二氧化氯在水中幾乎100%以分子狀態存在，易透過細胞膜，二氧化氯在水溶液中的氧化還原電位高達1.5V，其分子結構外層存在一個未成對電子——活潑自由基，具有很強的氧化作用，通過強氧化性殺滅微生物。
其殺菌作用主要是通過滲入細菌及其它微生物細胞內，與細菌及其它微生物蛋白質中的部分氨基酸發生氧化還原反應，使氨基酸分解破壞，進而控制微生物蛋白質合成，導致細菌死。同時，對細胞壁有較好吸附和透過性能，可有效地氧化細胞內含硫基的酶。除對一般細菌有殺死作用外，對芽抱、病毒、藻類、鐵細菌、硫酸鹽還原菌和真菌等均有很好的殺滅作用。
二氧化氯對病毒的滅活作用在于其能迅速地對病毒衣殼上的蛋白質中的酪氨酸起破壞作用，從而抑制了病毒的特異性吸附，阻止了對宿主細胞的感染。氨基酸與反應能力順序為：酪氨酸＞色氨酸＞半胱氨酸＞蛋氨酸。二氧化氯的水溶液不會產生對人體有害的三氯甲烷，殘留生成物為水、氯化鈉和微量的二氧化碳，有機糖等無毒物質。
能較好地殺滅細菌、病毒，卻不會對動植物機體產生損傷。原因在于細菌的細胞結構與高等動植物截然不同。細菌是原核細胞生物，而動物及人類是真核細胞生物。原核生物細胞中絕大多數酶系統分布于細胞膜近表面，易受到攻擊；而真核生物細胞的酶系統深人到細胞里面，不易受到二氧化氯的攻擊，不會對其造成傷害。
生物體對二氧化氯的敏感性順序為：非細胞病毒＞單細胞原核生物（細菌）＞單細胞真核生物＞多細胞真核生物＞高等動植物。高等動植物不僅具有多細胞復雜的有機結構，而且體內還形成能抵抗各種氧化劑的保護系統。所以，二氧化氯對動植物和人類機體無礙。Akin和Hoff等人對臭氧、二氧化氯、氯及氯胺4種消毒劑進行比較，消毒效率：臭氧＞二氧化氯＞氯＞氯胺；穩定性：氯胺＞二氧化氯＞氯＞臭氧。
二氧化氯處理水后生成物為水、氯化物、二氧化碳和有機糖等無毒物質，不會與酚類結合生成氯酚化合物、不致畸、不致癌。由于二氧化氯及其它無機產物(亞氯酸鹽)有可能在動物體內引起高鐵血紅蛋白血癥，國內外對其毒性問題非常重視，進行了大量研究。動物實驗證明，只有接觸高濃度二氧化氯或亞氯酸鹽時，才會對動物產生不利影響，低劑量接觸一股不會影響健康。有人實驗大白鼠長期飲用含二氧化氯為19mg/L的水，兩年后并未檢出對動物健康有害的作用。
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