电气石的电场效应及其在环境领域中的应用前景
吴瑞华，汤云晖，张晓晖
（中国地质大学，北京，100083）
　　摘要：电气石具有永久的自发电极，电气石微粒的周围存在以C轴轴面为两极的静电场。在静电场作用下，水分子发生电解，形成活性分子H3O+，吸引水中的杂质、污垢，净化水质；OH-和水分子结合形成负离子，改善人们的生活环境；电场对带电粒子有吸附作用，可以吸附粉尘，净化空气。电气石还具有高的机械化学稳定性，与沸石、蒙脱石等的吸附作用相比，电气石不具有饱和极限，可持续使用，，重复利用率高，在环境领域具有很好的发展前景。
关键词：电气石；电场效应；应用前景
　　有关电气石的记载，始于古锡兰，之后陆续发现它具有电性、压电性，并被用于红外光谱探测和热像等仪器上。1989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，就此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对这一方面的应用性研究，陆续申请了多项地利。我们具有丰富的电气石资源，除作为宝石及科技设备部件外，还有相当大量的没有得到开发与利用，尤其是黑电气石。电气石具有高的机械化学稳定性，可重复利用，对环境无污染，是很好的绿色环保材料。本文通过对电气石的电学性质及晶体结构的研究展望了其在环境、人体保健方面的应用前景。

1 电气石的晶体结构
　　电气石的化学分子式为XY3Z6[SiO18][BO3]（O，OH，F）4（X=Ca，K，Na；Y=Fe2+，Mg2+，Al，Li，Fe3+,Mn2+;Z=Al,Cr3+,Fe3+），三方昌系，C53v-R3m，晶体结构由[SiO18]复三方环、[BO3]三角和[Y-O5(OH)]三重八面体组成。[Y-O5(OH)]由三个Y-O5(OH)八面体共棱且一角顶连接而成，其中O（1）、O（3）为OH的位置基本单位，水平地分布于菱面体的角顶，并为Y-O5(OH)所连接。Y-O5(OH)八面体共棱连接成平行于C轴的螺旋柱。X原子位于[SiO18]复三方环空隙的上方，配位数为9。构成6[SiO18]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原因。

2 电气石的电学性质

2．1 电荷的产生
　　一般认为，产生电荷是由于电气石具有热电性和压电性。Nakamura指出，电荷的产生有两个来源，一个是由自发的极化效应Ps导致，Ps=5Ps/dT，被称为初次热电效应；另一个是由晶体的热振动或受应力导致，在一定方向的电极化现象可表示为：I=S[（dPs/dT）+d33c33(dξ2/dT)]/dt.。括号中的3项分别代表初次极化效应、由热膨胀和压电压电效应导致的二次热电效应。根据计算，二次热电效应（300oC）可达I=2×10的10次方~3×10的10次方A，与观察到的现象想吻合。电气石的热电性是一种带电的、不对称的、非简谐性振动，热电系数K随着温度增高而非线性增加。根据Donnay研究热电效应主要是由于晶体结构中心、3个八面体共有的0（1）的不对称、非简谐性振动引起的。在实验中，温度从193至393K变化时，它的重心偏移了0。005A，即标准偏差的10倍。这是惟一一个原子，其偏移量远远超出实验的误差许可。热电性也有可能与Na的O（2）有关，它们也存在异常大的温度系数，但没有大的位移。由于样品是不含Fe的锂电气石，应该考虑到Fe对热电效应的负作用，很多文献提到，黑电气石（Fe-电气石）几乎没有可检测到的热电效应。

2．2 自发电极的存在与电场效应
　　电气石自发的极化效应Ps表现为电气石周围静电场的存在，就象磁铁的磁极一样，有自发的磁性存在。自发电极的存在已为实验所证实，被解释为组成六连环的硅氧四面体siO44-角顶定向所致。电气石的自发电极，为永久性电极，不受外界电场的影响，其自发极化值是一个与温度无关的数值。Voigt检测了在室温下电气石晶体的自发极化值，得到Ps=0.011uC/cm2,是BaTiO3在室温下的1/2400。电气石的电场效应主要表现为：电场对水的电解作用；静电场对带电离子的吸附与中和作用。

（1） 电场对水的电解作用
　　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。（a/r）3,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10的7次方（最高值）~10的4次方V/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） 静电场对带电离子的吸附与中和
　　实验证实，静电场对处于其中的带电粒子有吸附作用，可以用于吸附粉尘、带电离子等。将电气石微粉分别置于pH=1、13的酸碱溶液中，1小时后H+、。OH-浓度显著减少，酸碱趋于中和。溶液中H+浓度与时间成线性关系：log[H+]=A-Bt，也可表示为：-d[H+]/dt=B[H+](A,B)为常数）
　　电气石微粒与水的作用机制解释如下：通过电气石表面的高强静电场，表面十几微米范围内的H+、OH-离子被吸附到电气石的两极，与电解形成的H+和OH-中和，过多的H+以氢气的形式被释放出去。随着电气石表面H+离子的减少，在浓度差作用下，远处的H+离子不断向电气石表面移动直至达到平衡为止。H+离子的减少速率与水中H+浓度成正比。

3 应用前景展望
根据电气石的电场效应原理，电气石在环境方面的应用包括：
（1） 环境保护
　　电气石能与带电粒子反应，吸附空气中的粉尘，处理工厂废气，净化水质、处理污水，能中和水中的酸碱，可用于酸雨、土壤酸化治理等。
（2） 人体健康
　　电气石可以增强饮用水活性或空气中负离子增加，可广泛用于饮用水活性化、农作物施喷和净化空气各领域，促进植物生长和人体健康。而且电气石能发出波长为4~14um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。
（3） 避免环境污染
　　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，避免化学物质对环境的污染；作为远洋船只的防护涂料，在船只的船身涂料中掺入电气微粉，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。
（4） 电磁屏蔽
　　人体周围很多物体，如手机、微波炉、电脑、电话，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，以阻碍电磁波的传播。只要用含电气石微粉的物质做成外壳，就能有效的直到电磁屏蔽的作用。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，存在的主要问题是：如何提高电气石微粒的电场效应？目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，另一方面是进行实践尝试，研究电气石微粉的载体如何有效地分隔开电场间干扰、促进与空气中水的接触并发生反应。