金宗哲
（中國建築材料研究院，北京 100024）
摘要 討論了在日光、地輻射、熱輻射條件下和在礦物中金屬離子的催化作用下，水和空氣被激活產生有益於健康功能的空氣離子和離子水的機理。討論了健康功能巖土、礦物，簡述了具有凈化功能、調濕功能、絕熱功能等的礦物。
關鍵詞 健康功能；含離子礦物；含離子空氣；離子水；光子催化；協合材料；凈化作用；調濕材料。
作者簡介：金宗哲（1935—），男，朝鮮族，工學博士，教授級高級工程師。聯系方式：010-68312052，jinzongzhe@sina.com。
生命科學已證實，疾病和衰老的根本原因與氧化作用有關，防止氧化的物質就是還原劑。對生命科學來說，抗氧化物質就是健康長壽的食物及材料。人類不可缺的空氣、水和食物中都含有氧化作用和還原作用的兩種物質，即氧化還原作用的離子。酸性物質實際上有時候也是有害健康的氧化物，疲勞過度也與氧化有關。正離子加速氧化反應，受汙染的空氣中含有大量的正離子，所以人們感到很不舒服。讓人們感到舒服和有利於健康的是負離子。總之，空氣、水和食物都與周圍的土地、巖石協合催化作用下產生有健康功能的負離子空氣、還原功能的離子水和含離子的健康食物。
本文討論具有健康功能的含離子礦物，簡述具有凈化功能、調濕功能、絕熱功能等的礦物［1～6］。
壹、健康功能礦物
中國古代就利用健康材料，在我國的古籍中記載了壹種神奇的石料——磬石（古代稱泗濱浮石），夏、商、周開始用磬石砭術治病，孔子采用磬石養身（公元前551～479年）。它是古代制造石磬（樂器）和砭具（治病）的礦石，是壹種微晶方解石，以碳酸鈣為主要成分，含有鈦、鉻、錳、鋅、鍶、稀土等有益於健康的元素。遠紅外輻射率高，對人有熱效應，敲擊時發出可聽見的聲音，還發出頻率約20000 Hz的超聲波脈沖，至今沒有搞清楚其作用於人體健康方面的機理。李時珍的《本草綱目》中有106種礦石藥物。另外還有健康寶石：水晶——解除疲勞，提高效率；綠、紅寶石——提高生育能力；鉆石——使人精力旺盛，玉——遠紅外輻射材料，活化血液；琥珀——中醫學上用於化瘀、利尿、安神，主治尿血、失眠，還可治潰瘍。
麥飯石（maifan stone）：偏堿性的礦石，含36種元素、26種微量元素。用於水質凈化、養殖、飼料、肥料、產生負離子；吸附有害物（有機、無機）、保鮮、防腐及除臭。該石又被稱為長壽石、凈化石、礦化水的健康石。
電氣石（Tourmaline）：純度高的稱為碧璽（寶石的壹種），有紅、藍、白、黑等多種顏色，壹種獨特的具有自發激化電極、兼具有壓電性和熱電性的礦物。1989年日本學者Kubo證實了電氣石微粒周圍靜電場的存在。它能產生負離子、活化水分子：吸附粉塵、凈化大氣、凈化水質、殺菌除垢，有電磁屏蔽作用等。
電氣石是壹種天然晶體材料，屬三方晶系，呈復三方柱狀。電氣石的化學式為：XR3Al6B3O27（OH）4，其中X為Na、K、Ca，R為Mg、Fe、Mn、Li、Al等，X的種類、含量和離子價態直接影響電氣石的性能。其產生負離子的原因，壹般認為是與其內部存在永久性電極［1］和變價金屬離子有關，電離空氣中的分子而產生的。
（壹）負離子對人體健康的影響
空氣中的離子（air ion）對人體醫療和生理的影響的研究早在20世紀30年代就有論述。究竟空氣中對人有益的是什麽離子，近些年來又引起世界的廣泛關註。1980年德國醫學界率先證明正離子多的地方人們得各種慢性疾病的比率高，發生交通事故也多。日本醫學界對空氣離子的作用壹直較為重視，進行了大量的觀測和臨床實驗，證明了負離子對人體的健康有益。
1）負離子直接影響細胞膜的電位，提高細胞的各種功能，促進新陳代謝，增加機體免疫力。
2）堿性離子可增加細胞的滲透性，增加吸氧量，改善肺功能。
3）負離子通過呼吸進入人體，調整血液的酸堿度，使之為弱堿性。堿性離子具有表面活性劑的作用，使血管中的膽固醇形成膠體而分散，減輕血液中的絮凝，降低血壓。
