过氧化氢（H₂O₂）通常以其漂白特性而闻名，同时也是一种用于水消毒和氧化的多功能且有效的化合物。
发现与特性
过氧化氢由路易斯·雅克·泰纳尔于1818年首次发现。它由两个氢原子和两个氧原子（H₂O₂）组成。虽然由于大气和水中的光化学反应，环境中天然存在低浓度的过氧化氢，但其工程应用为水处理带来了显著益处。
化学结构与反应活性
过氧化氢含有过氧根离子（O₂²⁻），该离子由两个氧原子之间的单键（O-O）²⁻构成。这种结构使其成为一种强氧化剂。
其化学式为 H₂O₂，结构式为 H-O-O-H。与更稳定的水分子（H₂O）相比，过氧化氢中额外的氧原子使得两个氧原子之间的键（即过氧键）相对不稳定。当该键断裂时，会形成两个 H-O 自由基。这些高活性的自由基易于与其他物质反应，引发链式反应。
过氧化氢溶液可与水混溶，高浓度时会散发出刺激性酸味。它不可燃，但是一种强氧化剂。用于水处理时，常用浓度为重量比 35% 或 50%。
选择性
过氧化氢的关键优势之一是其选择性。通过调整反应条件，如温度、pH 值、剂量、反应时间以及添加催化剂，过氧化氢可以针对特定的污染物。
腐蚀性
工艺水中过氧化氢的腐蚀性主要受其产生的溶解氧量的影响。氧气会腐蚀含铁金属。通常，水的铁含量和 pH 值对腐蚀性的影响比过氧化氢浓度本身更大。
分解
过氧化氢在储存和运输过程中会分解，释放出氧气和热量。虽然过氧化氢本身不可燃，但释放出的氧气会加剧其他材料的燃烧。在稀溶液中，分解产生的热量被水吸收。然而，在浓溶液中，温度升高会加速进一步分解。温度每升高 10 °C（18 °F），分解速率大约会增加 2.2 倍。碱度和杂质的存在也会加速其分解。
生产、运输与储存
生产
自 1880 年以来，过氧化氢已成为一种商业产品。早期的生产涉及燃烧钡盐以产生过氧化钡，然后将其溶解在水中。自 19 世纪以来，产量显著增加，如今每年产量约为 5 亿公斤。现代方法主要使用自氧化工艺，其中氢气是主要原料。
运输与储存
过氧化氢必须使用聚乙烯、不锈钢或铝制成的容器进行运输和储存。由于其反应活性，必须格外小心：
- 易燃物质：与木材、纸张、油或棉花（纤维素）等易燃材料接触可能导致自燃。
- 有机物：与醇类、丙酮、其他酮类、醛类和甘油等有机化合物混合可能导致剧烈爆炸。
- 金属及金属化合物：与铁、铜、铬、铅、银、锰、钠、钾、镁、镍、金、铂、类金属、金属氧化物或金属盐等物质接触可能导致剧烈爆炸。
为安全起见，过氧化氢通常以稀释形式运输。
在水处理中的应用
过氧化氢用途广泛，可应用于多种介质，包括空气、水、废水和土壤。它经常与其他药剂结合使用，以增强和加速处理过程。
氧化
过氧化氢是一种强效氧化剂，其氧化能力比氯（Cl₂）、二氧化氯（ClO₂）和高锰酸钾（KMnO₄）更强。其氧化电位仅次于臭氧。通过催化作用，它可以转化为具有更强氧化能力的高活性羟基自由基（•OH）。
表 1：各种氧化剂的氧化电位
| 氧化剂 | 氧化电位 (V) |
|---|---|
| 氟 | 3.0 |
| 羟基自由基 | 2.8 |
| 臭氧 | 2.1 |
| 过氧化氢 | 1.8 |
| 高锰酸钾 | 1.7 |
| 二氧化氯 | 1.5 |
| 氯 | 1.4 |
投加量
大多数应用场景是将过氧化氢直接注入流动水中，所需额外化学品或设备极少。该方法适用于：
- 控制生物滋生。
- 增加溶解氧。
- 去除余氯。
- 氧化硫化物、亚硫酸盐、金属及其他易氧化物质。
过氧化氢在这些应用中的效果受pH值、温度和反应时间的影响。
催化过氧化氢
对于不易氧化的污染物，通过催化剂（如铁、锰或其他类金属）活化过氧化氢，可显著提高反应速率，将处理时间从数小时或数天缩短至几分钟。
高级氧化工艺
高级氧化工艺代表了水处理领域的现代发展，无需金属催化剂即可产生高活性氧自由基。例如，将过氧化氢与臭氧（过臭氧化）或紫外线结合使用。这些方法能对难降解物质进行深度氧化，且不产生残留物或污泥。高级氧化工艺广泛应用于地下水处理、饮用水和工艺水处理，以及工业废水的消毒和有机物去除。
过氧化氢消毒
过氧化氢是一种有效的消毒剂，可用于抑制水系统和冷却塔中微生物的过度滋生，以及处理饮用水。
作用机理
过氧化氢的消毒机理依赖于释放游离氧自由基：
2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂
这些游离氧自由基分解污染物，并通过氧化微生物的蛋白质有效将其灭活。反应后，过氧化氢通常分解为水和氧气，不留下有害副产物，同时增加水中的溶解氧含量。
饮用水
