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    電氣石礦物的材料化應用及研究進展
    來源:中國粉體技術網    更新時間:2022-12-14 15:21:37    瀏覽次數:
     
      電氣石礦物材料是以天然電氣石礦物為主要原料加工、制備的具有特殊功能的材料。電氣石礦物材料主要包括超細電氣石粉和改性超細電氣石粉,以及以超細電氣石粉或改性超細電氣石粉為原料制備的電氣石陶瓷、電氣石纖維、電氣石涂料、電氣石復合材料等。
      
      電氣石寶石主要以美觀性、耐久性、稀有性和無毒等屬性為主導,而電氣石礦物材料主要強調其功能屬性,如自發極化、熱釋電、紅外輻射和吸附性能等。電氣石礦物材料就是為了實現電氣石的某些功能性應用屬性,將電氣石礦物按照人類的意志進行再加工,得到的一種功能性材料。
      
      1、水處理
      
      電氣石的自發極化特性使其周圍存在靜電場,并具有較強吸附性,可以有效地吸附溶液中金屬離子和酸根離子,并從電氣石表面結晶析出,從而凈化水體。因此,電氣石是一種較好的水體污染治理的環境材料,作為制備吸附劑的優良原料,有著非常好的應用前景。
      
      由于金屬離子難以進入電氣石晶體結構內部,電氣石對離子的吸附主要表現為表面吸附。電氣石顆粒周圍存在靜電場,其表面吸附主要為絡合吸附和靜電吸附,并可以同時吸附陰陽離子,且吸附量不受離子交換量限制。在溶液中,電氣石晶體兩極分別聚集正負離子,離子在達到飽和吸附濃度后析出。
      
      李珍等發現電氣石粉可以有效地吸附溶液中Cu2+、Zn2+、As3+和F-離子,從而凈化水體。其中,電氣石粒徑、用量、煅燒溫度和溶液pH值等條件會影響電氣石對離子的吸附效果。
      
      冀志江等在分析電氣石粉對溶液pH值的影響時,發現電氣石的電極性會對水溶液氧化還原電位產生影響,通過調節水溶液pH值趨近中性,使酸性溶液pH值增大。所以,通過電氣石電極性影響水溶液的氧化還原性,可以對污水進行處理。
      
      曹寧等利用電氣石陶粒輔助芬頓反應降解處理焦化廢水,發現在廢水可生化性方面,電氣石陶粒輔助芬頓反應的效果顯著高于常規芬頓反應。
      
      袁敬敬將電氣石粉體加入到PVA/PAM水凝膠中,制備PVA/PAM/TM水凝膠,對酸性品紅和氨氮廢水分別達到66.90%和72.91%的去除效率;采用硅烷偶聯劑對電氣石粉體表面進行處理,制備了PVDF/TMKH-550復合膜,對酸性品紅和氨氮廢水的去除率可分別達到85.11%和75.40%。
      
      馮霞等以平均粒徑為350nm的超細電氣石為改性材料,以聚偏氟乙烯(PVDF)膜為基膜,將電氣石采用真空輔助抽濾的方法固定到PVDF膜表面,制備出電氣石功能復合膜,改善了膜的親水性能和抗腐殖酸污染性能。水體經過復合膜過濾處理,pH值從5.58提高到7.12,電導率從2.03μS/cm提升到6.30μS/cm,水質得到了改善和凈化。
      
      韋仲華等以電氣石和竹炭粉為主要原料,黏土為輔料,制備了電氣石竹炭陶瓷復合材料。復合材料的粒徑為4~5mm,比表面積為137.69m2/g,平均孔徑為400~500nm,對Cr6+表現出較好的吸附效果。
      
      譚沖等人利用電氣石與生物膜構建的電氣石強化生物膜系統處理中藥廢水。中藥廢水在電氣石強化厭氧流化床(AFBR)反應系統中處理160d后,COD去除率和容積負荷分別為87.8%和5.34kg/(m3·d),生物膜產甲烷活性達到126.4mL/(g·d);中藥廢水在電氣石強化好氧流化床(FBR)反應系統處理35d后,COD去除率達到90.3%,容積負荷達到1.4kg/(m3·d)。中藥廢水經過AFBR和FBR兩級處理后,可以達到《GB21906—2008中藥類制藥工業水污染物排放標準》的排放要求。
      
      電氣石礦物材料在進行水處理時,利用電氣石顆粒表面靜電場對離子的吸附作用,可以有效降低水溶液中Cu2+、Zn2+、As3+、Cr6+等金屬離子,以及H+、NH4+、F-和有機物的含量。因此,電氣石礦物材料是一種具有較好應用前景的水處理材料。
      
