电气石对水体ph值的影响

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维普资讯http://www.cqvip.com中国环境科学2002，22(6)：515～519ChinaEnvironmentalScience电气石对水体pH值的影响冀志江，金宗哲，梁金生，王静，颜学武(1冲国建筑材料科学研究院环境工程研究所，北京100024；2．t~Jl：建筑工程学院，河北张家El075024)摘要：用盐酸和氢氧化钠调节蒸馏水的pH值为3．2和12．12，加入电气石粉并搅拌，pH值趋向中性10g电气石和10g花岗岩粉加入200mL蒸馏水中，搅拌1h，pH值分别变为857和8．89，用等离子谱(IcP)测得水中有Ca，Mg，AI、Fe，Fe“，Mn“，Cr3，B“，K和Na+等．电气石处理的水中，除B之外其他离子浓度比花岗岩粉处理的低，说明电气石颗粒表面的离子交换吸附H弱于花岗岩颗粒．在扫描电镜F发现电气石颗粒问彼此相依，存在吸引和排斥，而花岗岩颗粒问为团聚吸附，只有吸引．电气石颗粒的电极性影响水体的氧化还原电位，调节溶液DH值趋向中性：而表面吸附和离子交换吸附H．使酸性溶液pH值上升速率大于碱性溶液pH值_F降速率．关键词：电气石：水体；pH值：氧化还原电位；离子交换吸附中图分类号：P574，X13文献标识码：A文章编号：1000-6923(2002)06-051505InfluenceoftourmalineonpHvalueofwatenJIZhijiang，JINZong—zhe，LIANGJin—sheng，WANGJing，YANXue—WU(1．EnvironmentEngineeringInstitute，ChinaBuildingMaterialsAcademy，BeOing100024，China：2，HebeiInstituteofArchitecturalEngineering，Zhangjiakou075024，China)．ChinaEnvironmentalScience．2002，22(6)：515-519Abstract：ThepHvaluesofdistilledwaterregulatedwithHC1andNaOHwere3．2and12．12，respectively．Thentourmalinepowderwasputintothemandstirred；theirpHvaluesdevelopedtothemiddle．10gtourmalineand10ggranitepowderwereputinto200mLdistilledwaterandstiredfor1h，andthepHvalueswere8．57and8．89，respectively．TherewereCa，Mg，A1，Fe，Fe，Mn，Cr3，B，KandNadissolvedintowatersmeasuredbyinductivelycoupledargonplasmaspectrometer(ICP)．TheirconcentrationswerelowerinthewatertreatedbytourmalinethanbygranitepowderexceptB“，whichindicatedtheabilityofionexchangeadsorptionofHoftourmalineparticlessurfacewasweakerthanthatofgranite．TheSEMimagesshowthatattractionandrepulsionexistamongtourmalineparticles，butnorepulsionexistsamongtheparticlesofgranite，whichconglomeratetogether．TheelectrodecharacteroftourmalineparticleinfluencestheredoxpotentialofwatersandregulatesthepHvalueofsolutiontothemiddle．SurfaceadsorptionandionexchangeadsorptionofHhelptheincreaserateofpHvalueinacidicsolutionmorethanthedecreaserateinbasicsolution．