Wasserstoffperoxid
Die meisten Menschen kennen Wasserstoffperoxid als eine Verbindung, die Haare bleicht. Es kann auch zur Wasserdesinfektion verwendet werden.
Wann wurde Wasserstoffperoxid entdeckt?
Louis Jacque Thenard entdeckte Wasserstoffperoxid im Jahr 1818. Wasserstoffperoxid besteht aus Sauerstoff- und Wasserstoffatomen. Diese sind überall auf der Erde zu finden. Wasserstoffperoxid enthält eine Kombination aus zwei Wasserstoffatomen und zwei Sauerstoffatomen.
In der Umwelt ist Wasserstoffperoxid in sehr geringen Konzentrationen zu finden. Gasförmiges Wasserstoffperoxid entsteht durch photochemische Reaktionen in der die Erde umgebenden Atmosphäre. In geringen Mengen kommt es auch im Wasser vor.
Welche Eigenschaften hat Wasserstoffperoxid?
Peroxid ist eine chemische Verbindung, die das Peroxid-Ion (O22-) enthält.
Das Peroxid-Ion besteht aus einer Einfachbindung zwischen zwei Sauerstoffatomen: (O-O)2-. Es ist ein starkes Oxidationsmittel.
Wasserstoffperoxid hat die chemische Formel H2O2 und die folgende Strukturformel:
H-O-O-H
Das Wasserstoffperoxidmolekül enthält im Vergleich zum stabileren Wassermolekül ein zusätzliches Sauerstoffatom. Die Bindung zwischen den beiden Sauerstoffatomen, die so genannte Peroxidbindung, wird gebrochen und es entstehen zwei H-O-Radikale. Diese Radikale reagieren schnell mit anderen Stoffen, wobei neue Radikale entstehen und eine Kettenreaktion abläuft. Wasserstoffperoxidlösungen sehen aus wie Wasser und lassen sich ungehindert in Wasser auflösen. In hohen Konzentrationen geben diese Lösungen einen irritierenden, säuerlichen Geruch ab. Wasserstoffperoxid ist brennbar. Bei niedrigen Temperaturen wird es fest. Die Menge des Wasserstoffperoxids in der Lösung wird in Gewichtsprozent angegeben. Für die Wasseraufbereitung werden Konzentrationen von 35 oder 50 % Wasserstoffperoxid verwendet.
Selektivität
Wasserstoffperoxid wird für verschiedene Anwendungen eingesetzt, da es sehr selektiv ist. Durch Änderung der Reaktionsbedingungen (Temperatur, pH-Wert, Dosis, Reaktionszeit und Zugabe eines Katalysators) greift Wasserstoffperoxid unterschiedliche Verschmutzungen an.
Korrosivität von Wasserstoffperoxid
Die Korrosivität von Prozesswasser durch Wasserstoffperoxid hängt von der Menge an gelöstem Sauerstoff ab, die entsteht. Sauerstoff korrodiert eisenhaltige Metalle. Die Eisenmenge und der pH-Wert haben einen größeren Einfluss auf die Korrosivität als die Wasserstoffperoxidkonzentration.
Zerstörung von Wasserstoffperoxid
Wasserstoffperoxid kann sich beim Transport zersetzen. Dabei werden Sauerstoff und Wärme freigesetzt. Wasserstoffperoxid selbst ist brennbar, aber der Sauerstoff kann die Entzündung anderer Stoffe verstärken. In verdünnten Lösungen wird die Wärme vom Wasser absorbiert. In konzentrierten Lösungen wird die Temperatur der Lösung erhöht, was die Zerstörung des Wasserstoffperoxids beschleunigt. Die Zerstörungsrate wird pro 10 °C Temperaturanstieg mit 2,2 multipliziert. Auch die Alkalität und das Vorhandensein von Verunreinigungen beschleunigen die Zerstörung von Wasserstoffperoxid.
