增强电气石释放负氧离子功能的探讨

席伯安

（无锡新跃环境科学发展有限公司，江苏 无锡 214187）

增强电气石释放负氧离子功能的探讨

席伯安

（无锡新跃环境科学发展有限公司，江苏 无锡 214187）

负离子又称为“空气维他命”，具有调节人体离子平衡，促使身心放松，活化细胞，抑制身体的氧化或老化，提高自然治愈率等作用；电气石晶体具有电位差，可产生永久的微弱电流，释放出负离子。但是电气石微弱电流制造的负离子普遍浓度较低，达不到防病治病的效果。本文在学习和借鉴国内外学术成果基础上，通过在选料配伍、增强电极化、涂敷技术、浅肤工艺等方面深入研究，在提高电气石释放负离子浓度方面取得了一些成果，使生态负离子浓度达到106个/cm3以上。这为研制开发新一代净化室内空气，降解PM2.5超细颗粒物，提高疾病自然疗效等方面的产品打下了良好的基础。

电气石；负离子；应用

1 引言

现代的社会环境，由于工业生产活动产生的汽车尾气尘、燃油尘、餐饮油烟尘、建筑灰尘和煤烟尘等严重污染空气，这些污染物在空气中不是简单叠加，而是彼此之间不断进行化学、物理反应，使得污染变得十分复杂，因而导致各种怪病、难治性疾病、流行性疾病、共发性疾病不断增加。这是因为大气中的这些有害物质使得正离子增加，正离子的增强，使体内活性氧增多，使血液、体液倾向于酸性，尤其是降低了人体的免疫力，其后果是体内细胞摄取不到营养，蓄积的代谢物、二氧化碳无法得到排泄，导致毒素在体内堆积，引发各种疾病。

相反，负离子可以中和氧化物，使酸化了的血液、体液倾向于弱碱性，由此氧、营养成分被充分吸收进入细胞内，使细胞机能加强，提高人体自然治愈力。医学研究表明，当负离子在700个/cm3以上时，使人感到空气清新；当达到1 000个/cm3以上时，有利人体健康；如果能够超过8 000个/cm3以上，就可以治疗哮喘、慢性支气管炎、烫伤、萎缩性鼻炎、萎缩性胃炎、神经性皮炎、神经官能症、肺气肿、偏头痛及高血压、冠心病等疾病，并对恶性肿瘤有一定疗效。林金明等[1]认为在含有高浓度小粒径负离子的空气中，PM2.5、细菌、病毒等几乎为零，飘尘去除率高达98%。可见，负离子对人体健康以至于对人类社会的发展有着重大意义。

2 电气石产生负氧离子原理

目前国内外最先进的负离子发生技术，包括日、美、英、法、德等国，基本上都是采用负高压源，将碳纤维制成放电电极(也称为“放电天线”)，接通高压后将碳纤维电极单极置入空间，使电极周围的空间产生电离。同时利用负电场的电势感应，将正离子中和还原，以得到一个纯化的负离子场。该项技术的负高压必须在8 000V以上，而且空间电离产生的负离子浓度只能达104～105/cm3，若用于疾病治疗，该浓度偏低。而且当患者接受治疗时，治疗环境中的相对湿度变化，还会使电极发生电晕现象，由此而产生臭

氧。电晕式负离子发生器，对家用电器产生干扰，使室内产生二次污染(墙壁发黑)，产生臭氧，发生器装置耗能大、寿命短，增加消费者使用和维修费用。显然，上述负离子发生技术并不是产生负离子的合理方案。

电气石(Tourmaline)是以含硼为特征的环状结构硅酸盐矿物，具有显著的热电性和压电性。电气石微粒释放负离子的能力与它的电极化强度有直接关系，电极化强度越大，产生负离子的能力越强。张志湘等[2]研究表明电气石的自极化效应是永久性的，利用电气石自发极化产生的强电场可以增加羟基自由基的产生量。其主要原理是一方面电气石可以促进水分子的离子化增加对空穴的捕获；另一方面强电场作用可以减少电子—空穴的复合。晶体材料专家指出：由于电气石会产生永久的电气，所以周围会形成电场，存在于电场内的水会被分解，产生与瀑布、森林等地自然产生的负离子相同的电气石负离子，它与人工电器强制发生的负离子性质不同。

