Hidrogén-peroxid
A legtöbb ember a hidrogén-peroxidot hajfehérítő vegyületként ismeri. Vízfertőtlenítésre is használható.
Mikor fedezték fel a hidrogén-peroxidot?
Louis Jacque Thenard 1818-ban fedezte fel a hidrogén-peroxidot. A hidrogén-peroxid oxigén- és hidrogénatomokból áll. Ezek mindenhol megtalálhatók a Földön. A hidrogén-peroxid két hidrogénatom és két oxigénatom kombinációját tartalmazza.
A környezetben a hidrogén-peroxid nagyon alacsony koncentrációban található meg. A gáznemű hidrogén-peroxid a Földet körülvevő légkörben fotokémiai reakciók során keletkezik. Kis mennyiségben a vízben is megtalálható.
Melyek a hidrogén-peroxid jellemzői?
A peroxid olyan kémiai vegyület, amely a peroxidiont (O22-) tartalmazza.
A peroxidion két oxigénatom közötti egyszerű kötésből áll: (O-O)2-. Ez egy erős oxidálószer.
A hidrogén-peroxid kémiai képlete H2O2, szerkezeti képlete pedig a következő:
H-O-O-H
A hidrogén-peroxid molekula a stabilabb vízmolekulához képest egy extra oxigénatomot tartalmaz. A két oxigénatom közötti kötés, az úgynevezett peroxidkötés megszakad, miközben két H-O gyök keletkezik. Ezek a gyökök gyorsan reagálnak más anyagokkal, miközben új gyökök keletkeznek, és láncreakció megy végbe. A hidrogén-peroxid-oldatok úgy néznek ki, mint a víz, és korlátlanul oldhatók vízben. Nagy koncentrációban ezek az oldatok irritáló, savas szagot árasztanak. A hidrogén-peroxid gyúlékony. Alacsony hőmérsékleten szilárddá válik. Az oldatban lévő hidrogén-peroxid mennyiségét tömegszázalékban fejezik ki. Vízkezelésre 35 vagy 50 %-os hidrogén-peroxid koncentrációt használnak.
Szelektivitás
A hidrogén-peroxidot különböző alkalmazásokhoz használják, mert nagyon szelektív. A reakciókörülmények (hőmérséklet, pH, dózis, reakcióidő és katalizátor hozzáadása) változtatásával a hidrogén-peroxid különböző szennyeződéseket támad meg.
A hidrogén-peroxid korrozivitása
A technológiai víz hidrogén-peroxid okozta korrozivitása a keletkező oldott oxigén mennyiségétől függ. Az oxigén korrodálja a vastartalmú fémeket. A vas mennyisége és a pH nagyobb hatással van a korrozivitásra, mint a hidrogén-peroxid koncentrációja.
A hidrogén-peroxid lebomlása
A hidrogén-peroxid a szállítás során széteshet. Oxigén és hő szabadul fel. A hidrogén-peroxid önmagában gyúlékony, de az oxigén fokozhatja más anyagok gyulladását. Híg oldatokban a hőt a víz elnyeli. Koncentrált oldatokban az oldat hőmérséklete megnő, ami felgyorsítja a hidrogén-peroxid pusztulását. A pusztulás mértéke a hőmérséklet minden 10 °C-os emelkedése esetén 2,2-szeresére nő. A lúgosság és a szennyeződések jelenléte szintén gyorsítja a hidrogén-peroxid pusztulását.
A hidrogén-peroxid előállításához speciális katalizátorokat használnak, hogy a hidrogén-peroxidot ne pusztítsák el a vízben lévő szennyező anyagok.
Hogyan készül a hidrogén-peroxid?
A hidrogén-peroxid 1880 óta kereskedelmi termék. Először az Egyesült Királyságban állították elő báriumsó (Ba) elégetésével, amelyből bárium-peroxid (BaO2) keletkezett. Ezt követően a bárium-peroxidot vízben feloldották, és hidrogén-peroxidot állítottak elő. A 19. század óta a hidrogén-peroxid előállítása nagymértékben megnőtt. Napjainkban évente mintegy félmilliárd kilogrammot állítanak elő.
Hogyan szállítják és tárolják a hidrogén-peroxidot?
