電氣石族礦物的特點及應用前景

電氣石族礦物的特點及應用前景

電氣石是一個結(jié)構(gòu)和化學成分復雜的環(huán)狀硅酸鹽礦。其一般化學組成如下。XY3Z6Si6O18(BO3)3V3W,式中,X=Na+,Ca2+,K+,空位(□);Y=Mg2+,Fe2+,Mn2+,Al3+,Fe3+,Mn3+,Cr3+,Li+,Ti4+;Z=Al3+,Mg2+,Cr3+,V3+;V=O2-,OH-;W=O2-,OH-,F-.Y位置Z位置存在廣泛的類質(zhì)同像現(xiàn)象。很多研究還發(fā)現(xiàn),存在Si替代位于四面體位置B的現(xiàn)象。電氣石為三方晶系,C53v3v5-R3m,晶體結(jié)構(gòu)為硅氧四面體共角頂相連,組成復三方環(huán),B的配位數(shù)為3,組成平面三角形,Y和Z都能組成八面體,與[BO3]共氧相連。X原子位于環(huán)氧四面體的復三方環(huán)上方的空隙中,配位數(shù)為9。環(huán)間以八面體聯(lián)結(jié)。電氣石的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)緊密相連,其獨特的性質(zhì)使其在環(huán)境,衛(wèi)生醫(yī)療保健,電磁屏蔽等領域有著廣泛的用途。1呈網(wǎng)狀、著治理電氣石因其化學成分的變化而有多種顏色,晶體常呈柱狀,次為纖維狀集合體,有的呈針狀或著粒狀。具有玻璃光澤,硬度為7~7.5,密度為3.02~3.25ɡ/cm3,無解理,具有脆性。1.1電氣石的性質(zhì)電氣石能呈現(xiàn)多種顏色,目前關(guān)于電氣石致色機理主要有以下兩種看法。(1)電氣石中存在廣泛的類質(zhì)同像現(xiàn)象,不同金屬離子間的置換導致其顏色多樣,其化學組成輕微的變化就能導致完全不同的顏色。例如,富錳的顏色多為紅色,富鐵的顏色多為黑色,富鉻的顏色多為褐黃色。(2)電子或離子孔勢阱(holetraps)的產(chǎn)生。K.Krambrock等用γ射線輻射電氣石產(chǎn)生黃色中心,并用EPR,ENDOR和ODEPR對這個黃色中心分析,發(fā)現(xiàn)輻射誘導產(chǎn)生的黃色中心與電氣石組成結(jié)構(gòu)中O-孔勢阱的產(chǎn)生緊密相連,他們認為O-位于O1位置(OH位置的基本組成單元,為3個八面體所共有)。Castaneda等通過對電氣石樣品進行熱處理來研究其顏色變化,并探討了電氣石顏色變化機制。發(fā)現(xiàn)電氣石呈現(xiàn)紅色,晶體結(jié)構(gòu)中Mn2+的出現(xiàn),加熱處理后其顏色不發(fā)生變化,究其原因主要是錳離子的價態(tài)沒有發(fā)生變化,且鐵離子也沒有發(fā)生氧化。而藍色電氣石在熱處理時顏色發(fā)生變化主要是由于鐵離子的部分氧化導致晶體結(jié)構(gòu)的調(diào)整,并伴隨著電子勢阱的產(chǎn)生。電氣石晶體結(jié)構(gòu)相鄰八面體中鐵離子發(fā)生電子移位能夠產(chǎn)生綠色,藍色,和黑色。1.2荷在電氣石表面可能產(chǎn)生的靜電場當均勻的加熱或者加壓整個電氣石晶體時,在晶體的對稱軸兩端會產(chǎn)生等量異號的電荷,是熱電性和壓電性使得電氣石產(chǎn)生電荷,從而在電氣石表面附近存在靜電場,具有電場效應。NaKamura指出電荷的產(chǎn)生有兩個來源,一個是自發(fā)極化效應導致,另一個是受熱振動或應力導致。電氣石的熱電性是一種帶電的,不對稱的,非簡諧振動。熱電系數(shù)隨著溫度的升高而非線性增加。根據(jù)Donnay的研究,熱電效應主要由于晶體結(jié)構(gòu)中心的3個八面體共有的0(1)的不對稱,非簡諧振動引起的。1.3電氣石的形成機制電氣石的自發(fā)極化效應Ps表現(xiàn)為電氣石周圍靜電場的存在,就像磁鐵的磁極一樣,有自發(fā)的磁性存在。