干水（Dry 液態水），是由微水滴顆粒和納米級二氧化硅顆粒自組裝形成的一種外表呈干粉狀、具有核殼結構的富水粉體。干水粉體的內部含有大量自由水，并表現出近似固態粉體的流動性和分散性。干水最大特色就是具有強力吸收二氧化碳的能力。
干水便于攜帶與使用，制備原料和技術成本低廉。科學家認為，可以使用“干水”應對全球變暖，測試表明，其吸收二氧化碳的能力比普通清水高3倍，并能誘捕二氧化碳等溫室氣體。此外，“干水”還能用于儲存甲烷，成為潛在的能源來源。其應用領域包括化妝品、水合物儲氣、催化劑、滅火劑、醫藥、氨氣檢測器、油漆、彩釉玻璃和印刷等。此外，干水可用于存儲氣體，或用作催化基質、光敏劑載體等。
歷史
發現歷史
1964年，德國科學家布倫納等最早通過將水封裝在二氧化硅顆粒中研制出一種干燥粉末；隨后，美國的科學家艾倫將這種粉末命名為“干水(dry H?O)”。20世紀六、七十年代，氣相二氧化硅的制備主要是以氯化硅為原料，生產成本較高。因此盡管干水這項產品看起來極具創新，應用潛力巨大，但在布倫納和艾倫的專利發表后的一段時間內并沒有引起人們的重視。1968年，干水首次由德國化學品制造商贏創德固賽獲得專利，并迅速在化妝品行業得到應用。
發展歷史
2004年，日本科學家古賀等嘗試在封閉式容器內將疏水性粉末和水性成分混合并高速攪拌生產干水。在高速攪拌下，水性成分分成細小的水滴，隨后疏水性粉末均勻地涂覆在水滴表面，從而成功地生產出粉末狀的干水。2006年，英國赫爾大學的物理化學教授賓克斯等人，依據顆粒穩定的乳液（液-液界面）相變展開類比推理，對顆粒穩定的空氣-水（氣-液界面）系統進行研究，以實現從水包空氣泡沫到水在空氣中粉末的相變。其研究結果顯示，無論是在保持空氣和水的比率恒定的情況下逐步增強二氧化硅粒子的疏水性，還是在保持顆粒疏水性不變的情況下逐步增大空氣/水的比率，均能夠達成顆粒穩定的氣水泡沫的相轉化，從而形成由固體顆粒包裹著液滴的干水粉體。
法國貢比涅工程技術大學化學工程系的薩利等在賓克斯等的研究基礎上對干水的形成機理和制備工藝展開一系列研究。他們采用不同的實驗混合規模制備干水，結果顯示干水是由氣相二氧化硅網絡包裹著微米級水滴構成，二氧化硅涂層將液滴彼此隔離以防止粉末顆粒塌陷或聚結。2009年，他們進一步探究了二氧化硅納米顆粒實現水包封所需的混合條件，并分析了不同混合條件下干水粉末的形成機理。同時，他們注意到干水粉末的形成也取決于固體顆粒與水相界面之間的相互作用，顆粒的疏水性、液體的表面張力等參數對此具有較大影響。2011年，薩利等對干水制備過程的機理和物理化學作用展開深入研究，通過實驗研究推理出常規攪拌容器中干水的形成機理。
組成與特性
干水的粒子是由小水滴外層包上沙質硅組成的。干水最大特色就是具有強力吸收二氧化碳的能力，它可以吸收或者誘捕二氧化碳等溫室氣體。測試表明，“干水”吸收二氧化碳的能力比普通清水高3倍。干水的主要成分是水，是一種無機化合物、無毒、無味、不燃、憎水、吸附性能極佳、隔熱性能好、外觀為白色的環保型吸附微細顆粒。干水的穩定狀態是白色粉末狀物質，具有90%以上的含水量，在觸感和外觀上呈現出干燥狀態。干水外層疏水性粉末可在普通的沙子中提取，可以阻隔包裹其中的水與外界物質發生反應，且其形成的包覆膜有一定的抗高溫、抗高壓能力。
制備方法
使水變成被SiO2包裹著的干燥、分散粉末的基本原理就是讓水或其他液體進入到SiO2之中。把液體和SiO2，按一定的比例進入到密閉容器里，用攪拌器或其他機械方法使水滴盡量變小，讓微小液滴分布在納米級SiO2的包圍之中，兩者都處于高度分散的形式，在足夠大的空間體積里充分混合，利用SiO2，的疏水性形成使其與水緊密結合就會產生類似于“油包水”的現象，形成SiO2，包裹著微小水滴的粉末。
液滴霧化法
通過將液體分成細小液滴并且使用高能輸入，將這些液滴與疏水性粉末混合。可以使用高壓噴嘴或機械方法把水霧化口，與一定比例的疏水粉末在一個容器里通過高速流動徹底混合，使得液滴完全被疏水的二氧化硅所包圍。
