Dwutlenek chloru (ClO2​) to lotny, żółto-pomarańczowy gaz o ostrym zapachu, który łatwo rozpuszcza się w wodzie, tworząc silny środek biobójczy. Ze względu na swoje właściwości, znajduje coraz szersze zastosowanie w procesach dezynfekcji wody i nie tylko.

W procesach uzdatniania wody, ClO2​ poprawia jej smak i zapach poprzez neutralizację związków organicznych. Jest także niezwykle skuteczny w utlenianiu żelaza i manganu. Ponadto, dwutlenek chloru znajduje również zastosowanie w przemyśle spożywczym, gdzie wydłuża trwałość mięsa i owoców morza oraz zapobiega brązowieniu owoców i warzyw. Jego wszechstronne właściwości czynią go cenionym środkiem w wielu sektorach.

W artykule przeanalizowano właściwości dwutlenku chloru, metody jego wytwarzania oraz mechanizmy działania. Przeanalizowano również zastosowania ClO₂ w dezynfekcji wody, w przemyśle spożywczym oraz w różnych procesach uzdatniania, co ma na celu kompleksowe przedstawienie roli i potencjału wykorzystania dwutlenku chloru.

Spis treści:

1. Właściwości fizykochemiczne dwutlenku chloru
2. Historia zastosowania ClO2 w dezynfekcji wody
3. Otrzymywanie dwutlenku chloru
4. Generator dwutlenku chloru
5. Rozwój technologii: Stabilizowany dwutlenek chloru
6. Dwutlenek chloru jako środek biobójczy
7. Mechanizmy działania dwutlenku chloru – utlenianie mikroorganizmów
8. Skuteczność dezynfekcji wobec różnych grup mikroorganizmów
9. Czynniki wpływające na skuteczność dezynfekcji ClO2
10. Produkty uboczne dezynfekcji ClO2
11. Zastosowanie dwutlenku chloru w dezynfekcji wody
12. Nietypowe zastosowania
13. Wpływ dwutlenku chloru na smak i zapach wody
14. Utlenianie manganu i żelaza
15. Podsumowanie

Właściwości fizykochemiczne dwutlenku chloru

Dwutlenek chloru (ClO2​) to związek chemiczny o specyficznych właściwościach fizykochemicznych, które czynią go wyjątkowo skutecznym środkiem dezynfekującym. W temperaturze pokojowej ClO2​ to żółto-pomarańczowy gaz, cięższy od powietrza. Charakteryzuje się bardzo dobrą rozpuszczalnością w wodzie, co ułatwia jego zastosowanie w procesach uzdatniania. Roztwór wodny ClO₂ ma żółte zabarwienie i wydziela ostry, charakterystyczny zapach, przypominający chlor.

Jakie są właściwości chemiczne dwutlenku chloru (ClO2​)?

Pod względem chemicznym dwutlenek chloru jest silnym utleniaczem o wysokim potencjale redoks. Właściwość ta przekłada się na jego skuteczność w eliminacji patogenów. Ze względu na swoją reaktywność i niestabilność – szczególnie pod wpływem światła – ClO₂ musi być wytwarzany bezpośrednio w miejscu zastosowania, co eliminuje konieczność jego transportu i długotrwałego przechowywania. Skutecznym rozwiązaniem w zakresie dezynfekcji wody jest zastosowanie generatora dwutlenku chloru. Dostępne są również specjalnie przygotowane stabilizowane roztworu ClO2, jednak ich cena jest nieporównywalnie wyższa niż cena dwutlenku chloru produkowanego in-situ.

• W temperaturze pokojowej żółto-pomarańczowy gaz, cięży od powietrza.
• Ostry, charakterystyczny zapach, przypominający chlor.
• Bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie.
• Silny utleniacz.
• Niestabilny, szczególnie pod wpływem światła.

Historia zastosowania ClO2 w dezynfekcji wody

Dwutlenek chloru (ClO2​) pierwszy raz znalazł zastosowanie w dezynfekcji wody już w latach 40. XX wieku. Pionierskie wdrożenia miały miejsce w Stanach Zjednoczonych, skąd technologia ta szybko została zaadaptowana w Europie. ClO2​ błyskawicznie zyskał popularność jako alternatywa dla tradycyjnego chloru – szczególnie tam, gdzie istotna była poprawa właściwości organoleptycznych wody, takich jak smak i zapach.

Dlaczego dwutlenek chloru (ClO2​) jest lepszą alternatywą dla chloru?

Dwutlenek chloru (ClO2​) jest uważany za lepszą alternatywę dla tradycyjnego chloru ze względu na brak tworzenia szkodliwych dla zdrowia produktów ubocznych dezynfekcji. Stanowiło to istotną przewagę nad klasycznym chlorowaniem.

