电气石的负离子与远红外功能对植物生长的影响研究

1.      前言

近年来，科技的快速发展给我们的生活带来了诸多便利，但是，伴随社会发展也是大自然环境的破坏、环境污染等问题也越来越严重，污染的环境对人类的健康带来了冲击，许多文明病也渐渐的在人类的周遭发生。因此，越来越多有利于人体健康的材料或者物质正快速进入我们的生活中来了。

在所有具备保健、养生、促进健康的物质中，最为我们所熟悉的就是电气石（又叫碧玺或者托玛琳/Tourmaline)。电气石(Tourmaline)是人类最早发现，具有压电及热电性的天然矿物，在十八世纪初期，荷兰人从印度的锡兰(Ceylon)引进了一种名为托玛琳(Tourmaline)的宝石到欧洲市场，并发现此种矿石在火堆当中加热时，会产生吸附煤灰的特性，当时人们对这种矿物称之为锡兰磁铁(Ceylon magnetic)， 1880年经由Jacques和Pierre的研究发表电气石的压电性，电气石也就是由于它本身固有的热释电性而得此名。近年来的研究指出电气石具有释放负离子、发射远红外线、吸附重金属离子、调节水的ph值等特殊性能，另外，电气石与氧分子发生电极反应产生OH^-，OH^-再与H₂O结合可形成负羟离子，H₃O₂^-即负羟离子H₃O₂^-，具还原性，能够与水中的次氯酸等氧化剂发生反应，有助于消除余氯。因此，电气石逐渐成为热门的天然矿物功能材料，受到世界各国的普遍重视。

图 1 电气产生负离子示意图

研究证明，电气石所释放的远红外线与负离子对生物具有促进成长与抗老化的效果。根据前人研究，电气石能够调整酸碱值，电气石所释放的负离子则能够中和自由基，能降低有害能量，在养殖业当中亦有相关的应用。但是一直以来，研究机构缺乏一个完整的对于天然矿物电气石对人体健康的促进作用的研究，但是目前市面上利用远红外线及负离子的功能来改善人体健康的产品却越来越多，开发功能性材并应用于人体健康支已是目前重要的发展趋势。因此，本研究将探讨电气石矿物特性，分析检测其功效，并探索电气石对植物的反应，并分别针对废机油的分解与植株成长的反应进行深入研究，于观察的过程当中探究其现象，希望能将此研究建立在未来环保与保健的研究基础上有所贡献。

2.      电气石的结构

在进行研究前，我们所大概了解一下电气石的物理结构。根据文献记载，电气石为环状三角硅酸盐所形成的柱状结构，为天然的压电结构，具有永久性的极化现象，因此能够产生0.6微伏特的电流；晶体结构当中掺杂着过渡金属元素，或金属元素的氧化物。但是，电器石具有压电结构以及过渡元素在晶体当中形成的缺陷，因此可造成电气石之晶体能产生永久性的极化效应以及电子越迁现象，因而能产生负离子与远红外线。

图 2 电气石的晶体结构

电气石生成于火成岩当中的矿物，通常会与花岗岩当中的伟晶共生，电气石在地层当中所示的三元象图当中，分别为Al、Al₅₀Fe₅₀、Al₅₀Mg₅₀所组成，依照成份的不同会生成不同结构的电气石。

图 3 电气石在地层当中与各种矿物共生

3.      电气石的特性

电气石的微结构属于六方晶柱，其中以三角环状硅酸盐结构为主，形成六方晶柱的单体，在晶体当中掺杂有过渡金属元素。由于电气石具有过渡金属元素所造成的晶体缺陷，因此电气石能够产生电子越迁的现象，因而能够释放出波长范围在3~1000μm 的远红外线。

图 4 电子越迁示意图

远红外线为波长3~1000μm 的电磁波，其远红外线可对细胞产生共振，将电磁能转换为热能，使皮下组织的温度微升，产生微血管扩张与血液循环加快的现象，便可减少心脏的压力，并能达到促进新陈代谢之功效。

图 5电磁光波频谱图

4.      实验流程

本研究主要是针对电气石的物理特性进行应用测试，本实验所采用之电气石为巴西电气石，分别针对电气石所释放之远红外线与负离子的特性进行分析，实验流程如图7 所示，并观察电气石对水质与植物的影响。

