电气石远红外辐射对水表面张力的影响

第 34卷第 5期 2006年 5月 硅 酸 盐 学 报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY V_01．34，No．5 May， 2006 电气石远红外辐射对水面张力的影响 潘艳芬，梁金生，欧秀芹，孟军平，梁广川，明 星 (河北工业大学能源与环保材料研究所，天津 300130) 摘 要。用固液分置法排除电气石自发电场对水的影响，研究了极性晶体电气石辐射的远红外线对水表面张力的影响规律。结果表明：电气石辐射的 远红外线作用于水分子产生共振，可削弱水分子间氢键作用，从而使水表面张力降低。室温时，当电气石粉体的中位粒径(D 为4,0~6．5 lam时，随 着电气石辐射远红外线对水作用时间延长，水的表面张力逐渐降低。D50为4,0prn，电气石粉体与水的质量比【m(t) (w)】不低于0．5时，随着辐射时间 的延长水表面张力明显降低。 0为6,5pm，m(t)『m(w)为0,5时，水表面张力由初始值72．571mN／m降为72,049mN／m。 关健词。电气石：粉体；水分子：表面张力：远红外线：氢键 中圈分类号l TD985 文献标识码：A 文章编号l 0454-5648(2006)05-0580-05 INFLUENCE oF FAR．INFRARED RADIATIoN FRoM ToURMALINE oN THE SURFACE TENSIoN oF、)I，ATER PANYahfen，LIAN GJinsheng，OUXiuqin，MENGJunping，LIANGGuangchuan，MINGXing (Institute ofPower Source and Ecomaterials Science，Heibei University ofTechnology，Tianjin 300130，China) Abstract：力’einfluence offar-infrared radiationfrom polar crystallinetourmalineonthe surfacetension ofwaterwasinvestigated The effect of spo ntaneous electric field of tourmaline was eliminated using soild．1iquid seperation mettIod．Th e results show that far-infrared rays from tourmaline resonate water molecules thUS weaken the hydrogen bonds between them．therefore lower the surfacetensionofwater,T白e surfacetensionofwaterdecreasedwith the radiationtimeofthefar-infrared raysfrom tourmaline grains with median diameter(D50)of 4．o__16．5 Bm．When D50 iS 4．0 I,tm and mass ratio oftourmaline to waterm(t)／m(w)iS 0．5 or higher,the surface tension of water decreased obviously witII the radiation time；when D50 iS 6．5 pan and m(t)／m(w)iS 0．5，the surface tension of water red ucesfrom 72．571mN／m to 72．049mN／m． Key words：tourmaline；powder；water molecular；surface tension；far-infrared；hydrogen bond 水分子在动植物生长发育、工农业生产等诸多 过程中，通过渗透、生化、矿化等物理化学反应起 着非常重要的作用。在这些过程中，水分子的表面 张力是影响物理化学作用的重要基础参数之一。由 于氢键的存在，水的表面张力值一般较大。近年来， 减小水表面张力的研究已经引起广泛关注【l 】，例 如：用表面活性剂来改变水表面张力L3】；用电场、 磁场、声波、红外线等外加能量破坏水分子问的氢 键L2¨ l，影响氢键网络体系，改变水的表面张力【I．61。 电气石是一种天然极性硅酸盐晶体矿物，其化学式 收稿日期：2005—12-03 修改稿收到日期：2006-03-06。 基金项目：河北省自然科学基金 (E2004000033)资助项目。 