Für die Herstellung von Wasserstoffperoxid werden spezielle Katalysatoren verwendet, um sicherzustellen, dass Wasserstoffperoxid nicht durch Verunreinigungen im Wasser zerstört wird.
Wie wird Wasserstoffperoxid hergestellt?
Seit 1880 ist Wasserstoffperoxid ein kommerzielles Produkt. Es wurde zunächst im Vereinigten Königreich durch Verbrennen von Bariumsalz (Ba) hergestellt, wobei Bariumperoxid (BaO2) entstand. Anschließend wurde das Bariumperoxid in Wasser aufgelöst und Wasserstoffperoxid hergestellt. Seit dem 19. Jahrhundert hat die Produktion von Wasserstoffperoxid stark zugenommen. Heutzutage werden jährlich etwa eine halbe Milliarde Kilogramm produziert.
Wie wird Wasserstoffperoxid transportiert und gelagert?
Wasserstoffperoxid muss in Behältern aus Polyethylen, rostfreiem Stahl oder Aluminium transportiert werden. Wenn Wasserstoffperoxid mit brennbaren Stoffen wie Holz, Papier, Öl oder Baumwolle (Zellulose) in Berührung kommt, kann es zu einer Selbstentzündung kommen. Wenn Wasserstoffperoxid mit organischen Stoffen wie Alkoholen, Aceton und anderen Ketonen, Aldehyden und Glycerin vermischt wird, kann es zu schweren Explosionen kommen.
Wenn Wasserstoffperoxid mit Stoffen wie Eisen, Kupfer, Chrom, Blei, Silber, Mangan, Natrium, Kalium, Magnesium, Nickel, Gold, Platin, Metalloiden, Metalloxiden oder Metallsalzen in Berührung kommt, kann es zu starken Explosionen kommen. Deshalb wird Wasserstoffperoxid meist in verdünnter Form transportiert.
Welche Anwendungen gibt es für Wasserstoffperoxid?
Die älteste bekannte Anwendung von Wasserstoffperoxid war das Bleichen von Strohhüten, die zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts in Mode waren. Von 1920 bis 1950 wurde Wasserstoffperoxid durch Elektrolyse hergestellt. Mit dieser Methode wurde reines Wasserstoffperoxid hergestellt. Heutzutage werden zur Herstellung von Wasserstoffperoxid Selbstoxidationsverfahren eingesetzt. Bei diesen Verfahren ist Wasserstoff der Ausgangsstoff.
Vielseitigkeit von Wasserstoffperoxid
Wasserstoffperoxid ist vielseitig, es kann für viele Anwendungen genutzt werden. Es kann in allen Medien eingesetzt werden; Luft, Wasser, Abwasser und Böden. Manchmal wird es in Kombination mit anderen Mitteln verwendet, um Prozesse zu verbessern und zu beschleunigen. Am häufigsten wird Wasserstoffperoxid zur Entfernung von Schadstoffen aus Abwässern und aus der Luft eingesetzt. Es hemmt das Bakterienwachstum (z. B. Biofouling in Wassersystemen) und kann das Bakterienwachstum (z. B. bei der Biosanierung verschmutzter Böden und des Grundwassers) durch Sauerstoffzufuhr fördern. Es kann auch zur Behandlung von leicht oxidierbaren Verunreinigungen (z. B. Eisen und Sulfide) und schwer oxidierbaren Verunreinigungen (z. B. gelöste Feststoffe, Benzin und Pestizide) eingesetzt werden.
Schließlich kann es zum Bleichen von Papier, Textilien, Zähnen und Haaren oder zur Herstellung von Lebensmitteln, Mineralien, petrochemischen Stoffen oder Waschpulver verwendet werden. In reiner Form wird Wasserstoffperoxid als Sauerstofflieferant zum Antrieb russischer U-Boote verwendet.
Kann Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel verwendet werden?