图 6实验流程图

1)     电气石前处理

本实验先将天然之巴西电气石碎矿进行前处理。将电气石原矿粉碎后，以陶瓷研钵将电气石碎片研磨成粒径为30μm 以下的粉末。

图 7 巴西电气石碎料

2)     电气石之性质分析

1.        远红外线放射率测量

将研磨完成的粉末以双面胶贴黏于尺寸122mm，厚度1mm 的铜片上，将试片安置于FT-IR(Fourier Transform Infrared, Bruker, VERTEX70)的放射率载台上进行远红外线放射率测量，测量温度分别为40°C、60°C、80°C、100°C。

实验所采用的巴西电气石，以FT-IR 进行放射量分析后，所获得之远红外线放射率平均值如下图所示。电气石之远红外线放射率测量在温度条件为40°C 时，平均值为0.957，温度为60°C 时，平均值为0.955°C，温度为80°C 时，放射率平均值为0.952，温度为100°C 时，所测得的放射率平均值为0.958。

图 8电气石之远红外线放射率图谱

2.        负离子浓度测量

将电气石碎矿置于容器当中，以日本COM公司的COM-3010pro矿石负离子检测仪进行矿石的负离子浓度检测，检测方式为8次20sec测量平均值。本实验所测得的负离子平均浓度为1363cc/ion。

图 9 固体负离子释放量专用检测设备（COM-3010pro 矿石负离子检测仪）

图 10 电气石负离子释放浓度测试

3)     效能测试

由上述之性质分析得知，电气石具有释放远红外线及负离子的特性，前人研究得知，远红外线可细化水分子团，可促进生物体成长，并且能够提高渗透能力，而负离子则能中和自由基，减少生物的有害因素，同时能使污染源分解沉淀；在此将以电气石特性对水质的测试，并进行余氯测量以及油酯反应测试，同时以培植绿豆测试其电气石对生物的影响与效果。

1.        水质反应测试

图 11 水质测试流程

1)        余氯测试

首先取60cc的自来水，5cc左右的氯仿进行余氯的染色试验，确定自来水具有明显的余氯反应后，分别以四个对照组进行测试，自来水样品每杯为60cc，第一杯为纯自来水，同时将50g的电气石投入第二杯自来水静置5min，再将电气石投入第三杯自来水当中静置10min后再将电气石投入第四杯自来水当中静置15min。

静置15min后，进行FTIR穿透率取样，于取样后分别加入5cc的氯仿进行试验，自来水中余氯含量初步观察为黄色状态，表示水中含有氯的成分，并以FT-IR对自来水的试片进行穿透率分析，将自来水样品注入液体载台内进行穿透率测量，并以图谱比对每个样品的特征讯号。

经由电气石的浸泡，自来水会因为浸泡电气石，而造成余氯浓度的减少，如下图为自来水以氯仿进行反应测试，从照片上可以很明显的看出严重的余氯反应，而从照片上的(b)、(c)、(d)依序为浸泡电气石静置5、10、15min，样品静置时间越久，则余氯反应越少。

图 12 自来水浸泡电气石后之氯仿测试

(a)未浸泡 (b)浸泡5 min (c)浸泡10min (d)浸泡15min

透过氯仿的反应，得知电气石有降低自来水中余氯含量效果，然而就单纯以氯仿进行余氯的反应测试并无法将实验数据量化，在此将进一步以FTIR进行穿透率测量，以左证余氯反应的现象。

下面所示之FT-IR穿透率图谱，样品分别为自来水与浸泡电气石的自来水，图谱曲线的噪声最多也最明显，(a)为自来水的图谱，(b)、(c)、(d)依序分别为浸泡电气石5、10、15min后的自来水，从图谱中可以明显的看出，浸泡的时间越久，则图谱上的噪声越少，因此可以判断，电气石经浸泡后，自来水中余氯有降低的现象。

