waterstofperoxide
De meeste mensen kennen waterstofperoxide als een middel dat het haar bleekt. Het kan ook worden gebruikt voor het desinfecteren van water.
Wanneer werd waterstofperoxide ontdekt?
Louis Jacque Thenard ontdekte waterstofperoxide in 1818. Waterstofperoxide bestaat uit zuurstof- en waterstofatomen. Deze zijn overal op aarde te vinden. Waterstofperoxide bevat een combinatie van twee waterstofatomen en twee zuurstofatomen.
In het milieu komt waterstofperoxide in zeer lage concentraties voor. Gasvormig waterstofperoxide ontstaat door chemische fotoreacties in de atmosfeer rond de aarde. Het kan ook in kleine hoeveelheden in water worden aangetroffen.
Wat zijn de eigenschappen van waterstofperoxide?
Peroxide is een chemische verbinding die het peroxide-ion (O22-) bevat.
Het peroxide-ion bestaat uit een enkele binding tussen twee zuurstofatomen: (O-O)2-. Het is een sterke oxidator.
Waterstofperoxide heeft de chemische formule H2O2 en de volgende structuurformule:
H-O-O-H
De waterstofperoxidemolecule bevat één extra zuurstofatoom, vergeleken met de stabielere watermolecule. De binding tussen de twee zuurstofatomen, de zogenaamde peroxidebinding, wordt verbroken terwijl twee H-O radicalen worden gevormd. Deze radicalen reageren snel met andere stoffen, terwijl nieuwe radicalen worden gevormd en er een kettingreactie plaatsvindt. Waterstofperoxide-oplossingen zien eruit als water en kunnen onbelemmerd in water worden opgelost. Bij hoge concentraties geven deze oplossingen een irriterende, zure geur af. Waterstofperoxide is ontvlambaar. Bij lage temperaturen wordt het vast. De hoeveelheid waterstofperoxide in de oplossing wordt uitgedrukt in gewichtspercenten. Voor waterzuivering worden concentraties van 35 of 50 % waterstofperoxide gebruikt.
Selectiviteit
Waterstofperoxide wordt voor verschillende toepassingen gebruikt, omdat het zeer selectief is. Door de reactieomstandigheden (temperatuur, pH, dosis, reactietijd en de toevoeging van een katalysator) te veranderen, zal waterstofperoxide verschillende verontreinigingen aantasten.
Corrosiviteit van waterstofperoxide
De corrosiviteit van proceswater door waterstofperoxide is afhankelijk van de hoeveelheid opgeloste zuurstof die wordt geproduceerd. Zuurstof tast ijzerhoudende metalen aan. De hoeveelheid ijzer en de pH zijn van grotere invloed op de corrosiviteit dan de concentratie waterstofperoxide dat is.
Ontbinding van waterstofperoxide
Waterstofperoxide kan tijdens het transport uiteenvallen. Zuurstof en warmte komen vrij. Waterstofperoxide zelf is ontvlambaar, maar de zuurstof kan de ontsteking van andere stoffen versterken. In verdunde oplossingen wordt de warmte geabsorbeerd door water. In geconcentreerde oplossingen wordt de temperatuur van de oplossing verhoogd, waardoor waterstofperoxide sneller wordt vernietigd. De destructiegraad wordt met 2,2 vermenigvuldigd voor elke 10 °C dat de temperatuur stijgt. Ook de alkaliteit en de aanwezigheid van verontreinigingen versnellen de vernietiging van waterstofperoxide.
Voor de productie van waterstofperoxide worden speciale katalysatoren gebruikt om ervoor te zorgen dat waterstofperoxide niet wordt vernietigd door verontreinigingen in het water.
Hoe wordt waterstofperoxide geproduceerd?
Sinds 1880 is waterstofperoxide een commercieel product. Het werd voor het eerst geproduceerd in het Verenigd Koninkrijk door bariumzout (Ba) te verbranden, waarbij bariumperoxide (BaO2) ontstond. Vervolgens werd het bariumperoxide opgelost in water en werd waterstofperoxide geproduceerd. Sinds de 19e eeuw is de productie van waterstofperoxide sterk toegenomen. Tegenwoordig wordt jaarlijks ongeveer een half miljard kilogram geproduceerd.
Hoe wordt waterstofperoxide vervoerd en opgeslagen?
