金宗哲
（中国建筑材料研究院，北京 100024）
摘要 讨论了在日光、地辐射、热辐射条件下和在矿物中金属离子的催化作用下，水和空气被激活产生有益于健康功能的空气离子和离子水的机理。讨论了健康功能岩土、矿物，简述了具有净化功能、调湿功能、绝热功能等的矿物。
关键词 健康功能；含离子矿物；含离子空气；离子水；光子催化；协合材料；净化作用；调湿材料。
作者简介：金宗哲（1935—），男，朝鲜族，工学博士，教授级高级工程师。联系方式：010-68312052，[email protected]。
生命科学已证实，疾病和衰老的根本原因与氧化作用有关，防止氧化的物质就是还原剂。对生命科学来说，抗氧化物质就是健康长寿的食物及材料。人类不可缺的空气、水和食物中都含有氧化作用和还原作用的两种物质，即氧化还原作用的离子。酸性物质实际上有时候也是有害健康的氧化物，疲劳过度也与氧化有关。正离子加速氧化反应，受污染的空气中含有大量的正离子，所以人们感到很不舒服。让人们感到舒服和有利于健康的是负离子。总之，空气、水和食物都与周围的土地、岩石协合催化作用下产生有健康功能的负离子空气、还原功能的离子水和含离子的健康食物。
本文讨论具有健康功能的含离子矿物，简述具有净化功能、调湿功能、绝热功能等的矿物［1～6］。
一、健康功能矿物
中国古代就利用健康材料，在我国的古籍中记载了一种神奇的石料——磬石（古代称泗滨浮石），夏、商、周开始用磬石砭术治病，孔子采用磬石养身（公元前551～479年）。它是古代制造石磬（乐器）和砭具（治病）的矿石，是一种微晶方解石，以碳酸钙为主要成分，含有钛、铬、锰、锌、锶、稀土等有益于健康的元素。远红外辐射率高，对人有热效应，敲击时发出可听见的声音，还发出频率约20000 Hz的超声波脉冲，至今没有搞清楚其作用于人体健康方面的机理。李时珍的《本草纲目》中有106种矿石药物。另外还有健康宝石：水晶——解除疲劳，提高效率；绿、红宝石——提高生育能力；钻石——使人精力旺盛，玉——远红外辐射材料，活化血液；琥珀——中医学上用于化瘀、利尿、安神，主治尿血、失眠，还可治溃疡。
麦饭石（maifan stone）：偏碱性的矿石，含36种元素、26种微量元素。用于水质净化、养殖、饲料、肥料、产生负离子；吸附有害物（有机、无机）、保鲜、防腐及除臭。该石又被称为长寿石、净化石、矿化水的健康石。
电气石（Tourmaline）：纯度高的称为碧玺（宝石的一种），有红、蓝、白、黑等多种颜色，一种独特的具有自发激化电极、兼具有压电性和热电性的矿物。1989年日本学者Kubo证实了电气石微粒周围静电场的存在。它能产生负离子、活化水分子：吸附粉尘、净化大气、净化水质、杀菌除垢，有电磁屏蔽作用等。
电气石是一种天然晶体材料，属三方晶系，呈复三方柱状。电气石的化学式为：XR3Al6B3O27（OH）4，其中X为Na、K、Ca，R为Mg、Fe、Mn、Li、Al等，X的种类、含量和离子价态直接影响电气石的性能。其产生负离子的原因，一般认为是与其内部存在永久性电极［1］和变价金属离子有关，电离空气中的分子而产生的。
（一）负离子对人体健康的影响
空气中的离子（air ion）对人体医疗和生理的影响的研究早在20世纪30年代就有论述。究竟空气中对人有益的是什么离子，近些年来又引起世界的广泛关注。1980年德国医学界率先证明正离子多的地方人们得各种慢性疾病的比率高，发生交通事故也多。日本医学界对空气离子的作用一直较为重视，进行了大量的观测和临床实验，证明了负离子对人体的健康有益。
1）负离子直接影响细胞膜的电位，提高细胞的各种功能，促进新陈代谢，增加机体免疫力。
2）碱性离子可增加细胞的渗透性，增加吸氧量，改善肺功能。
3）负离子通过呼吸进入人体，调整血液的酸碱度，使之为弱碱性。碱性离子具有表面活性剂的作用，使血管中的胆固醇形成胶体而分散，减轻血液中的絮凝，降低血压。
4）负离子具有安定自律神经、控制交感神经、改善睡眠效果的作用。
5）增加发汗量，增加脑波α波，减轻疲劳。
6）负离子还有控制炎症、镇痛、抗癌的作用，对肝硬化、糖尿病、神经麻痹均有治疗效果。
（二）产生负离子的机理与表征
1）机械作用：空气中的分子的机械运动能量转化为化学能，使空气中的水分子电离；由于空气的热运动，空气分子产生摩擦、相互碰撞，气体分子发生电离或电荷转移；由于水的落差，水分子与空气摩擦或水分子之间撞击，气体分子发生电离或电荷转移。
2）光作用：可见光、红外线、紫外线、宇宙射线。
3）在岩石和土壤的放射作用下，空气中的分子与之电离。
4）静电作用：外加电场使气体电离或尖端放电气体分子俘获电子而成为负离子。所以，雷雨过后，空气中负离子浓度高，空气非常清新。
