Vetyperoksidi
Useimmat ihmiset tuntevat vetyperoksidin yhdisteenä, joka valkaisee hiuksia. Sitä voidaan käyttää myös veden desinfiointiin.
Milloin vetyperoksidi löydettiin?
Louis Jacque Thenard löysi vetyperoksidin vuonna 1818. Vetyperoksidi koostuu happi- ja vetyatomeista. Näitä löytyy kaikkialta maapallolta. Vetyperoksidi sisältää kahden vetyatomin ja kahden happiatomin yhdistelmän.
Ympäristössä vetyperoksidia esiintyy hyvin pieninä pitoisuuksina. Kaasumaista vetyperoksidia syntyy valokemiallisissa reaktioissa maapalloa ympäröivässä ilmakehässä. Sitä esiintyy myös vedessä pieniä määriä.
Mitä ominaisuuksia vetyperoksidilla on?
Peroksidi on kemiallinen yhdiste, joka sisältää peroksidi-ionin (O22-).
Peroksidi-ioni koostuu kahden happiatomin välisestä yksinkertaisesta sidoksesta: (O-O)2-. Se on voimakas hapetin.
Vetyperoksidilla on kemiallinen kaava H2O2 ja seuraava rakennekaava:
H-O-O-H
Vetyperoksidimolekyyli sisältää yhden ylimääräisen happiatomin verrattuna vakaampaan vesimolekyyliin. Kahden happiatomin välinen sidos, niin sanottu peroksidisidos, katkeaa samalla kun muodostuu kaksi H-O-radikaalia. Nämä radikaalit reagoivat nopeasti muiden aineiden kanssa, samalla kun uusia radikaaleja muodostuu ja tapahtuu ketjureaktio. Vetyperoksidiliuokset näyttävät vedeltä ja niitä voidaan liuottaa veteen rajoittamattomasti. Suurina pitoisuuksina näistä liuoksista lähtee ärsyttävä, hapan haju. Vetyperoksidi on syttyvää. Matalissa lämpötiloissa se muuttuu kiinteäksi. Vetyperoksidin määrä liuoksessa ilmaistaan painoprosentteina. Vedenkäsittelyssä käytetään 35 tai 50 %:n pitoisuuksia vetyperoksidia.
Selektiivisyys
Vetyperoksidia käytetään erilaisiin käyttökohteisiin, koska se on hyvin selektiivinen. Muuttamalla reaktio-olosuhteita (lämpötila, pH, annos, reaktioaika ja katalysaattorin lisääminen) vetyperoksidi hyökkää erilaisten epäpuhtauksien kimppuun.
Vetyperoksidin syövyttävyys
Prosessiveden syövyttävyys vetyperoksidin vaikutuksesta riippuu syntyvän liuenneen hapen määrästä. Happi syövyttää rautaa sisältäviä metalleja. Raudan määrä ja pH vaikuttavat syövyttävyyteen enemmän kuin vetyperoksidin pitoisuus.
Vetyperoksidin hajoaminen
Vetyperoksidi voi hajota kuljetuksen aikana. Happea ja lämpöä vapautuu. Vetyperoksidi itsessään on syttyvää, mutta happi voi tehostaa muiden aineiden syttymistä. Laimennetuissa liuoksissa lämpö imeytyy veteen. Tiivistetyissä liuoksissa liuoksen lämpötila nousee, mikä nopeuttaa vetyperoksidin tuhoutumista. Häviämisnopeus moninkertaistuu 2,2:lla jokaista 10 °C:n lämpötilan nousua kohti. Myös emäksisyys ja epäpuhtauksien läsnäolo kiihdyttävät vetyperoksidin tuhoutumista.
Vetyperoksidin valmistuksessa käytetään erityisiä katalysaattoreita, joilla varmistetaan, että vedessä olevat epäpuhtaudet eivät tuhoa vetyperoksidia.
Miten vetyperoksidia valmistetaan?
Vetyperoksidia on valmistettu kaupallisesti vuodesta 1880 lähtien. Sitä tuotettiin ensimmäisen kerran Yhdistyneessä kuningaskunnassa polttamalla bariumsuolaa (Ba), jolloin syntyi bariumperoksidia (BaO2). Myöhemmin bariumperoksidi liuotettiin veteen ja tuotettiin vetyperoksidia. Vetyperoksidin tuotanto on 1800-luvulta lähtien lisääntynyt huomattavasti. Nykyään sitä tuotetaan vuosittain noin puoli miljardia kiloa.
Miten vetyperoksidia kuljetetaan ja varastoidaan?