Waterstofperoxide moet worden vervoerd in recipiënten van polyethyleen, roestvrij staal of aluminium. Wanneer waterstofperoxide in contact komt met ontvlambare stoffen, zoals hout, papier, olie of katoen (cellulose), kan spontane ontbranding optreden. Wanneer waterstofperoxide wordt gemengd met organische stoffen, zoals alcoholen, aceton en andere ketonen, aldehyden en glycerol, kunnen zware explosies optreden.
Wanneer waterstofperoxide in contact komt met stoffen, zoals ijzer, koper, chroom, lood, zilver, mangaan, natrium, kalium, magnesium, nikkel, goud, platina, metalloïden, metaaloxiden of metaalzouten, kan dit leiden tot krachtige explosies. Daarom wordt waterstofperoxide meestal in verdunde vorm vervoerd.
Wat zijn de toepassingen van waterstofperoxide?
De oudst bekende toepassing van waterstofperoxide was het bleken van strohoeden, die in het begin van de twintigste eeuw in de mode waren. Van 1920 tot 1950 werd waterstofperoxide geproduceerd door elektrolyse. Deze methode leverde zuiver waterstofperoxide op. Tegenwoordig worden zelfoxidatieprocessen gebruikt om waterstofperoxide te produceren. Bij deze processen is waterstof de grondstof.
Versatiliteit van waterstofperoxide
Waterstofperoxide is veelzijdig, het kan voor vele toepassingen worden gebruikt. Het kan in alle media worden gebruikt: lucht, water, afvalwater en bodem. Het wordt soms gebruikt in combinatie met andere middelen om processen te verbeteren en te versnellen. Waterstofperoxide wordt meestal gebruikt om verontreinigende stoffen uit afvalwater en uit de lucht te verwijderen. Het bestrijdt de groei van bacteriën (bijvoorbeeld biofouling in watersystemen) en het kan de groei van bacteriën bevorderen (bijvoorbeeld biosanering van verontreinigde bodem en grondwater) door toevoeging van zuurstof. Het kan ook worden gebruikt voor de behandeling van verontreinigingen die gemakkelijk kunnen worden geoxideerd (bijvoorbeeld ijzer en sulfiden) en verontreinigingen die moeilijk te oxideren zijn (bijvoorbeeld opgeloste vaste stoffen, benzine en pesticiden).
Ten slotte kan het worden gebruikt voor het bleken van papier, textiel, tanden en haar of voor de productie van voedingsmiddelen, mineralen, petrochemische stoffen of waspoeder. In zuivere vorm wordt waterstofperoxide gebruikt als zuurstofleverancier om Russische onderzeeërs aan te drijven.
Kan waterstofperoxide als oxidatiemiddel worden gebruikt?
Waterstofperoxide is een sterke oxidator. Het is krachtiger dan chloor (Cl2), chloordioxide (ClO2) en kaliumpermanganaat (KMnO4). Door katalyse kan waterstofperoxide worden omgezet in hydroxyradicalen (OH). Het oxidatiepotentieel van waterstofperoxide ligt net onder dat van ozon.
Tabel 1: Oxidatiepotentiëlen van verschillende oxidatiemiddelen
| Oxidatiemiddel | Oxidatiepotentiëel |
| fluor | 3,0 |
| hydroxyradicalen | 2,8 |
| ozon | 2,1 |
| waterstofperoxide | 1,8 |
| kaliumpermanganaat | 1,7 |
| chloordioxide | 1,5 |
| chloor | 1,4 |
Hoe wordt waterstofperoxide gedoseerd?
De meeste waterstofperoxidetoepassingen bestaan uit injectie van waterstofperoxide in stromend water. Er zijn geen andere chemicaliën of apparatuur nodig. Deze toepassing wordt gebruikt om biologische groei te beheersen, zuurstof toe te voegen, chloorresten te verwijderen en sulfiden, sulfieten, metalen en andere gemakkelijk oxideerbare materialen te oxideren. De geschiktheid van waterstofperoxide voor deze toepassingen wordt beïnvloed door pH, temperatuur en reactietijd.
Katalytisch waterstofperoxide
Verontreinigingen die niet gemakkelijk te oxideren zijn, vereisen activering van waterstofperoxide door katalysatoren (ijzer, mangaan of andere metalloïden). Deze katalysatoren kunnen ook worden gebruikt om waterstofperoxidereacties te versterken, die anders uren of dagen zouden duren.
