Nadtlenek wodoru
Większość ludzi zna nadtlenek wodoru jako związki, które wybielają włosy. Może on być również stosowany do dezynfekcji wody.
Kiedy odkryto nadtlenek wodoru?
Louis Jacque Thenard odkrył nadtlenek wodoru w 1818 roku. Nadtlenek wodoru składa się z atomów tlenu i wodoru. Można je znaleźć wszędzie na ziemi. Nadtlenek wodoru zawiera połączenie dwóch atomów wodoru i dwóch atomów tlenu.
W środowisku naturalnym, nadtlenek wodoru można znaleźć w bardzo niskich stężeniach. Gazowy nadtlenek wodoru jest wytwarzany w wyniku reakcji fotochemicznych w atmosferze otaczającej Ziemię. Można go również znaleźć w wodzie w niewielkich ilościach.
Jakie są właściwości nadtlenku wodoru?
Nadtlenek jest związkiem chemicznym, który zawiera jon nadtlenkowy (O22-).
Jon nadtlenkowy składa się z pojedynczego wiązania pomiędzy dwoma atomami tlenu: (O-O)2-. Jest on silnym utleniaczem.
Nadtlenek wodoru ma wzór chemiczny H2O2 i następujący wzór strukturalny:
H-O-O-H
Cząsteczka nadtlenku wodoru zawiera jeden dodatkowy atom tlenu, w porównaniu do bardziej stabilnej cząsteczki wody. Wiązanie pomiędzy dwoma atomami tlenu, tak zwane wiązanie nadtlenkowe, zostaje przerwane i powstają dwa rodniki H-O. Rodniki te szybko reagują z innymi substancjami. Rodniki te szybko reagują z innymi substancjami, powstają nowe rodniki i dochodzi do reakcji łańcuchowej. Roztwory nadtlenku wodoru wyglądają jak woda i można je bez ograniczeń rozpuszczać w wodzie. Przy wysokich stężeniach roztwory te wydzielają drażniący, kwaśny zapach. Nadtlenek wodoru jest łatwopalny. W niskich temperaturach przechodzi w stan stały. Ilość nadtlenku wodoru w roztworze wyrażana jest w procentach wagowych. Do uzdatniania wody stosuje się stężenia 35 lub 50 % nadtlenku wodoru.
Selektywność
Nadtlenek wodoru jest używany do różnych zastosowań, ponieważ jest bardzo selektywny. Poprzez zmianę warunków reakcji (temperatura, pH, dawka, czas reakcji i dodatek katalizatora), nadtlenek wodoru będzie atakował różne zanieczyszczenia.
Korozja nadtlenku wodoru
Korozja wody procesowej spowodowana nadtlenkiem wodoru zależy od ilości rozpuszczonego tlenu, który jest wytwarzany. Tlen powoduje korozję metali zawierających żelazo. Ilość żelaza i pH mają większy wpływ na korozyjność niż stężenie nadtlenku wodoru.
Niszczenie nadtlenku wodoru
Nadtlenek wodoru może rozpadać się podczas transportu. Uwalniane są tlen i ciepło. Nadtlenek wodoru sam w sobie jest łatwopalny, ale tlen może wzmocnić zapalenie innych substancji. W rozcieńczonych roztworach, ciepło jest absorbowane przez wodę. W roztworach stężonych temperatura roztworu wzrasta, co przyspiesza niszczenie nadtlenku wodoru. Szybkość niszczenia jest pomnożona przez 2,2 na każde 10 °C wzrostu temperatury. Zasadowość i obecność zanieczyszczeń również przyspieszają niszczenie nadtlenku wodoru.
Do produkcji nadtlenku wodoru stosuje się specjalne katalizatory, aby mieć pewność, że nadtlenek wodoru nie jest niszczony przez zanieczyszczenia znajdujące się w wodzie.
Jak powstaje nadtlenek wodoru?
Od 1880 roku, nadtlenek wodoru jest produktem handlowym. Po raz pierwszy został wyprodukowany w Wielkiej Brytanii przez spalanie soli baru (Ba), co dało nadtlenek baru (BaO2). Następnie nadtlenek baru został rozpuszczony w wodzie i powstał nadtlenek wodoru. Od XIX wieku produkcja nadtlenku wodoru znacznie wzrosła. Obecnie produkuje się około pół miliarda kilogramów rocznie.
Jak transportuje się i przechowuje nadtlenek wodoru?
