二氧化氯在水中几乎100%以分子状态存在，易透过细胞膜，二氧化氯在水溶液中的氧化还原电位高达1.5V，其分子结构外层存在一个未成对电子——活泼自由基，具有很强的氧化作用，通过强氧化性杀灭微生物。
其杀菌作用主要是通过渗入细菌及其它微生物细胞内，与细菌及其它微生物蛋白质中的部分氨基酸发生氧化还原反应，使氨基酸分解破坏，进而控制微生物蛋白质合成，导致细菌死。同时，对细胞壁有较好吸附和透过性能，可有效地氧化细胞内含硫基的酶。除对一般细菌有杀死作用外，对芽抱、病毒、藻类、铁细菌、硫酸盐还原菌和真菌等均有很好的杀灭作用。
二氧化氯对病毒的灭活作用在于其能迅速地对病毒衣壳上的蛋白质中的酪氨酸起破坏作用，从而抑制了病毒的特异性吸附，阻止了对宿主细胞的感染。氨基酸与反应能力顺序为：酪氨酸＞色氨酸＞半胱氨酸＞蛋氨酸。二氧化氯的水溶液不会产生对人体有害的三氯甲烷，残留生成物为水、氯化钠和微量的二氧化碳，有机糖等无毒物质。
能较好地杀灭细菌、病毒，却不会对动植物机体产生损伤。原因在于细菌的细胞结构与高等动植物截然不同。细菌是原核细胞生物，而动物及人类是真核细胞生物。原核生物细胞中绝大多数酶系统分布于细胞膜近表面，易受到攻击；而真核生物细胞的酶系统深人到细胞里面，不易受到二氧化氯的攻击，不会对其造成伤害。
生物体对二氧化氯的敏感性顺序为：非细胞病毒＞单细胞原核生物（细菌）＞单细胞真核生物＞多细胞真核生物＞高等动植物。高等动植物不仅具有多细胞复杂的有机结构，而且体内还形成能抵抗各种氧化剂的保护系统。所以，二氧化氯对动植物和人类机体无碍。Akin和Hoff等人对臭氧、二氧化氯、氯及氯胺4种消毒剂进行比较，消毒效率：臭氧＞二氧化氯＞氯＞氯胺；稳定性：氯胺＞二氧化氯＞氯＞臭氧。
二氧化氯处理水后生成物为水、氯化物、二氧化碳和有机糖等无毒物质，不会与酚类结合生成氯酚化合物、不致畸、不致癌。由于二氧化氯及其它无机产物(亚氯酸盐)有可能在动物体内引起高铁血红蛋白血症，国内外对其毒性问题非常重视，进行了大量研究。动物实验证明，只有接触高浓度二氧化氯或亚氯酸盐时，才会对动物产生不利影响，低剂量接触一股不会影响健康。有人实验大白鼠长期饮用含二氧化氯为19mg/L的水，两年后并未检出对动物健康有害的作用。
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