Keywords：tourmaline：waters-pHvalue：redoxpotential：ionexchangeadsorption电气石是一种由AI、Na、Ca、Mg、B和Fe存在永久性电极．由于电气石类似于磁铁磁极的等元素组成的含水、氟等的环状硅酸盐晶体矿物．自然电极的存在，不仅具有抗水污染作用，而且还其化学结构通式⋯可表示为XY3Z6si6ol8(BO3)3w4，可以用于净化空气和生活保健用品．我国具有非式中X=Na、Ca、K或空位，Y=Mg2+、Fe2+、Mn2+、常丰富的电气石资源，但对电气石在环境保护领Al、Fen、Mn、Li，Z=A1、Fe、Cr3、Mg，W=域的研究和应用为空白．加强电气石的应用基础OH、F、O．X，Y，Z3位置的原子或离子种类不研究，对发展环境保护工业具有重要意义．电气石同会影响电气石的颜色．在我国宝石级电气石的是极性矿物晶体，其压电和热释电效应19世纪就俗称“碧玺”．20世纪80年代末，日本学者发现收稿日期：2002-0316Kakita河里的水很难被污染，河水源于常年积雪基金项目：国家自然科学基金资助项目(50272062)；“十五”国家的富士山．Kubo等人【2】注意到河水流经火成岩863基金资助项目(2001AA322050)的地层，引起了他对电气石的研究，发现了电气石通讯联系人 维普资讯http://www.cqvip.com5l6中国环境科学22卷被发现．作者利用扫描电镜、电子探针等手段值影响的实验结果见图l，从图1可以看出电气直接观测到其电极性的存在．一个处于基态的水石不仅可以使酸性溶液的pH值增大到中性，而分子在10h左右的时间内才可能电离成水合氢且可使碱性溶液的pH值减小趋向中性．文献【2】离子(HO)和氢氧根离子(OH一)．通过研究电气石用电气石制作的陶瓷球，不进行搅拌，长时间静置对水溶液pH值的缓冲作用，来研究电气石对水也得到了类似的结果．既然电气石具有自然电极的氧化还原性影响：同时，用花岗岩作对比研究性，在水中完全可以影响水的氧化还原电位．离子吸附与交换对水的pH值的影响．1实验实验样品为内蒙古产的存在于伟晶岩中的黑色电气石，化学分析质量百分比为F0．19％，B2O37．73％，SiO236．79％，A12O332．0o％，Fe2O32．54％，FeO8．97％，MgO5．18％，CaOO．64％，12．2Na2O1．48％，K2O0．32％，H2O2．73％Tio20．68％，I2．IP，O0．16％，总和99．36％，为镁铁电气石．实验用12·0电气石颗粒平均粒径6．76gm．用粒径基本相同11．9l1．8的花岗岩作为对比，研究这两种矿物的表面位密l1．7度对水的pH值的影响．所用花岗岩的基本成分为SiO267．63％、A12O315．70％、TiO2O．4％、Fe搅拌时间(min)1．51％、Fe2O31．74％、CaO2．66％、MgO1．24％、图1电气石颗粒对溶液PH值的影响P2O50．17％、MnO1．24％、K2O3．36％、Na2OFig．1InfluenceoftourmalineonpHvalueofaqueoussolution4．22％，其他为HO、CO2、稀土元素和微量元素．一◇一实验溶液-rq-对照溶液1．1电气石调节溶液pH值实验(a)酸性溶液(b)碱性溶液在室温27℃，湿度36％条件下，分别用分析纯(36％～38％)盐酸、分析纯NaOH与蒸馏水配体系的氧化还原电位可由Nernst公式计算：制成酸性溶液和碱性溶液；分别取每种溶液Eh=Eo-t-RTn，器IKeQI200mL放入两个烧杯中，其中一个加入平均粒径为6．76~n-n的lO．Og电气石粉末，另一个作为空白式中：Eh为某一体系的氧化还原电位,Eo为标准对照，搅拌并分离取样．用PHS一3C精密pH计测电位为得失电子数；F为法拉第常数；【Ox】为物定溶液的pH值．质氧化态的浓度；【Red】为物质还原态浓度．1．2电气石的离子溶出实验如果用pE来表征系统的氧化还原电位．分别取lO．Og电气石和花岗岩粉体放入的定义为：200mL蒸馏水中，搅拌lh，测定其pH值后，用离pE=一lg(a)(1)心分离机取水样，用等离子谱(ICP)~U定各种溶出氧化还原平衡可表示为金属离子的含量．Ox+neRed(2)pE。2结果与讨论gn器(3)2．