Nadtlenek wodoru musi być transportowany w pojemnikach z polietylenu, stali nierdzewnej lub aluminium. W przypadku kontaktu nadtlenku wodoru z substancjami łatwopalnymi, takimi jak drewno, papier, olej lub bawełna (celuloza), może dojść do samozapłonu. W przypadku zmieszania nadtlenku wodoru z substancjami organicznymi, takimi jak alkohole, aceton i inne ketony, aldehydy i gliceryna, może dojść do silnych eksplozji.
W przypadku kontaktu nadtlenku wodoru z substancjami, takimi jak żelazo, miedź, chrom, ołów, srebro, mangan, sód, potas, magnez, nikiel, złoto, platyna, metaloidy, tlenki metali lub sole metali, może dojść do silnych eksplozji. Z tego powodu nadtlenek wodoru jest zwykle transportowany w postaci rozcieńczonej.
Jakie są zastosowania nadtlenku wodoru?
Najstarszym znanym zastosowaniem nadtlenku wodoru było wybielanie słomkowych kapeluszy, które były modne na początku dwudziestego wieku. Od 1920 do 1950 roku nadtlenek wodoru był produkowany w procesie elektrolizy. Metoda ta pozwalała uzyskać czysty nadtlenek wodoru. Obecnie do produkcji nadtlenku wodoru stosuje się procesy samoutleniania. Podczas tych procesów surowcem jest wodór.
Wszechstronność nadtlenku wodoru
Nadtlenek wodoru jest uniwersalny, może być używany do wielu zastosowań. Może być stosowany we wszystkich mediach: powietrzu, wodzie, ściekach i glebie. Jest on czasami używany w połączeniu z innymi środkami, aby wzmocnić i przyspieszyć procesy. Nadtlenek wodoru jest najczęściej używany do usuwania zanieczyszczeń ze ścieków i z powietrza. Hamuje on wzrost bakterii (np. biofouling w systemach wodnych) i może wzmocnić wzrost bakterii (np. bioremediacja zanieczyszczonych gleb i wód gruntowych) poprzez dodanie tlenu. Może być również stosowany w leczeniu zanieczyszczeń, które mogą być łatwo utlenione (na przykład żelazo i siarczki) i zanieczyszczeń, które są trudne do utlenienia (na przykład rozpuszczone ciała stałe, benzyna i pestycydy).
Wreszcie, może być stosowany do wybielania papieru, tekstyliów, zębów i włosów lub do produkcji żywności, minerałów, substancji petrochemicznych lub proszku do prania. W czystej postaci, nadtlenek wodoru jest używany jako dostawca tlenu do napędu rosyjskich łodzi podwodnych.
Czy nadtlenek wodoru może być używany jako utleniacz?
Nadtlenek wodoru jest silnym utleniaczem. Jest silniejszy od chloru (Cl2), dwutlenku chloru (ClO2) i nadmanganianu potasu (KMnO4). Poprzez katalizę nadtlenek wodoru może zostać przekształcony w hydroksy rodniki (OH). Potencjał utleniania nadtlenku wodoru jest nieco niższy od potencjału utleniania ozonu.
Tabela 1: Potencjały utleniania różnych utleniaczy
| Oksydator | Potencjał utleniania |
| fluor | 3,0 |
| hydroksyrodniki | 2,8 |
| ozon | 2,1 |
| nadtlenek wodoru | 1,8 |
| nadmanganian potasu | 1,7 |
| dwutlenek chloru | 1,5 |
| dwutlenek chloru | 1,4 |
Jak dozuje się nadtlenek wodoru?
Większość zastosowań nadtlenku wodoru polega na wstrzykiwaniu nadtlenku wodoru do przepływającej wody. Nie są wymagane żadne inne środki chemiczne ani sprzęt. Ta aplikacja jest używana do kontroli wzrostu biologicznego, dodawania tlenu, usuwania pozostałości chloru i utleniania siarczków, siarczynów, metali i innych łatwo utlenianych materiałów. Na przydatność nadtlenku wodoru do tych zastosowań ma wpływ pH, temperatura i czas reakcji.
Katalityczny nadtlenek wodoru
Zanieczyszczenia, które nie są łatwo utleniane, wymagają aktywacji nadtlenku wodoru przez katalizatory (żelazo, mangan lub inne metaloidy). Katalizatory te mogą być również stosowane do wzmocnienia reakcji nadtlenku wodoru, które w przeciwnym razie trwałyby godziny lub dni.
Co to są zaawansowane procesy utleniania?