Od początku XX wieku dwutlenek chloru jest uznawany za efektywny środek dezynfekujący. W ostatnich latach zainteresowanie nim wzrosło, głównie dzięki jego szerokiemu spektrum właściwości dezynfekujących połączonemu z brakiem tworzenia szkodliwych trihalometanów (THM) i pochodnych chloraminy. Ta korzystna kombinacja cech przyczyniła się do rosnącej akceptacji ClO2​ jako alternatywy dla chloru w uzdatnianiu wody pitnej [1].

W jakich branżach stosuje się dwutlenek chloru (ClO2​)?

Obecnie dwutlenek chloru znajduje szereg zastosowań. Coraz większe zainteresowanie budzi również wykorzystanie gazowego dwutlenku chloru jako środka sterylizującego w zastosowaniach biomedycznych i farmaceutycznych, co otwiera nowe perspektywy dla tego związku [2].

Otrzymywanie dwutlenku chloru

Istnieje kilka sposobów otrzymywania ClO2, zarówno w laboratorium, jak i na skalę przemysłową. Można je podzielić na metody chemiczne i elektrolityczne. W laboratorium dwutlenek chloru otrzymywany jest głównie metodami chemicznymi w reakcji chlorynu sodu z poszczególnymi związkami [3]. Metoda elektrolityczna wykorzystuje prąd elektryczny do syntezy związku.

Otrzymywanie dwutlenku chloru metodami laboratoryjnymi

Jaki jest przebieg reakcji chemicznej w otrzymywaniu dwutlenku chloru?

• Reakcja z chlorem gazowym
  2NaClO2​ + Cl2​ → 2ClO2​ + 2NaCl
• Reakcja z kwasem solnym i podchlorynem sodu
  2NaClO2​ + 2HCl + NaClO → 2ClO2​ + 3NaCl + H2​O
• Reakcja z kwasem solnym
  5NaClO2​ + 4HCl → 5NaCl + 4ClO2​ + 2H2​O

Ostatnia metoda otrzymywania dwutlenku chloru jest także wykorzystywana w generatorach dwutlenku chloru przeznaczonych do dezynfekcji wody. Reakcja ta prowadzona jest w obecności wody, a roztwory obu substratów dozowane są w zadanych ilościach w sposób kontrolowany. Elementy te mają na celu przygotowanie roztworu o określonym stężeniu, bezpiecznym dla zdrowia. Produkcja dwutlenku chloru na skalę przemysłową odbywa się przez redukcję chloranów w środowisku silnie kwaśnym.

Na czym polega elektrolityczne otrzymywanie dwutlenku chloru?

Inną technologią otrzymywania dwutlenku chloru jest metoda elektrolityczna. Polega ona na przepuszczaniu prądu elektrycznego przez wodny roztwór zawierający chloryn metali alkalicznych, najczęściej chloryn sodu (NaClO2​). Aby zwiększyć przewodnictwo elektryczne roztworu i tym samym efektywność procesu, dodaje się do niego dodatkowy elektrolit w postaci chlorków metali alkalicznych lub ziem alkalicznych, na przykład chlorku sodu.

Cały proces zachodzi w celi elektrolitycznej. Na anodzie, czyli elektrodzie dodatniej, następuje utlenianie jonów chlorynowych (ClO2−​) do pożądanego dwutlenku chloru (ClO2​), który jest głównym produktem reakcji. Na katodzie (elektrodzie ujemnej) zachodzi redukcja wody, prowadząca do jej rozpadu na wodór (H2​) oraz jony wodorotlenkowe (OH−) [4].

Generator dwutlenku chloru

Generatory dwutlenku chloru to urządzenia, które automatycznie produkują środek biobójczy w miejscu ich instalacji, co zapewnia maksymalne bezpieczeństwo i skuteczność.

Jak produkowany jest dwutlenek chloru w generatorze?

Technologia produkcji CLO2 opiera się na reakcji chemicznej kwasu solnego (HCl) z chlorynem sodu (NaClO2​). Proces produkcji odbywa się w specjalnym zbiorniku reakcyjnym, gdzie pompy dozujące precyzyjnie wlewają oba reagenty, w odpowiednich proporcjach. Stężenie obu reagentów zależy od zastosowanej technologii w danym urządzeniu. Do produkcji roztworu niezbędna jest także woda. Urządzenie monitoruje poziom płynów za pomocą sond poziomu. Po zakończeniu dozowania następuje krótka przerwa, która pozwala na zajście reakcji i wytworzenie roztworu dwutlenku chloru o pożądanym stężeniu. Tak przygotowany dezynfektant jest następnie pobierany przez pompę i dozowany do instalacji wodnej.

Możliwości techniczne i kontrola pracy

Nowoczesne generatory dwutlenku chloru oferują szereg zaawansowanych funkcji, w tym m.in. możliwość monitorowania stężenia ClO2​ w wodzie za pomocą celi pomiarowej. Ponadto wiele systemów umożliwia zdalne sterowanie pracą generatora, np. poprzez sieć LTE, oraz podpięcie do systemów zarządzania budynkiem (BMS).

