电气石矿物的材料化应用及研究进展

电气石矿物材料是以天然电气石矿物为主要原料加工、制备的具有特殊功能的材料。电气石矿物材料主要包括超细电气石粉和改性超细电气石粉，以及以超细电气石粉或改性超细电气石粉为原料制备的电气石陶瓷、电气石纤维、电气石涂料、电气石复合材料等。

电气石宝石主要以美观性、耐久性、稀有性和无毒等属性为主导，而电气石矿物材料主要强调其功能属性，如自发极化、热释电、红外辐射和吸附性能等。电气石矿物材料就是为了实现电气石的某些功能性应用属性，将电气石矿物按照人类的意志进行再加工，得到的一种功能性材料。

1、水处理

电气石的自发极化特性使其周围存在静电场，并具有较强吸附性，可以有效地吸附溶液中金属离子和酸根离子，并从电气石表面结晶析出，从而净化水体。因此，电气石是一种较好的水体污染治理的环境材料，作为制备吸附剂的优良原料，有着非常好的应用前景。

由于金属离子难以进入电气石晶体结构内部，电气石对离子的吸附主要表现为表面吸附。电气石颗粒周围存在静电场，其表面吸附主要为络合吸附和静电吸附，并可以同时吸附阴阳离子，且吸附量不受离子交换量限制。在溶液中，电气石晶体两极分别聚集正负离子，离子在达到饱和吸附浓度后析出。

李珍等发现电气石粉可以有效地吸附溶液中Cu2+、Zn2+、As3+和F－离子，从而净化水体。其中，电气石粒径、用量、煅烧温度和溶液pH值等条件会影响电气石对离子的吸附效果。

冀志江等在分析电气石粉对溶液pH值的影响时，发现电气石的电极性会对水溶液氧化还原电位产生影响，通过调节水溶液pH值趋近中性，使酸性溶液pH值增大。所以，通过电气石电极性影响水溶液的氧化还原性，可以对污水进行处理。

曹宁等利用电气石陶粒辅助芬顿反应降解处理焦化废水，发现在废水可生化性方面，电气石陶粒辅助芬顿反应的效果显著高于常规芬顿反应。

袁敬敬将电气石粉体加入到PVA/PAM水凝胶中，制备PVA/PAM/TM水凝胶，对酸性品红和氨氮废水分别达到66.90%和72.91%的去除效率；采用硅烷偶联剂对电气石粉体表面进行处理，制备了PVDF/TMKH－550复合膜，对酸性品红和氨氮废水的去除率可分别达到85.11%和75.40%。

冯霞等以平均粒径为350nm的超细电气石为改性材料，以聚偏氟乙烯（PVDF）膜为基膜，将电气石采用真空辅助抽滤的方法固定到PVDF膜表面，制备出电气石功能复合膜，改善了膜的亲水性能和抗腐殖酸污染性能。水体经过复合膜过滤处理，pH值从5.58提高到7.12，电导率从2.03μS/cm提升到6.30μS/cm，水质得到了改善和净化。

韦仲华等以电气石和竹炭粉为主要原料，黏土为辅料，制备了电气石竹炭陶瓷复合材料。复合材料的粒径为4～5mm，比表面积为137.69m2/g，平均孔径为400～500nm，对Cr6+表现出较好的吸附效果。

谭冲等人利用电气石与生物膜构建的电气石强化生物膜系统处理中药废水。中药废水在电气石强化厌氧流化床（AFBR）反应系统中处理160d后，COD去除率和容积负荷分别为87.8%和5.34kg/（m3·d），生物膜产甲烷活性达到126.4mL/（g·d）；中药废水在电气石强化好氧流化床（FBR）反应系统处理35d后，COD去除率达到90.3%，容积负荷达到1.4kg/（m3·d）。中药废水经过AFBR和FBR两级处理后，可以达到《GB21906—2008中药类制药工业水污染物排放标准》的排放要求。

电气石矿物材料在进行水处理时，利用电气石颗粒表面静电场对离子的吸附作用，可以有效降低水溶液中Cu2+、Zn2+、As3+、Cr6+等金属离子，以及H+、NH4+、F－和有机物的含量。因此，电气石矿物材料是一种具有较好应用前景的水处理材料。