图 13 自来水浸泡电气石后之穿透率光谱图

(a)未浸泡(b)浸泡5 min(c)浸泡10 min (d)浸泡15 min

2)        油酯测试

本实验主要测试电气石加入油酯后的反应是否有分解乳化的现象，分别以两杯60cc的自来水，其中一杯投入50g的电气石，经搅拌后个别倒入20g的废机油，然后于静置48h进行拍摄。结果如图14所示，自来水与废机油混合静置后，自来水表面悬浮的油酯，中央部分还存在许多凝聚的油酯，然而图15所示的样品，浮在水面的油酯中央已无凝聚的油酯，且油酯的颜色较淡，由此观察发现，添加电气石的废机油，其表面的所悬浮的油酯明显减少。

图 14 自来水与废机油混合

图 15 添加电气石的自来水与废机油混合

废机油的实验透过长时间的静置以后可发现，电气石的添加可使自来水对废机油产生分解现象，图16所示为自来水添加废机油混合后，静置时间延长至120h后对样品杯底的拍摄，可以明显的看到，自来水除了稍微变黄以外，水质依然清澈；然而对照图17所示之现象可以发现，添加电气石的自来水，在混合废机油静制120h后，杯底出现明显的沉淀现象，对照图14与图15可分别看出其差异，图15由于于悬浮于水面的废机油因分解而沉淀，因此悬浮于表面的油酯减少，对光的遮蔽能力降低，使得废机油颜色变淡。

图 16 纯自来水混合废机油静制120h

图 17自来水添加电气石后混合废机油静制120h

静置后的废机油分别以FT IR进行穿透率分析，测量其特征讯号，其实验结果如图18所示。本实验采用远红外线穿透率的方式进行分析，横轴为波数，即为光波的频率，纵轴则为穿透比例，也就是远红外线经过样品后，远红外线光源未受到遮损的比例，图谱当中曲线a为添加电气石的样品，可以看到其光源的透过率明显高于未添加电气石的样品(图18 b)，由此现象可以判断，曲线a的机油浓度比较低，是由于乳化分解现象造成含水率提高。

图 18 废机油穿透率分析(a)自来水中添加电气石(b)自来水

(一)  植物成长反应测试

植物测试部份是以绿豆进行实验，分别以RO水与自来水培植绿豆，再将另外两组分别加入电气石进行培植对照，以三天为周期进行观察及拍摄(图19)。

图 19 培植绿豆的分组示意图

培植第三天观察发现，RO水所培植的豆芽当中，底部铺有电气石的样品成长较慢(如图20 a.b所示)，从照片上(a)可以很明显的看到，纯RO水所培植的豆芽的绿叶已经展开，但杯底铺有电气石的样品仍然维持在绿叶未展开的阶段，而且子叶有持续长大的现象。

（a）

（b）

图 20 以RO水培植绿豆第三天之观察

RO水栽培(b) RO水添加电气石栽培

以自来水栽培绿豆的部份，绿豆的成长速度明显的比OR水快，值得注意的是，经自来水培植的部份，成长速度仍然是铺有电气石的样品较慢(图21 a.b)。

(a)

(b)

图 21 以自来水培植绿豆第三天之观察(a)RO水栽培(b)RO水添加电气石栽培

经绿豆培植第六天，绿豆的成长大部分已成长至10~20Cm，此时所有的样品开始产生成长上的差距，从实验的观察当中可以明显的发现，电气石对绿豆成长的影响，会因不同的水质而有不同的效果产生。

如图22所示，自来水所培植的绿豆，培植到第六天，豆芽成长较为参差不齐(图22 a)，反观底部铺有电气石的样品(图22 b)，虽然刚开始培植的时候成长速度较慢，但是在第六天观察及拍摄时，每颗豆芽成长比较平均，而且豆芽的枝干比较不容易弯曲，显示电气石能够调整植物的生长速度，使植物维持在最接近理想的成长状态。

(a)

(b)

图 22 以自来水培植绿豆第六天拍摄(a)纯自来水栽植的样品(b)添加电气石的样品

同样的培植绿豆的第六天，RO水所灌溉的样品进行观测，可以明显的发现，纯RO水的所培植的样品成长速度非常快，并且开始有支干弯曲的现象(图23 a)，然而如图23 b所示，底部铺有电气石的样品，十棵豆苗当中只有三棵豆苗成长至20Cm左右。

(a)

(b)