过氧化氢于20世纪50年代首次在东欧用于饮用水消毒。虽然其使用不如其他消毒剂普遍，但正日益普及，常与臭氧、银或紫外线联合使用。通过降解铁、锰、硫酸盐等污染物以及微生物，它能有效防止色度、异味、腐蚀和结垢问题。
游泳池水
历史上，由于稳定性问题，过氧化物在游泳池消毒中的应用受到限制。不过，现已开发出更稳定的配方。 单独使用过氧化氢进行有效的游泳池消毒通常需要高剂量，且其在有效浓度（数十毫克/升）下的消毒和氧化能力与氯等消毒剂相比被认为中等。快速分解以及氧自由基的存在带来了挑战。可添加稳定剂以延缓分解并维持消毒效果。 通常不允许将过氧化氢作为游泳池的唯一消毒剂，但可与其他消毒剂（如紫外线、臭氧、银盐或季铵化合物）联合使用，以增强整体消毒效果。
冷却塔水
过氧化氢可用于冷却塔水的消毒，尤其适合与其他消毒剂联合使用。过氧乙酸（CH₃COOH，PAA）作为一种相关的过氧化合物，也是冷却塔水的有效消毒剂。
脱氯
过氧化氢可有效去除余氯。这一点至关重要，因为余氯在空气中氧化或在工艺系统中冷凝时，会形成腐蚀性酸。当氯与过氧化氢反应时，后者分解为水和氧气。
具体而言，过氧化氢与次氯酸根离子（OCl⁻）快速反应，次氯酸根离子是氯气在水中水解时形成的：
OCl⁻ + H₂O₂ → Cl⁻ + H₂O + O₂
该反应非常迅速且高效，使过氧化氢能够选择性地去除次氯酸根，而不与存在的其他有机物和无机物反应。
优点与缺点
优点
- 无残留物或气体：与某些化学消毒剂不同，过氧化氢通常分解为水和氧气，不留下有害残留物或气体。
- 水溶性：完全溶于水，便于应用。
- 安全性（取决于浓度）：其安全性在很大程度上取决于应用浓度。
缺点
- 强氧化剂：其强氧化性意味着会与多种物质反应，因此需要小心处理和储存。
- 分解：过氧化氢会缓慢分解为水和氧气（2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂），这是一种氧化还原反应，其中氢分子既充当还原剂又充当氧化剂。温度升高和污染物存在会加速这种分解，导致溶液浓度随时间逐渐降低。
- 消毒所需浓度高：虽然出于安全考虑以稀释形式运输，但有效消毒通常需要高浓度。
影响效率的因素
过氧化氢作为消毒剂和氧化剂的效率受以下几个关键因素影响：
- pH值：最佳的pH条件可增强反应活性。
- 催化剂：特定催化剂（如铁、锰）的存在能显著加速反应速率并增加自由基的形成。
- 温度：较高的温度通常能提高反应速率，但也会加速分解。
- 过氧化物浓度：投加量直接影响活性氧物种的可用性。
- 反应时间：需要足够的接触时间才能与污染物和微生物完全反应。
健康与安全注意事项
接触过氧化氢可能通过吸入蒸气或雾、摄入或皮肤/眼睛接触发生。它对眼睛、皮肤和粘膜有刺激性。接触浓度为5%或更高的过氧化氢可能导致永久性损伤。
国际癌症研究机构（IARC）的动物研究表明，过氧化氢可能对动物具有致癌性。细菌实验室测试表明它具有致突变性，能够改变和损伤DNA。在人体中，吸入可能导致肺部刺激，皮肤接触可引起疼痛性水疱、烧伤和暂时性皮肤变白。特别容易受过氧化氢影响的器官包括肺、肠道、胸腺、肝脏和肾脏。长期接触过氧化氢对人体的慢性影响尚未完全明确，其对生殖和发育的影响也尚未得到证实。
监管状态
- 欧盟：过氧化氢未在《欧洲饮用水标准98/83/EC》中被具体列出。
- 美国：在美国，过氧化氢于1977年被美国环保署（EPA）注册为农药。
与其他药剂的组合使用
为增强消毒和氧化效果，过氧化氢常与其他处理药剂联合使用。值得注意的组合包括：
- 过氧乙酸（PAA）：一种强效消毒剂，常与过氧化氢协同使用以产生增效作用。
- 过氧酮（臭氧 + 过氧化氢）：一种高级氧化工艺，可生成高反应活性的羟基自由基。
AquaChain 工程提示
在冷却塔消毒中使用过氧化氢时，确保持续监测水质参数，尤其是pH值和溶解氧。优化过氧化氢剂量，并考虑其与杀菌剂或UV-C的协同使用，以有效防止生物污垢，同时最大限度地减少总体化学品消耗和材料兼容性问题。务必验证投加系统与浓缩H₂O₂溶液的材料兼容性，以防止系统降解并确保安全运行。
常见问题解答
问：过氧化氢的主要消毒机理是什么？
答：过氧化氢通过分解成游离氧自由基来消毒，这些自由基具有高反应活性，能氧化微生物的细胞成分，从而有效消除它们。
问：为什么在水处理中过氧化氢常与其他消毒剂联合使用？
答：将过氧化氢与臭氧、紫外线或银盐等药剂结合使用，可以增强其消毒能力，生成更强效的氧化剂（如羟基自由基），并提高整体处理效率，尤其适用于处理抗性污染物或微生物。
问：过氧化氢可用于水系统的脱氯吗？
答：可以。过氧化氢是一种有效的脱氯剂。它能与水中的氯形成的次氯酸根离子迅速反应，生成氯离子、水和氧气，从而去除余氯，且不会形成有害副产物。