A hidrogén-peroxidot polietilén, rozsdamentes acél vagy alumínium tartályokban kell szállítani. Ha a hidrogén-peroxid gyúlékony anyagokkal, például fával, papírral, olajjal vagy pamuttal (cellulóz) érintkezik, spontán gyulladás léphet fel. Ha a hidrogén-peroxid szerves anyagokkal, például alkoholokkal, acetonnal és más ketonokkal, aldehidekkel és glicerinnel keveredik, erős robbanás következhet be.
Ha a hidrogén-peroxid olyan anyagokkal érintkezik, mint a vas, réz, króm, ólom, ezüst, mangán, nátrium, kálium, magnézium, nikkel, arany, platina, metalloidok, fémoxidok vagy fémsók, ez erős robbanáshoz vezethet. Ezért a hidrogén-peroxidot általában hígított formában szállítják.
Milyen felhasználási területei vannak a hidrogén-peroxidnak?
A hidrogén-peroxid legrégebbi ismert alkalmazása a huszadik század elején divatos szalmakalapok fehérítése volt. A hidrogén-peroxidot 1920 és 1950 között elektrolízissel állították elő. Ezzel a módszerrel tiszta hidrogén-peroxidot állítottak elő. Napjainkban önoxidációs eljárásokat alkalmaznak hidrogén-peroxid előállítására. Ezen eljárások során a hidrogén a nyersanyag.
A hidrogén-peroxid sokoldalúsága
A hidrogén-peroxid sokoldalú, sokféleképpen felhasználható. Minden közegben használható; levegőben, vízben, szennyvízben és talajban. Néha más szerekkel kombinálva használják, hogy fokozzák és felgyorsítsák a folyamatokat. A hidrogén-peroxidot leggyakrabban a szennyező anyagok szennyvízből és levegőből történő eltávolítására használják. Oxigén hozzáadásával megakadályozza a baktériumok növekedését (például a vízrendszerek biológiai szennyeződése), és fokozhatja a baktériumok növekedését (például szennyezett talajok és talajvíz biológiai helyreállítása). Használható továbbá könnyen oxidálható szennyeződések (például vas és szulfidok) és nehezen oxidálható szennyeződések (például oldott szilárd anyagok, benzin és peszticidek) kezelésére.
Végül használható papír, textil, fogak és haj fehérítésére vagy élelmiszerek, ásványi anyagok, petrolkémiai anyagok vagy mosópor előállítására. Tiszta formában a hidrogén-peroxidot oxigénszolgáltatóként használják az orosz tengeralattjárók meghajtásához.
Használható-e a hidrogén-peroxid oxidálószerként?
A hidrogén-peroxid erős oxidálószer. Erősebb, mint a klór (Cl2), a klór-dioxid (ClO2) és a kálium-permanganát (KMnO4). A hidrogén-peroxid katalízis révén hidroxiradikálokká (OH) alakítható. A hidrogén-peroxid oxidációs potenciálja éppen az ózoné alatt van.
1. táblázat: Különböző oxidálószerek oxidációs potenciálja
| Oxidálószer | Oxidációs potenciál |
| fluor | 3,0 |
| hidroxiradikáliák | 2,8 |
| ozon | 2,1 |
| hidrogén-peroxid | 1,8 |
| kálium-permanganát | 1,7 |
| klór-dioxid | 1,5 |
| klór | 1,4 |
Hogyan adagolják a hidrogén-peroxidot?
A legtöbb hidrogén-peroxid alkalmazás során a hidrogén-peroxidot folyó vízbe fecskendezik. Más vegyszerekre vagy berendezésekre nincs szükség. Ezt az alkalmazást a biológiai növekedés megfékezésére, oxigén hozzáadására, klórmaradványok eltávolítására, valamint szulfidok, szulfitok, fémek és más könnyen oxidálható anyagok oxidálására használják. A hidrogén-peroxid alkalmasságát ezekre az alkalmazásokra a pH, a hőmérséklet és a reakcióidő befolyásolja.
Katalitikus hidrogén-peroxid
A nehezen oxidálható szennyeződéseknél a hidrogén-peroxid katalizátorokkal (vas, mangán vagy más metalloidok) történő aktiválására van szükség. Ezek a katalizátorok olyan hidrogén-peroxid reakciók fokozására is felhasználhatók, amelyek egyébként órákig vagy napokig tartanának.
Mi a fejlett oxidációs eljárások?
