Nano-silver in drinking water and drinking water sources: stability and influences on disinfection by-product formation

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dc.contributor.author

Tugulea, A.M.

Bérubé, D.

Giddings, M.

Lemieux, F.

Hnatiw, J.

Priem, J.

Avramescu, M.L.

dc.date.accessioned

2024-04-29T14:33:05Z

dc.date.available

2024-04-29T14:33:05Z

dc.date.issued

2014-01-24

dc.description - en

Nano-silver (nAg) is used as a disinfectant in many consumer products. The nAg in these products can be released during use and end up in surface water, which is a source of drinking water. This study investigated the stability of nAg in drinking water and natural waters used as drinking water sources in order to better understand factors that influence human exposure. In the process of producing safe drinking water for human consumption, strong disinfectants (e.g. chlorine) are added to the source waters. However, chlorine also reacts with organic matter naturally present in water, such as decaying leaves, to form a group of chemicals known as disinfection by-products (DBPs). Although the concentration of nAg in source waters is expected to be very low, there is no information available about how it may interact with organic matter during water disinfection processes. This work aimed to characterize changes in the formation of disinfection by-products when nAg is present in the source water during the disinfection process. Information about nAg stability and potential reactivity in drinking water systems is crucial in protecting the public from potential harmful chemicals. Information included in this paper will fill an important data gap and will contribute to the ongoing assessment and risk management of nanomaterials.

dc.description.abstract - en

Nano-silver is increasingly used in consumer products from washing machines and refrigerators to devices marketed for the disinfection of drinking water or recreational water. The nano-silver in these products may be released, ending up in surface water bodies which may be used as drinking water sources. Little information is available about the stability of the nano-silver in sources of drinking water, its fate during drinking water disinfection processes, and its interaction with disinfection agents and disinfection by-products (DBPs). This study aims to investigate the stability of nano-silver in drinking water sources and in the finished drinking water when chlorine and chloramines are used for disinfection and to observe changes in the composition of DBPs formed when nano-silver is present in the source water. A dispersion of nano-silver particles (10 nm; PVP-coated) was used to spike untreated Ottawa River water, treated Ottawa River water, organic-free water, and a groundwater at concentrations of 5 mg/L. The diluted dispersions were kept under stirred and non-stirred conditions for up to 9 months and analyzed weekly using UV absorption to assess the stability of the nano-silver particles. In a separate experiment, Ottawa River water containing nano-silver particles (at 0.1 and 1 mg/L concentration, respectively) was disinfected by adding sodium hypochlorite (a chlorinating agent) in sufficient amounts to maintain a free chlorine residual of approximately 0.4 mg/L after 24 h. The disinfected drinking water was then quenched with ascorbic acid and analyzed for 34 neutral DBPs (trihalomethanes, haloacetonitriles, haloacetaldehydes, 1,1 dichloro-2-propanone, 1,1,1 trichloro-2-propanone, chloropicrin, and cyanogen chloride). The results were compared to the profile of DBPs obtained under the same conditions in the absence of nano-silver and in the presence of an equivalent concentration of Ag(+) ions (as AgNO3). The stability of the nano-silver dispersions in untreated Ottawa River water, with a dissolved organic carbon concentration of 6 mg/L, was significantly higher than the stability of the nano-silver dispersions in distilled, organic-free water. Nano-silver particles suspended in the groundwater agglomerated and were quickly and quantitatively removed from the solution. Our data confirm previous observations that natural dissolved organic matter stabilizes nano-silver particles, while the high-ionic strength of groundwater appears to favor their agglomeration and precipitation. As expected, nano-silver was not stable in Ottawa River water through the chlorination process, but survived for many days when added to the Ottawa River water after treatment with chlorine or chloramines. Stirring appeared to have minimal effect on nano-silver stability in untreated and treated Ottawa River water. The profile of DBPs formed in the presence of nAg differed significantly from the profile of DBPs formed in the absence of nAg only at the 1 mg/L nAg concentration. The differences observed consisted mainly in reduced formation of some brominated DBPs and a small increase in the formation of cyanogen chloride. The reduced formation of brominated congeners may be explained by the decrease in available bromide due to the presence of Ag(+) ions. It should be noted that a concentration of 1 mg/L is significantly higher than nAg concentrations that would be expected to be present in surface waters, but these results could be significant for the disinfection of some wastewaters with comparably high nano-silver concentrations.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

