Bactericidal paper containing silver nanoparticles for water treatment

In the past decade, silver nanoparticles (AgNP) have gained attention due totheir highly effective bactericidal properties, and have been incorporated into manyconsumer products. The addition of AgNPs to cellulosic materials is not novel, but theapplication of a bactericidal paper as a cheap water purifier is. Our main objective inthis thesis is to prepare and evaluate a bactericidal paper embedded with AgNPs. Thetwo most successful methods to form AgNPs in paper were in situ reductions of silverions directly on the paper fibers, and differed by the means of reduction. The first useda commonly employed reducing agent for nanoparticle synthesis - sodium borohydride.The second was a "green" method involving the use of microwave radiation and glucosefor the formation of AgNPs in paper. The nanoparticles formation was characterized byscanning and transmission electron microscopy, ultraviolet-visible spectrophotometry,and atomic absorption analysis following acid digestion of the paper. Silver nanoparticleformation in paper was dependent upon initial silver ion concentration absorbed in thepaper, an excess of reducing agent, and temperature for the glucose reduction. Thebactericidal effectiveness of the silver nanoparticle paper was evaluated with two typesof common fecal bacteria - Escherichia coli and Enterococcus faecalis. A bacterialsuspension was percolated through the silver nanoparticle paper and the effluent waterwas analyzed for bacteria viability through two methods, qualitatively through opticaldensity measurements and quantitatively through enumeration of bacterial colonies onnutrient media agar plates. The AgNP sheets exhibited antibacterial properties towardssuspensions of E. coli and E. faecalis, with log reduction values in the effluent of overlog 8 and log 3, respectively. Additionally, silver loss from the silver nanoparticle sheetswas minimal, with values under 0.1 ppm (the current U.S. Environmental ProtectionAgency and World Health Organization limit for silver in drinking water). The AgNPformation on model nano-crystalline cellulose films was examined and subsequently, they were evaluated for the long term stability and aggregation behavior of AgNPs onthese films. Lastly, the effects of dissolved materials present in natural water sources,including natural organic matter and salts, were examined in order to understand theirimpacts on the bactericidal functioning of AgNP papers.À cause de leur pouvoir bactéricide, les nanoparticules d'argent (NPAg) ont été incorporées dans plusieurs produits de consommation au cours de la dernière décennie. L'ajout de NPAg à des matériaux cellulosiques n'est pas un concept nouveau. Cependant, l'utilisation de ces particules pour fabriquer un papier bactéricide permettant la purification d'eau à faible coût est une idée très novatrice. L'objectif principal de cette thèse consiste à préparer et évaluer un papier bactéricide composé de nanoparticules d'argent. Deux types de réductions in situ des ions d'argent sur les fibres du papier ont été utilisés pour synthétiser et lier les NPAg au papier de manière efficace. Pour le premier type de réduction, un agent de réduction courant, le borohydrure de sodium, a été utilisé alors que pour la seconde réduction, un procédé plus vert impliquant des radiations micro-ondes et du glucose, a permis la formation de nanoparticules d'argent dans le papier. La formation de nanoparticules a été caractérisée par microscopie à transmission et balayage électronique, par spectroscopie UV-Vis et par l'analyse GF-AA suivant une digestion acide. La formation de nanoparticules d'argent a été fortement influencée par la concentration initiale d'ions d'argent adsorbés sur le papier, de la quantité en excès de l'agent réducteur et de la température de la réduction du glucose. L'efficacité bactéricide des papiers de NPAg a été évaluée pour deux types de bactéries fécales communes, soit Escherichia coli et Enterococcus faecalis. La viabilité des bactéries contenues dans l'eau effluente d'un papier NPAg, précédemment imprégné d'une suspension bactérienne, a été analysée de façon qualitative par mesure de densité optique, et de façon quantitative par comptabilisation des colonies bactériennes formées sur des plaques d'agar. Les feuilles de NPAg ont démontré des propriétés antibactériennes envers les suspensions d'E. coli et d'E. faecalis, avec des réductions logarithmiques de la valeur des effluents allant au delà de log 8 et de log 3 respectivement. De plus, la perte d'argent des feuilles de NPAg s'est avérée minimale avec des valeurs au-dessous de 0.1ppm, qui correspond à la limite courante d'ion dans l'eau potable fixée par le US EPA et WHO. La formation NPAg sur des films modèles de cellulose nano-cristallines a été examiné et par la suite, ils ont été évalués pour la stabilité à long terme et comportement d'agrégation de NPAg sur ces films. Enfin, les effets de matières dissoutes présentes dans les sources d'eau naturelles, y compris la matière organique naturelle et des sels, ont été examinés afin de comprendre leurs impacts sur le fonctionnement bactéricide de papiers de NPAg