Vetyperoksidia on kuljetettava polyeteeni-, ruostumattomasta teräksestä valmistetuissa tai alumiinisäiliöissä. Kun vetyperoksidi joutuu kosketuksiin syttyvien aineiden, kuten puun, paperin, öljyn tai puuvillan (selluloosa) kanssa, voi tapahtua itsesyttymistä. Kun vetyperoksidi sekoittuu orgaanisiin aineisiin, kuten alkoholeihin, asetoniin ja muihin ketoneihin, aldehydeihin ja glyseroliin, voi tapahtua voimakkaita räjähdyksiä.
Kun vetyperoksidi joutuu kosketuksiin aineiden, kuten raudan, kuparin, kromin, lyijyn, hopean, mangaanin, natriumin, kaliumin, magnesiumin, nikkelin, kullan, platinan, metalloidien, metallioksidien tai metallisuolojen kanssa, voi seurauksena olla voimakas räjähdys. Tämän vuoksi vetyperoksidia kuljetetaan yleensä laimennettuna.
Mitkä ovat vetyperoksidin käyttökohteet?
Vetyperoksidin vanhin tunnettu sovellus oli 1900-luvun alussa muodissa olkihattujen valkaisu. Vuosina 1920-1950 vetyperoksidia tuotettiin elektrolyysin avulla. Tällä menetelmällä tuotettiin puhdasta vetyperoksidia. Nykyään vetyperoksidin tuottamiseen käytetään itsehapetusprosesseja. Näissä prosesseissa raaka-aineena on vety.
Vetyperoksidin monikäyttöisyys
Vetyperoksidi on monikäyttöinen, sitä voidaan käyttää moniin sovelluksiin. Sitä voidaan käyttää kaikissa väliaineissa; ilmassa, vedessä, jätevedessä ja maaperässä. Sitä käytetään joskus yhdessä muiden aineiden kanssa tehostamaan ja nopeuttamaan prosesseja. Vetyperoksidia käytetään yleisimmin epäpuhtauksien poistamiseen jätevedestä ja ilmasta. Se estää bakteerien kasvua (esimerkiksi vesijärjestelmien biologinen likaantuminen) ja voi lisätä bakteerien kasvua (esimerkiksi pilaantuneen maaperän ja pohjaveden biologinen kunnostaminen) lisäämällä happea. Sitä voidaan käyttää myös helposti hapettavien epäpuhtauksien (esimerkiksi rauta ja sulfidit) ja vaikeasti hapettavien epäpuhtauksien (esimerkiksi liuenneet kiintoaineet, bensiini ja torjunta-aineet) käsittelyyn.
Loppujen lopuksi sitä voidaan käyttää paperin, tekstiilien, hampaiden ja hiusten valkaisuun tai elintarvikkeiden, mineraalien, petrokemiallisten aineiden tai pesujauheen valmistukseen. Puhtaassa muodossa vetyperoksidia käytetään hapen toimittajana venäläisten sukellusveneiden ajamiseen.
Voidaanko vetyperoksidia käyttää hapettimena?
Vetyperoksidi on vahva hapetin. Se on voimakkaampi kuin kloori (Cl2), klooridioksidi (ClO2) ja kaliumpermanganaatti (KMnO4). Katalyysin avulla vetyperoksidi voidaan muuntaa hydroksiradikaaleiksi (OH). Vetyperoksidin hapettumispotentiaali on hieman alle otsonin hapettumispotentiaalin.
Taulukko 1: Eri hapettimien hapettumispotentiaalit
| Hapetin | Hapettumispotentiaali |
| fluori | 3,0 |
| hydroksiradikaalit | 2,8 |
| otsoni | 2,1 |
| vetyperoksidi | 1,8 |
| kaliumpermanganaatti | 1,7 |
| klooridioksidi | 1,5 |
| kloori | 1,4 |
Miten vetyperoksidia annostellaan?
Useimmissa vetyperoksidisovelluksissa vetyperoksidia ruiskutetaan virtaavaan veteen. Muita kemikaaleja tai laitteita ei tarvita. Tätä sovellusta käytetään biologisen kasvun hallintaan, hapen lisäämiseen, kloorijäämien poistamiseen ja sulfidien, sulfiittien, metallien ja muiden helposti hapettavien aineiden hapettamiseen. Vetyperoksidin soveltuvuuteen näihin sovelluksiin vaikuttavat pH, lämpötila ja reaktioaika.
Katalyyttinen vetyperoksidi
Saasteet, jotka eivät hapetu helposti, vaativat vetyperoksidin aktivointia katalysaattoreilla (rauta, mangaani tai muut metalloidit). Näitä katalysaattoreita voidaan käyttää myös tehostamaan vetyperoksidireaktioita, jotka muuten kestäisivät tunteja tai päiviä.