Dozowanie roztworu do instalacji wodnej jest kontrolowane, często za pomocą wodomierza impulsowego, który wysyła sygnał do jednostki sterującej. Dzięki temu dozowanie jest proporcjonalne do rzeczywistego zużycia wody, co gwarantuje optymalną dezynfekcję.

Oprócz dozowania roztworu do jednego obiegu, zaawansowane generatory dwutlenku chloru oferują możliwość równoczesnego zasilania dwóch niezależnych instalacji wodnych. Ta funkcjonalność jest szczególnie przydatna w złożonych instalacjach, w budynkach z oddzielnym obiegiem wody.

Rozwój technologii: Stabilizowany dwutlenek chloru

Rosnące zainteresowanie dwutlenkiem chloru w dezynfekcji wody przyczyniło się do opracowania dedykowanych technologii umożliwiających jego produkcję w stabilizowanej formie. Takie podejście ma na celu ułatwienie otrzymywania aktywnego roztworu z preparatów przygotowanych przez specjalistyczne firmy.

Czym jest stabilizowany dwutlenek chloru (ClO2​)?

Stabilizowany dwutlenek chloru to forma ClO2 bezpieczna w transporcie i przechowywaniu. Najczęściej występuje w formie proszku lub cieczy. Do aktywacji ClO₂ dochodzi dopiero po zmieszaniu go z roztworem aktywującym i wodą w odpowiednich proporcjach. Wówczas rozpoczyna się reakcja chemiczna, która prowadzi do powstania roztworu dwutlenku chloru. Należy jednak pamiętać, że proces aktywacji ClO2 nie zachodzi natychmiastowo. Wymaga on czasu na aktywację, w trakcie której cząsteczki dwutlenku chloru są uwalniane i stabilizują się w roztworze. Dopiero po zakończeniu tego etapu uzyskuje się gotowy do użycia roztwór dwutlenku chloru o pełnej aktywności biobójczej.

Dlaczego stosuje się stabilizowany dwutlenek chloru?

Zastosowanie stabilizowanego dwutlenku chloru upraszcza m.in. obsługę techniczną systemu uzdatniania wody – umożliwia łatwe i bezpieczne uzupełnianie zbiorników na środek biobójczy, jednocześnie zapewniając skuteczność działania środka biobójczego.

Dwutlenek chloru jako środek biobójczy

Dwutlenek chloru (ClO2​) jest coraz ważniejszym środkiem w dezynfekcji, stanowiąc efektywną alternatywę dla dotychczas stosowanych metod, szczególnie w kontekście zwalczania bakterii Legionella. Wyróżnia się wyższą skutecznością biobójczą w porównaniu do chloru, a także zachowuje swoje właściwości w znacznie szerszym zakresie pH wody (od 4 do 10).

Dlaczego dwutlenek chloru jest lepszy od chloru?

Zaletą ClO2​ jest jego mniejsze ryzyko tworzenia szkodliwych chlorowcowanych produktów ubocznych, takich jak trihalometany (THM) [1]. Dzieje się tak, ponieważ dwutlenek chloru, w przeciwieństwie do chloru, nie reaguje ze związkami organicznymi naturalnie występującymi w wodzie. Co więcej, jego rozpuszczalność w niskich temperaturach jest nawet dziesięciokrotnie wyższa niż chloru, co czyni go wszechstronnym środkiem dezynfekcyjnym, idealnym zarówno do zastosowań przemysłowych, jak i do uzdatniania wody pitnej [1].

Istotną zaletą dwutlenku chloru jest mniejsza podatność dezynfektanta na reakcje z organicznymi związkami obecnymi w wodzie. Oznacza to, że jego działanie biobójcze jest w mniejszym stopniu zakłócane przez materię organiczną w stosunku do innych metod dezynfekcji np. chloru, co przekłada się na większą efektywność całego procesu.

• Brak szkodliwych produktów ubocznych.
• Wysoka rozpuszczalność w niskich temperaturach.
• Wysoka skuteczność biobójcza.

Mechanizmy działania dwutlenku chloru – działanie biobójcze i utlenianie mikroorganizmów

Na czym polega mechanizm biobójczy dwutlenku chloru?

Dwutlenek chloru (ClO2​) działa jako silny utleniacz, wchodząc w reakcje ze składnikami komórkowymi drobnoustrojów oraz ich błoną komórkową. Mechanizm ten polega na odbieraniu elektronów ze struktur komórkowych, co prowadzi do zerwania ich wiązań molekularnych i w konsekwencji do rozpadu komórki i śmierci organizmu. ClO2​ wpływa również na białka strukturalne mikroorganizmów, zaburzając ich funkcje enzymatyczne i bardzo szybko inaktywując bakterie.

Dlaczego dwutlenek chloru jest skuteczny w zwalczaniu mikroorganizmów?

Skuteczność dwutlenku chloru wynika z jego zdolności do jednoczesnego ataku oksydacyjnego na wiele białek, co utrudnia mikroorganizmom mutowanie i rozwijanie odporności. Co więcej, ze względu na niższą reaktywność z materią organiczną, działanie przeciwdrobnoustrojowe dwutlenku chloru utrzymuje się dłużej nawet w jej obecności [5].