因此，用电气石来产生负离子是比较好的选择，既健康又节能，又不会产生臭氧。但电气石产生负离子的数量和效率不如电晕式产生负离子技术。针对这一问题，进行了长期、深入的研究，在提高电气石产生负离子效率方面，取得了一定的效果。

3 提高电气石产生负离子的途径

3.1 电气石粉体中加入二氧化铈

在电气石粉体中加入适量二氧化铈(CeO2)，利用该稀土元素的辐射能量高，半衰减期限长的特点，促进电气石进一步对空气的电离。对比试验如下：

将两份不同的电气石粉料，分别均匀地平辅在两个100mm×100mm纸舟内，同时分别放进两个0.01m3玻璃试验箱内，让其自然释放，用美国ALPhaLab公司生产，AIR ION COUNTER大气离子测量仪，测量玻璃试验箱内的空气负离子浓度，测试结果见表1。

表1 两种配比电气石超细粉料释放负离子浓度比较

实践表明，复合配比的电气石超细粉比未经配比的电气石粉料负离子浓度高9倍以上，Γ射线与自然环境相同。

电气石与二氧化铈复合配比，其产生高浓度负离子的原因可能是：二氧化铈中的Ce4+在光照下转化成Ce3+，在转化过程中电子—空穴复合几率降低，再在电气石电场作用下，部分电子被迫随电场方向定向移动，复合几率进一步减少，电子—空穴复合几率的降低，为电气石/二氧化铈复合粉体表面积聚了离解空气分子的大量能量，从而产生高浓度的空气负离子，同时Ce3+很快氧化成Ce4+，继而重复前面的转化。

3.2 浅肤工艺

浅肤工艺是依据交流电集肤效应而来的。当交流电通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象就叫集肤效应。

曹南萍等[3]研究指出：电气石球与水发生能量转换和接触反应的过程仅局限于球外表面一个薄层上，球内部的电气石并未起到任何作用，等于白白浪费了。

电气石产生电荷的总量与垂直于c 轴的横截面积成正比，和晶体片的厚度无关。热释电量的大小与温度变化区间存在的关系，取决于晶体在不同区间的晶格膨胀率导致的不同程度离子位移或电子云的偏移[4]。

电气石/二氧化铈复合粉体经过配比、稀释、涂敷在载体上，载体表层积聚了离解空气分子的大量能量，从而产生高浓度的空气负离子。在这载体表层再涂敷上一层单独电气石粉层进行如下试验研究。

3.2.1 试验条件

取两种配比(复合粉体和单独电气石)超细粉各30g；粘结剂适量用以稀释成浆料280g；460mm× 460mm方形进口牛皮纸2张，(460mm是0.1m3玻璃试验箱单边面积)；0.1m3玻璃试验箱一个，试验箱一面的中央开一个能安放测量仪器的小窗口(40mm× 40mm)；6V、100mA微型风扇一台。

测量仪器：美国ALPhaLab公司生产，AIR ION COUNTER大气离子测量仪。

3.2.2 试验方法

(1) 试验第一层。

将粘胶剂按照一定比例，分别调制成电气石浆料；分别涂敷在460mm×460mm的牛皮纸上，电气石涂层厚度0.3mm，让其自然干燥；余下的电气石浆料分开待用(注：涂敷的纸张和余下的浆料不要相互搞错)；两张中任意选择一张：展开，贴放在0.1m3玻璃试验箱测量口对面，电气石涂层面向测试仪器；开启微型风扇，分时段(10min、30min、1h)测量试验箱内负离子浓度。再用同样的方法测试另外一张纸的负离子浓度。