1电气石对水体的氧化还原性影响其中=，pE0=电气石粉体对酸性溶液和碱性溶液的pH 维普资讯http://www.cqvip.com6期冀志江等：电气石对水体pH值的影响5l7当【Ox】=【Red]时，pE=pE~．液pH值的影响程度，搅拌30min后加电气石的水能被氧化，在一定条件下水也可能被还原：酸性溶液的pH值增大了4．25，对照溶液的pH值未变；而碱性溶液的pH值仅减小了0．36，对照{O2+H+P兰妄H2O(4)溶液的pH值也下降了0．1l(吸附空气中的酸性HH2(5)气体CO所致)．电气石对酸性溶液pH值的影响远大于对碱性溶液的影响．这是仅用电极性不能其氧化和还原决定于O、H：的边界条件．由(3)解释的．电气石本身含羟基(OH一)晶体结构和颗式可得：粒表面的原子悬键对调节酸性溶液的pH值起正极pE=pE~+lg(pol／a[H])相当大的作用．=pE~+lgpol／4-pH(6)2．2．1电气石颗粒的表面质子化作用凝聚态其中，P为氧气在水中的分压．物质表面断键的存在，使其具有自发吸附外来离负极pE=pE~+lg[H+]子或分子以降低表面能的倾向，当矿物与水接触=pE~一pH(7)时，其表面会发生羟基化【．在一般的自然环境中，系统的氧化还原电位电气石和花岗岩的SEM照片分别见图2，取决于水、土壤和底泥中游离氧的含量，氧系统图3．图2(a)，图3(a)是电气石和花岗岩在扫描电是决定电位系统．电气石与水形成的体系中，如果镜下放大5000倍的照片，可见电气石颗粒间形电气石存在电极性，具有类似于电源电解水的作成“彼此相依”排列，反映了颗粒间既有吸引又用，完全改变了自然水的氧化还原状态．水既可以有排斥，是电气石存在电极性的反映；花岗岩颗被氧化放出氧气，也可被还原放出氢气．电气石颗粒间则“堆积”吸引，反映出颗粒间只有吸引，无粒的正极发生氧化反应符合(4)式，负极给出电子排斥现象．发生还原反应符合(5)式．当水溶液处于氧化态时，电气石会使其向还原态发展；反之，向氧化态发展．这样电气石颗粒的存在成为影响体系pE值的决定因素．从(6)、(7)式可知pE值决定体系的pH值．Kubot测到电气石与水作用有H，的放出，以此说明电气石有电极存在．值得注意的是如果有H的放出，H肯定要获得电子．以此来推论电子应从OH一中来，那么，应有氧气(O)的放出．现在并没有报道，所以仍有待于进一步研究．此外，Geissler等人【研究发现，qE4,能量波动就可使O—H键的稳定性下降，质子(H)会沿H键转移，初生的离子被3个乃至更多的相邻分子分开．如果连接两个离子的H键随后断裂，一个亚稳定的电荷分离态可出现，离子将扩散较大距图2电气石粉的SEM照片离；反之，离子会很快复合．电气石颗粒表面附近Fig．2SEMimagesoftourmalinepowder存在的电场，必然会影响离子的转移，促进水分子(a)5000Xfb)10000X的电离，调节溶液的pH值．2．2电气石对水的pH值的影响图2(b)和图3(b)分别是电气石和花岗岩颗比较图1中的电气石对酸性溶液和碱性溶粒放大10000倍的显微照片，充分反映电气石和 维普资讯http://www.cqvip.com5l8中国环境科学花岗岩大颗粒对小颗粒吸附方式的区别：花岗岩体所连接_A1．O5(OH)八面体与[Mg(Fe)．O5(OH)】颗粒对小颗粒的吸附是“堆积”吸附，而电气石八面体共棱连接成平行于C轴的螺旋柱【8I．属三则不存在堆积现象，更充分反映了二者的区别．静方晶系，C3vS-R3m群，是异极性矿物，三重对称轴电吸引现象的存在证明了颗粒表面的不饱和键为C轴，垂直于C轴无对称轴和对称面，也无对称存在很多．比较图2(b)和图3(b)可见花岗岩对小中心．这种晶体结构决定其粉碎后形成的粉体颗颗粒的吸附较多．花岗岩颗粒的表面位密度大于粒极不规则，多棱角，表面存在悬键．氧的不饱和电气石．键存在，形成吸附阳离子的表面位，具有吸附H能力．除此之外，电气石还存在金属离子形成的表面位．金属离子与H发生离子交换可使溶液的pH值升高．但是与花岗岩颗粒相比，其表面位密度较小．下面的实验结果证明了推理的正确性．图4电气石的结构[在(OO1)面上的投影】Fig．4ThestructureofTourmaline[projectionoftourmalinestructureon(001)】电气石的晶体结构(图4)可视为由[si6O。】复三方环、[BO3】三角和[Mg(Fe)一O5(OH)】的三2．2．2离子交换对水的pH值影响10g电气重八面体共棱并共一顶角连接而成，其中O。