Skuteczność dezynfekcji wobec różnych grup mikroorganizmów

Dwutlenek chloru to niezwykle skuteczny środek w walce z szerokim spektrum mikroorganizmów. Sprawdza się m.in. w eliminacji:

• bakterii,
• wirusów,
• grzybów,
• pierwotniaków,
• biofilmu.

Jest szczególnie ceniony za zdolność do eliminowania mikroorganizmów opornych na chlor, takich jak Cryptosporidium i Giardia. Co więcej, dwutlenek chloru jest wyjątkowo skuteczny w zwalczaniu bakterii Legionella [2, 6].

Bakterie

Dwutlenek chloru to silny środek bakteriobójczy. Już w niskich stężeniach (1-5 ppm) wykazuje skuteczność przeciwko powszechnie znanym i występującym bakteriom, takim jak Escherichia coli. Nieco wyższe stężenie zapewnia ochronę przed obecnością Pseudomonas aeruginosa i Staphylococcus aureus.

Dwutlenek chloru jest również bardzo skuteczny w niszczeniu bakterii Clostridium perfringens. Jest to bakteria, która jest szczególnie odporna na działanie chloru, dlatego dezynfekcja dwutlenkiem chloru jest jedynym słusznym rozwiązaniem w celu eliminacji tej bakterii [4]. Dwutlenek chloru to wyjątkowo skuteczna metoda zwalczania bakterii Legionella, zarówno w formie wolnych mikroorganizmów, jak i tych znajdujących się w biofilmach [2].

Wirusy, grzyby i pierwotniaki

Dwutlenek chloru to skuteczny środek przeciwwirusowy, który zakłóca proces replikacji RNA wirusów. Wykazuje również znaczącą aktywność biologiczną wobec bakteriofagów i wirusów [1]. Co więcej, ClO2​ ma właściwości przeciwgrzybicze, co sprawia, że jest skuteczny w zwalczaniu grzybów i pleśni.

Jest również niezawodny w eliminacji pierwotniaków, włączając w to gatunki odporne na chlor, takie jak Cryptosporidium, Giardia muris i Naegleria fowleri [2,6]. Dwutlenek chloru (ClO2​) skutecznie inaktywuje również cysty Giardia intestinalis, a jego działanie zależy od czasu ekspozycji. Jak podają badani naukowe już po minucie unieszkodliwia około 60% cyst, a po 30 minutach skuteczność wzrasta do około 95% [7].

Biofilm

Jedną z wielu zalet dwutlenku chloru jest jego zdolność do rozbijania matryc biofilmu. Atakuje on wiązania siarki w komórkach drobnoustrojów, co pozwala na skuteczne eliminowanie biofilmu u źródła. Dzięki temu bakterie i inne szkodliwe organizmy tracą swoją ochronną warstwę, uniemożliwiając ich rozwój [8].

Glony i sinice

Dwutlenek chloru w dezynfekcji wody skutecznie eliminuje glony, takie jak Scenedesmus, Monoraphidium, Chlorella, Chlamydomonas oraz sinice. Badania wykazują, że skuteczne dawki dwutlenku chloru do zwalczania glonów wynoszą od 0,3 do 1,0 gClO2​/m3, a jego efektywność przewyższa działanie chloru [6].

Czynniki wpływające na skuteczność dezynfekcji ClO2

Skuteczność dezynfekcji wody, zarówno przy użyciu dwutlenku chloru (ClO2​), jak i innych środków biobójczych, zależy od wielu czynników. Najważniejsze z nich to:

• pH wody;
• temperatura;
• obecność substancji organicznych;
• rodzaj i ilość mikroorganizmów.

W jakim zakresie pH działa dwutlenek chloru?

Dwutlenek chloru w dezynfekcji wody zachowuje swoją skuteczność w szerokim zakresie pH (4-10). Jest to cecha która wyróżnia ten środek biobójczy na tle innych metod dezynfekcji.

Jaki jest wpływ temperatury na skuteczność dezynfekcji ClO2?

Choć wyższa temperatura zazwyczaj zwiększa efektywność dezynfekcji ClO2​, zmiany temperatur nie są aż tak znaczne, jak w przypadku chlorowania.

Jakie jest spektrum zastosowania dwutlenku chloru w dezynfekcji?

Skuteczność dwutlenku chloru w dezynfekcji wody zależy w niewielkim stopniu od rodzaju i ilości mikroorganizmów. ClO₂ działa efektywnie zarówno przeciwko bakteriom i wirusom, jak i przetrwalnikom. Związek posiada także zdolność przenikania przez biofilm, co ma istotne znaczenie w eliminacji mikroorganizmów z systemów wodnych.

Jak materia organiczna wpływa na skuteczność dezynfekcji dwutlenkiem chloru?