(2) 试验覆盖层。

将待用的浆料，交叉覆盖涂敷(即单独电气石的那张纸上涂复合粉体的浆料；复合粉体的纸上涂单独电气石的浆料)在两张纸上，涂层与第一次相同，注意不可露白，待自然干燥后，再用上面同样的方法测试其负离子浓度。

(3) 试验结果。

电气石浅肤工艺试验结果见表2。

表2 电气石浅肤工艺释放负离子浓度比较(个/cm3)

取以上各测试10次数据的平均值，单独电气石第一层为12 533个/cm3，复合粉体第一层为35 900个/ cm3；经交叉覆盖涂敷，单独电气石平均值升为37 200个/cm3，而复合粉体的反降为18 866个/cm3。

由此可见，试验数据和上述理论证实：电气石负离子只能在浅表层获得释放，而涂敷在下层的涂层被上层覆盖无法与空气接触、产生电解、释放空气负离子。这一试验充分证实浅肤工艺的理论依据，同时也为节省原材料，降低生产成本提供了有益的尝试。3.3 蜂窝技术

通过对蜜蜂构筑的蜂窝进行长期、深入的研究发现，蜂窝结构节省材料而且坚固美观，蜂窝对人类认识世界、改造世界产生了非常重要的影响。如今在飞机制造、桥梁和建筑物中广泛使用蜂窝式结构，取得了成倍提高强度、大幅节约材料的效果。蜂窝技术可以使复合电气石的电极化表面积成倍地扩大。

实践中发现，用电气石粉刷的墙体负离子涂料，尽管满墙涂满了电气石粉体，但室内的负离子浓度并不高，每立方厘米仅几百个，不能达到净化室内空气、防病治病的效果(8 000个/cm3以上)，但耗费的电气石材料却很多。研究表明，将上述表面涂敷复合电气石粉料的试纸，卷起来堆叠成蜂窝形(见图1)，在自然环境中测试，结果发现，比放在玻璃试验箱里的平板形的电气石载体测得负离子浓度成倍的增加，原因是，蜂窝体几何比表积可以达到800～2 000m2/m3，差不多是平面的十倍。

图1 蜂窝式结构

蜂窝体形状可以是正方形、正六角形、正三角形、圆形、矩形、椭圆形等，试验结果表明：正六角形最佳，圆形次之，矩形第三位。

样品经上海市环境保护产品质量监督检验总站检测报告如表3。

表3 检测报告

3.4 阿基米德螺线技术

3.4.1 基本原理

阿基米德螺线(阿基米德曲线)，亦称“等速螺线”。当一点P沿动射线OP以等速率运动的同时，该射线又以等角速度绕点O旋转，点P的轨迹称为“阿基米德螺线”(见图2)。

图2 阿基米德螺线原理

3.4.2 原理的应用

运用阿基米德螺线原理，进一步扩大电气石涂敷的截面积，增强电气石电极化效应。电气石晶体自极化的存在导致“自然电极”的出现。颗粒越小，粉体比表面积越大，表面电荷量越多，颗粒附近的电场强度越强，这种强电场与空气中水分子作用产生大量空气负离子。用复合电气石涂料经双面涂敷的载体，运用阿基米德螺线原理自内至外，由小到大，一圈套一圈，形成了无数个大小不等的筒体，它们之间留有间隙，呈现了层与层之间涂层既间隔又流通，筒与筒之间的空气既阻隔又畅通的巨大涡旋体(见图3)，这个涡旋体到一定体积时，形成了一个极性晶体巨大的电

矩，所积聚的大量能量与空气中的水分子发生很强的电离作用，天然地释放和蓄储高浓度的纯天然空气负氧离子，加之含有稀土元素的材料，其衰变产生的电子流与空气分子相碰撞，进而电离空气分子，使空气负离子浓度进一步增加。