      2、保健紡織品
      
      空氣中負氧離子數量是評價空氣質量的重要標準之一,因為負氧離子可以降低空氣中灰塵及有害氣體含量??諝庵械乃梢员浑姎馐娊?,從而提高空氣中負氧離子數量。此外,電氣石可以產生被人體吸收的紅外輻射,產生熱效應,使人體局部組織溫度升高,血管得到擴張,加速血液流動,改善局部血液循環,起到保健理療功效。因此,可以將電氣石用于紡織品制造,制成具有保健功能的服裝服飾。
      
      20世紀90年代,日本開始以電氣石為主要原料生產負離子紡織品,利用后整理技術對天然纖維(如棉、羊毛)進行負離子改性處理。將含有超細電氣石粉的處理液使用浸軋和烘燥等工藝固定附著在織物表面,使織物具有負離子功能。使用5~15μm電氣石粉、陰離子分散劑、黏合劑和水配制的處理液,對毛毯進行負離子改性,經過處理的毛毯具有良好的負離子發生效果。
      
      在國內,電氣石保健紡織品的主要研究方向集中于人造負離子纖維。姚榮興將超細電氣石粉加入PET母料中,通過熔融、拉絲等工藝,加工成含電氣石微粒的負離子PET紡織纖維。河南新鄉白鷺化纖集團也成功開發出長絲、短纖兩大系列的負離子功能纖維產品。
      
      金玲將平均粒徑小于0.5μm的超細電氣石粉改性后,充填進丙綸中,制備成含電氣石粉的母粒,經拉絲形成含有電氣石的纖維。纖維中電氣石含量為30%,對氨的吸附率達到70%。
      
      胡應模等將改性電氣石粉與苯乙烯、乙酸乙烯酯進行共聚合,得到含電氣石的聚合物,并利用濕法紡絲技術加工出具有較好韌性的電氣石功能纖維。
      
      電氣石礦物材料作為保健紡織品應用時,超細電氣石粉體被附著在纖維表面,或添加進纖維中,導致電氣石添加量處于一個較低水平,會影響到織物的負離子發生量,進而影響到織物的保健功效。提高織物中電氣石含量,是電氣石礦物材料應用在保健紡織品領域必須解決的問題之一。
      
      3、涂料添加劑
      
      電氣石礦物材料可以作為添加劑應用于負離子涂料。添加有超細電氣石粉的涂料可以滿足一般涂料對色感、質感和耐擦洗等方面的要求,還可以釋放一定濃度負離子,起到一定的滅菌功效。部分日本和韓國生產的負離子涂料已在國內銷售,其價格遠高于普通涂料。
      
      金宗哲等從材料和設備工藝著手進行研究,開發出一種居室用負離子涂料。這種負離子涂料的不同之處在于同時添加了電氣石和稀土。帶有電極性負離子材料容易和其他材料發生相互作用,導致電氣石粉分散不均勻,發生團聚現象。稀土可以分散隔離負離子材料的電極,也可以協同產生負離子,進一步提高了空氣中負離子濃度。同時,稀土離子存在變價現象,同時具有氧化性和還原性,會與水分子電離產生的氫離子發生反應,形成一個循環反應過程,進而實現長期釋放負離子的效果。
      
      另外,在遠洋船只船身的防護涂料中加入一定量超細電氣石粉,可以有效吸附海水中的陰離子,還可以借助水的電解形成單分子膜,阻止貝類、藻類等海洋生物附著在船體上生長,一定程度上避免了有害涂料的使用對海洋生態環境的破壞。
      
      李同信等在水性氟樹脂乳液中加入質量分數0.5%的納米級超細電氣石粉,制備出一種室內用負離子水性氟涂料。涂料的負氧離子釋放量達到4700ions/cm3,紅外輻射發射率為0.92,對甲醛和氨的去除率超過70%,對苯的去除率為83.33%。
      
      陳小燕等利用硅烷偶聯劑KH-570對3000目電氣石粉進行表面改性處理,作為填料添加到苯丙乳液中,采用原位乳液聚合法制備出一種鋼結構水性重防腐涂料。電氣石添加量為3%的涂料所得涂膜的綜合性能最好,力學性能提高,鉛筆硬度從B提高到2H,可以耐48h中性鹽霧腐蝕。
      
      電氣石礦物在作為負離子涂料添加劑時,涂料中超細電氣石粉體添加量同樣會影響到涂料的負離子發生效果,但是添加量過高則會影響到涂料的外觀和附著力。因此,需要進一步平衡負離子涂料的功能效果和結構效果,在保證結構效果的前提下,盡量提高電氣石粉體添加量,以提升涂料的功能效果。
      