Obecność naturalnej materii organicznej w wodzie surowej wpływa na powstawanie produktów ubocznych. ClO2 wchodzi w reakcję z materią organiczną poprzez przeniesienie jednego elektronu, w wyniku czego sam ulega redukcji do chlorynu. W praktyce oznacza to, że im wyższe stężenie substancji organicznych w wodzie, tym większa ilość dwutlenku chloru jest zużywana na ich utlenianie, a nie właściwą dezynfekcję mikroorganizmów.

Jakie warunki należy zapewnić, aby dezynfekcja była skuteczna?

Aby proces uzdatniania był w pełni skuteczny, niezwykle ważne jest precyzyjne dobranie dawki ClO2​, co zależy od jakości wody i celu dezynfekcji. Równie istotny jest odpowiednio długi czas kontaktu środa biobójczego z wodą – niezbędny do osiągnięcia pełnej skuteczności dezynfekcyjnej.

Produkty uboczne dezynfekcji ClO2

Produktem ubocznym dezynfekcji dwutlenkiem chloru są chloryny i chlorany. Stosowanie więc tego środka biobójczego do dezynfekcji wody pitnej wiąże się z potencjalnym ryzykiem ich obecności[8]. Mimo to ClO₂ ma istotną przewagę nad chlorem – nie wykazuje tendencji do tworzenia szkodliwych chlorowcopochodnych.

Co wpływa na powstawanie chlorynów i chloranów?

Rozkład dwutlenku chloru do chlorynów i chloranów jest procesem, który zachodzi głównie w środowisku alkalicznym [8]. Oznacza to, że przy wyższym pH wody, ClO2​ jest bardziej podatny na przekształcenie w produkty uboczne. Aby minimalizować powstawanie tych produktów ubocznych oraz zapewnić bezpieczeństwo wodne, ważna jest kontrola pH. Na stopień rozpadu związku do chloranów i chlorynów wpływa także czas kontaktu i zastosowana dawka ClO2. Optymalizacja tych parametrów jest niezbędna do efektywnej dezynfekcji przy jednoczesnym utrzymaniu stężeń produktów ubocznych poniżej dopuszczalnych norm.

Jak już wcześniej wspomniano, obecność materii organicznej odgrywa ważną rolę w powstawaniu związków ubocznych dezynfekcji dwutlenkiem chloru. Znaczenie ma nie tylko jej stężenie, ale również struktura chemiczna. Przykładowo, związki fenolowe i niektóre aminy reagują bardzo szybko z ClO2, prowadząc do wyższej wydajności chlorynów (>50% reagującego ClO2), podczas gdy olefiny, tiole lub benzochinony dają niższą wydajność chlorynów (<50%).

• Odczyn pH wody.
• Zastosowana dawka dwutlenku chloru.
• Struktura materii organicznej obecnej w wodzie.

Jakie jest dopuszczalne stężenie chlorynów i chloranów w wodzie pitnej?

W trosce o zdrowie publiczne, wiele globalnych organizacji, w tym Światowa Organizacja Zdrowia (WHO), opracowało wytyczne dotyczące dopuszczalnych stężeń chlorynów i chloranów w wodzie pitnej. Celem tych regulacji jest minimalizacja potencjalnych zagrożeń zdrowotnych związanych z ich spożyciem. W Polsce obowiązujące normy określa Rozporządzenie Ministra Zdrowia w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia. Zgodnie z nim, dopuszczalne stężenie sumy chlorynów i chloranów wynosi 0,7 mg/L.

Warto podkreślić, że przy odpowiednio kontrolowanym procesie dezynfekcji oraz wsparciu specjalistycznych firm, te normy są skutecznie spełniane. Stała kontrola pracy urządzenia dozującego środek biobójczy oraz bieżące monitorowanie stężenia dwutlenku chloru w instalacji zapewniają bezpieczeństwo wodne i eliminują problem przekroczeń stężeń chlorynów i chloranów.

Zastosowanie dwutlenku chloru w dezynfekcji wody

Dwutlenek chloru to jeden z najbardziej wszechstronnych środków dezynfekcyjnych, co potwierdza jego szerokie zastosowanie w różnych sektorach – od ochrony zdrowia po przemysł i infrastrukturę komunalną.

Placówki medycznych i instytucje publiczne

W szpitalach i placówkach medycznych ClO2 odgrywa niezwykle ważną rolę w zapewnianiu bezpieczeństwa mikrobiologicznego systemów wodnych. Dzięki wysokiej skuteczności wobec bakterii, wirusów, grzybów i pierwotniaków – a zwłaszcza bakterii z rodzaju Legionella – stanowi niezawodne rozwiązanie w dezynfekcji instalacji wodnych, skutecznie zapobiegając zakażeniom szpitalnym.

Zalety ClO₂ wykorzystywane są również w obiektach publicznych, takich jak szkoły, uniwersytety, akademiki i obiekty sportowe, gdzie jego zastosowanie minimalizuje ryzyko skażenia mikrobiologicznego wody użytkowej.