2、保健纺织品

空气中负氧离子数量是评价空气质量的重要标准之一，因为负氧离子可以降低空气中灰尘及有害气体含量。空气中的水可以被电气石电解，从而提高空气中负氧离子数量。此外，电气石可以产生被人体吸收的红外辐射，产生热效应，使人体局部组织温度升高，血管得到扩张，加速血液流动，改善局部血液循环，起到保健理疗功效。因此，可以将电气石用于纺织品制造，制成具有保健功能的服装服饰。

20世纪90年代，日本开始以电气石为主要原料生产负离子纺织品，利用后整理技术对天然纤维（如棉、羊毛）进行负离子改性处理。将含有超细电气石粉的处理液使用浸轧和烘燥等工艺固定附着在织物表面，使织物具有负离子功能。使用5～15μm电气石粉、阴离子分散剂、黏合剂和水配制的处理液，对毛毯进行负离子改性，经过处理的毛毯具有良好的负离子发生效果。

在国内，电气石保健纺织品的主要研究方向集中于人造负离子纤维。姚荣兴将超细电气石粉加入PET母料中，通过熔融、拉丝等工艺，加工成含电气石微粒的负离子PET纺织纤维。河南新乡白鹭化纤集团也成功开发出长丝、短纤两大系列的负离子功能纤维产品。

金玲将平均粒径小于0.5μm的超细电气石粉改性后，充填进丙纶中，制备成含电气石粉的母粒，经拉丝形成含有电气石的纤维。纤维中电气石含量为30%，对氨的吸附率达到70%。

胡应模等将改性电气石粉与苯乙烯、乙酸乙烯酯进行共聚合，得到含电气石的聚合物，并利用湿法纺丝技术加工出具有较好韧性的电气石功能纤维。

电气石矿物材料作为保健纺织品应用时，超细电气石粉体被附着在纤维表面，或添加进纤维中，导致电气石添加量处于一个较低水平，会影响到织物的负离子发生量，进而影响到织物的保健功效。提高织物中电气石含量，是电气石矿物材料应用在保健纺织品领域必须解决的问题之一。

3、涂料添加剂

电气石矿物材料可以作为添加剂应用于负离子涂料。添加有超细电气石粉的涂料可以满足一般涂料对色感、质感和耐擦洗等方面的要求，还可以释放一定浓度负离子，起到一定的灭菌功效。部分日本和韩国生产的负离子涂料已在国内销售，其价格远高于普通涂料。

金宗哲等从材料和设备工艺着手进行研究，开发出一种居室用负离子涂料。这种负离子涂料的不同之处在于同时添加了电气石和稀土。带有电极性负离子材料容易和其他材料发生相互作用，导致电气石粉分散不均匀，发生团聚现象。稀土可以分散隔离负离子材料的电极，也可以协同产生负离子，进一步提高了空气中负离子浓度。同时，稀土离子存在变价现象，同时具有氧化性和还原性，会与水分子电离产生的氢离子发生反应，形成一个循环反应过程，进而实现长期释放负离子的效果。

另外，在远洋船只船身的防护涂料中加入一定量超细电气石粉，可以有效吸附海水中的阴离子，还可以借助水的电解形成单分子膜，阻止贝类、藻类等海洋生物附着在船体上生长，一定程度上避免了有害涂料的使用对海洋生态环境的破坏。

李同信等在水性氟树脂乳液中加入质量分数0.5%的纳米级超细电气石粉，制备出一种室内用负离子水性氟涂料。涂料的负氧离子释放量达到4700ions/cm3，红外辐射发射率为0.92，对甲醛和氨的去除率超过70%，对苯的去除率为83.33%。

陈小燕等利用硅烷偶联剂KH－570对3000目电气石粉进行表面改性处理，作为填料添加到苯丙乳液中，采用原位乳液聚合法制备出一种钢结构水性重防腐涂料。电气石添加量为3%的涂料所得涂膜的综合性能最好，力学性能提高，铅笔硬度从B提高到2H，可以耐48h中性盐雾腐蚀。

电气石矿物在作为负离子涂料添加剂时，涂料中超细电气石粉体添加量同样会影响到涂料的负离子发生效果，但是添加量过高则会影响到涂料的外观和附着力。因此，需要进一步平衡负离子涂料的功能效果和结构效果，在保证结构效果的前提下，尽量提高电气石粉体添加量，以提升涂料的功能效果。

