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1、电气石复配固定化及其对水体pH的调节作用摘要 本文以内蒙古赤峰黑电气石为原料，通过压力成型造粒法对电气石微粒进行固定化，并对比研究了不同粘结剂和发泡剂对固定化颗粒对水体pH调节能力的影响。研究结果表明：（1）选取不同材料制得的电气石固定化颗粒均可以有效调节水体pH，且不同配比的电气石固定化颗粒对水体pH的调节趋势基本相同但幅度相差很大；（2）以膨润土、粘土或硅藻土为粘结剂而不添加发泡剂的固定化颗粒对水体pH的调节效果与纯电气石微粒对pH的调节趋势最为接近；（3）发泡剂中硅藻土对电气石固定化颗粒调节pH的效果影响最小。 关键词 电气石；固定化；pH电气石是一种含硼的环状硅酸盐矿物，其化学式为：X
2、Y3Z6Si6O18（BO3）3（OH）3 ?（OH，F）1，X为碱金属或空位，Y一般是Mg2+、Fe2+、Mn2+、Al3+、Fe3+、Mn3+、Li，Z可能为Al、Fe3+、Cr3+或Mg1。电气石因其具有显著压释电效应、热释电效应、辐射红外线、天然电极性以及释放负离子等特点，在许多领域得到了应用2。电气石是极性矿物晶体，其压电和热释电效应19世纪被发现。冀志江3利用扫描电镜、电子探针等手段直接观测到其电极性的存在。并研究证明了电气石对水体pH具有一定的调节作用。有研究表明，对于重量相同，浓度相同的电气石颗粒，粒径越小，其对水的pH值的影响越明显4，5。然而过小的电气石微粒在实际应用于水体
3、时无法固定，很容易随水体流失， 故本文研究一种电气石微粒的固定化方法，通过对比不同材料配比情况下固定化颗粒对水体pH的影响来确定最佳方案。1. 实验部分1.1 实验材料电气石：内蒙古赤峰黑电气石，外观黑色，粒径分别为5m、18m、75m、380m，其化学成分如表1所示。表1 电气石化学成分名称 Na2O MgO SiO2 K2O CaO TiO2 Cr2O3 FeO B2O3 Al2O3 其它含量/% 1.19 8.05 37.05 0.09 1.18 0.44 0.22 8.33 10.16 29.8 3.49粘结剂：A.膨润土，是以蒙脱石为主的含水粘土矿，蒙脱石的化学成分为：（Al2，Mg
4、3）Si4O10OH2?nH2O。由于它具有特殊的性质，如膨润性、吸附性、粘结性、触变性、催化性、悬浮性以及阳离子交换性等，因而广泛用于各个工业领域。膨润土的层间阳离子种类决定膨润土的类型，本文选用的为层间阳离子为Na+的钠基膨润土。B. 粘土，是一种含水铝硅酸盐产物，是由地壳中含长石类岩石经过长期风化和地质的作用而生成的，其中二氧化硅含量为43-55%，三氧化二铁为1-3.5%，三氧化二铝为20-25%，二氧化钛为0.8-1.2%。粘土具有颗粒细、可塑性强、结合性好，触变性过度，收缩适宜，耐火度高等工艺性能。C.高岭土，质纯的高岭土具有质软、白度高、易分散悬浮于水中，并具有良好的可塑性和高的
5、粘结性及优良的电绝缘性能；高岭土因具有良好的抗酸溶性、很低的阳离子交换量以及较好的耐火性等理化性质，已成为造纸、橡胶、陶瓷、涂料、化工、医药和国防等几十个行业所必需的矿物原料。发泡剂：a.沸石，天然沸石为含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸盐矿物，具有筛分性、多孔性、耐酸性、离子交换性以及对水的吸附性能等特点。b.硅藻土，是由单细胞水生植物硅藻的遗骸的长期沉积而形成的，其具有的独特性能如：多孔性、较低的浓度、较大的比表面积、相对的不可压缩性及化学稳定性等。c.CaO。1.2 实验方法固定化方法选用压力成型造粒法。压力成型造粒法是指将粉体物料限定在某种特定的空间中，施加外力使其压紧为密实状态。该方法具
6、有产量大、适应能力强、颗粒强度好、造粒粒度均匀、成粒率高等优点。我们将电气石粉体与粘结剂、发泡剂以一定比例混合后用蒸馏水制浆，将混合液浆倒入平均粒径为2mm的模具中按压成型，自然风干后取出固定化颗粒。将固定化颗粒至于自来水中，利用pH计观察其pH的变化情况并进行对比。电气石与粘结剂、发泡剂的配比如表2所示。表2.电气石微粒与粘结剂、发泡剂配比表电气石 粘结剂 发泡剂A膨润土 B粘土 C高岭土 a沸石 b硅藻土 c氧化钙1 70% 20% 10%2 70% 20% 10%3 70% 20%4 70% 20% 10%5 60% 20% 10% 10%6 80% 20%7 70% 20% 10%8
7、70% 20% 10%9 70% 20%10 70% 20% 10%11 60% 20% 10% 10%12 80% 20%13 80%14 70% 20% 10%15 80% 20%2. 结果与讨论2.1 电气石粉末对水体pH调节图1不同粒径电气石调节pH曲线由图1可见，电气石可以将自来水在100s内调节为pH大于7.8的弱碱性水，且粒径越小，其调节pH的能力越强。随着粒径的减小，电气石调节pH的速度明显加快，且调节的幅度越来越大。当粒径为5m时，电气石可以在40s内使自来水的pH升高至8.2以上。电气石调节溶液酸碱性主要有三个方面的原因：一是电气石具有永久极性可使H+和OH-放电，生成H2