Wodociągi miejskie

W systemach wodociągowych dwutlenek chloru stanowi efektywną alternatywę dla tradycyjnego chlorowania. Wyróżnia się wysoką skutecznością biobójczą w szerokim zakresie pH oraz niższym potencjałem tworzenia szkodliwych produktów ubocznych, takich jak trihalometany (THM) i inne produkty uboczne dezynfekcji. Dzięki temu zastosowanie dezynfekcji dwutlenkiem chloru umożliwia dostarczanie wody o wyższej jakości i większym bezpieczeństwie dla konsumentów.

Przemysł

W przemyśle ClO₂ znajduje zastosowanie zarówno w dezynfekcji wody technologicznej, jak i w procesach mycia oraz dezynfekcji linii produkcyjnych, zbiorników i powierzchni kontaktujących się z produktem. Szczególne znaczenie ma jego zdolność do penetracji i rozbijania biofilmu. Czyni go to niezwykle wartościowym rozwiązaniem w sektorze spożywczym, gdzie obecność biofilmu stanowi poważne zagrożenie dla jakości i bezpieczeństwa produktów.

Nietypowe zastosowania

Dwutlenek chloru poza znanym zastosowaniem w dezynfekcji wody jest wykorzystywany również w przemyśle spożywczym w procesie przygotowania i obróbki produktów oraz w procesach uzdatniania wody.

Przemysł spożywczy

ClO2 jest stosowany do bezpośredniej dezynfekcji owoców i warzyw [9], a także do przedłużania trwałości produktów mięsnych [10, 11], rybnych oraz owoców morza [12], co przyczynia się do redukcji strat i poprawy ogólnej higieny.

Procesy uzdatniania wody

Dwutlenek chloru poza procesami dezynfekcji wykorzystywany jest również w uzdatnianiu wody do utleniania zanieczyszczeń organicznych, usuwania nieprzyjemnego smaku i zapachu, a także do utleniania manganu i żelaza.

Dezynfekcja i płukanie owoców i warzyw

Działanie dwutlenku chloru w procesie dezynfekcji owoców i warzyw polega na destabilizacji błon komórkowych mikroorganizmów, zakłócaniu syntezy białek oraz uszkadzaniu materiału genetycznego wirusów i grzybów.

Jak dwutlenek chloru wpływa na jakość i świeżość owoców i warzyw?

Poza działaniem biobójczym poprawia jakość i wydłuża okres przechowywania produktów. Hamuje biosyntezę etylenu, spowalnia tempo oddychania i transpiracji, co opóźnia dojrzewanie, starzenie się owoców i warzyw.

Dlaczego dwutlenek chloru hamuje brązowienie owoców?

Dwutlenek chloru (ClO2​) skutecznie hamuje brązowienie owoców i warzyw. Dzieje się tak dzięki jego właściwościom utleniającym, które hamują aktywność enzymów odpowiedzialnych za ten proces, w szczególności polifenolooksydazy (PPO) i peroksydazy (POD) [13]. Mechanizm ten potwierdzają liczne badania. Na przykład, badania przeprowadzone na sałacie wykazały, że ClO2​ zmniejszył aktywność PPO o 30% [14]. Podobnie, w przypadku liczi, wykorzystanie ClO2​ znacznie obniżyły aktywność zarówno PPO, jak i POD, co przełożyło się na opóźnienie brązowienia skórki [13].

W jakich formach stosuje się ClO2 do dezynfekcji żywności?

Dwutlenek chloru w procesach dezynfekcji i płukania owoców i warzyw może być stosowany w formie wodnej lub gazowej, z efektywnością zależną od rodzaju produktu i warunków aplikacji [9].

Produkty mięsne

W jaki sposób dwutlenek chloru poprawia bezpieczeństwo i trwałość mięsa?

Dwutlenek chloru skutecznie poprawia bezpieczeństwo mikrobiologiczne i wydłuża trwałość mięsa drobiowego, wieprzowego oraz wołowego. Roztwory o stężeniu 50 do 100 ppm znacząco redukują populacje szkodliwych mikroorganizmów, w tym bakterii tlenowych, drożdży, pleśni i bakterii z grupy coli, co potwierdzono w badaniach.
W przypadku mięsa drobiowego (np. udźców kurczaka), roztwory o stężeniach 50 i 100 ppm znacząco redukują populacje bakterii tlenowych, drożdży, pleśni oraz bakterii z grupy coli. Przykładowo, roztwór o stężeniu 100 ppm ClO2 obniżył liczbę tych mikroorganizmów o około 1 log CFU/g. Obserwowano również spadek wartości pH i lotnych zasad azotowych (VBN), a ocena sensoryczna wykazała lepszą jakość mięsa [10].