Mitä ovat kehittyneet hapetusprosessit?
Kehittyneet hapetusprosessit ovat uutta kehitystä vetyperoksididesinfioinnin alalla. Nämä prosessit tuottavat reaktiivisia happiradikaaleja ilman metallikatalysaattoreiden häiriöitä. Esimerkkejä ovat vetyperoksidin ja otsonin (peroksoni) tai ultraviolettivalon yhdistelmä. Näiden menetelmien tuloksena on vaikeasti hajoavien aineiden kauaskantoinen hapettuminen ilman jäämien tai lietteen muodostumista. Näitä menetelmiä käytetään maailmanlaajuisesti pohjaveden käsittelyyn, juomaveden ja prosessiveden käsittelyyn sekä orgaanisten aineiden desinfiointiin ja poistoon teollisuusjätevesistä.
Miten vetyperoksididesinfiointi toimii?
Muun muassa vetyperoksidia käytetään desinfiointiaineena. Sitä käytetään ikenien tulehduksen hoitoon ja (juoma)veden desinfiointiin. Sitä käytetään myös liiallisen mikrobikasvun torjuntaan vesijärjestelmissä ja jäähdytystorneissa.
Yhdysvalloissa vetyperoksidia käytetään yhä useammin yksittäisten vesivarastojen käsittelyyn. Sitä käytetään estämään värien, makujen, korroosion ja kalkin muodostumista saastumisen (rauta, mangaani, sulfaatit) ja mikro-organismien hajoamisen seurauksena. Vetyperoksidi reagoi hyvin nopeasti. Se hajoaa vedyksi ja vedeksi ilman sivutuotteiden muodostumista. Tämä lisää hapen määrää vedessä.
Vetyperoksidin desinfiointimekanismi perustuu vapaiden happiradikaalien vapautumiseen:
H2O2 → H2O + O2
Saasteet hajoavat vapaiden happiradikaalien vaikutuksesta ja jäljelle jää vain vettä. Vapailla radikaaleilla on sekä hapettavat että desinfioivat kyvyt. Vetyperoksidi poistaa proteiineja hapettamalla.
Peroksidit, kuten vetyperoksidi (H2O2), perboraatti, peroksifosfaatti ja persulfaatti, ovat hyviä desinfiointiaineita ja hapettimia. Yleensä ne pystyvät riittävästi poistamaan mikro-organismeja. Nämä peroksidit ovat kuitenkin hyvin epävakaita.
Perboraatit ovat hyvin myrkyllisiä. Peretikkahappo (PAA) on vahva happo. Se voi olla erittäin aggressiivinen puhtaassa muodossaan. Stabiloituja persulfaatteja voidaan käyttää korvaamaan klooria jäteveden käsittelyssä.
Käytetäänkö vetyperoksidia juomaveden desinfiointiin?
1950-luvulla vetyperoksidia käytettiin ensimmäisen kerran juomaveden desinfiointiin Itä-Euroopassa. Se on tunnettu korkeasta hapetus- ja biosiditehokkuudestaan. Vetyperoksidia ei ole käytetty usein juomaveden desinfiointiin, mutta sen suosio näyttää kasvavan. Sitä käytetään usein yhdessä otsonin, hopean tai UV-säteilyn kanssa.
Käytetäänkö vetyperoksidia uima-altaiden desinfiointiin?
Peroksidien käyttö desinfiointiin ja vedenkäsittelyyn on rajallista. Viime aikoina on kehitetty vakaampia muotoja, joita voidaan käyttää uima-altaissa.
Vetyperoksididesinfiointi vaatii suuren annoksen. Suurin haittapuoli on vetyperoksidin pieni desinfiointi- ja hapetuskyky aktiivisissa pitoisuuksissa (kymmeniä milligrammoja litrassa), joita tarvitaan uima-altaiden desinfiointiin. Toinen ongelma on vetyperoksidin nopea hajoaminen vedessä ja happiradikaalien esiintyminen. Stabilointiainetta lisäämällä vetyperoksidin hajoaminen viivästyy ja desinfiointikyky säilyy.
Klooriin, bromiin, otsoniin ja muihin desinfiointiaineisiin verrattuna vetyperoksidi ei ole kovin voimakas desinfiointiaine. Uima-altaiden desinfiointi vetyperoksidilla ei ole sallittua, ellei sitä käytetä yhdessä muiden desinfiointiaineiden (UV, otsoni, hopeasuolat tai ammoniakkikvartsisuolat) kanssa. Vetyperoksidi parantaa muiden desinfiointiaineiden desinfiointikykyä.