、O石和10g花岗岩粉加入200mL蒸馏水中，搅拌1h，为OH的位置组成基本单位，水平地分布于菱面测定其pH值分别为8．57和8．89．等离子谱(ICP)体的顶角(图4中未标出)，并为A1一O(OH)八面分析结果见表1．表1电气石和花岗岩处理过的水中金属离子含量(~tg／mL)TablelConcentrationsofmetalionsinwatertreatedbytourmalineandgranitegranule，respectively(~tg／mL)从表1可见，用电气石和花岗岩处理过的水其他金属离子的浓度均高于电气石处理过的水．pH值相近，用花岗岩处理过的水中除B(硼)之外，证明电气石与花岗岩对水pH值影响的机理不 维普资讯http://www.cqvip.com6期冀志江等：电气石对水体pH值的影响519完全相同．花岗岩对水pH值的影响主要是颗粒tourmaline-richrocksandrelatedoredeposits【J】．Computer＆Geosciences，1997，23(9)：947—957．表面位密度较大，通过离子交换，H+被吸附，影响【2】NakamuraT，KuboT．Thetourmalinegroupcrystalsreaction水体pH值．电气石对水体pH值的影响，除电极withwater【J】_J．Ferroelectrics，1992，l37：l3-31．性之外，离子交换现象和表面位吸附H也是使【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pH值增加的原因．【J】．人工晶体学报，2002，31(5)：507—512【4】戴树桂．环境化学【M】．北京：高等教育出版社，2001．140—142．3结语【5】KuboT．Apparatusandmethodforproducingaircontainingminusalkaliion【P】．UnitedStatesPatent：5728288，1998—03—17．电气石颗粒的电极性影响水溶液的氧化还【6】PhillipLGeissler，ChristophDellago，DavidChandler，ela1．原电位，调节水溶液的pH值，使之趋向中性．使酸Autoionizationinliquidwater【J】_Science，2001，29l(55I1)：212卜2l26．性溶液pH值增大，除电极性之外，表面吸附H【7】吴大清，刁桂仪，彭金莲，等．矿物界面作用与环境工程材料【J】_和表面位离子交换吸附H也是重要因素．使碱矿物岩石地球化学通报，1998，17(4)：217—223．性溶液pH值减小的主要因素是电气石的电极【8】DietrichRV．Thetourmalinegroup【M】．NewYork：Van性．电气石可利用其电极性以及对水体的氧化还NostrandReinholdCompany，1985．49—50．原性影响处理污水．作者简介：冀志江(1964一)，男，河北涿鹿县人，河北建筑工程学院参考文献：副教授，中国建筑材料科学院环境工程研究所在站博士后，主要从事【1】FUATYAVUZ．Tourmaline：s。arepackagef0rt。umlaline，环境材料研究·发表论文3O余篇·美国疾病控制和预防中心建立环境健康追踪系统美国疾病控制和预防中心(CDC)正建立一个新的环境健康追踪系统，旨在将人群危险、暴露和慢性疾病数据相联系．2002年9月，CDC计划向15个州提供资助，总计1750万美元，建立监测能力和联系3类数据类型的先导项目．CDC的国立环境健康中心主任RichardJackson说，过去已经做过一些物质的环境暴露和疾病和关联方面的工作，如铅和儿童智力发展受损间的关系．人们怀疑环境暴露和儿童癌症、动脉硬化和老年痴呆症等慢性疾病有关，但没有被证明．追踪系统要求标准化的追踪方法和公共卫生、环境保护机构间的合作．建立该追踪系统得到了广泛支持，它将确定研究需要、衡量管理战略的有效性．专家将测量有毒物质浓度的地理和时间分布，评估人群暴露的状况，用统计方法、健康调查和疾病记录方法监测疾病和健康危险性行为．但是，将健康数据和环境接触危害数据整合考虑是一项艰巨的事业．江年摘自(EnvironmentalScience&Technology}．August1,306A一307A(2002)