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作为一种强氧化剂，ClO2已广泛应用于水处理、食品工业、造纸漂白等领域，并被世界卫生组织列为A1级消毒剂，国外称之为第四代消毒剂。与其他杀菌消毒方法（臭氧、氯气、次氯酸、紫外线）相比，ClO2在用于水处理中具有其独特的优越性，主要表现在：
(1)ClO2可以有效地去除水中的色、嗅、味
ClO2产生的氢氧自由基可以降解引起水中的色度的溶解性有机物。
(2)ClO2具有强氧化性，杀菌效果好
据目前的研究，ClO2是通过使微生物蛋白质中的氨基酸链断裂起到杀菌作用而表现出强氧化性。还可以发现ClO2不但能杀灭水中常见的病毒、细菌、藻类和浮游生物，还可以杀灭如军团菌、贾第鞭毛虫、隐孢子虫卵囊、刘氏中剑水蚤等常规消毒剂很难灭活的致病微生物。
(3)ClO2杀菌具有比较广泛的pH范围，对外界条件的要求比较低，而且杀菌持续时间长
ClO2对水中的酸碱具有比较强的适应性，不会发生水解反应。与Cl2相比，ClO2在pH3-9值范围内能更有效地杀灭大肠杆菌；在3-7pH值范围内能更有效地杀灭藻类病毒和动物虫卵。除了杀菌范围广外，ClO2还具有杀菌速度快而持续时间久的特点。
(4)可以减少THMs、HAAs等“三致物”的生成
年，在液氯消毒后的饮用水中，Rook首次发现了三致物三卤甲烷(THMs)。之后，又陆续在饮用水中又发现了卤烯烃、卤乙酸(HAAS)、卤化酮、卤乙腈、卤化醛等其它种类的卤化消毒副产物。Ames经实验证明，饮用水经氯消毒后会生成THMS和HAAS两类副产物。而这两类物质会使饮用水的致突变活性急剧的上升，其中，氯化呋喃酮(MX)的致突变活性是最强的。后来的各类生物实验也证明了上面的结论。调查统计结果显示，高的致突变活性会诱发各种癌症。对于孕妇，如果频繁地接触含有高浓度消毒副产物的水，出生的婴儿会有很大的概率患先天性缺陷症、严重者会流产或死胎。鉴于以上液氯杀菌消毒中的危害，一些欧美的发达国家已经用ClO2代替液氯来作为杀菌剂，现已有90%的工厂采用ClO2对饮用水消毒。通过对ClO2的研究，我们知道：ClO2具有极强的氧化性是因为在ClO2分子结构中存在一个容易生成氢氧自由基的带孤对电子的氯氧双键结构。所以，ClO2能氧化水中的黄腐酸(FA)或腐殖酸(HA)等天然有机物，而不与其形成三卤甲烷等氯化物，从而降低了消毒后水中产生的THMS和HAAS等副产物的生成量。
(5)去除水体中的无机离子
ClO2可将水中的Fe2+氧化成为Fe3+，最终以Fe(OH)3沉淀形式将水中的Fe2+去除。在除锰的时候也是将Mn2+氧化成Mn4+，以MnO4沉淀去除。ClO2在去除硫化物方面也具有很强的适用性。可以与单质硫、二价硫离子、硫化氢、氢硫化物、四价硫离子等发生氧化反应，将其氧化成硫酸根离子，去除有机硫产生的臭味。另外ClO2还可以与氰化物、含氮化合物、主族氢化物等化合物发生氧化反应，将这些无机化合物降解去除。
(6)破坏水中的酚类化合物
地表水常含有工业产生的酚。用氯气消毒时,生成氯化酚，导致味和嗅。ClO2能经济有效地破坏水中的酚类，而且不形成令人讨厌的副产物。当pH10时，1份重量的苯酚可被1.5份的ClO2氧化成对苯醌，当pH10时，3.3份重量的ClO2能将1份重量的苯酚氧化成小分子量的二元脂肪酸。ClO2能彻底破坏氯酚，完全作用是1份氯酚要求7份的ClO2。当pH值为7时，所有酚都反应完全。
(7)其他相关优越性
ClO2不与氨或氯胺发生反应，从而在含氨量高的水中也可以有很好的杀菌作用，不受水中氨氮的影响。ClO2随水温升高灭活能力加大，从而弥补了因水温升高ClO2在水中溶解度的下降。ClO2进行消毒时，是有选择地与某些有机物进行氧化反应，将有机物降解为含氧基团为主的产物，而不产生氯化有机物，所需的投加量小，只需要氯投加量的40%。
不过，ClO2用于水处理也存在一些不足。
ClO2是一种易爆炸气体。ClO2遇光时易分解生成氧和氯而引起爆炸，一般都是在现场现配现制。从而对ClO2的运输和储存带来一定的困难，这都制约着ClO2的普及使用。尽管ClO2在水处理中具有较广泛的应用和明显的优势，但在某些水质中同样会产生一些有毒副产物，例如醛类、亚氯酸盐、微量的卤化物和氯酸盐等。而这些毒副产物的生成条件和具体种类与具体的环境pH值、水质情况以及ClO2的投加量等有关系。除此之外，ClO2还可以与原水中某些含有双键的物质发生反应而生成可以产生微量的THMS和HAAS等有机卤代物的次氯酸。从实验研究发现，水处理中，经ClO2处理后形成的有机卤是经Cl2形成的1%~25%。在特定条件下，ClO2还能与醇、氨基反应生成醛。研究发现经过ClO2氧化后，水中天然有机物产生甲醛、乙醛、甲基乙二醛和乙二醛等有毒副产物。河水、深层地下水、浅层地下水等三类水经ClO2处理后，总醛浓度会升高，主要是已被联合国卫生部认定为可疑致癌物的甲醛和乙醛。
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