Wasserstoffperoxid ist ein starkes Oxidationsmittel. Es ist stärker als Chlor (Cl2), Chlordioxid (ClO2) und Kaliumpermanganat (KMnO4). Durch Katalyse kann Wasserstoffperoxid in Hydroxyradikale (OH) umgewandelt werden. Das Oxidationspotenzial von Wasserstoffperoxid liegt knapp unter dem von Ozon.
Tabelle 1: Oxidationspotentiale verschiedener Oxidationsmittel
| Oxidationsmittel | Oxidationspotential |
| Fluor | 3,0 |
| Hydroxyradikale | 2,8 |
| Ozon | 2,1 |
| Wasserstoffperoxid | 1,8 |
| Kaliumpermanganat | 1,7 |
| Chlordioxid | 1,5 |
| Chlor | 1,4 |
Wie wird Wasserstoffperoxid dosiert?
Die meisten Anwendungen von Wasserstoffperoxid bestehen in der Einspritzung von Wasserstoffperoxid in fließendes Wasser. Es sind keine weiteren Chemikalien oder Geräte erforderlich. Diese Anwendung wird zur Kontrolle des biologischen Wachstums, zur Zuführung von Sauerstoff, zur Entfernung von Chlorrückständen und zur Oxidation von Sulfiden, Sulfiten, Metallen und anderen leicht oxidierbaren Materialien eingesetzt. Die Eignung von Wasserstoffperoxid für diese Anwendungen wird durch pH-Wert, Temperatur und Reaktionszeit beeinflusst.
Katalytisches Wasserstoffperoxid
Verunreinigungen, die nicht leicht zu oxidieren sind, erfordern eine Aktivierung des Wasserstoffperoxids durch Katalysatoren (Eisen, Mangan oder andere Metalloide). Diese Katalysatoren können auch verwendet werden, um Wasserstoffperoxidreaktionen zu beschleunigen, die sonst Stunden oder Tage dauern würden.
Was sind fortgeschrittene Oxidationsverfahren?
Fortgeschrittene Oxidationsverfahren sind eine neue Entwicklung auf dem Gebiet der Wasserstoffperoxiddesinfektion. Bei diesen Verfahren werden reaktive Sauerstoffradikale ohne die Einwirkung von Metallkatalysatoren erzeugt. Beispiele sind die Kombination von Wasserstoffperoxid mit Ozon (Peroxon) oder ultraviolettem Licht. Das Ergebnis dieser Verfahren ist eine weitreichende Oxidation schwer abbaubarer Stoffe, ohne dass Rückstände oder Schlamm entstehen. Diese Verfahren werden weltweit zur Grundwasseraufbereitung, zur Trinkwasser- und Brauchwasseraufbereitung sowie zur Desinfektion und Entfernung organischer Stoffe aus Industrieabwässern eingesetzt.
Wie funktioniert die Desinfektion mit Wasserstoffperoxid?
Wasserstoffperoxid wird unter anderem als Desinfektionsmittel eingesetzt. Es wird zur Behandlung von Zahnfleischentzündungen und zur Desinfektion von (Trink-)Wasser eingesetzt. Es wird auch verwendet, um übermäßiges mikrobielles Wachstum in Wassersystemen und Kühltürmen zu bekämpfen.
In den Vereinigten Staaten wird Wasserstoffperoxid immer häufiger zur Behandlung einzelner Wasservorräte verwendet. Es wird eingesetzt, um die Bildung von Farb- und Geschmacksstoffen, Korrosion und Kalkablagerungen durch den Abbau von Verunreinigungen (Eisen, Mangan, Sulfate) und Mikroorganismen zu verhindern. Wasserstoffperoxid reagiert sehr schnell. Es zerfällt dann in Wasserstoff und Wasser, ohne dass Nebenprodukte entstehen. Dadurch wird der Sauerstoffgehalt im Wasser erhöht.