图3 阿基米德螺线结构

3.4.3 对比试验

(1) 用阿基米德螺线体与蜂窝体所产生的负离子释放效果做对比试验。

如图1蜂窝体单孔边为1cm的六角形，其载体用料宽度为7cm，(加1cm粘边)长度为30cm，每孔用料为0.021m2，共37孔，总用料0.777m2，单面涂敷。

如图3b方形螺线体内圈直径为2cm，每圈间隔1cm，共5圈，长15cm，用料86cm×15cm，为0.129m2，由两组组成，总用料0.258m2，双面涂敷，截面积为0.516m2。

(2) 试验方法。

在自然环境下，直接用AIR ION COUNTER大气离子测量仪，紧靠它们的释放口进行测试，其对比效果见图4。

图4 阿基米德螺线体与蜂窝体空气负离子释放浓度对比

(3) 试验结果。

以上对比试验的结果：①蜂窝体总用料0.777m2，缧线体总用料0.258m2，比蜂窝体省料3倍多；②蜂窝体涂敷面积0.777m2，缧线体涂敷面积0.516m2(双面)，其负离子浓度高30%；③制作工艺：蜂窝体需单孔制作然后组装，比较费工耗料，缧线体可以大面积施工，成形方便，省时省料；④缧线体筒体套筒体电子流通比较活跃，与空气中水分子作用广泛，释放和蓄储负离子浓度较高。

阿基米德螺线体可以根据产品需要采用圆形体、椭圆形体、正方形体、长方形体等。

3.5 电气石负离子发生器与电晕式负离子发生器对比

电气石负离子发生器相比电晕式负离子发生器具有明显的优势，对比结果见表4。

表4 电气石负离子发生器与电晕式空气负离子发生器对比

4 结语

(1) 电气石会形成永久电场，其周围的水会被电解，产生与瀑布、森林等地自然产生的负离子相同的电气石负离子，它与人工电器强制发生的负离子性质不同。

(2) 通过深入试验研究发现，在电气石中添加CeO2可以大幅增加负离子产率；电气石材料只在表层有极化效应，内部电气石不起作用，所以宜将电气石制成涂层材料使用；将负载有电气石涂层的物体制成蜂窝形，可以扩大极化效应，其负离子产率是平面电气石产品的8～10倍；阿基米德螺线型出口，可使电气石涂层释放负离子的浓度进一步加大。

(3) 将以上技术集成运用所开发的XY-801纯天然空气负离子泵，泵体可以释放负离子接近200 000个/cm3，有较好的疾病自然疗效，而能耗极低且无臭氧产生。该集成还可进一步运用于办公室、居室、汽车、空调以及医疗等领域。

[1]林金明，宋冠群，赵利霞，等.环境、健康负离子[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]张志湘，冯安生，郭珍旭.电气石的自发极化效应在环境与健康领域的应用[J].中国非金属矿工业导刊，2003(1)：47-49.

[3]曹南萍，南小英，黎荣奎.在蜂窝陶瓷通道表面上烧结电气石薄层[J].中国非金属矿工业导刊，2005(6)：43-45.

[4]冀志江.电气石自极化及应用基础研究[D].北京：中国地质大学，2003.

Discussion on the Improvement of Negative Air Ions Release From Tourmaline

XI Bo-an
(Wuxi Xinyue Invironmental Science Development Co., Ltd., Wuxi 214187, China)

Negative ions are also called 'the air vitamin', they can make balance of human ions, release both body and mind, activate cells, prevent body from oxidation or being ageing, and increase rate of natural healing, etc. Tourmaline crystals have electrical potential difference, which produces permanent weak current, and releases negative ions. However, in general the current produced by tourmaline is too weak and the concentration of negative ion made is so low that it can not prevent and cure diseases. In this article, we learn and use worldwide academic results, and make deep study on aspects of selecting materials, increasing electric polarization, coating techniques, surface painting techniques, etc, and have some results in increasing the concentration of negative ion released by tourmaline, which makes the density go above 106/cm3. This lays good foundations in developing new products on air purification, PM2.5 ultrafine particle degradation, and improving the effect of natural healing in diseases, etc.

tourmaline; negative ion; application

P578.953；TD985

A

1007-9386(2015)02-0019-04

2014-09-02