Wat zijn geavanceerde oxidatieprocessen?
Geavanceerde oxidatieprocessen zijn een nieuwe ontwikkeling op het gebied van desinfectie met waterstofperoxide. Deze processen produceren reactieve zuurstofradicalen, zonder tussenkomst van metaalkatalysatoren. Voorbeelden zijn de combinatie van waterstofperoxide met ozon (peroxon) of ultraviolet licht. Het resultaat van deze methoden is een verregaande oxidatie van moeilijk afbreekbare stoffen, zonder de vorming van residuen of slib. Deze methoden worden wereldwijd gebruikt voor grondwaterbehandeling, voor drinkwater- en proceswaterbehandeling en voor desinfectie en verwijdering van organische stoffen uit industrieel afvalwater.
Hoe werkt desinfectie met waterstofperoxide?
Zonder andere toepassingen wordt waterstofperoxide gebruikt als desinfectiemiddel. Het wordt gebruikt bij ontstekingen van het tandvlees en om (drink)water te desinfecteren. Het wordt ook gebruikt om overmatige microbiële groei in watersystemen en koeltorens tegen te gaan.
In de Verenigde Staten wordt waterstofperoxide steeds vaker gebruikt voor de behandeling van individuele watervoorzieningen. Het wordt gebruikt om de vorming van kleuren, smaken, corrosie en kalkaanslag door afbraak van vervuiling (ijzer, mangaan, sulfaten) en afbraak door micro-organismen tegen te gaan. Waterstofperoxide reageert zeer snel. Het valt dan uiteen in waterstof en water, zonder de vorming van bijproducten. Hierdoor neemt de hoeveelheid zuurstof in het water toe.
Het desinfectiemechanisme van waterstofperoxide is gebaseerd op het vrijkomen van vrije zuurstofradicalen:
H2O2 → H2O + O2
Verontreinigingen worden door vrije zuurstofradicalen afgebroken, waarna alleen water overblijft. Vrije radicalen hebben zowel oxiderende als desinfecterende eigenschappen. Waterstofperoxide elimineert eiwitten door oxidatie.
Peroxiden, zoals waterstofperoxide (H2O2), perboraat, peroxifosfaat en persulfaat, zijn goede ontsmettingsmiddelen en oxidatiemiddelen. In het algemeen kunnen zij micro-organismen afdoende verwijderen. Deze peroxiden zijn echter zeer onstabiel.
Perboraten zijn zeer giftig. Perazijnzuur (PAA) is een sterk zuur. In zuivere vorm kan het zeer agressief zijn. Gestabiliseerde persulfaten kunnen worden gebruikt ter vervanging van chloor voor de behandeling van afvalwater.
Wordt waterstofperoxide gebruikt voor de desinfectie van drinkwater?
In de jaren 1950 werd waterstofperoxide voor het eerst gebruikt voor de desinfectie van drinkwater in Oost-Europa. Het staat bekend om zijn hoge oxidatieve en biocidale efficiëntie. Waterstofperoxide is niet vaak gebruikt voor de ontsmetting van drinkwater, maar de populariteit ervan lijkt toe te nemen. Het wordt vaak gebruikt in combinatie met ozon, zilver of UV.
Wordt waterstofperoxide gebruikt voor de desinfectie van zwembaden?
De toepassing van peroxiden voor desinfectie en waterbehandeling is beperkt. Onlangs zijn stabielere vormen ontwikkeld, die kunnen worden gebruikt voor toepassing in zwembaden.
Voor desinfectie met waterstofperoxide is een hoge dosis nodig. Het grootste nadeel is het geringe desinfecterende en oxiderende vermogen van waterstofperoxide bij actieve concentraties (tientallen milligrammen per liter), die nodig zijn voor de desinfectie van zwembaden. Een ander probleem is de snelle ontleding van waterstofperoxide in water en de aanwezigheid van zuurstofradicalen. Door stabilisatoren toe te voegen, wordt de afbraak van waterstofperoxide vertraagd en kan de desinfecterende werking behouden blijven.
Vergeleken met chloor, broom, ozon en andere desinfecterende middelen is waterstofperoxide geen erg krachtig desinfectiemiddel. Ontsmetting van zwembaden met waterstofperoxide is niet toegestaan, tenzij het wordt gebruikt in combinatie met andere ontsmettingsmiddelen (UV, ozon, zilverzouten of ammoniakkwartszouten). Waterstofperoxide verbetert de desinfectiecapaciteit van andere desinfectiemiddelen.