Dla wieprzowiny (np. boczku) i wołowiny (np. polędwicy), obróbka roztworami ClO2 również prowadziła do zmniejszenia liczby bakterii tlenowych, drożdży i pleśni podczas przechowywania. Wykorzystanie roztworu o stężeniu 100 ppm ClO2 doprowadziło do znacznego zahamowania wzrost bakterii w porównaniu do grup kontrolnych [11]. Ogólna ocena wskazuje, że dwutlenek chloru jest użyteczny w poprawie bezpieczeństwa mikrobiologicznego i jakości dla mięs różnego pochodzenia.

Owoce morza

W jaki sposób dwutlenek chloru jest wykorzystywany do obróbki owoców morza?

Dwutlenek chloru znajduje zastosowanie w obróbce i przygotowaniu owoców morza. Badania wykazały, że roztwory tego środka biobójczego o stężeniach rzędu 100-200 ppm znacząco redukują skażenie bakteryjne w owocach morza, co przekłada się na wydłużenie świeżości, okresu przechowywania i poprawę bezpieczeństwa produktów. Już nawet roztwór o stężeniu 20 ppm ClO2 efektywnie dezynfekuje wodę używaną do płukania ryb, co przekłada się na dezynfekcję samego produktu. Dwutlenek chloru może być alternatywą dla chloru w myciu i przygotowywaniu owoców morza, choć wysokie stężenia mogą powodować lekkie przebarwienia [12].

Wpływ dwutlenku chloru na smak i zapach wody

Dwutlenek chloru (ClO₂) jest cenionym środkiem w uzdatnianiu wody. Stosuje się go nie tylko do dezynfekcji, ale także do skutecznej poprawy jej smaku i zapachu. Jest on szczególnie efektywny w walce z nieprzyjemnymi aromatami i posmakami wywołanymi przez zanieczyszczenia organiczne.

W jaki sposób dwutlenek chloru usuwa zanieczyszczenia organiczne?

Dwutlenek chloru reaguje ze związkami fenolowymi i ich pochodnymi, takimi jak chlorofenole, które są znanym źródłem niepożądanych, chemicznych posmaków [15]. W niektórych krajach dwutlenek chloru jest stosowany właśnie w celu usuwania związków organicznych, przede wszystkim fenoli [16].

Mechanizm działania na zanieczyszczenia organiczne

Jak podają źródła naukowe, dwutlenek chloru utlenia związki fenolowe, co prowadzi do neutralizacji nieprzyjemnego smaku. W roztworach wodnych głównymi produktami tej reakcji są p-benzochinon, 2-chloro-p-benzochinon i difenochinon. Mechanizm reakcji różni się w zależności od środowiska – w wodzie zachodzi poprzez dysocjację fenolu, a w rozpuszczalnikach organicznych przez transfer elektronu. Badania wykazały również, że obecność tlenu nie wpływa na kinetykę tej reakcji, co świadczy o tym, że reakcja z dwutlenkiem chloru jest znacznie szybsza niż z tlenem [16].

Ponadto dwutlenek chloru wykazuje zdolność do usuwania glonów, co bezpośrednio przekłada się na eliminację geosminy – związku odpowiedzialnego za powszechny, ziemisty zapach i smak wody [15]. Dzięki tym właściwościom, jego zastosowanie w procesie uzdatniania wody znacząco podnosi jej walory sensoryczne, czyniąc ją bardziej akceptowalną dla konsumentów.

Utlenianie manganu i żelaza

Dwutlenek chloru (ClO2​) jest efektywnym środkiem utleniającym szeroko stosowanym w uzdatnianiu wody pitnej, szczególnie w kontekście usuwania zanieczyszczeń nieorganicznych, takich jak żelazo, siarczki i mangan [15].

Utlenianie manganu

Dwutlenek chloru utlenia mangan (II) do nierozpuszczalnego dwutlenku manganu (IV) (MnO2​). W przeciwieństwie do chloru, ClO2​ charakteryzuje się znacznie szybszą kinetyką reakcji utleniania, co czyni go preferowanym utleniaczem. Stały dwutlenku manganu (MnO2​) może być łatwo usunięty z roztworu [15].

Jaki jest przebieg reakcji utleniania manganu?

Mechanizm utleniania manganu (II) do manganu (IV) przez dwutlenek chloru jest złożonym procesem. Początkowo, ClO2​ jest redukowany do chlorynu (ClO2−​) w reakcji:

2ClO2​ + Mn2+ + 2H2​O → 2ClO2− ​+ MnO2​ + 4H+

Jak informują liczne prace naukowe powstający chloryn (ClO2−​) również szybko reaguje z zredukowanym manganem. Ostateczna, sumaryczna reakcja utleniania manganu przez dwutlenek chloru przebiega zgodnie ze stechiometrią:

5Mn2+ + 2ClO2 ​+ 6H2​O → 5MnO2​(s) + 2Cl− + 12H+

Analiza tej reakcji wskazuje, że ClO2​ jest silnym utleniaczem, a powstający MnO2​ w formie stałej może być efektywnie usunięty w kolejnych etapie uzdatniania jakim jest filtracja [17].