1989年,日本環(huán)境專家TetsujiroKubo發(fā)現(xiàn)電氣石能凈化水,繼而研究發(fā)現(xiàn)在Cu表面有水的情況下電氣石能吸附Cu離子,并解釋為:電氣石存在永久的電極,且為自發(fā)極化形成。金宗哲等利用電子束轟擊電氣石樣品表面,并用環(huán)境掃描電鏡(SEM)觀察發(fā)現(xiàn):電子束轟擊電氣石樣品表面能夠產(chǎn)生輝點(Spots),這些輝點能反映出自發(fā)極化性的存在,并且發(fā)現(xiàn)這些輝點的形狀和亮度與晶體晶面的方向有密切關(guān)系。電氣石在1223K的高溫下加熱2h后,再用電子束轟擊,沒有輝點產(chǎn)生,即不存在自發(fā)極化性。原因是此時電氣石的晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞了。1.4熱容方程了解電氣石晶體的熱力學性質(zhì)對人工合成電氣石,以及了解其地質(zhì)學機制等有著重要的意義。Ogorodova等采用化學組(Na0.48Ca0.44K0.02)(Li1.45Mn0.05Fe0.03Mg0.09)Al7.01Si6.00B3.05(OH)2.57F0.44O27.18的電氣石樣品進行實驗,測定到:C°p,m(298.15K)=757.3JK-1mol-1,在溫度為298.15~1025K的范圍內(nèi),其熱容方程為:C°p,m=919.7+366.2ⅹ10-3T-241.4ⅹ105T-2(K-1mol-1)(±1.4%)。樣品的標準摩爾焓△fH°m(298.15K)=-15129±19KJmol-1,△fG°m(298.15K)=-14213KJmol-1。這些熱力學數(shù)值的測定有助于解釋硼礦化的物理化學條件。2擴大了應用范圍電氣石在很多領域里的應用都是以粉體的形式出現(xiàn)的,且粉體的粒度越細,其比表面積和表面物理化學活性都將大大地提高,其應用范圍也將隨之而擴展。如用于人造纖維中的電氣石粉體,其顆粒以不超過1~2μm為宜,用于水凈化的電氣石陶粒粒度一般為0.1~15μm。目前,關(guān)于電氣石粉體的制備方法主要有以下兩種。(1)電氣石粉碎制備大連源泰高科技有限責任公司采用雙腔式回轉(zhuǎn)破碎機,輥壓式粉碎機及超細粉碎機等將電氣石逐級進行破碎,粉碎加工。最后制得粒度為0.1~15μm的超細粉。采用干法超細粉碎,產(chǎn)品的粒度可以達到很細,滿足生產(chǎn)利用需求,但生產(chǎn)成本較高,不適合工業(yè)化生產(chǎn)。(2)粒度細、分布小、可選的超細電氣石粉體的制備瞿金蓉等分別以水和正丁醇為研磨介質(zhì),得到超細粉末的液相懸浮體,然后利用水和正丁醇可以形成共沸物的特點,采用共沸蒸餾法脫分散介質(zhì)干燥懸浮體制備電氣石超細粉末,最后得到粉體的粒度為100nm左右,且該方法能夠有效的防止團聚的產(chǎn)生,而電氣石的晶體結(jié)構(gòu)未被破壞,但在工業(yè)生產(chǎn)時成本相對較高。而鄭水林等采用濕式攪拌磨超細粉碎工藝,通過合理的使用分散劑,研磨介質(zhì),優(yōu)化工藝條件制備了粒度細(d50≤0.8μm),分布窄(d97≤3.0μm),顆粒形狀規(guī)則的超細電氣石粉體,且該法有利于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。也有人采用低速攪拌磨+高速攪拌磨的聯(lián)合磨礦工藝,實現(xiàn)電氣石細度達到d50≤0.70μm,d97≤2μm,且生產(chǎn)成本低,經(jīng)濟合理,易于實現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。3電氣石的應用3.1服務于電氣石生產(chǎn)電氣石因能顯示光彩的顏色,而一直被視為寶石,做成飾物等。顏色是影響寶石美觀的重要因素,也是影響其商業(yè)價值的重要因素。因而寶石處理是非常有前景的領域。