4）負離子具有安定自律神經、控制交感神經、改善睡眠效果的作用。
5）增加發汗量，增加腦波α波，減輕疲勞。
6）負離子還有控制炎癥、鎮痛、抗癌的作用，對肝硬化、糖尿病、神經麻痹均有治療效果。
（二）產生負離子的機理與表征
1）機械作用：空氣中的分子的機械運動能量轉化為化學能，使空氣中的水分子電離；由於空氣的熱運動，空氣分子產生摩擦、相互碰撞，氣體分子發生電離或電荷轉移；由於水的落差，水分子與空氣摩擦或水分子之間撞擊，氣體分子發生電離或電荷轉移。
2）光作用：可見光、紅外線、紫外線、宇宙射線。
3）在巖石和土壤的放射作用下，空氣中的分子與之電離。
4）靜電作用：外加電場使氣體電離或尖端放電氣體分子俘獲電子而成為負離子。所以，雷雨過後，空氣中負離子濃度高，空氣非常清新。
5）化學能與生物能作用：多種化學反應、植物的光合作用、海洋的藻類所提供的生物能量也可增加空氣中的負離子。
總之，負離子的產生必須有能量的來源和負電荷的載體，其效果用負離子的產量與氧化還原電位表征，見表1。
表1 健康功能礦石在水中的氧化還原電位和負離子產量
註：儀器用ORP/REDOX MONITOR（American Marine inc.），2006年10月至2007年1月，將試樣置於水中，每月測試數次取平均值，其數值變化很小。
血液的氧化還原電位為124～160 mV，因此把氧化還原電位在160 mV以下的物質定為有益於健康長壽的還原劑。廣西巴馬縣從石灰巖和粘土中湧出的水的ORP為150 mV以下。由此，國際自然醫學會認定此水為健康長壽水。
（三）電氣石中金屬與稀土元素協合材料（Synergy materials）
壹些礦物和無機氧化物復合粉體中含有金屬離子。研究發現，稀土元素的復合鹽也具有導致空氣中分子電離的功能，而增加空氣中負離子的濃度［2］。
變價稀土元素Re的變價過程、電氣石中的變價金屬離子、壓電與熱電效應，以及低能輻射的協同作用，提高了產生自由基的濃度，並把自由基轉化為負離子（圖1），負離子的產率可提高到2000個/cm3以上［3］。
圖1 在日光、地輻射和熱輻射條件下，水和空氣在電氣石中的金屬離子和稀土元素的催化作用下產生負離子的過程
二、凈化功能的礦物
絕大多數礦物在水介質中，表面發生羥基化，具有荷電荷性；鹽類和硫化礦物的礦物表面具有鹽基與硫基。因此，礦物表面產生極性、化學吸附作用。
以吸著、分解、中和反應或離子交換等各種方式或凈化某種氣體，因此凈化量為吸著量、分解量、化學反應量或離子交換量的函數。凈化量大於揮發量，且吸著速度大於脫附解吸速度的材料都稱為空氣凈化材料。
1）土壤——是含空氣和水的多孔材料，具有呼吸、天然自凈化和過濾功能。
2）多孔礦物：沸石、矽藻土、輕質蛋白石、磷灰石、電氣石、石英、磁鐵礦等。
3）離子交換礦物：方解石、文石、碳酸鹽礦物、沸石、粘土等。
4）光子-離子協合凈化材料［3，4］：綜合了化學吸附、物理吸附、光催化等多元催化技術，主要是經過各種途徑產生活性氧自由基，具有持久的空氣凈化性能。
NH3的凈化，NH3＋·OH→ NH2＋H2O NH2＋·OH→HNO HNO＋O2→HNO3（1）
NOx的凈化，當λ≤430nm時：NO2＋hν→ NO ＋O NO ＋NH2→ N2＋H2O NO2＋·OH→HNO3 （2）
VOC的凈化：VOC ＋·OH ＋ O2→H2O ＋CO2＋其他產物 （3）
甲醛的凈化，當λ≤370nm時：
HCHO ＋hν→·H ＋HCO，或H2＋CO CO ＋·OH→H ＋CO2 （4）
CO2的凈化，當λ≤186nm時：
2H2O→O2＋4 H＋＋4e CO2＋4 H＋＋4e→CH2O ＋H2O （5）
MeO ＋CO2→MeCO3（Me金屬離子） （6）
三、絕熱納米礦物
