等不同产地的电气石矿物进行了化学分析、物性测试、矿物工艺学、作用机理等研究,结合国内外开发研究的专利和资料,展望新型工业矿物电气石的以下主要应用前景。

3󰀁1󰀁环境保护

由于电气石具有热电性能,能与带电粒子发生反应,吸附空气中的细小粉尘,可处理工厂废气、净化水质、处理污水、中和水中的酸碱,可用于酸雨、土壤酸化治理等。如黑色电气石超细粉,粒度为0󰀁1~15󰀁m,在0~70󰀁温度范围内可应用于水净化、医药、海水淡化等行业。电气石还可以增强饮水活性,从而广泛用于净化空气、饮用水活性化、污水处理,农作物施喷等领域。

根据电气石在水中的作用机理,结合检索到的专利材料,采用山东鲁西电气石与黑曜岩、千枚岩等复合细粒矿物用黏结剂进行粘结,在700~1200󰀁下烧结。该混合矿物发射出的远红外射线可以用于水的净化,还可抗菌除臭。󰀁100󰀁矿󰀁󰀁冶

3󰀁2󰀁保健医疗

电气石可以增强饮用水活性或使空气中负离子增加,可广泛应用于饮用水活性化、农作物施喷水和净化空气各领域,促进植物生长和人体健康。在已知的具有永久极性的驻极体矿物中,电气石是永久性自发电极性最强的,因而其极化矢量不会受到外部电场的影响,而且电气石能发出波长为4~14󰀁m的远红外区域的电磁波辐射,影响人体的白血球活动,抑制不饱和脂肪酸的过氧化,改善血液循环,可广泛应用于美容、医疗行业,具有巨大潜能。如制造新型纤维材料,是由超细电气石等矿物组成混合物料制成合成陶瓷,再由合成陶瓷制得含有电气石等天然矿物的人造纤维。该人造丝纤维能够释放出活性离子,从而具有增强或活化生物体细胞的作用。

含有电气石等天然矿物的人造纤维具有远红外射线发射、抗菌、除臭、防霉、防蛀和抗静电性能。用该纤维制成的人体内衣等产品可增加血液循环、提高表皮的温度,对人类健康起到了医疗保健作用。3󰀁3󰀁去污洗涤

电气石能增强水的活性,吸附水中杂质,除去水中油污,可作为各种洗衣粉、洗涤剂的替代品,如制造的含有电气石颗粒的无磷远红外陶瓷洗衣球,在洗衣过程中,反射的远红外线作用于水分子,达成共振使水分子获得能量,会产生大量活性氧及负离子,利用界面活性化原理,与衣物上的污垢发生强烈作用,从而完成衣物的洗涤,避免化学物质对环境的污染。

洗涤球产品为洗衣机专用洗衣球,完全可替代洗衣粉,经试验证明,去污效果较佳,一套洗涤球正常可洗涤1000公斤衣物。该产品具有很强的杀菌、除臭、防静电、柔化衣物等作用。洗涤球不溶于水,无残留洗涤剂,因而对人身体无害;洗涤水接触皮肤不仅无过敏反应,而且有护肤功能;是一种集节水、

节能、环保、保健于一体的全新概念洗涤用品。3󰀁4󰀁电磁屏蔽及其他

人体周围许多物体,如手机、电话、微波炉、电脑都会发出电磁波,对人体造成不同程度的负面影响。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,以阻止电磁波的传播。只要用含电气石微粉的物质做成外壳,就能有效地起到电磁屏蔽的作用。

此外,电气石还可用于研磨材料、橡塑填料、涂层涂料、人造纤维等领域。

4󰀁结󰀁语

目前,对电气石在应用前景方面的研究还处于初步阶段。当前研究的重点,一方面是进行基础理论研究,探讨影响电气石的自发极化效应的内部与外部因素;另一方面是进行应用实践尝试。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高的社会效益和经济效益。参考文献:

󰀁1󰀁陈祖荫󰀁矿石学[M]󰀁武汉:武汉工业大学出版社,1987,

114-115󰀁

󰀁2󰀁Kubo󰀁InterfaceActivityofWaterGivenRisebyTourmaline

[J]󰀁SolidStatePhysics,19,24(12)󰀁

󰀁3󰀁吴瑞华,汤云晖,张晓晖󰀁电气石的电场效应及其在环境

领域中的应用前景[J]󰀁岩石矿物学杂志,2001(4):474-476󰀁

󰀁4󰀁吴瑞华,林善园,白峰,等󰀁辐照处理对碧玺物理性质的

影响[J]󰀁岩石矿物学杂志,1998(4):371-376󰀁

(上接第93页)

严格执行󰀁水土保持法󰀁,防止人为水土流失。参考文献:

󰀁1󰀁湖南省水利水电厅󰀁湖南省湘、资、沅、澧四水中上游水

土保持规划(湖南省湘政函[1998]7号文批复)

[R]󰀁

󰀁2󰀁湖南省环境保护局󰀁湖南省生态环境现状调查报告[R]󰀁

2002,12󰀁

󰀁3󰀁湖南省水利水电厅󰀁湖南省水土流失与治理公告[R]󰀁

2002,8󰀁