Der Desinfektionsmechanismus von Wasserstoffperoxid beruht auf der Freisetzung von freien Sauerstoffradikalen:
H2O2 → H2O + O2
Verunreinigungen werden durch freie Sauerstoffradikale zersetzt, und es bleibt nur Wasser übrig. Freie Radikale haben sowohl oxidierende als auch desinfizierende Fähigkeiten. Wasserstoffperoxid beseitigt Proteine durch Oxidation.
Peroxide wie Wasserstoffperoxid (H2O2), Perborat, Peroxiphosphat und Persulfat sind gute Desinfektionsmittel und Oxidationsmittel. Im Allgemeinen können sie Mikroorganismen angemessen beseitigen. Diese Peroxide sind jedoch sehr instabil.
Perborate sind sehr giftig. Peressigsäure (PAA) ist eine starke Säure. In ihrer reinen Form kann sie sehr aggressiv sein. Stabilisierte Persulfate können als Ersatz für Chlor bei der Abwasserbehandlung verwendet werden.
Wird Wasserstoffperoxid zur Trinkwasserdesinfektion verwendet?
In den 1950er Jahren wurde Wasserstoffperoxid erstmals in Osteuropa zur Trinkwasserdesinfektion eingesetzt. Es ist für seine hohe oxidative und biozide Wirksamkeit bekannt. Wasserstoffperoxid wurde bisher nicht häufig zur Trinkwasserdesinfektion eingesetzt, aber seine Beliebtheit scheint zuzunehmen. Es wird oft in Kombination mit Ozon, Silber oder UV eingesetzt.
Wird Wasserstoffperoxid zur Desinfektion von Schwimmbädern verwendet?
Die Anwendung von Peroxiden zur Desinfektion und Wasseraufbereitung ist begrenzt. In letzter Zeit wurden stabilere Formen entwickelt, die für die Anwendung in Schwimmbädern verwendet werden können.
Die Desinfektion mit Wasserstoffperoxid erfordert eine hohe Dosis. Der größte Nachteil ist die geringe Desinfektions- und Oxidationsfähigkeit von Wasserstoffperoxid bei aktiven Konzentrationen (einige zehn Milligramm pro Liter), die für die Desinfektion von Schwimmbädern erforderlich sind. Ein weiteres Problem ist die schnelle Zersetzung des Wasserstoffperoxids im Wasser und das Vorhandensein von Sauerstoffradikalen. Durch den Zusatz von Stabilisatoren wird die Zersetzung von Wasserstoffperoxid verzögert und die Desinfektionswirkung kann aufrechterhalten werden.
Im Vergleich zu Chlor, Brom, Ozon und anderen Desinfektionsmitteln ist Wasserstoffperoxid kein sehr starkes Desinfektionsmittel. Die Desinfektion von Schwimmbädern mit Wasserstoffperoxid ist nicht zulässig, es sei denn, es wird in Kombination mit anderen Desinfektionsmitteln (UV, Ozon, Silbersalzen oder Ammoniak-Quart-Salzen) verwendet. Wasserstoffperoxid verbessert die Desinfektionswirkung der anderen Desinfektionsmittel.
Kann Wasserstoffperoxid zur Desinfektion von Kühlturmwasser verwendet werden?
Wasserstoffperoxid kann für die Desinfektion von Kühlturmwasser verwendet werden, wenn es mit anderen Desinfektionsmitteln kombiniert wird. Peressigsäure (CH3COOH, PAA) kann ebenfalls für die Desinfektion von Kühlturmwasser verwendet werden.
Entfernt Wasserstoffperoxid Chlor?
Wasserstoffperoxid kann zur Entchlorung, also zur Entfernung von Restchlor, eingesetzt werden. Restchlor bildet korrosive Säuren, wenn es durch Luft oder Kondensate in Prozesssystemen oxidiert wird.
Wenn Chlor mit Wasserstoffperoxid reagiert, zerfällt Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff. Chlorgas hydrolysiert zu hypochloriger Säure (HOCl), die anschließend zu Hypochlorit-Ionen (OCl) ionisiert.