第一作者；潘艳芬 (1980~)，女，硕士研究生 通讯作者；梁金生 (1964~)，男，博士，研究员。 为：XY3Z6Si6Ols(BO3)3W4，其中：X=Na，Ca，K， 口(空位)；Y=Mg2+，Fe2 ，Mn2 ，A1 ，Fe ，Mn3 ， Li；Z=A1，Fe ， Cr3 ，Mg；W =OH， F ， O。电气 石晶体结构属三方晶系，尺3，，广C3群[7】。电气石具有 强的表面电场，可电离水，使水的pH值呈碱性[8】， 具有强的辐射远红外线能力 加】，能够活化水分子， 提高TiO2光催化活性【l卜 】。电气石置于水中，可使 蒸馏水 "O核磁共振半峰宽变窄，降低水分子缔合 度[13l，可影响水的表面张力和渗透性㈣。Ruan等n 1 制备了纤维素／电气石纳米复合薄膜，研究结果表明 Received date：2005-12-0 3．Approved date：2006-03-06． Firstauthor：PANYanfen(1980__)，female,graduate studentformasterdegree． E-mail：panyanfenn@163．c0m Correspondent author：LIANG Jinsheng(1964一)，male，professor． E—m n：tiang_jinsheng@sin~com 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 34卷讹 5嘲 · j8 Ib气t 诎坏 r部分纤维索分f闻氲淀 理论上，lb 气石的FO_场、辐射的远 l外线均I·j隧影响水的表 张力 但是已有的研究报道曲l电气 驶其制品列水 分子晌作用，均足以电气 或制- 直接 水分子接 触疗式作用，这 结果不能刈电 ef ／塑料复合十{科 等制 I 的活化水、执 作川机理给 合理解释 以犬然电极一 矿物材料电气f 『{’为远红外线的 射源，[{J『 波分 浊 究其辐射远红外线刈水表 而张力的影响舰律，为开发电 f 接接触 、 低成小d,fl：水、抗荫技术，提 爻验依删和 仑他 据 1 实 验 1．1 材 料 蒙r 1产黑电气打，化学 L,I戎 f质疑分数，为： A1203 34．98 ； B203】0．94‘ ： K20 0 036 ：Na O 0 9l ： MgO 0．2 ：SiO 34 6 ： Fe．O I5 8 所J_}J电气 i微粉· 位椅径，j ．外制为6 5，5 2，4．0． 2 7，0 94p_m。实验川水为上离 水 1．2 方 法 I 2．I 激分置实验装置 』¨j刮液分胃泣删试电 气石辐引远 外线刘水表 张 J的影响．皱置结构 示意 见罔 1 『封 【llI，在中mJ层均匀分散 色电气 粉 ，lb气于 作J_fj的塑 料桶裘 积 为 7 876mm ．4-：例粉曼刘麻不同粉 度．槌 往入 70g去离了：水， 1)e-⋯nl c‘1 wa【c Tl’u rrll~lI n 『 LIcr 【 H¨城舒霄犍置 Fig．1 Solid liquid seperation device 12 2 材料表征 iIl!_I试 川中『： 蠢海救美克公亓1 产LS800型激光精度仪测试In气 粉体粒径抒布 JfJ荷 PHILIPS公-d产 XL3OW／TMP型扫描1乜了 微(scanning electron microscope，SEM)镜 察电气 石微粉 微结构 用 Dmax一2500 X 利线衍刳 fx—ray diffraction，xRD J仪进行阡l 的物 签定，舒 析条件为：cu靶 k 线， 滤波，管l乜 40 kv， 管电流为 100 Ilia 用德I Bruker仪器公司产 VECTOR22 型Fourier变换 外 (Fourier transform infrared．FTIR)光谱仪分析电 1 构 一 !O C，0．1030MPa，J JL康节 一光学仪器厂 wOF_410 FTlR仪测试远红外辅 作用前后承m FTIR比饼，分析水分子氯键，分晰率为4 cn1．_手1 摘次数Y,j 32 】 德旧 dataphysics公 J ’DCAT21 型个rl动表 怅力仪．测试电气 I粒任、 水作用 时 、电 水质M．-比m(t)lm(w)的影响 r．嘲液 分冒装’ Il：水表向张 的变化．删试精度 o 03 mN／m 2 结果与讨论 2．1 电气石矿物材料表征 电气仃的浊向全发射率为()90 粉体粒径分柑 洲试 i粜中，D 为4．0lLm的『匕气f：，上限粒径(D )) 为9．9}lIn． 1、限村径 (Dln) 1 0gm l{纠2为D 为4 0 gm的电气 的娃微结构 ．曰十电擞性的存 ：， 大 粒吼附小翱犄，小频粒M以逝状彼此 按 3为电气 l的XRD谱，3-要组分为黑电气丁 剖2 电气 糟!