高速剪切法
原料的混合可以在高剪切條件下進行。把原料混合物同時置于一個空間容器里，以高速剪切能讓原料的混合物充分分散和接觸。實驗室可以使用高速泵或者分散機，大規模生產時可以使具備葉片的旋轉攪拌器、適用于向混合物引入高剪切能的混合泵或者其他混合器。
高速振動粉碎法
干水還可以通過使用“搖動混合器”或振蕩設備作為使混合物高速運動的設備來制備I8]。這種具有搖擺與粉碎功能的均速搖擺振蕩機，主要部件有搖床攪拌機，V型混合機，空氣攪拌混合機，臥式圓簡型混合機，雙錐型混合機，帶狀型或高速攪拌機液體攪拌機，使用時都是要讓原料混合物在一個封閉空間容器內，通過高速攪拌使水變成小液滴，然后分散的疏水性粉末就會均勻的吸附在水滴的表面，利用同樣的原理這種方法可以很容易實現大規模生產。
高強度攪拌法
該方法跟高速剪切法基本類似，通過高強度攪拌器國混合液體和疏水性Si0z。攪拌設備以齒一盤攪拌刀作為高強度攪拌器，容器可以是圓柱狀、球狀或圓錐狀的壁-溝流旋轉混合容器。特征是將液體和疏水粉末引入容器中，并且通過高強度攪拌器使原料混合物做高速軸向運動，保證上下方向的混合物在軸向上發生徹底的混合。
利用相同原理H·皮奇等人!發明了具有儲存容器的Ystral Conti TDS裝置，主要采用了錨式攪拌器，以轉子-定子混合器用作形成剪切區的裝置。原理是將液體與疏水粉末分別各自、或兩者混合以后被軸向地供至剪切區，而所獲得的干液體徑向地從剪切區移出。所述原料可以在同一管道中軸向地被供至剪切區。
應用領域
干水是一種由疏水性氣相二氧化硅納米顆粒包裹著微米級水滴組成的空氣中水反相泡沫，可用于封裝多類物質。干水的外觀呈現粉末狀便于攜帶與使用，且其制備原料和技術成本低廉。隨著制備工藝的提升，工業大規模生產干水得以實現，多種優于常規系統的獨特優勢使得這種新型材料在多個領域的應用得到了一定程度的開發。
化妝品
20世紀90年代，干水在化妝品領域的應用就引起了人們的興趣。由于干水的水相可摻入多種活性劑，因此可將有益于皮膚的活性成分包裹于干水中制成粉體狀的化妝品。使用時將粉體涂抹在皮膚上，干水的殼狀結構受到外部壓力而被破壞，內部活性物質釋放出來被皮膚吸收，起到良好的使用效果，而且便于攜帶的粉末狀產品廣泛受到人們的青睞。1998年，日本科學家Tanaka等按照一定的比例將多元醇、水、美白成分攪拌使其均勻溶解，在攪拌的同時加入疏水性的三甲基硅氧烷化硅酸酐使混合物粉末化制得了增白粉。制得的增白粉呈粉末狀，極易液化，涂抹或擦拭時與潤膚乳液質感相似，使用方便且使用感極佳。
水合物儲氣
與一般的水相比，干水中的水被分散成一個個小液滴，比表面積大幅度增加。氣體在干水中形成氣體水合物要比一般的氣體水合物形成容易許多。為此，科學家們開始探索干水在水合物儲氣方面的應用研究。
安德魯·庫珀帶領他的團隊開拓了干水的潛在用途，其中主要包括干水的儲氣性能。2008年，安德魯·庫珀團隊以甲烷為樣品首次開發了在干水粉末中形成氣體化合物儲氣的方法，顯著提高了儲氣速率和儲氣量。2010年，安德魯·庫珀團隊發現干水可以提高除甲烷以外的氣體的水合物的形成速率和儲氣能力，還發現同樣體積的干水吸收的二氧化碳量是沒有與水結合的普通硅石吸收量的3倍多，這在通過收集和封存溫室氣體以控制全球變暖方面有著巨大應用前景。甲烷是天然氣的主要成分，干水粉末在存儲甲烷燃料方面更加安全便利。吸收了甲烷的干水在未來可作為一種給交通工具供給天然氣燃料的新能源，干水還有望用于收集和運輸沉積在海底的天然氣礦藏。
中國科學家隨之也對干水在水合物儲氣方面的應用開展了部分研究工作。2010年，樊栓獅等對干水水合物儲氣展開研究，分析了干水儲氣過程中溫度、壓力隨時間的變化趨勢以及水合物形成過程中儲氣量隨時間的變化規律。他們采用自行搭建的水合物儲氣實驗平臺，對干水中形成的不同氣體水合物的儲氣量和誘導時間進行了測量與分析。2011年，胡高偉等對干水以水合物形式儲存甲烷展開進一步研究，研究其形成與解離速率，存儲容量和結構特征，發現干水比表面活性劑如k12溶液的氣體存儲量至少增加10%，而且溫度、壓力等條件會影響氣體水合物形成的誘導與反應時間。