图 23 以RO水培植绿豆第六天拍摄(a)纯自来水栽植的样品(b)添加电气石的样品

在培植绿豆的第九天，底部铺有电气石的样品，除了三株有成长现象以外，其余仍然维持在发芽的阶段，但豆芽的子叶仍然有持续成长的现象，此时与原来的绿豆比较，豆芽的体型已成长为绿豆的两倍(图24)。

图 23于培植实验第九天时与绿豆进行比较的豆芽

在绿豆实验的过程当中可以发现，绿豆的成长会因为底部铺有电气石的关系，使得豆苗的成长变慢，然而当绿豆的植株成长超过10Cm以后，绿豆植株的成长会比较平均。

为了更进一步了解，为何以自来水培植的绿豆皆可在第六天就能成长至15Cm以上，而RO水所培植的样品中，底部铺有电气石的植株，大部份会一直持续在发芽的阶段，因此，针对固体量分析来做比较，如图25、26所示，自来水的固体量高达235ppm，而RO水的固体量只有10ppm，由此判断在绿豆种植实验当中，会因放置电气石产生速度与健康程度的差别，另外在接近纯水的条件下，电气石会造成植物明显的成长推迟现象。

图 24 自来水的固体量检测

图 25 RO水的固体量检测

自来水所培植的植株当中，尽管有受到电气石的影响，植株成长的推迟只出现在成长初期，而在接近纯水的环境，由于水中缺乏绿豆所需的养分，所以成长速度明显变慢，甚至在培植实验的第十五天，以纯RO水灌溉的绿豆植株已经开始产生凋萎(如图27)。

图 26 以RO水灌溉的植株于第十五天开产凋萎

而在底部铺有电气石的植株，会因为接受到电气石所产生的远红外线或负离子而产生抗老化的效果，使缺乏的绿豆植株不至于因为缺乏营养而老化。

于培植绿豆的第十五天，对绿豆植株进行2000x的微结构观察，对各组样品的绿叶作光学显微镜试片，观察自来水培植的样品(图28)，(a)为添加电气石的样品，与(b)未添加电气石的样品相较之下，颜色较绿，且较具光泽，其气孔与纹路组织边界有比较明显的分隔，反观未添加电气石的颜色较为偏黄，且无光泽，表面纹路较为松散。

自来水培植绿豆之绿叶微观结构(a)添加电气石(b)未添加电气石

在RO水培植的部份(图30)微观组织与自来水培植的植株比较，叶片上的纹路较为圆润，有添加电气石的叶片(图29 a)颜色与纹路也一样比未添加电气石的(图29 b)明显。

RO水培植绿豆之绿叶微观结构(a)添加电气石(b)未添加电气石

5.      结 论

在本研究当中，除了针对电气石固有的矿物特性进行分析检测以外，更对电气石进行了一系列的效能测试，除了检测电气石的基本特性之外，主要还是对电气石进行应用价值的探讨，在过去的文献当中，对电气石的特性以及应用层面甚广，然而就生物效应与废机油的部分却尚未有实质上的研究，在此特别针对以电气石进行水质改良，并且以改质后的水进行废机油及植物测试，观察电气石的效能，并探讨其废机油与绿豆植株的实际应用价值，并于实验当中发现，电气石确实具有使废机油乳化的现象，以及推迟植株老化的功能。

由电气石的特性鉴定当中，证实了前人研究所阐述的矿物特性，在电气石的远红外线分析当中我们得知，电气石的远红外线在波长5~13μm的波长范围放射率高达0.955以上。在过去的文献当中虽有提及电气石具有的矿物特性，但废机油的分解与植物上却无实质上的探讨，若能将此发现善加推广应用则可以改善健康与环保的问题。

矿石负离子的测量，8次20sec的负离子浓度平均值可达1363cc/ion。在效能测试的部份，我们得知，含有余氯的自来水在浸泡过电气石以后，余氯浓度会随着浸泡的时间增加而降低，在废机油分解测试的部份，添加电气石的自来水在静置120h后可使废机油产生乳化分解现象，另外在绿豆的培植测试当中，我们发现电气石对植物具有抗老化的现象。且从光学显微镜中观察得知，有放置电气石的植株，其叶片都比未放置电气石植珠的颜色较深，纹路也较明显。

来源：台湾远东科技大学学报

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