European Conference on Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges 16th December 2014 Renaissance Brussels Hotel, 19 Rue du Parnasse, Brussels Brussels Ballroom, 11:25‐12:25

CEN/TC 195 "Air filters for general air cleaning"  Introduction to M/461 related activities

P. Tronville Politecnico di Torino, Turin, Italy Chairman CEN/TC195; ISO/TC142

CEN/TC195 "Air filters for general air cleaning" • • • • • •

Formed in 1990 ‐ current secretariat: UNI (since 2007) Secretary: Anna Martino (since 2007) Chairman: Paolo Tronville (since 2006) Currently five Working Groups (WG1, 2, 4, 5, 6) WG6 "Execution of Mandate M/461" Several standards currently developed under Vienna Agreement with  ISO/TC142 (ISO lead) • Two Work Items related to M/461 developed under Vienna Agreement  (CEN lead)

16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

2

Normative background • No standard available to measure filter media efficacy in removing  airborne nano‐sized materials or nano‐particles • Air filtration test methods concerned about determination of "most  penetrating particle size" (MPPS) and minimum efficiency • EN 1822:2009 series does not require to measure below 100 nm  (developed during '90s) • New filter media MPPS in the nano‐size range (i.e. below 100 nm)  • Instrumentation available on the market measuring down to 2.5 nm • Two open issues: – At some particle size penetration starts increasing again (2 nm?) – Electrostatic effects influence strongly filter media efficiency and vary  very much during service life of air filters 16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

3

Airborne nanoparticle filtration 1) Nanoparticles are being manufactured from a wide range of materials and  causing concerns for workplace safety  2) Two opposing filtration theories: • Increasing efficiency with decreasing size by Brownian deposition  • Decreasing efficiency with decreasing size due to thermal rebound

Japuntich et al. (2007), J. Nanoparticle Research, 9, 93–107.  16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

Kim and Okuyama, (2006) J. Nanoparticle Research 8: 343‐350 4

State of the art in measuring below 100 nm

Automated Filter Tester

Filter tester for  respirator testing

Condensation particle  counters respirator testing

Polydisperse oil or  NaCl particles

Lower detection limit: 2.5 nm

Size range: 15‐800 nm Detectors: CPCs

Detectors: CPCs 16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

5

CEN/TC195 M/461 related efforts • EN “Test method to measure the efficiency of air filtration media against  spherical nanomaterials in the 20‐500 nm size range” • CEN/TS “Test method to measure the efficiency of air filtration media  against spherical nanomaterials in the 3‐30 nm size range” • Develop a robust test method (some very critical points) • Validate and revise (more than one lab) • 3 years of pre‐normative work  • 6 years in total to get one EN standard (20‐500 nm) and one technical  specification (3‐30 nm) published • Likely to be published also as ISO IS and TS • Involvement in CEN/TC195 of a few non European experts

16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

6

Pre‐normative work team

Reference lab Air Quality & Particle  Research  ETHZ/EMPA, Switzerland Supporting lab Particle Technology Lab University of Minnesota,  USA Round‐robin test labs Camfil, Sweden Politecnico di Torino, Italy Unifil, Switzerland 16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

7

Review of instruments and materials

16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

8

Preliminary test methods

16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

9

Filter media types and test conditions Courtesy of Prof. Wang Velocity (cm/s)

Pressure  drop  (Pa)

NP 1 m (Nuclepore,  Sterlitech)

2

439

5

NP 3 m (Nuclepore,  Sterlitech)

2

Filter type

Velocity (cm/s)

Pressure  drop  (Pa)

2

0

1084

5

0

93

2

0

G3

M5 5

232

5

4.5

2

0

2

2.5

GX (8mm)

M6 5

2

5

10

2

0

2

4.5

5

18

GX (11mm)

F6 5

16.12.2014

Filter type

2 P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

10

ETH and UMN comparison (GX filter, 8mm) Courtesy of Prof. Wang GX filter, 8mm

GX filter: silver particles

GX filter: DEHS particles

GX filter: silver particles

GX filter: DEHS particles

16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

11

Nanoparticle properties relevant to air filtration • • • • • • •

Form and size distribution Aerodynamic drag Density Count in sampled flows Bounce and adhesion Brownian diffusion Electrical charge distribution

16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

12

Aerosol nanomaterial forms: simple to very complex 

16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

13

Even relatively simple non‐spherical forms can be  characterized in many ways 

16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

14

Future challenges • Air filtration efficiency as a function of – Particle shape – Particle material • Air filter media made by electrostatic enhanced material – Why it loses efficiency when exposed to nano‐particles – How to measure the change of air filter media properties • How to extend the standard for measuring the performance of air filter  media to full scale air filters (ventilation air filters for workplace safety) • How to make the test methods as quick and easy to perform by industry

16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

15

Thank you for your attention!

16.12.2014

P. Tronville – European Conference on  Standardization for Nanotechnologies and  Nanomaterials: Opportunities and Challenges

16