      4、光催化
      
      TiO2是一種高活性光催化材料,具有良好的熱穩定性和較強的抗光氧化性。但是,TiO2產生的光電子與空穴復合率高,光催化效率較低,影響了TiO2的工業化應用。電氣石具有自發極化和紅外輻射性能,將電氣石與TiO2制成復合材料,不僅可以提高TiO2的光催化活性,還兼具兩種材料的優點。
      
      梁金生等將超細電氣石粉加入到鈦溶膠中,制備得到復合溶膠,并在紫銅表面鍍膜,形成電氣石/TiO2復合薄膜。與單純的二氧化鈦薄膜相比,制得的復合薄膜對甲基橙的光催化降解能力提高約14%。
      
      孫雙利用溶膠-凝膠法制備電氣石/TiO2復合粉體,在600℃煅燒2h的條件下獲得銳鈦礦型TiO2。當溶膠中摻雜粒徑為0.47μm、摻雜量為6%的電氣石粉時,復合粉體的熒光發射強度最低,光催化降解甲基橙的效果最好。
      
      韓銅楹采用溶膠-凝膠法制備電氣石/TiO2溶膠。當電氣石摻雜量為20%時,電氣石/TiO2復合材料對羅丹明B溶液表現出較好的光催化降解效果,氙燈光源照射60min降解率達到98.7%。
      
      電氣石/TiO2復合材料的光催化效果好,但溶膠凝膠法成本較高,尚處于實驗室研究階段,未見成功的工業化應用實例。因此,簡化流程和降低生產成本是電氣石/TiO2光催化復合材料工業化應用必須解決的問題。
      
      5、燃油活化
      
      電氣石在3~6.2μm波段具有較高的紅外輻射發射率,該波段輻射有利于人體吸收,產生熱效應,所以電氣石礦物材料具有保健理療功能。與此同時,還可以將電氣石礦物材料優異的紅外輻射性能用于改善燃油燃燒效率。
      
      燃油是由一系列烷烴、烯烴、環烷烴、芳香烴、多環芳烴和添加劑組成的液態混合物。研究發現,燃油中C-C鍵共振可以吸收波長為3.2~3.6μm輻射,C=C與C≡C鍵則分別吸收波長為4.4~4.7μm與5.8~6.2μm的輻射。燃油分子被紅外輻射材料活化處理時,吸收了紅外輻射材料釋放出的輻射,并將能量儲存于燃油分子內部。當燃油進入燃燒室后,存儲的能量會以爆炸動能形式釋放,進而提高燃油分子內能,所以在燃燒時只需提供較小熱能就可打斷燃油分子中碳碳共價鍵,從而提高燃燒效率,改善動力性能。
      
      電氣石礦物材料在3~6.2μm波段具有較高紅外輻射率,故利用電氣石礦物材料對燃油進行活化處理,可以提高燃油車的節能減排效果。
      
      李珍等以水玻璃為激發劑,使電氣石粉體顆粒被硅氧化合物包覆交聯形成地聚物,制備的紅外輻射地聚物材料全波段紅外發射率提高到0.93,優于純電氣石粉體(0.88),具有良好的機械性能,適用性強。
      
      梁金生等將稀土元素添加到電氣石粉,經600~1000℃的熱處理加工成紅外輻射粉體,將其涂抹到燃油經過的管道或容器的表面,可以實現節能的目的。
      
      黃東將超細電氣石粉分別與摻TiO2的Fe-Mn-Cu和Fe-Mn-Cu-Co尖晶石材料按照一定比例混合,分別選擇環氧樹脂、葡萄糖改性三聚氰胺樹脂和水玻璃作為黏結劑,制備成涂層材料,全波段紅外發射率分別達到0.75、0.80和0.83。柴油經過復合涂層的活化處理,分子中相關基團振動吸收峰增強,隨著被活化的分子數目增多,柴油表面張力和黏度明顯減小。
      
      電氣石礦物材料作為燃油活化材料應用、將電氣石制備成地聚物或有機復合材料時,無機或有機黏結劑在一定程度上也會影響到材料的紅外輻射率。同時,粉末涂抹的方法在長期燃油沖刷條件下容易造成材料脫落。涂抹到燃料經過的管道、容器表面的電氣石礦物材料與燃油的接觸面積小,接觸時間短,不利于充分發揮紅外輻射材料對燃油的活化效果。因此,有必要制備出高效、耐用的電氣石燃油活化材料,方能突顯出電氣石礦物材料優異的紅外輻射性能?! ?br />   
      資料來源:《金成國,李珍.電氣石礦物的提純、改性和材料化應用[J].礦產保護與利用,2021,41(06):66-72》,由【粉體技術網】編輯整理,轉載請注明出處!
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