A fejlett oxidációs eljárások új fejleményt jelentenek a hidrogén-peroxidos fertőtlenítés területén. Ezek az eljárások reaktív oxigéngyököket állítanak elő, fémkatalizátorok beavatkozása nélkül. Ilyen például a hidrogén-peroxid és az ózon (peroxon) vagy az ultraibolya fény kombinációja. Ezeknek a módszereknek az eredménye a nehezen lebomló anyagok messzemenő oxidációja, maradékok vagy iszap keletkezése nélkül. Ezeket a módszereket világszerte használják felszín alatti vizek kezelésére, ivóvíz és technológiai víz kezelésére, valamint szerves anyagok fertőtlenítésére és eltávolítására ipari szennyvízből.
Hogyan működik a hidrogén-peroxidos fertőtlenítés?
A hidrogén-peroxidot egyéb alkalmazások mellett fertőtlenítőszerként használják. Használják ínygyulladás kezelésére és (ivó)víz fertőtlenítésére. A vízrendszerekben és hűtőtornyokban a túlzott mikrobásodás ellen is alkalmazzák.
Az Egyesült Államokban a hidrogén-peroxidot egyre gyakrabban használják az egyéni vízellátás kezelésére. A szennyeződések (vas, mangán, szulfátok) lebontása és a mikroorganizmusok lebontása által okozott szín-, íz-, korrózió- és vízkőképződés megakadályozására használják. A hidrogén-peroxid nagyon gyorsan reagál. Ezután hidrogénre és vízre bomlik, melléktermékek képződése nélkül. Ez növeli a vízben lévő oxigén mennyiségét.
A hidrogén-peroxid fertőtlenítő mechanizmusa a szabad oxigéngyökök felszabadulásán alapul:
H2O2 → H2O + O2
A szennyeződéseket a szabad oxigéngyökök bontják, és csak víz marad. A szabad gyökök oxidáló és fertőtlenítő képességgel egyaránt rendelkeznek. A hidrogén-peroxid a fehérjéket oxidációval távolítja el.
A peroxidok, mint a hidrogén-peroxid (H2O2), a perborát, a peroxifoszfát és a perszulfát, jó fertőtlenítő és oxidálószerek. Ezek általában megfelelően eltávolítják a mikroorganizmusokat. Ezek a peroxidok azonban nagyon instabilak.
A perborátok nagyon mérgezőek. A peracetsav (PAA) egy erős sav. Tiszta formában nagyon agresszív lehet. A stabilizált perszulfátok felhasználhatók a klór helyettesítésére a szennyvízkezelésben.
A hidrogén-peroxidot használják ivóvíz fertőtlenítésére?
Az 1950-es években Kelet-Európában használtak először hidrogén-peroxidot ivóvíz fertőtlenítésére. Nagy oxidatív és biocid hatékonyságáról ismert. A hidrogén-peroxidot nem gyakran használták ivóvíz fertőtlenítésére, de népszerűsége növekedni látszik. Gyakran használják ózonnal, ezüsttel vagy UV-vel kombinálva.
A hidrogén-peroxidot használják uszodai fertőtlenítésre?
A peroxidok fertőtlenítésre és vízkezelésre történő alkalmazása korlátozott. A közelmúltban stabilabb formákat fejlesztettek ki, amelyek uszodákban is alkalmazhatók.
A hidrogén-peroxidos fertőtlenítés nagy dózist igényel. A fő hátránya a hidrogén-peroxid kis fertőtlenítő és oxidáló képessége aktív koncentrációban (több tíz milligramm/liter), ami az uszodai fertőtlenítéshez szükséges. További probléma a hidrogén-peroxid gyors bomlása a vízben és az oxigéngyökök jelenléte. Stabilizátor hozzáadásával a hidrogén-peroxid bomlása késleltethető, és a fertőtlenítő képesség megőrizhető.
A hidrogén-peroxid a klórral, brómmal, ózonnal és más fertőtlenítőszerekkel összehasonlítva nem túl erős fertőtlenítőszer. Az uszodák hidrogén-peroxiddal történő fertőtlenítése nem megengedett, kivéve, ha más fertőtlenítőszerekkel (UV, ózon, ezüstsók vagy ammóniakvarton sók) kombinálva alkalmazzák. A hidrogén-peroxid javítja más fertőtlenítőszerek fertőtlenítő képességét.
Használható-e hidrogén-peroxid hűtőtoronyvíz fertőtlenítésére?
