过氧化氢对微生物的杀灭主要是依靠其强大的氧化作用，因此不会产生抗药性，而且它对细菌、真菌和病毒同样有效。最常见的浓度3%的双氧水能够轻松杀灭金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、丙肝病毒等致病微生物。即使是生命力极为顽强的细菌芽孢，用10%~30%浓度的过氧化氢水溶液也能杀灭。
在医疗领域，双氧水主要用于医疗器械表面消毒，也可用于口腔消毒或清洗伤口。由于它无色无味且杀菌后几乎无残留，因此在食品工业领域的应用也很多，例如对乳品、果汁、啤酒、饮用水的包装、容器具和生产管线消毒，以及对水产、肉类、果蔬等食品的表面消毒。它也可以用于奶牛奶头的冲洗、涂抹消毒，低浓度过氧化氢喷雾可以给厂房的空气和地面消毒。
过氧化氢的氧化性能破坏天然色素，因此可以漂白纸张、织物和食品，目前全世界一半以上的过氧化氢用于纸浆和纸的漂白。在中国，过氧化氢常用于水发制品，例如鱿鱼、蹄筋、牛肚等，在开心果、腐竹、泡椒凤爪、猪蹄等食品中也有使用。
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