Utlenianie żelaza

Dwutlenek chloru doskonale sprawdza się również w utlenianiu żelaza. Utlenia żelazo (II) do żelaza (III), które następnie wytrąca się z roztworu w postaci wodorotlenków żelaza. Proces ten jest bardzo szybki i przebiega najkorzystniej w zakresie pH od neutralnego do zasadowego.

Jaki jest przebieg reakcji utleniania żelaza?

Całkowita reakcja, uwzględniająca żelazo (II) w formie wodorowęglanu, może być przedstawiona następująco:

ClO2 ​+ 5Fe(HCO3​)2​ + 3H2​O → 5Fe(OH)3 ​(s) + 10CO2​ + Cl− + H+

Warto zauważyć, że podobnie jak w przypadku utleniania manganu, chloryn powstały w początkowej fazie utleniania żelaza, również bierze udział w dalszej reakcji, co jest kluczowe dla ogólnej stechiometrii procesu [15].

Podsumowanie

Dwutlenek chloru w dezynfekcji wody to wysoce efektywny i wszechstronny środek dezynfekcyjny, oferujący znaczące korzyści w porównaniu do tradycyjnych metod uzdatniania wody, jak m.in. chlorowanie. Jego zdolność do skutecznej eliminacji szerokiego spektrum mikroorganizmów, w tym tych opornych na chlor oraz jego efektywność w szerokim zakresie pH i mniejsza tendencja do tworzenia szkodliwych produktów ubocznych dezynfekcji, jak trihalometany, czynią go cennym narzędziem w zapewnianiu bezpieczeństwa mikrobiologicznego wody pitnej i użytkowej.

Szeroka paleta zastosowań podkreśla wszechstronność dwutlenku chloru w walce z zagrożeniami mikrobiologicznymi w wodzie, gwarantując bezpieczeństwo i ochronę zdrowia publicznego na wielu płaszczyznach.

Bibliografia

1. Dymaczewski, Z., Jeż-Walkowiak, J., Michałkiewicz, M., & Sozański, M. M. (2014). „Znaczenie procesu dezynfekcji w zapewnieniu bezpieczeństwa mikrobiologicznego wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi”
2. Mackiewicz, J. (2003). „Dwutlenek chloru – właściwości i zastosowanie w uzdatnianiu wody”. Inżynieria i Ochrona Środowiska.
3. Bielański, A. (2002). Podstawy chemii nieorganicznej (Wyd. 5). Wydawnictwo Naukowe PWN.
4. Electrochemical chlorine dioxide process (1985). US Patent No. 4,542,008. U.S. Patent and Trademark Office.
5. Matche, B. R. S., & Jagadish, R. S. (2018). Incorporation of chemical antimicrobial agents into polymeric films for food packaging. Journal of Food Engineering.
6. Mozaryn, J. (1997). Dwutlenek chloru w uzdatnianiu wody. Gaz, Woda i Technika Sanitarna.
7. Winiecka-Krusnell, J., & Linder, E. (1998). Cysticidal effect of chlorine dioxide on Giardia intestinalis cysts. The Journal of Antimicrobial Chemotherapy
8. Scotmas. (2018). Chlorine Dioxide for Biofilm Control in Water Systems (Technical Brief).
9. Li, P., Xu, F., Liu, S., Zhou, B., Luo, Y., Wang, X., … & Hu, H. (2022). Chlorine Dioxide Treatment Enhances Postharvest Quality and Cold Tolerance of Fresh-Cut Lettuce. Foods.
10. Han, J., Han, B., Ma, Y., & Li, Y. (2012). Effect of Aqueous Chlorine Dioxide Treatment on the Microbial Growth and Quality of Chicken Legs during Storage. Journal of Food Science.
11. Zhou, H., Zhao, G., Yang, J., Shang, Y., & Gao, D. (2015). Quality change of red meat by chlorine dioxide treatment during storage. Journal of Food Processing and Preservation.
12. Du, M., Zhao, S. W., & Han, Y. (1999). Effect of chlorine dioxide on shelf life and microbiological quality of fresh cut carrots. Journal of Food Science.
13. Physicochemical characteristics of palm oil extracted with n-hexane from two different palm oil mills.
14. Effect of palm oil mill effluent (POME) on the growth and yield of oil palm (Elaeis guineensis Jacq.).
15. Aieta, E. M., & Berg, J. D. (1986). A Review of Chlorine Dioxide in Drinking Water Treatment. Journal (American Water Works Association).
16. Ganiev, I. M., Timergazin, Q. K., Kabalnova, N. N., Shereshovets, V. V., & Tolstikov, G. A. (1991). Reactions of Chlorine Dioxide with Organic Compounds. Russian Journal of General Chemistry.
17. Nawrocki, J. (2006). Disinfection of drinking waters and DBPs formation: Chlorine dioxide. In A. Nikolau, L. Rizzo, & H. Selcuk (Eds.), Control of Disinfection By-Products. Nova Science Publishers, Inc.