1992年美國Haunt［5］提出超級絕熱材料（Supper in sulator）的概念，在預定的使用條件下，其導熱系數低於“無對流空氣”導熱系數的絕熱材料。
空氣中的主要成分氮氣和氧氣的自由程都在70nm左右，因此只有在大部分氣孔尺寸都小於50nm時，材料內部才基本消除對流，使對流傳熱大幅度降低。許多研究表明：當材料中氣孔的直徑小於50nm時，氣孔內的分子就失去了自由流動的能力，而相對地附著在氣孔上，這時材料近處的狀態近似於直孔狀態。同時，由於納米吸氣孔及極低的體積密度，材料內部會有極多的反射界面與散射微粒，可見光和紫外光反射率為95%以上。可使材料不論是在高溫和常溫下均有低於空氣的熱導率。粉狀λ≤0.020W/m·℃，塊狀 λ≤0.014W/m·℃。
美國NASA的航天飛機的隔熱瓦是用陶瓷纖維板的骨架中充滿SiO2氣凝膠來實現的。SiO2氣凝膠（aeragels）是納米多孔非晶態材料，孔洞率80%～99.8%，孔尺寸1～100nm，比表面200～1000 m2/g，密度3～500 kg/m3。
實際上有很多絕熱作用的礦物，如蛭石（Mg、Fe、Al）3（Si、Al）4O10OH·4H2O是壹種良好的絕熱納米礦物，於900℃下燃燒，1分鐘體積膨脹10～30倍，膨脹後的蛭石有空氣隔層，具有最良好的絕熱、保溫、隔音性能並吸收放射性的特性，其熱導率為λ＜0.013W/m·℃，密度為60～200 kg/m3，吸聲系數為0.06～0.60。這種材料也可用於隔熱、隔音塗料及節能住宅的外墻。
四、調濕功能納米材料
要求室內濕度保持相對壹定，濕度大時吸濕、幹燥時放濕功能的材料稱為調濕材料。濕度大時，空氣中的水分凝結成水蒸氣，濕度小時凝縮水氣化。常溫蒸氣壓力p與毛細管的半徑R的關系為lnp∝1/R。當常溫相對濕度為40%時，R＝3.2nm；相對濕度為70%時，R＝7.4nm。由此原理，調濕材料設計成為進水孔的半徑為≥7.4nm，出氣孔的氣化毛細孔半徑為≤3.2nm。納米SiO2，經酸處理的海泡石、矽藻土都具有上述功能。吸放濕量為12g/m2·h。
五、納米粘土
在高分子材料中加入粘土，可改善其力學、熱學和其他性能，已有10多年的應用歷史。
汽車上：豐田、三菱汽車上都采用尼龍、粘土混雜材料，納米粘土量加入5%，提高剛度32%～50%，彈性模量提高98%。包裝材料：啤酒瓶中加入粘土，保鮮期由120天提高到200天。
納米粘土可用於光催化材料的載體、遠紅外健康功能材料、空氣凈化、抗菌功能內外墻塗料等方面。
六、結語
21世紀對礦物提出新的要求，新的概念。韓國將玉（寶）石用於內墻塗料、床墊等日常生活用品方面；日本將寶石碧璽不僅用於舒適、健康功能建築材料和日用品［6］，還進壹步用於環境、節能等方面。高技術和衣食住各種領域對非金屬礦的要求越來越多，同時也發現了很多的非金屬礦納米材料。天然礦物相對於納米材料具有含雜質或有害元素、不十分規則等缺點，需經選別、分離、分級。主要優點：成本低，可大量生產，有廣大的市場前景。早已用於內墻塗料、脫色、催化、塑料、造紙、食油、食品、化工等行業，現還要擴大應用範圍。
在日光、地輻射、熱輻射條件下和在礦物中金屬離子的催化作用下，水和空氣被激活產生有益於健康功能的空氣離子和離子水，這壹技術可應用於食品、中藥、紡織品、健康住宅等行業，應用前景廣闊。
參考文獻
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［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.有益於健康的室內環境，見：中國科技發展經典文庫（第六卷） .北京：中國檔案出版社，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.