Kan waterstofperoxide worden gebruikt voor de desinfectie van koeltorenwater?
Waterstofperoxide kan gebruikt worden voor de desinfectie van koeltorenwater, wanneer het gecombineerd wordt met andere desinfectiemiddelen. Perazijnzuur (CH3COOH, PAA) kan ook worden gebruikt voor de desinfectie van koeltorenwater.
Verwijdert waterstofperoxide chloor?
Waterstofperoxide kan worden gebruikt voor dechlorering, met andere woorden om restchloor te verwijderen. Restchloor vormt corrosieve zuren wanneer het wordt geoxideerd door lucht of condensaten op processystemen.
Wanneer chloor reageert met waterstofperoxide, valt waterstofperoxide uiteen in water en zuurstof. Chloorgas hydrolyseert in onderchlorig zuur (HOCl), dat vervolgens ioniseert in hypochlorietionen (OCl).
Cl2 + HOCl + H+ + Cl
HOCl + H+ + Cl
Na tha reageert waterstofperoxide met hypochloriet:
OCl- + H2O2 (g) -> Cl- + H2O + O2
De reactie tussen waterstofperoxide en hypochloriet verloopt zeer snel. Andere organische en anorganische stoffen kunnen niet met hypochloriet reageren.
Wat zijn de voor- en nadelen van het gebruik van waterstofperoxide?
Voordelen
In tegenstelling tot andere chemische stoffen produceert waterstofperoxide geen residuen of gassen. De veiligheid hangt af van de toegepaste concentratie, omdat waterstofperoxide volledig oplosbaar is in water.
Nadelen
Waterstofperoxide is een krachtig oxidatiemiddel. Het reageert met een groot aantal stoffen. Daarom wordt het tijdens het vervoer bij wijze van veiligheidsmaatregel verdund. Voor desinfectie met waterstofperoxide zijn echter hoge concentraties nodig.
Waterstofperoxide ontleedt langzaam in water en zuurstof. Een verhoging van de temperatuur en de aanwezigheid van verontreinigingen versterken dit proces.
De concentratie van waterstofperoxide in een oplossing neemt langzaam af. Dit wordt veroorzaakt door de volgende reactie:
2 H2O2 → 2 H2O + O2
Dit is een redoxreactie. Waterstofmoleculen fungeren deels als reductor en deels als oxidator.
Is waterstofperoxide efficiënt?
De efficiëntie van waterstofperoxide hangt af van verschillende factoren, zoals pH, katalysatoren, temperatuur, peroxideconcentratie en reactietijd.
Wat zijn de gezondheidseffecten van waterstofperoxide?
Blootstelling aan waterstofperoxide vindt plaats door inademing van vocht of nevel, door voedselopname en door huid- of oogcontact. Waterstofperoxide kan de ogen, de huid en de slijmvliezen irriteren. Blootstelling van de ogen aan concentraties van 5% of meer kan leiden tot blijvend oogletsel. Proeven met proefdieren van het Amerikaanse International Agency on Cancer Research (IARC) tonen aan dat waterstofperoxide kankerverwekkend kan zijn voor dieren. Laboratoriumproeven met bacteriën tonen aan dat waterstofperoxide mutageen is; het verandert en beschadigt DNA. Wanneer mensen waterstofperoxide inademen, veroorzaakt het irritatie van de longen. Blootstelling van de huid veroorzaakt pijnlijke blaren, brandwonden en een bleker wordende huid. Organen die extra gevoelig zijn voor blootstelling aan waterstofperoxide zijn de longen, de darmen, de thymus, de lever en de nieren. De effecten van chronische blootstelling op de mens zijn onbekend. Effecten op de voortplanting en ontwikkeling zijn tot nu toe niet aangetoond.
Wat is de wetgeving voor waterstofperoxide?
EU
Waterstofperoxide wordt niet genoemd in de Europese drinkwaternorm 98/83/EG.
USA
In de VS is waterstofperoxide in 1977 door de EPA geregistreerd als pesticide.
Welke stoffen kunnen gecombineerd worden met waterstofperoxide?
Voor ontsmetting kan waterstofperoxide met andere middelen worden gecombineerd. Bijvoorbeeld perazijnzuur en peroxon.