综述电气石的自发极化现象

综述电气石的自发极化现象 电气石属于环状硅酸盐矿物，其晶体的化学式为XY3Z6Si6Oi8BO33OH,F4, 其中 XNa、Ca、K、口空位，YMg2\ Fe2 Mn2 Al、Fe3s Mi、Li, ZA1、Fe3 Cr3 Mg。电气石晶体结构由6个硅氧四面体组成的六方环状结构、 3个硼三角、3个［Y-O5OH］八面体顶角相联，沿C轴对称形成。 在20世纪80年代，日本学者T.Kubo利用离子吸附实验和电气石粉体电解 水产生氢气的实验，间接证明了电气石存在自发电极。后来，中国学者冀志江等 人，利用电子探针首次观察到电气石自发极化的存在［1］。在电气石小颗粒被电 子束轰击后，显微照片中轰击区域亮度不同如图1颗粒的一端表面比较亮， 中心区域和另一端则表面则较暗。反映了被轰击颗粒两端带电性质的不同，两端 表面电场的方向不同。亮度较大的一端，电子束击出的二次电子较多，反映该端 带负电荷，是电气石颗粒的负极；亮度较小的区域，电子束击出的二次电子较少, 反映该端带正电荷，是电气石颗粒的正极。从而，证实了电气石颗粒两端带有异 号电荷。 图1电气石小颗粒被电子击发后的显微照片 关于电气石自发极化产生的原因，人们尚未有统一的结论。目前被大部分学 者所接受的是，电气石的自发极化现象应该跟其独特的晶体结构有关。电气石结 构图见图2。首先，硅氧四面体的顶角氧原子指向同一方向。其次，电气石晶体 中存在Y-O5OH和A1-O5OH两种八面体结构扭曲，从而引起BO33三角中硼原 子从三角平面中向c轴的反方向位移，导致自发极化。从这种观点出发，这两种 八面体扭曲的程度越大，则电气石自发极化的现象也应更明显。但是，有关电气 石自发极化的原因、以及影响因素还有待人们进一步研究。 NaX Mg.FeY 图2电气石结构图 电气石晶体周围存在着沿c轴的静电场，这也使得电气石具有表面电场，并 且表面电场是电气石自发极化的重要体现。1965年，日本学者S.Yamaguchi计算 得出电气石表面的电场强度约为100Kv/cm[2]。而静电场随着远离电气石颗粒中 心迅速减弱，Er2/3E0a/r3, 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104107V/m的高场强。 这种表面性质给予电气石许多特殊功能，例如表面吸附阳离子或阴离子、调 节水的pH值、电解空气中的水从而获得空气负离子等，这就使得电气石可以应 用于处理水污染、改善生活环境等方面。 其中电气石吸附重金属离子的原理为通过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，与电气石电解水产生的0H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。 并且电气石颗粒表面的沉积物可以通过水洗或者其他方法简单除去，再加上电气 石具有机械稳定性，这就使得电气石在治理污水时可以循环使用，节省了成本。 电气石具有表面电场，这也是其能够产生空气负离子的机理之一。电气石表 面的高电压能够电解空气中的水分子，产生H和OHL H会形成水合氢离子 H30或由电气石电极之间的微弱电流中得到电子2H2e-*H2 t 形成压, 0H形成水合羟基离子H3O2\ H3O2-散发到空气中即为空气负离子OHnH2O-* OH 田0 no此过程的综合方程式为4H2O4e2H3O2H2To空气负离子 具有杀菌除臭的功效，能够用于人体的清洁保健，也可用于改善室内环境等方面。 由此可见，电气石的自发极化现象导致其表面的强电场，从而可以应用在污 水处理、净化空气提高空气质量、调节水的pH值等方面，这使得电气石成为一 种很有前途的环境矿物。我国电气石资源非常丰富，但是目前我国对于电气石的 加工仅处在一个初加工的层面，并且对于电气石的基本性质有待于更深入更系统 的研究总结。目前，日本和欧美等国家对于电气石的研究处于前沿，其原因也在 于他们已经掌握大量电气石的物理、化学特征，并且具有比较完善的数据来支持 电气石的开发和利用。所以，我国对于电气石的研究仅仅是一个刚开始的阶段， 开发前景很广大，但关键还是得掌握电气石的基本矿物结构、物理、化学等特征, 提高理论水平。 References [1] .极性晶体电气石颗粒的电极性观察. [2] , s计算电气石自发极化.