5）化学能与生物能作用：多种化学反应、植物的光合作用、海洋的藻类所提供的生物能量也可增加空气中的负离子。
总之，负离子的产生必须有能量的来源和负电荷的载体，其效果用负离子的产量与氧化还原电位表征，见表1。
表1 健康功能矿石在水中的氧化还原电位和负离子产量
注：仪器用ORP/REDOX MONITOR（American Marine inc.），2006年10月至2007年1月，将试样置于水中，每月测试数次取平均值，其数值变化很小。
血液的氧化还原电位为124～160 mV，因此把氧化还原电位在160 mV以下的物质定为有益于健康长寿的还原剂。广西巴马县从石灰岩和粘土中涌出的水的ORP为150 mV以下。由此，国际自然医学会认定此水为健康长寿水。
（三）电气石中金属与稀土元素协合材料（Synergy materials）
一些矿物和无机氧化物复合粉体中含有金属离子。研究发现，稀土元素的复合盐也具有导致空气中分子电离的功能，而增加空气中负离子的浓度［2］。
变价稀土元素Re的变价过程、电气石中的变价金属离子、压电与热电效应，以及低能辐射的协同作用，提高了产生自由基的浓度，并把自由基转化为负离子（图1），负离子的产率可提高到2000个/cm3以上［3］。
图1 在日光、地辐射和热辐射条件下，水和空气在电气石中的金属离子和稀土元素的催化作用下产生负离子的过程
二、净化功能的矿物
绝大多数矿物在水介质中，表面发生羟基化，具有荷电荷性；盐类和硫化矿物的矿物表面具有盐基与硫基。因此，矿物表面产生极性、化学吸附作用。
以吸着、分解、中和反应或离子交换等各种方式或净化某种气体，因此净化量为吸着量、分解量、化学反应量或离子交换量的函数。净化量大于挥发量，且吸着速度大于脱附解吸速度的材料都称为空气净化材料。
1）土壤——是含空气和水的多孔材料，具有呼吸、天然自净化和过滤功能。
2）多孔矿物：沸石、硅藻土、轻质蛋白石、磷灰石、电气石、石英、磁铁矿等。
3）离子交换矿物：方解石、文石、碳酸盐矿物、沸石、粘土等。
4）光子-离子协合净化材料［3，4］：综合了化学吸附、物理吸附、光催化等多元催化技术，主要是经过各种途径产生活性氧自由基，具有持久的空气净化性能。
NH3的净化，NH3＋·OH→ NH2＋H2O NH2＋·OH→HNO HNO＋O2→HNO3（1）
NOx的净化，当λ≤430nm时：NO2＋hν→ NO ＋O NO ＋NH2→ N2＋H2O NO2＋·OH→HNO3 （2）
VOC的净化：VOC ＋·OH ＋ O2→H2O ＋CO2＋其他产物 （3）
甲醛的净化，当λ≤370nm时：
HCHO ＋hν→·H ＋HCO，或H2＋CO CO ＋·OH→H ＋CO2 （4）
CO2的净化，当λ≤186nm时：
2H2O→O2＋4 H＋＋4e CO2＋4 H＋＋4e→CH2O ＋H2O （5）
MeO ＋CO2→MeCO3（Me金属离子） （6）
三、绝热纳米矿物
1992年美国Haunt［5］提出超级绝热材料（Supper in sulator）的概念，在预定的使用条件下，其导热系数低于“无对流空气”导热系数的绝热材料。
空气中的主要成分氮气和氧气的自由程都在70nm左右，因此只有在大部分气孔尺寸都小于50nm时，材料内部才基本消除对流，使对流传热大幅度降低。许多研究表明：当材料中气孔的直径小于50nm时，气孔内的分子就失去了自由流动的能力，而相对地附着在气孔上，这时材料近处的状态近似于直孔状态。同时，由于纳米吸气孔及极低的体积密度，材料内部会有极多的反射界面与散射微粒，可见光和紫外光反射率为95%以上。可使材料不论是在高温和常温下均有低于空气的热导率。粉状λ≤0.020W/m·℃，块状 λ≤0.014W/m·℃。
美国NASA的航天飞机的隔热瓦是用陶瓷纤维板的骨架中充满SiO2气凝胶来实现的。SiO2气凝胶（aeragels）是纳米多孔非晶态材料，孔洞率80%～99.8%，孔尺寸1～100nm，比表面200～1000 m2/g，密度3～500 kg/m3。
实际上有很多绝热作用的矿物，如蛭石（Mg、Fe、Al）3（Si、Al）4O10OH·4H2O是一种良好的绝热纳米矿物，于900℃下燃烧，1分钟体积膨胀10～30倍，膨胀后的蛭石有空气隔层，具有最良好的绝热、保温、隔音性能并吸收放射性的特性，其热导率为λ＜0.013W/m·℃，密度为60～200 kg/m3，吸声系数为0.06～0.60。这种材料也可用于隔热、隔音涂料及节能住宅的外墙。
四、调湿功能纳米材料