Cl2 + HOCl + H+ + Cl
HOCl + H+ + Cl
Danach reagiert Wasserstoffperoxid mit Hypochlorit:
OCl- + H2O2 (g) -> Cl- + H2O + O2
Die Reaktion zwischen Wasserstoffperoxid und Hypochlorit läuft sehr schnell ab. Andere organische und anorganische Stoffe können nicht mit Hypochlorit reagieren.
Welche Vor- und Nachteile hat die Verwendung von Wasserstoffperoxid?
Vorteile
Im Gegensatz zu anderen chemischen Substanzen bildet Wasserstoffperoxid keine Rückstände oder Gase. Die Sicherheit hängt von der verwendeten Konzentration ab, da Wasserstoffperoxid vollständig wasserlöslich ist.
Nachteile
Wasserstoffperoxid ist ein starkes Oxidationsmittel. Es reagiert mit einer Vielzahl von Stoffen. Daher wird es beim Transport aus Sicherheitsgründen verdünnt. Für die Desinfektion mit Wasserstoffperoxid sind jedoch hohe Konzentrationen erforderlich.
Wasserstoffperoxid zerfällt langsam in Wasser und Sauerstoff. Eine Erhöhung der Temperatur und das Vorhandensein von Verunreinigungen fördern diesen Prozess.
Die Konzentration von Wasserstoffperoxid in einer Lösung nimmt langsam ab. Dies wird durch die folgende Reaktion verursacht:
2 H2O2 → 2 H2O + O2
Dabei handelt es sich um eine Redoxreaktion. Die Wasserstoffmoleküle wirken teilweise als Reduktionsmittel und teilweise als Oxidationsmittel.
Ist Wasserstoffperoxid effizient?
Die Effizienz von Wasserstoffperoxid hängt von mehreren Faktoren ab, z. B. vom pH-Wert, von Katalysatoren, von der Temperatur, von der Peroxidkonzentration und von der Reaktionszeit.
Welche gesundheitlichen Auswirkungen hat Wasserstoffperoxid?
Die Exposition gegenüber Wasserstoffperoxid erfolgt durch Einatmen von Dämpfen oder Nebeln, durch Aufnahme mit der Nahrung und durch Haut- oder Augenkontakt. Wasserstoffperoxid kann die Augen, die Haut und die Schleimhäute reizen. Wenn die Augen Konzentrationen von 5 % oder mehr ausgesetzt werden, kann dies zu dauerhaften Augenschäden führen. Tests mit Labortieren der amerikanischen International Agency on Cancer Research (IARC) zeigen, dass Wasserstoffperoxid bei Tieren krebserregend sein kann. Labortests mit Bakterien zeigen, dass Wasserstoffperoxid mutagen ist; es verändert und schädigt die DNA. Wenn Menschen Wasserstoffperoxid einatmen, verursacht es Lungenreizungen. Die Exposition der Haut führt zu schmerzhaften Blasen, Verbrennungen und Hautaufhellungen. Organe, die besonders empfindlich auf Wasserstoffperoxid reagieren, sind die Lunge, der Darm, die Thymusdrüse, die Leber und die Nieren. Die Auswirkungen einer chronischen Exposition auf den Menschen sind nicht bekannt. Auswirkungen auf die Fortpflanzung und Entwicklung sind bisher nicht nachgewiesen.
Welche Rechtsvorschriften gelten für Wasserstoffperoxid?
EU
Wasserstoffperoxid wird in der europäischen Trinkwassernorm 98/83/EG nicht erwähnt.
USA
In den USA wurde Wasserstoffperoxid 1977 von der EPA als Pestizid zugelassen.
Welche Stoffe können mit Wasserstoffperoxid kombiniert werden?
Zur Desinfektion kann Wasserstoffperoxid mit anderen Mitteln kombiniert werden. Zum Beispiel Peressigsäure und Peroxon.