A hidrogén-peroxid használható hűtőtoronyvíz fertőtlenítésére, ha más fertőtlenítőszerekkel kombinálják. A peracetsav (CH3COOH, PAA) szintén használható hűtőtoronyvíz fertőtlenítésére.
A hidrogén-peroxid eltávolítja a klórt?
A hidrogén-peroxid használható klórmentesítésre, más szóval a maradék klór eltávolítására. A maradék klór maró savakat képez, amikor levegővel vagy kondenzátumokkal oxidálódik a technológiai rendszerekben.
Amikor a klór reakcióba lép a hidrogén-peroxiddal, a hidrogén-peroxid vízre és oxigénre esik szét. A klórgáz hipoklórsavvá (HOCl) hidrolizál, amely ezt követően hipoklorit-ionokká (OCl) ionizálódik.
Cl2 + HOCl + H+ + Cl
HOCl + H+ + Cl
Azután a hidrogén-peroxid reakcióba lép a hipoklorit-tal:
OCl- + H2O2 (g) -> Cl- + H2O + O2
A hidrogén-peroxid és a hipoklorit közötti reakció nagyon gyorsan zajlik. Más szerves és szervetlen anyagok nem tudnak reakcióba lépni a hipoklorittal.
Milyen előnyei és hátrányai vannak a hidrogén-peroxid használatának?
előnyök
A hidrogén-peroxid más kémiai anyagokkal ellentétben nem termel maradványokat vagy gázokat. A biztonság az alkalmazott koncentrációtól függ, mivel a hidrogén-peroxid teljesen vízoldható.
Hátrányok
A hidrogén-peroxid erős oxidálószer. Számos anyaggal reakcióba lép. Ezért a szállítás során biztonsági intézkedésként hígítani kell. A hidrogén-peroxidos fertőtlenítéshez azonban nagy koncentrációra van szükség.
A hidrogén-peroxid lassan bomlik vízre és oxigénre. A hőmérséklet emelkedése és a szennyeződések jelenléte fokozza ezt a folyamatot.
A hidrogén-peroxid koncentrációja az oldatban lassan csökken. Ezt a következő reakció okozza:
2 H2O2 → 2 H2O + O2
Ez egy redoxireakció. A hidrogénmolekulák részben reduktorként, részben oxidálószerként működnek.
A hidrogén-peroxid hatékony?
A hidrogén-peroxid hatékonysága számos tényezőtől függ, mint például a pH, a katalizátorok, a hőmérséklet, a peroxid-koncentráció és a reakcióidő.
Milyen egészségügyi hatásai vannak a hidrogén-peroxidnak?
A hidrogén-peroxidnak való kitettség a nedv vagy köd belégzése, az élelmiszerekkel való felvétel és a bőrrel vagy szemmel való érintkezés révén történik. A hidrogén-peroxid irritálhatja a szemet, a bőrt és a nyálkahártyát. A szem 5%-os vagy annál nagyobb koncentrációnak való kitettsége maradandó szemkárosodást okozhat. Az amerikai Nemzetközi Rákkutatási Ügynökség (IARC) laboratóriumi állatokon végzett vizsgálatai azt mutatják, hogy a hidrogén-peroxid rákkeltő lehet az állatokra nézve. A baktériumokkal végzett laboratóriumi vizsgálatok azt mutatják, hogy a hidrogén-peroxid mutagén hatású; megváltoztatja és károsítja a DNS-t. Ha az emberek hidrogén-peroxidot lélegeznek be, az tüdőirritációt okoz. A bőr expozíciója fájdalmas hólyagokat, égési sérüléseket és bőrfehérítést okoz. A hidrogén-peroxid-expozícióra különösen érzékeny szervek a tüdő, a belek, a thymus, a máj és a vesék. A krónikus expozíció emberre gyakorolt hatása ismeretlen. A reprodukcióra és a fejlődésre gyakorolt hatásokat eddig nem mutatták ki.
Milyen jogszabályok vonatkoznak a hidrogén-peroxidra?
EU
A hidrogén-peroxidot nem említi a 98/83/EK európai ivóvízszabvány.
USA
Az USA-ban a hidrogén-peroxidot az EPA 1977-ben növényvédő szerként regisztrálta.
Mely anyagok kombinálhatók hidrogén-peroxiddal?
A fertőtlenítéshez a hidrogén-peroxid más szerekkel kombinálható. Például perecetsavval és peroxonnal.