~il41 SEM ． 片 Fig 2 Scanning electron micro~ope{SEM )photograph 0 r tourmaline powder 21) 30 40 5(1 () 2，， l。} 罔3 电气 IXRD潜 Fig 3 X—ray diffraction pattern(XRD)of tourmaline 维普资讯 http://www.cqvip.com ·582 · 硅 酸 盐 学 报 2006住 图4为电气石的F兀R谱，3 695 crn- 为电气石 的结构羟基吸收峰，3 441 cm- 为水吸收峰，1 636 cm- 为B—o键伸缩振动吸收峰，1 034 cm- 为 Si—0一 Si键伸缩振动峰，471 cm- 为其它金属离子与氧形成 的M—0键吸收峰。由Kirchhoff定律：对于给定的 温度和波长，任何物体的光谱辐射度与其光谱吸收 率之比值都相等，因此，可知，电气石在以上这些 位置处有较强的红外辐射能力。 3600 32oo28oo24oo2000 l600 l2oo 8oo 400 W ave number／cm—I 图 4 电气石的FTIR谱 Fig．4 Fourier transform infrared(FTIR)spectrum of tourmaline 2．2 电气石辐射远红外线对水中氢键结构的影响 电气石表面附近的强电场和辐射的远红外线均 可能对水的表面张力产生影响。水是极性液体，外 加电场能使水分子获得附加电能，研究【4】表明：外 加电场后分子间距离增加，破坏水分子间氢键。在 垂直于C轴方向，电气石的表面电场强度Eo=6．2x10 V／m，静电场随着远离中心迅速减弱，在平行于 C 轴方向电场度最大，其计算公式为I1刚： E，=(2／3)E0(a／r) 其中：a为电气石微粒半径；r为距离电气石表面的 距离。当a=4．95xl0_om，，==2×l0_4m时，Er=17．7v／m。 也就是说，当塑料桶壁厚为 0．2 rnlTl时，作用于水的 电气石的最大电场强度不超过 17．7 V／m，此能量只 能使水分子偶极矩产生沿外电场取向的趋势，不能 引起水中氢键断裂，而且电气石粉粒处于无规则堆 积状态，各粉粒产生的电场将互相抵消，于是电场 的作用可以忽略，因此，图 1中的装置可用作 电气石辐射红外线对水的影响。 水分子间最强的作用力是氢键，它使水分子缔 合为团簇结构，形成氢键网络。红外光谱是判别氢 键存在与否和研究氢键强弱的主要方法 7¨-18]o水的 红外吸收区域在 3 200cm- 和 1 600cm- 附近，图4 中电气石在这两个位置处有较强的红外辐射能力， 当电气石辐射的红外线作用于水时，红外线的波长 和水的吸收波长相对应，产生共振吸收。图5为利 用固液分置装置测得的电气石作用前后水的 FTIR 谱。图5中所用电气石 D5o为 4．0 lam，m(t)／m(w)为 0．5，作用时间为 2h。 图 5中，3 098 cm- 为未经电气石处理的水的 0一H键的红外吸收峰，经过电气石红外线作用后， o—H 键吸收峰向高频移至 3 109 cnC ，左移了 11 crn- ，并且峰强增大。未有氢键作用时0卜___H键的 特征频率在 3 500~3 730 cm一，水中形成氢键 。一 H⋯o后，会使 。一H键的长度略有增加(约 5 )， 强度略有减弱，因此，特征频率将减少至 3 100～ 3 550cm一，与氢键 (3200~3400 cm- )重合，这 一 减少的数值可作为氢键强弱的度量Il7】，由此可 知，氢键作用增强时，o—H键吸收峰向低频方向 移动；反之，o—H键吸收峰则向高频方向移动。 图中。一H键峰值位置左移，峰强增大，表明经过 电气石辐射红外线作用后，水中氢键作用减弱。 ⋯ Primarywate 4000 36O0 320028oo24oo2000 l 6O0 l 2oo 8oo 4oo Wave numbe r／cm。I 图5 电气石作用前后水 FTIR谱 Fig．5 FTIR spectraofwaterbeforean daftertreatment 2．3 电气石粉体粒径对水表面张力的影响 粒径为0．94～6．5 lam的电气石对水表面张力的 影响见图 6。在所测试粒径范围内，水表面张力随 着电气石粉体粒径的增大而降低。D50<4．0 lam时， 水表面张力的降低幅度较大；D5o>4．0 lam后，曲线 趋于平滑，粒径的作用减弱。6．5岬 的电气石使 水表面张力由 72．571 mN／m降为 72．049 mN／m。 粒径为4．0 lam的电气石辐射红外线对水表面张 力的影响见图7。