Zaawansowane procesy utleniania są nowym osiągnięciem w dziedzinie dezynfekcji nadtlenkiem wodoru. Procesy te wytwarzają reaktywne rodniki tlenowe, bez ingerencji katalizatorów metalowych. Przykładem może być połączenie nadtlenku wodoru z ozonem (peroksonem) lub światłem ultrafioletowym. Rezultatem tych metod jest daleko idące utlenianie trudno degradowalnych substancji, bez powstawania pozostałości i osadów. Metody te są stosowane na całym świecie do uzdatniania wód gruntowych, do uzdatniania wody pitnej i wody technologicznej oraz do dezynfekcji i usuwania substancji organicznych ze ścieków przemysłowych.
Jak działa dezynfekcja nadtlenkiem wodoru?
Pośród innych zastosowań, nadtlenek wodoru jest używany jako środek dezynfekujący. Jest on używany do leczenia zapalenia dziąseł i do dezynfekcji wody (pitnej). Jest również stosowany do zwalczania nadmiernego wzrostu mikroorganizmów w systemach wodnych i wieżach chłodniczych.
W Stanach Zjednoczonych, nadtlenek wodoru jest stosowany coraz częściej do leczenia indywidualnych dostaw wody. Jest on stosowany w celu zapobiegania powstawaniu kolorów, smaków, korozji i zgorzeliny poprzez degradację zanieczyszczeń (żelazo, mangan, siarczany) i degradację mikroorganizmów. Nadtlenek wodoru reaguje bardzo szybko. Następnie rozpada się na wodór i wodę, bez powstawania produktów ubocznych. Zwiększa to ilość tlenu w wodzie.
Mechanizm dezynfekcji nadtlenku wodoru jest oparty na uwalnianiu wolnych rodników tlenowych:
H2O2 → H2O + O2
Zanieczyszczenia są rozkładane przez wolne rodniki tlenowe, a pozostaje tylko woda. Wolne rodniki mają zarówno zdolności utleniające jak i dezynfekujące. Nadtlenek wodoru eliminuje białka poprzez utlenianie.
Nadtlenki takie jak nadtlenek wodoru (H2O2), nadboran, nadtlenofosforan i nadsiarczan, są dobrymi środkami dezynfekującymi i utleniającymi. Na ogół mogą one odpowiednio usuwać mikroorganizmy. Jednakże, te nadtlenki są bardzo niestabilne.
Perborany są bardzo toksyczne. Kwas nadoctowy (PAA) jest silnym kwasem. W czystej postaci może być bardzo agresywny. Stabilizowane nadsiarczany mogą być używane do zastępowania chloru w oczyszczaniu ścieków.
Czy nadtlenek wodoru jest używany do dezynfekcji wody pitnej?
W latach 50-tych, nadtlenek wodoru został po raz pierwszy użyty do dezynfekcji wody pitnej w Europie Wschodniej. Jest on znany ze swojej wysokiej skuteczności utleniającej i biobójczej. Nadtlenek wodoru nie był często używany do dezynfekcji wody pitnej, ale jego popularność wydaje się rosnąć. Jest on często używany w połączeniu z ozonem, srebrem lub UV.
Czy nadtlenek wodoru jest używany do dezynfekcji basenów?
Zastosowanie nadtlenków do dezynfekcji i uzdatniania wody jest ograniczone. Ostatnio opracowano bardziej stabilne formy, które mogą być stosowane w basenach.
Dezynfekcja nadtlenkiem wodoru wymaga dużej dawki. Główną wadą jest mała zdolność dezynfekcyjna i utleniająca nadtlenku wodoru w aktywnych stężeniach (dziesiątki miligramów na litr), które są wymagane do dezynfekcji basenów. Innym problemem jest szybki rozkład nadtlenku wodoru w wodzie i obecność rodników tlenowych. Poprzez dodanie stabilizatora, rozkład nadtlenku wodoru jest opóźniony i zdolność dezynfekcji może być utrzymana.
W porównaniu z chlorem, bromem, ozonem i innymi środkami dezynfekującymi, nadtlenek wodoru nie jest bardzo silnym środkiem dezynfekującym. Dezynfekcja basenów nadtlenkiem wodoru nie jest dozwolona, chyba że jest on używany w połączeniu z innymi środkami dezynfekującymi (UV, ozonem, solami srebra lub solami amoniaku). Nadtlenek wodoru poprawia zdolność dezynfekcji innych środków dezynfekcyjnych.