要求室内湿度保持相对一定，湿度大时吸湿、干燥时放湿功能的材料称为调湿材料。湿度大时，空气中的水分凝结成水蒸气，湿度小时凝缩水气化。常温蒸气压力p与毛细管的半径R的关系为lnp∝1/R。当常温相对湿度为40%时，R＝3.2nm；相对湿度为70%时，R＝7.4nm。由此原理，调湿材料设计成为进水孔的半径为≥7.4nm，出气孔的气化毛细孔半径为≤3.2nm。纳米SiO2，经酸处理的海泡石、硅藻土都具有上述功能。吸放湿量为12g/m2·h。
五、纳米粘土
在高分子材料中加入粘土，可改善其力学、热学和其他性能，已有10多年的应用历史。
汽车上：丰田、三菱汽车上都采用尼龙、粘土混杂材料，纳米粘土量加入5%，提高刚度32%～50%，弹性模量提高98%。包装材料：啤酒瓶中加入粘土，保鲜期由120天提高到200天。
纳米粘土可用于光催化材料的载体、远红外健康功能材料、空气净化、抗菌功能内外墙涂料等方面。
六、结语
21世纪对矿物提出新的要求，新的概念。韩国将玉（宝）石用于内墙涂料、床垫等日常生活用品方面；日本将宝石碧玺不仅用于舒适、健康功能建筑材料和日用品［6］，还进一步用于环境、节能等方面。高技术和衣食住各种领域对非金属矿的要求越来越多，同时也发现了很多的非金属矿纳米材料。天然矿物相对于纳米材料具有含杂质或有害元素、不十分规则等缺点，需经选别、分离、分级。主要优点：成本低，可大量生产，有广大的市场前景。早已用于内墙涂料、脱色、催化、塑料、造纸、食油、食品、化工等行业，现还要扩大应用范围。
在日光、地辐射、热辐射条件下和在矿物中金属离子的催化作用下，水和空气被激活产生有益于健康功能的空气离子和离子水，这一技术可应用于食品、中药、纺织品、健康住宅等行业，应用前景广阔。
参考文献
［1］Jin Zongzhe，Ji Zhijiang，Liang Jinsheng，et al.Observation of spontaneous polarization of tourmaline.Chinese Physics，2003，12（2）：222-225
［2］Jin Zongzhe，Ji Zhijiang，Liang Jinsheng et al.The effect of photocatalysis activated by rare earth on purifying indoor air.The fifth International conference on ecomaterials.Tokai University Pacific Center，Honolulu，Hawaii，USA，2001
［3］Jin Zongzhe，Wang Yi et al.Photo-ion catalyzed RE functional synergymate.J.of rare earths Vol.，2005，（12）：54
［4］金宗哲.有益于健康的室内环境，见：中国科技发展经典文库（第六卷） .北京：中国档案出版社，2006，545
［5］Haunt A，Aerogel J.A transparent，porous superinsulator materials engineering congress.Sponsored by：ASCE，Pucloby，ASCE，1992：398-403
［6］Jochen Fricke.Aerogels and their applications.Journal of Non-crystalline solids，1992，（3）：356-362
Functional healthy minerals and their application
Jin Zongzhe
（China Building Materials Academy，Beijing 100024，China）
Abstract：Water and air can produce ion with health function by virtue of catalytic effects of metal ion of mineral under sunlight，earth radiation and thermal radiation.The paper studied rocks and minerals with health function，and introduced briefly minerals with purifying，moisture regulating and adiabatic function.
Key words：functional healthy minerals，ion-air，ion-water，photon-catalysis，synergy materials，clean-up effect，moisture regulating fumaterial.