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第34卷第5期 潘艳芬等：电气石远红外辐射 壅堕 墅堕 ： 翌 ： 图 6 电气石粒径对水表面张力的影响 Fig．6 Influence of tourmaline radius on the surface tension of water 0 0．5 l 1．5 2 Time|h 图 7 电气石作用时间对水表面张力的影响 Fig．7 Influence of tourmaline treatment time on the surface tension of water 图7中，随着时间的延长，水表面张力逐渐降 低，降低速度逐渐减慢，初始值为 72．571 mN／m， 电气石作用0．5 h后，表面张力值变为72．399 mN／m， 2h后降为 72．089mN／m。 2．4 电气石用量对水表面张力的影响 图8为D50=4．0 lun电气石的用量对水表面张力 的影响规律。20℃时，作用时间为2h。电气石量 0 0．13 0．25 0．38 0．5 0．63 0．75 0．88 1 Massratio 图 8 不同质量比时电气石对水表面张力的影响 Fig．8 Influence oftourmaline on surface tension of water at differentmass ratiosoftourmalinetowater 分别为0，1．0，8．8，17．5，35．0，70．0g，在塑料桶 壁上的质量面积比分别为0，0．127，1．111，2．226， 4．444，8．906 g／cm ，对应 m(t)／m(w)为：0，0．014， 0．125，0．250，0．500，1．000。水表面张力随着电气 石粉体用量的增多而降低。其中：m(t)／m(w)=O．125， 0．5是曲线上两个拐点，对应的表面张力值分别降低 为72．5 14 mN／m，72．089 mN／m。当m(t)／m(w)O．5时，水表面张力降低明显，但曲 线变平缓，增加用量对水表面张力的影响作用减弱。 因此，电气石的适宜用量为 35．0 g，m(t)lm(w)=O．5。 根据振频相近快速传能的原理 J，物质的吸收 光谱与红外辐射物质的辐射光谱一致时吸收能量最 佳。在选择辐射材料时，其辐射峰带要与被加热物 料的吸收峰带尽量对准。电气石在水的红外特征吸 收区域有较高的红外发射能力，满足红外辐射物质 的辐射峰带与红外吸收物质的吸收峰带一致的原 则。水分子之间的氢键的键能为29~42kJ／mol，相 当于红外区2．7～4．1 lun的光子能量，因此从理论上 讲，电气石辐射的远红外线具有足够的能量来打断 水中的氢键。当电气石辐射的红外线作用于水时， 红外线的波长和水的吸收波长相对应，产生共振吸 收，氢键作用减弱，于是水的表面张力降低。 3 结 论 (1)经过电气石辐射红外线作用后，在水的红 外特征吸收峰处，0_H键峰值向大波数方向位移， 并且峰强增大，氢键作用减弱，使水表面张力降低。 (2)当电气石粉体的中位径 (D50)为4．0～6．5 lun时，随着电气石辐射远红外线对水作用时间延 长，水的表面张力逐渐降低；电气石D50为4．0lun， m(t)／m(w)不低于 0．5时，随着作用时间的延长水表 面张力可明显降低；电气石 D50为6．5 lun，m(t)／m(w) 为 0．5时，水的表面张力可由初始值 72．571 mN／m 降为 72．049 mN／m。 参考文献： 【l】 CHO Y I，LEE S H．Reduction in the surface tension of water due to physical water la'eatment for fouling control in heat exchangers[J]．Int Commun Heat Mass，2005，32(1)：1-9． 【2】 SHIMOKAWA S，YOKONO T，MIZUNO T，et a1．Effect of far- infrared light irradiation on water as observed by X-ray diffraction measuremen~O]．Jim J Appl Plays，2004，43(4)：545-547． 【3】 任宇航，许祝安，田 涛，等．水表面张力的磁化效应[J】．浙江大 学学报，1997，31(2)：142—146． 一__uH．Z昌一、口0 口u u rI∞ 5 4 3 J 一一．吕．Z昌一、口0 口u u rI∞ 5 4 3 2 (IJII．Z昌一、口oIs口 8雹 Il的 维普资讯 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