催化劑
庫珀團隊開發的關于干水的另一項用途，干水可作為一種催化劑加快氫與順丁烯二酸之間的化學反應。氫與馬來酸反應會生成琥珀酸，琥珀酸又是用于制藥、食品制造等領域的關鍵原材料。通常情況下，馬來酸與氫的反應需要在攪拌的條件下才會發生。2010年，庫珀等研究發現將馬來酸水溶液、H18二氧化硅和Ru/Al2O3催化劑按照一定比例混合制備成干水類粉末后，再對此類馬來酸干水粉末進行氫化。馬來酸干水粉末中的馬來酸溶液高度分散，與氫氣之間的接觸面積大大增加，使得反應無需攪拌即可發生，節省了大量能量，生產過程更加綠色環保高效。
滅火劑
艾倫在1975年研制干水時就曾想到貯存大量水源的干水可用于滅火。干水可作為水霧系統的替代品用于滅火，其中的細小水滴可以迅速覆蓋火焰并降低溫度，還可以向干水粉末中添加無機鹽用于中斷燃燒的鏈式反應，起到雙倍抑制火焰的效果。干水具有一些有利于滅火的特性，例如，分散度高，極易與周圍介質發生反應，滅火速率快、效能高，制備工藝簡單、節能、使用方便且不產生二次污染。因此，干水在滅火領域的應用得到了研究與開發。
2014年，賀娟等研究了干水滅火劑的制備和滅火性能，以期尋找制備干水滅火劑的最佳條件，并嘗試對干水改性以提高滅火性能。他們通過綜合比較發現，干水滅火劑的滅火性能比ABC類(主要成分是磷酸銨鹽)、BC類(主要成分是碳酸氫鈉)干粉滅火劑效果更好。2015年，卞建峰等研制出一種由固體材料與磷酸二氫銨等具有滅火性能鹽類的水溶液形成的核殼結構反相泡沫滅火材料。這種材料結合了干粉滅火和水滅火的雙重優勢，其內層的水對火焰具有冷卻和熄滅作用，水相中的磷酸二氫銨對火焰有化學抑制作用。
2017年，倪曉敏等研制出一種新型膠囊式干粉滅火劑，其水含量接近60%。相較于傳統的磷酸二氫銨(ABC)粉、純硅粉和細水霧它的滅火時間和用量明顯減少，其滅火性能顯著提升。2019年，陳先鋒等使用殼聚糖海藻酸鈉交聯凝膠對干水材料改性，制備出的復合材料比常規干水的滅火效率更高，耐壓性和穩定性也顯著提高，便于運輸和儲存，在某些易燃危險化學品的滅火中具有良好的應用前景。2023年研究進一步證實，添加磷酸二氫銨等化學組分可優化干水滅火劑的流動性與保水性，顆粒平均粒徑達39.933μm，保水量最高提升至66.32%，性能得到顯著提升。
其他領域應用
2012年，胡苗苗等用混合法制備出具有氯化銅溶液二氧化硅顆粒核-殼結構的干水，可用作氨氣的檢測器。2013年，Taylan等對流化干水系統的熱輻射傳導性能展開研究，結果表明與二氧化硅粉體相比，干水使輻射熱通量大幅度降低，達到與細水霧接近的效果，可持續作為有效的散射介質。
干水的二氧化硅外殼可封裝多種物質，因此可用于許多行業。在醫藥行業，將藥物添加到干水粉末中形成微型包囊能夠增加藥物的穩定性并控制藥物的釋放。在油漆、油墨和印刷等行業，可將涂料添加到干水粉末中以增強效果。此外，干水可以儲存和穩定大量不穩定的氣體和材料，因此可在汽車燃料電池的制造中發揮重要作用，且能為有害工業原料提供安全的儲存和運輸方式等。
相關概念
液體彈珠
液體彈珠(羧基液體丁腈橡膠 marbles,LMs)是一種被疏水性粉末包裹的液滴。當一滴液滴滾落在一層疏液性微納米顆粒上時，這些顆粒不會因特殊表面潤濕性而排斥該液滴，相反會自發地包覆在其表面，最終形成一個液滴外表面包裹著一層微納米粉末顆粒的不潤濕球狀物，這種呈現核殼型結構的特殊液滴被稱為液體彈珠。液體彈珠由Aussillous和Quéré在2001年發現并提出。液體彈珠特殊的粒子包覆液滴結構和諸多不尋常的性質，使其在諸多領域都有良好應用前景，尤其是在液滴微流控、傳感器、微反應器和生物工程領域。
參考資料 >
科學家研制出“干水”可強力吸收二氧化碳(圖).新浪環保.2024-08-15