4、光催化

TiO2是一种高活性光催化材料，具有良好的热稳定性和较强的抗光氧化性。但是，TiO2产生的光电子与空穴复合率高，光催化效率较低，影响了TiO2的工业化应用。电气石具有自发极化和红外辐射性能，将电气石与TiO2制成复合材料，不仅可以提高TiO2的光催化活性，还兼具两种材料的优点。

梁金生等将超细电气石粉加入到钛溶胶中，制备得到复合溶胶，并在紫铜表面镀膜，形成电气石/TiO2复合薄膜。与单纯的二氧化钛薄膜相比，制得的复合薄膜对甲基橙的光催化降解能力提高约14%。

孙双利用溶胶－凝胶法制备电气石/TiO2复合粉体，在600℃煅烧2h的条件下获得锐钛矿型TiO2。当溶胶中掺杂粒径为0.47μm、掺杂量为6%的电气石粉时，复合粉体的荧光发射强度最低，光催化降解甲基橙的效果最好。

韩铜楹采用溶胶－凝胶法制备电气石/TiO2溶胶。当电气石掺杂量为20%时，电气石/TiO2复合材料对罗丹明B溶液表现出较好的光催化降解效果，氙灯光源照射60min降解率达到98.7%。

电气石/TiO2复合材料的光催化效果好，但溶胶凝胶法成本较高，尚处于实验室研究阶段，未见成功的工业化应用实例。因此，简化流程和降低生产成本是电气石/TiO2光催化复合材料工业化应用必须解决的问题。

5、燃油活化

电气石在3～6.2μm波段具有较高的红外辐射发射率，该波段辐射有利于人体吸收，产生热效应，所以电气石矿物材料具有保健理疗功能。与此同时，还可以将电气石矿物材料优异的红外辐射性能用于改善燃油燃烧效率。

燃油是由一系列烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃、多环芳烃和添加剂组成的液态混合物。研究发现，燃油中C－C键共振可以吸收波长为3.2～3.6μm辐射，C=C与C≡C键则分别吸收波长为4.4～4.7μm与5.8～6.2μm的辐射。燃油分子被红外辐射材料活化处理时，吸收了红外辐射材料释放出的辐射，并将能量储存于燃油分子内部。当燃油进入燃烧室后，存储的能量会以爆炸动能形式释放，进而提高燃油分子内能，所以在燃烧时只需提供较小热能就可打断燃油分子中碳碳共价键，从而提高燃烧效率，改善动力性能。

电气石矿物材料在3～6.2μm波段具有较高红外辐射率，故利用电气石矿物材料对燃油进行活化处理，可以提高燃油车的节能减排效果。

李珍等以水玻璃为激发剂，使电气石粉体颗粒被硅氧化合物包覆交联形成地聚物，制备的红外辐射地聚物材料全波段红外发射率提高到0.93，优于纯电气石粉体（0.88），具有良好的机械性能，适用性强。

梁金生等将稀土元素添加到电气石粉，经600～1000℃的热处理加工成红外辐射粉体，将其涂抹到燃油经过的管道或容器的表面，可以实现节能的目的。

黄东将超细电气石粉分别与掺TiO2的Fe－Mn－Cu和Fe－Mn－Cu－Co尖晶石材料按照一定比例混合，分别选择环氧树脂、葡萄糖改性三聚氰胺树脂和水玻璃作为黏结剂，制备成涂层材料，全波段红外发射率分别达到0.75、0.80和0.83。柴油经过复合涂层的活化处理，分子中相关基团振动吸收峰增强，随着被活化的分子数目增多，柴油表面张力和黏度明显减小。

电气石矿物材料作为燃油活化材料应用、将电气石制备成地聚物或有机复合材料时，无机或有机黏结剂在一定程度上也会影响到材料的红外辐射率。同时，粉末涂抹的方法在长期燃油冲刷条件下容易造成材料脱落。涂抹到燃料经过的管道、容器表面的电气石矿物材料与燃油的接触面积小，接触时间短，不利于充分发挥红外辐射材料对燃油的活化效果。因此，有必要制备出高效、耐用的电气石燃油活化材料，方能突显出电气石矿物材料优异的红外辐射性能。

资料来源：《金成国,李珍.电气石矿物的提纯、改性和材料化应用[J].矿产保护与利用,2021,41（06）:66-72》

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