Voidaanko vetyperoksidia käyttää jäähdytystorniveden desinfiointiin?
Vetyperoksidia voidaan käyttää jäähdytystorniveden desinfiointiin, kun se yhdistetään muihin desinfiointiaineisiin. Peretikkahappoa (CH3COOH, PAA) voidaan myös käyttää jäähdytystorniveden desinfiointiin.
Poistaa vetyperoksidi klooria?
Vetyperoksidia voidaan käyttää kloorinpoistoon, toisin sanoen jäännöskloorin poistamiseen. Jäännöskloori muodostaa syövyttäviä happoja, kun se hapettuu ilman tai prosessijärjestelmien lauhteiden vaikutuksesta.
Kun kloori reagoi vetyperoksidin kanssa, vetyperoksidi hajoaa vedeksi ja hapeksi. Kloorikaasu hydrolysoituu hypokloorihapoksi (HOCl), joka myöhemmin ionisoituu hypokloriitti-ioneiksi (OCl).
Cl2 + HOCl + H+ + Cl
HOCl + H+ + Cl
Tämän jälkeen vetyperoksidi reagoi hypokloriitin kanssa:
OCl- + H2O2 (g) -> Cl- + H2O + O2
Vetyperoksidin ja hypokloriitin välinen reaktio tapahtuu hyvin nopeasti. Muut orgaaniset ja epäorgaaniset aineet eivät voi reagoida hypokloriitin kanssa.
Mitkä ovat vetyperoksidin käytön edut ja haitat?
Hyötyjä
Vetyperoksidi ei muista kemiallisista aineista poiketen tuota jäämiä tai kaasuja. Turvallisuus riippuu käytetystä pitoisuudesta, koska vetyperoksidi on täysin vesiliukoinen.
Haitat
Vetyperoksidi on voimakas hapetin. Se reagoi erilaisten aineiden kanssa. Siksi se laimennetaan kuljetuksen aikana turvallisuustoimenpiteenä. Vetyperoksididesinfektioon tarvitaan kuitenkin suuria pitoisuuksia.
Vetyperoksidi hajoaa hitaasti vedeksi ja hapeksi. Lämpötilan kohoaminen ja epäpuhtauksien läsnäolo tehostavat tätä prosessia.
Vetyperoksidin pitoisuus liuoksessa pienenee hitaasti. Tämä johtuu seuraavasta reaktiosta:
2 H2O2 → 2 H2O + O2
Tämä on redox-reaktio. Vesimolekyylit toimivat osittain pelkisteinä ja osittain hapettimina.
Onko vetyperoksidi tehokasta?
Vetyperoksidin teho riippuu useista tekijöistä, kuten pH:sta, katalysaattoreista, lämpötilasta, peroksidikonsentraatiosta ja reaktioajasta.
Mitkä ovat vetyperoksidin terveysvaikutukset?
Vetyperoksidille altistutaan kosteuden tai sumun sisäänhengittämisen, ruoan kautta imeytymisen sekä iho- tai silmäkosketuksen kautta. Vetyperoksidi voi ärsyttää silmiä, ihoa ja limakalvoja. Silmien altistuminen 5 %:n tai suuremmille pitoisuuksille voi aiheuttaa pysyviä silmävaurioita. Amerikkalaisen kansainvälisen syöväntutkimusviraston (IARC) laboratorioeläimillä tekemät testit osoittavat, että vetyperoksidi voi olla syöpää aiheuttava eläimille. Bakteereilla tehdyt laboratoriokokeet osoittavat, että vetyperoksidi on mutageeninen; se muuttaa ja vahingoittaa DNA:ta. Kun ihmiset hengittävät vetyperoksidia, se aiheuttaa keuhkoärsytystä. Ihoaltistus aiheuttaa kivuliaita rakkuloita, palovammoja ja ihon valkaisua. Vetyperoksidialtistukselle erityisen herkkiä elimiä ovat keuhkot, suolisto, kateenkorva, maksa ja munuaiset. Kroonisen altistumisen vaikutuksia ihmisiin ei tunneta. Vaikutuksia lisääntymiseen ja kehitykseen ei ole toistaiseksi osoitettu.
Mikä on vetyperoksidia koskeva lainsäädäntö?
EU
Vetyperoksidia ei mainita eurooppalaisessa juomavesistandardissa 98/83/EY.
USA
Yhdysvalloissa vetyperoksidi on rekisteröity torjunta-aineeksi EPA:n toimesta vuonna 1977.
Mitkä aineet voidaan yhdistää vetyperoksidiin?
Desinfiointia varten vetyperoksidia voidaan yhdistää muihin aineisiin. Esimerkiksi peretikkahappo ja peroksoni.