Le nano-argent est de plus en plus utilisé dans les produits de consommation, depuis les machines à laver et les réfrigérateurs jusqu'aux appareils commercialisés pour la désinfection de l'eau potable ou des eaux récréatives. Le nano-argent contenu dans ces produits peut être libéré et se retrouver dans les plans d'eau de surface qui peuvent être utilisés comme sources d'eau potable. Peu d'informations sont disponibles sur la stabilité du nano-argent dans les sources d'eau potable, son devenir lors des processus de désinfection de l'eau potable et son interaction avec les agents de désinfection et les sous-produits de désinfection (SPD). Cette étude vise à étudier la stabilité du nano-argent dans les sources d'eau potable et dans l'eau potable finie lorsque le chlore et les chloramines sont utilisés pour la désinfection et à observer les changements dans la composition des SPD formés lorsque le nano-argent est présent dans l'eau de source. Une dispersion de particules de nano-argent (10 nm ; recouvertes de PVP) a été utilisée pour ajouter de l'eau non traitée de la rivière des Outaouais, de l'eau traitée de la rivière des Outaouais, de l'eau sans matières organiques et une eau souterraine à des concentrations de 5 mg/L. Les dispersions diluées ont été conservées dans des conditions agitées et non agitées pendant 9 mois maximum et analysées chaque semaine par absorption UV pour évaluer la stabilité des particules de nano-argent. Dans une expérience distincte, l'eau de la rivière des Outaouais contenant des particules de nano-argent (à des concentrations de 0,1 et 1 mg/L, respectivement) a été désinfectée en ajoutant de l'hypochlorite de sodium (un agent de chloration) en quantités suffisantes pour maintenir un résidu de chlore libre d'environ 0,4 mg/L. L après 24h. L'eau potable désinfectée a ensuite été trempée avec de l'acide ascorbique et analysée pour détecter 34 DBP neutres (trihalométhanes, haloacétonitriles, haloacétaldéhydes, 1,1 dichloro-2-propanone, 1,1,1 trichloro-2-propanone, chloropicrine et chlorure de cyanogène). Les résultats ont été comparés au profil des DBP obtenus dans les mêmes conditions en l'absence de nano-argent et en présence d'une concentration équivalente en ions Ag(+) (comme AgNO3). La stabilité des dispersions de nano-argent dans l’eau non traitée de la rivière des Outaouais, avec une concentration de carbone organique dissous de 6 mg/L, était nettement supérieure à la stabilité des dispersions de nano-argent dans l’eau distillée sans matières organiques. Les particules de nano-argent en suspension dans les eaux souterraines se sont agglomérées et ont été rapidement et quantitativement éliminées de la solution. Nos données confirment les observations précédentes selon lesquelles la matière organique dissoute naturelle stabilise les particules de nano-argent, tandis que la force ionique élevée des eaux souterraines semble favoriser leur agglomération et leur précipitation. Comme prévu, le nano-argent n'était pas stable dans l'eau de la rivière des Outaouais lors du processus de chloration, mais il a survécu pendant plusieurs jours lorsqu'il a été ajouté à l'eau de la rivière des Outaouais après un traitement au chlore ou aux chloramines. L'agitation semble avoir un effet minime sur la stabilité des nano-argent dans l'eau traitée et non traitée de la rivière des Outaouais. Le profil des SPD formés en présence de nAg différait significativement du profil des SPD formés en l’absence de nAg uniquement à la concentration de 1 mg/L de nAg. Les différences observées consistaient principalement en une formation réduite de certains SPD bromés et une légère augmentation de la formation de chlorure de cyanogène. La formation réduite de congénères bromés peut s’expliquer par la diminution du bromure disponible due à la présence d’ions Ag(+). Il convient de noter qu’une concentration de 1 mg/L est nettement supérieure aux concentrations de nAg qui seraient normalement présentes dans les eaux de surface, mais ces résultats pourraient être significatifs pour la désinfection de certaines eaux usées présentant des concentrations de nano-argent comparablement élevées.

dc.description.fosrctranslation - fr

Le nano-argent (nAg) est utilisé comme désinfectant dans de nombreux produits de consommation. Le nAg contenu dans ces produits peut être libéré lors de l’utilisation et se retrouver dans les eaux de surface, qui sont une source d’eau potable. Cette étude a examiné la stabilité du nAg dans l’eau potable et les eaux naturelles utilisées comme sources d’eau potable afin de mieux comprendre les facteurs qui influencent l’exposition humaine. Dans le processus de production d’eau potable destinée à la consommation humaine, des désinfectants puissants (par exemple du chlore) sont ajoutés aux eaux de source. Cependant, le chlore réagit également avec les matières organiques naturellement présentes dans l’eau, comme les feuilles en décomposition, pour former un groupe de produits chimiques appelés sous-produits de désinfection (SPD). Même si la concentration de nAg dans les eaux de source devrait être très faible, il n’existe aucune information disponible sur la façon dont il peut interagir avec la matière organique au cours des processus de désinfection de l’eau. Ce travail visait à caractériser les changements dans la formation de sous-produits de désinfection lorsque du nAg est présent dans l’eau de source lors du processus de désinfection. Les informations sur la stabilité du nAg et la réactivité potentielle dans les systèmes d’eau potable sont cruciales pour protéger le public contre les produits chimiques potentiellement nocifs. Les informations incluses dans ce document combleront une lacune importante en matière de données et contribueront à l'évaluation continue et à la gestion des risques liés aux nanomatériaux.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.1007/s11356-014-2508-5

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2380

dc.language.iso

en

dc.publisher

Springer

dc.subject - en

Health

Health and safety

dc.subject - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.subject.en - en

Health

Health and safety

dc.subject.fr - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.title - en

Nano-silver in drinking water and drinking water sources: stability and influences on disinfection by-product formation

dc.type - en

Article

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