8、和H2O4；二是电气石表面的OH-被水分子吸引进入水中；三是由于电气石表面的原子悬键，产生表面吸附H+和表面离子交换吸附H+的作用5，6。 粒径对其作用的影响主要有两个方面：1.百分比浓度相同时，粒径越小，其具有永久电极的粒子个数越多，对水的电解作用也越强，H+减少速率越快，pH值增大也就越快。粒径越小，比表面积越大，对H+的吸附作用越强，作用越迅速。2.粒径越小，比表面积越大，对H+的吸附作用越强，作用越迅速7。因此后续实验选用粒径为5m的电气石颗粒进行固定化实验。2.2 选取膨润土为粘结剂的固定化颗粒对pH的调节效果固定膨润土为粘结剂，分别选取发泡剂为沸石、硅藻土、氧化钙以及无发泡剂进行固
9、定化造粒，测定水体pH的变化曲线并对比分析，结果如图2所示。图2.膨润土为粘结剂的固定化颗粒对水体pH调节由图2可见，以膨润土为粘结剂的四组固定化颗粒对水体pH的调节趋势基本一致，但由于添加的不同发泡剂本身对pH有一定的影响，故各组固定化颗粒对水体pH调节能力也有很大区别。其中膨润土-氧化钙-电气石颗粒的作用能力最强，水体pH迅速从7.04升高至11.51，并在60min内保持在10以上。这是由于氧化钙与水接触后会迅速反应生成氢氧化钙，导致水体呈强碱性。膨润土-电气石颗粒的影响最小，pH先升高至9.24后缓慢下降，后稳定在7.8左右，成为弱碱性水体。在添加发泡剂的几组颗粒中膨润土-硅藻土-电气
10、石颗粒的变化趋势与膨润土-电气石颗粒最为接近。2.3 选取粘土为粘结剂的固定化颗粒对pH的调节效果固定粘土为粘结剂，分别选取发泡剂为沸石、硅藻土、氧化钙以及无发泡剂进行固定化造粒，测定水体pH的变化曲线并对比分析，结果如图3所示。图3.粘土为粘结剂的固定化颗粒对水体pH调节由图3可见，以粘土为粘结剂的四组固定化颗粒中，粘土-电气石颗粒与粘土-硅藻土-电气石颗粒对水体pH的调节趋势基本一致，pH上升幅度都较小，且很快稳定在7.7左右，呈弱碱性。粘土-氧化钙-电气石颗粒的作用能力最强，水体pH迅速从6.89升高至11.69，并在始终保持在11以上，呈强碱性。粘土-沸石-电气石颗粒对水体pH的作用较
11、缓和，在10min时由7.07上升至9.03，后又缓慢下降，在40min后稳定在8左右。2.4 选取高岭土为粘结剂的固定化颗粒对pH的调节效果固定高岭土为粘结剂，选取氧化钙为发泡剂以及无发泡剂进行固定化造粒，测定水体pH的变化曲线并对比分析，结果如图4所示。图4.高岭土为粘结剂的固定化颗粒对水体pH调节由图4可见，以高岭土为粘结剂的两组固定化颗粒中，高岭土-电气石颗粒对水体pH的调节上升幅度较小，且很快稳定在8.4左右，呈弱碱性。高岭土-氧化钙-电气石颗粒的作用能力最强，水体pH迅速从7.07升高至11.88，并在始终保持在11以上，呈强碱性。3结论由不同材料配制得到的电气石颗粒对水酸碱性的调
12、节效果可以得出：（1）电气石调节pH的能力随其粒径的减小而增大， 粒径为5um时，电气石可以在40s以内使自来水的pH升高至8.2以上；（2）选取不同材料由压力成型造粒法制得的电气石固定化颗粒均可以有效调节水体pH，且不同配比的电气石固定化颗粒对水体pH的调节趋势基本相同但幅度相差很大；（3）不添加发泡剂只添加粘结剂的固定化颗粒对水体pH的调节效果最为理想；（4）发泡剂中硅藻土对电气石固定化颗粒调节pH的效果影响最小。参考文献1 Yves Fuchs， Martine Lagache， Jorge Linares. Oxydation exprimentale de Fe-tourmaline
13、s et corrlation avec une dprotonation des groupes hydroxyleJ. C.R.Geoscience， 2002， 334： 245?C249.2 任飞. 内蒙电气石特性、加工及利用研究D. 沈阳： 东北大学资源与土木工程学院， 2005.3 冀志江，梁金生，金宗哲，等.极性晶体电气石颗粒的电极性观察J. 人工晶体学报， 2002，31（5）：507-512.4杨如增，徐礼新，杨满珍，姚桂田.黑色电气石矿物组成与红外辐射特性的关系.上海地质，2002 ，161一645 孟庆杰， 张兴祥. 电气石晶体微粉对酸溶液pH值和电导率的影响J. 材料导
14、报， 2005，6 王平， 田晓莹， 黄新， 等. 含电气石热释电功能瓷膜对水pH值的影响J. 硅酸盐通报，2009，28（3）： 484-490.7 孟庆杰，张兴祥.电气石、压电石英超细粉末的制备D.天津：天津工业大学材料学，2004.19（12）：132-135.基金项目：国家自然科学基金（51269018）；内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZY13051）；内蒙古自治区科技计划项目（20110524）作者简介：张阳，（1987），内蒙古锡林浩特人，助教，硕士，主要从事水处理与再生水可持续利用研究。通讯作者：王帅，（1985），吉林省吉林人，讲师，博士，主要从事有机合成及功能材料研究。