Czy nadtlenek wodoru może być stosowany do dezynfekcji wody w chłodniach kominowych?
Nadtlenek wodoru może być użyty do dezynfekcji wody w chłodniach kominowych, gdy jest połączony z innymi środkami dezynfekującymi. Kwas nadoctowy (CH3COOH, PAA) może być również używany do dezynfekcji wody w chłodniach kominowych.
Czy nadtlenek wodoru usuwa chlor?
Nadtlenek wodoru może być używany do dechlorowania, innymi słowy do usuwania pozostałości chloru. Pozostałość chloru tworzy żrące kwasy, gdy jest utleniana przez powietrze lub kondensaty w systemach procesowych.
Gdy chlor reaguje z nadtlenkiem wodoru, nadtlenek wodoru rozpada się na wodę i tlen. Chlor gazowy ulega hydrolizie do kwasu podchlorawego (HOCl), który następnie jonizuje się do jonów podchlorynu (OCl).
Cl2 + HOCl + H+ + Cl
HOCl + H+ + Cl
Po tym, nadtlenek wodoru reaguje z podchlorynem:
OCl- + H2O2 (g) -> Cl- + H2O + O2
Reakcja pomiędzy nadtlenkiem wodoru i podchlorynem zachodzi bardzo szybko. Inne substancje organiczne i nieorganiczne nie mogą reagować z podchlorynem.
Jakie są zalety i wady stosowania nadtlenku wodoru?
Zalety
W przeciwieństwie do innych substancji chemicznych, nadtlenek wodoru nie wytwarza pozostałości ani gazów. Bezpieczeństwo zależy od zastosowanego stężenia, ponieważ nadtlenek wodoru jest całkowicie rozpuszczalny w wodzie.
Wady
Nadtlenek wodoru jest silnym utleniaczem. Reaguje z wieloma różnymi substancjami. Dlatego jest rozcieńczany podczas transportu, jako środek bezpieczeństwa. Jednakże do dezynfekcji nadtlenkiem wodoru wymagane są wysokie stężenia.
Nadtlenek wodoru powoli rozkłada się na wodę i tlen. Podwyższona temperatura i obecność zanieczyszczeń wzmagają ten proces.
Stężenie nadtlenku wodoru w roztworze powoli maleje. Jest to spowodowane następującą reakcją:
2 H2O2 → 2 H2O + O2
Jest to reakcja redoks. Cząsteczki wodoru częściowo działają jako reduktory, a częściowo jako utleniacze.
Czy nadtlenek wodoru jest wydajny?
Wydajność nadtlenku wodoru zależy od kilku czynników, takich jak pH, katalizatory, temperatura, stężenie nadtlenku i czas reakcji.
Jakie są skutki zdrowotne nadtlenku wodoru?
Narażenie na nadtlenek wodoru ma miejsce poprzez wdychanie wilgoci lub mgły, poprzez przyjmowanie pokarmu oraz poprzez kontakt ze skórą lub oczami. Nadtlenek wodoru może działać drażniąco na oczy, skórę i błony śluzowe. Narażenie oczu na stężenie 5% lub wyższe może powodować trwałe uszkodzenie oczu. Testy na zwierzętach laboratoryjnych przeprowadzone przez amerykańską Międzynarodową Agencję Badań nad Rakiem (IARC) wykazują, że nadtlenek wodoru może być rakotwórczy dla zwierząt. Testy laboratoryjne z udziałem bakterii wykazują, że nadtlenek wodoru jest mutagenny; zmienia i uszkadza DNA. Kiedy ludzie wdychają nadtlenek wodoru, powoduje on podrażnienie płuc. Narażenie skóry powoduje bolesne pęcherze, oparzenia i bielenie skóry. Organy, które są szczególnie podatne na działanie nadtlenku wodoru to płuca, jelita, grasica, wątroba i nerki. Skutki przewlekłego narażenia na ludzi są nieznane. Wpływ na reprodukcję i rozwój nie został dotychczas wykazany.
Jakie są przepisy prawne dotyczące nadtlenku wodoru?
UE
Nadtlenek wodoru nie jest wymieniony w Europejskiej Normie Wody Pitnej 98/83/EC.
USA
W USA nadtlenek wodoru został zarejestrowany jako pestycyd przez EPA w 1977 roku.
Jakie substancje można łączyć z nadtlenkiem wodoru?
Do dezynfekcji, nadtlenek wodoru może być łączony z innymi środkami. Na przykład kwasem nadoctowym i peroksonem.