Castaneda等分別對粉色、藍色、綠色電氣石樣品進行處理,并采用各種技術(shù)手段分析電氣石晶體結(jié)構(gòu)化學性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)在加熱時電氣石發(fā)生顏色轉(zhuǎn)變的機制及轉(zhuǎn)變的溫度條件等。這些發(fā)現(xiàn)將有助于人們控制生產(chǎn)各種所期望的寶石顏色,進而大大提高其商業(yè)價值和應用。3.2電氣石的電場效應電氣石由于自發(fā)極化效應,能在其表面約10μm的范圍內(nèi)產(chǎn)生107~104V/m的靜電場。電氣石能影響水體的pH值,水分子的活性等,盡而能達到處理污水,增強飲用水活性等目的。水分子團能影響水的活性,水分子團越小越能提高水的活化性。小的水分子團有著重要的生物化學和生理功能。如:水分子團變小,能增強食物的味道,加速和促進消化系統(tǒng)對藥物和食物的消化吸收及新陳代謝。電氣石的電場效應能影響水分子團的結(jié)構(gòu),使得氫鍵斷裂,使水分子團變小。電氣石能將水的pH值調(diào)至約8.0,不管原來的水溶液是酸性或是堿性的。電氣石引起水的pH值自我調(diào)節(jié)功能能影響水中細菌的脫氫酶的活動。水的pH值為8.0被認為是最利于脫氫酶的活動環(huán)境。從而將有助于加快生物處理污水的進程。3.3電氣石作為電屏材料的應用進入信息社會的今天,電子產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。手機,電腦等對外輻射電磁波,電磁波輻射對人體的危害作用日益明顯,嚴重影響著人體健康。電氣石由于存在自發(fā)極化性,有一定的導電性和磁性。因此,能用做電屏材料。能夠?qū)﹄姶挪óa(chǎn)生一定程度的反射,吸收和傳輸損耗,從而起到屏蔽作用。據(jù)報道,電氣石粉體粒徑在4~10μm時,具有一定的屏蔽效果,且用在復合材料中,其電磁屏蔽性能隨著電氣石粉體含量的增加而不斷提高。3.4細電氣石粉改性聚乙烯纖維電氣石粉體在和有機物結(jié)合時容易發(fā)生團聚現(xiàn)象,而經(jīng)過表面改性后,可以做為填料用于復合材料中。如超細電氣石粉經(jīng)過鈦酸鹽偶聯(lián)劑改性后,由親水性變?yōu)槭杷?易溶于極性溶劑中。在聚乙烯(PET)纖維中有很好的分散性,且能增強發(fā)射遠紅外性能。使PET纖維的功能得到提高。如一定粒度的電氣石顆粒與聚丙烯樹脂混合后制成的復合物,具有很好的負空氣離子釋放功能,可用于殺菌,凈化空氣,紡織品等領域。3.5電氣石顆粒的作用電氣石能夠釋放負氧離子主要是由于電氣石對水具有電解作用,使電解后的OH-和水分子結(jié)合形成空氣負氧離子。負氧離子能夠凈化空氣,是衡量空氣質(zhì)量的重要標準之一。負氧離子具有促進人體新陳代謝,預防流感,增強人體抵抗力和恢復人體平衡的功效。因此將電氣石顆粒經(jīng)過處理后制成服裝等,讓人體感覺到舒適,并且能將人身體上的有害細菌殺死,有利于人體健康。電氣石在常溫下能發(fā)射波長4~14μm,發(fā)射率在0.90以上的遠紅外線,波長4~14μm的遠紅外線最容易被人體吸收,使人體各部位產(chǎn)生生理熱效應,促進人體血液循環(huán),有利于傷口愈合,消除炎癥,削減疼痛。含有電氣石的織物能夠起到很好的保健功能。將電氣石各種功能的協(xié)同作用充分的發(fā)揮出來,制成具有多種復合功能的紡織品仍需要進一步研究。電氣石還有很多其他的性能,如用做電子及聲電材料,涂料,研磨材料,洗滌用品,人造纖維等,在環(huán)境保護,人體保健,電磁屏蔽,去污洗滌方面有著廣闊的應用前景。4電氣石表面改性的研究有待進一步研究目前,對電氣石研究和應用還處于初級階段,電氣石各種性質(zhì)的內(nèi)部機理和外部影響因素有待進一步的探討。隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展,人們對環(huán)境、資源等的要求越來越高,節(jié)約資源、環(huán)境保護已越來越被