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二氧化氯的基本性质、杀菌机理与消杀特点

发表时间:2024/05/30 08:09:31  作者:黎春晖 贺颜梅  浏览次数:739  
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二氧化氯作为一种国际上公认的新型强氧化剂,是氯系消毒剂最理想的更新替代产品。自其诞生以来,一直受到人们的广泛关注,二氧化氯(ClO2)是联合国世界卫生组织确认的一种安全、高效、广谱、强力杀菌剂,在全世界范围内进行推广。

一、二氧化氯的基本性质

二氧化氯(Chlorine Dioxide),在常温下是一种黄绿色至橘红色的气体,有窒息性嗅味。二氧化氯分子由一个氯原子和两个氧原子组成,分子式为ClO2,分子量67.45g/mol。二氧化氯分子外电子层共有19个电子,氯原子的标准氧化态是+4,是在自然界中完全或几乎完全以单体游离原子团型体存在的少数化合物之一。

标准大气压时二氧化氯相对密度为气态3.09(11℃)。纯二氧化氯液体的密度为1.64g/L,温度低于-40℃时,二氧化氯变为深红色或红褐色的液体,温度低于-59℃时为橙黄色固体。二氧化氯其结构中有一个带有孤对电子的氯氧双键结构,性质极不稳定,是一种非常活泼的气体,当二氧化氯的浓蒸气超过大气压强41kPa时易发生爆炸。

二氧化氯易溶于水,通常以水合分子存在,不易发生水解反应,20℃,10kPa时溶解度为8g/dm3,是氯气的五倍。二氧化氯溶解后形成黄绿色的溶液,具有与氯气近似的辛辣的刺激性气味;在较高温度或光照下,二氧化氯和水反应可以生成亚氯酸和氯酸。另外,二氧化氯溶于酸、碱溶液和四氯化碳,在酸性溶液中比较稳定,在碱性溶液中会迅速发生歧化反应,生成亚氯酸盐和氯酸盐的混合物。

由于二氧化氯中的氯原子是正四价,处于未饱和状态,因此,很容易得到或失去电子;二氧化氯对电子的亲和力达到3.43eV,是一种强氧化剂,具有很强的氧化性。根据结构组成分析二氧化氯中含氯52.6%,并且从Cl4+→Cl-1的氧化过程中共有五个电子转移,氧化能力是氯气的2.63倍。

二氧化氯为奇电子分子,没有明显的二聚倾向,电子对呈平面三角排布,分子内生成一个离域大键,分子形状为V形,O-Cl-O键的键角为117.7±1.7°,呈双键特性。(二氧化氯的分子结构见图1)

图1 二氧化氯的分子结构式和立体结构模型

二氧化氯分子的电子结构呈不饱和状态,但在水中却不以二聚或多状态存在,这种结构对二氧化氯在水中的迅速扩散是非常有利的。

二、二氧化氯的杀菌机理

二氧化氯可以杀灭绝大多数微生物,包括细菌繁殖体、细菌芽孢、真菌、分枝杆菌和病毒等,是国际上公认的含氯消毒剂中唯一的高效消毒剂(灭菌剂)。

迄今为止,关于二氧化氯的杀菌机制,尚存在较大争议,普遍共识为二氧化氯杀菌是一个非常复杂的过程,应为多种因素共同作用的结果,主要的途径可能为:

(一)二氧化氯可以有效抑制细胞合成蛋白质的过程;

(二)二氧化氯可以选择性地与蛋白质中某些氨基酸发生作用;

(三)二氧化氯通过改变细胞膜的通透性进而导致细胞内某些关键物质(如:细胞内钾离子、镁离子和ATP 等小分子物质)漏出;

(四)二氧化氯强的氧化分解能力可以导致氨基酸链断裂,使得蛋白质失去功能,从而导致微生物死亡。另外还有诸如对ATP酶的破坏和使脂质过氧化等。

三、二氧化氯的消杀特点

(一)高效强力

在常用消毒剂中,在相同时间内达到同样的杀菌率所需的消毒剂浓度二氧化氯是最低的,对杀灭异养菌所需的ClO2浓度仅为CI2的一半,对地表水中大肠杆菌杀灭所需的ClO2浓度仅为CI2的20%。

(二)快速、持久

二氧化氯可以存在于水中,基本不与水发生化学反应,在水中的扩散速度与渗透能力都比氯快,特别在低浓度时更为突出。当细菌浓度在105cfu/mL~106cfu/mL时,0.5mg/L的ClO2作用5分钟后即可杀灭99%以上的异氧菌,作用12h杀灭率保持不变,而相同剂量的CI2最高只能达到75%。

(三)广谱灭菌

二氧化氯是一种广谱型消毒剂,对绝大多数病原微生物均有很好的杀灭效果,且不易产生抗药性,尤其对很多病毒也有良好的杀灭和抑制效果。

(四)安全无毒

二氧化氯不与水体中的有机物作用生成三卤甲烷等致癌物质,对高等动物细胞、精子及染色体无致癌、致畸、致突变作用,其在急性毒性和遗传毒理学上都是安全的。二氧化氯使用量很低,无残留毒性,属实际无毒级产品。被世界卫生组织(WHO)推荐为安全消毒物质中的A1级产品(二氧化氯与其它消毒剂比较见表1)。

表1 二氧化氯与其它消毒剂的比较

由于二氧化氯化学性质极不稳定易发生爆炸,无论是单独或与其他气体结合,一切压缩或贮存二氧化氯气体的尝试,在商业上均未成功,所以纯的二氧化氯气体无法直接制成商品销售。

近年来越来越多的间接发生型二氧化氯类产品投入市场,其中一元二氧化氯发生剂片(以后简称二氧化氯片)由于使用安全方便,逐渐成为市场主流。目前常见的此类产品通常是由氯酸盐或亚氯酸盐、酸和其它辅料复配压制成片。

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