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在常温常压下，纯ClO2是一种带有辛辣气味的黄色气体，冷却至一40℃以下，即成为深红色的液体，而当温度下降至59℃时，成为橙黄色的固体。ClO2气体易溶于水形成黄绿色溶液，并且以溶解气体的形式保留在溶液中，这种液体在荫凉，避光、密封的条件下是很稳定的，但是，浓蒸气超过41kPa时就极易爆炸。尝试压缩或者储存ClO2的商业性试验，均告失败，因此，使用ClO2消毒必须现场发生。