세계 많은 지역에서 인체 위해성과 기후변화 등의 문제를 일으키고 있는 미세먼지에 대한 문제가 발생하고 있다. 특히 서울지역은 미세먼지의 농도가 OECD국가 중 가장 높은 수준을 유지하고 있어, 이에 대한 저감대책 및 해결방안 모색이 시급한 상황이다. 이 때문에 연료의 대체, 지속적인 환경모니터링 등 환경관리에 대한 다양한 노력을 기울여 ...
세계 많은 지역에서 인체 위해성과 기후변화 등의 문제를 일으키고 있는 미세먼지에 대한 문제가 발생하고 있다. 특히 서울지역은 미세먼지의 농도가 OECD국가 중 가장 높은 수준을 유지하고 있어, 이에 대한 저감대책 및 해결방안 모색이 시급한 상황이다. 이 때문에 연료의 대체, 지속적인 환경모니터링 등 환경관리에 대한 다양한 노력을 기울여 이산화황(SO2), 일산화탄소(CO) 등 일부 대기환경문제를 해결하였지만, 미세먼지는 특별히 개선된 효과를 보이지 못하고 관리 이전의 상황과 비슷한 경향을 나타내고 있다.
초미세먼지(PM2.5)의 악영향을 줄이기 위해서 우선 PM2.5의 구성성분 중 비율이 가장 큰 성분 대한 명확한 해석이 필요하고, 이를 바탕으로 PM2.5의 특성을 파악하여 효과적인 저감대책 수립 및 실천이 진행되어야 한다.
따라서, 본 연구에서는 환경 및 인체 위해성이 크며, 2차 생성입자의 구성비율이 높을 것으로 추정되는 PM2.5 중 이온성분에 대한 물리ㆍ화학적 특성을 해석하기 위하여 서울지역 PM2.5의 측정 및 이온분석을 하였다.
PM2.5 중 이온성분들의 농도를 측정하기 위하여 중량분석이 끝난 필터를 7 ml의 초순수를 이용하여 초음파 세척기로 추출한 후 이온크로마토그래피(IC : Ion Chromatography)를 이용하여 각 성분을 분석하였다. 이온크로마토그래피로 분석이 되지 않는 수소이온(H+)은 pH Meter로 미세먼지 용출액의 pH를 측정한 후 대기 중의 수소이온(H+)농도로 환산하였다. 그리고 이온크로마토그래피로 분석되지 않는 탄산염이온(CO32-)에 대해서는 음이온(Anion)과 양이온(Cation)의 당량농도 차이로 가정하였다.
이를 바탕으로 CMB(Chemical Mass Balance) 모델을 이용하여 미세먼지 중 음이온과 양이온성분의 결합형태를 도출하였다.
본 연구에서는 수소이온(H+)은 pH를 통해서, 탄산염이온(CO32-)은 양이온과 음이온의 당량차로써 가정을 하였으므로 이 가정이 타당한지를 확인할 필요가 있었다. 따라서 대기 중 이온성분으로 구성된 화합물이 CMB 모델로 도출된 결과와 같이 이루어졌다고 가정하고, 이를 표준물질로 조제하였다. 표준물질을 다시 이온분석을 하여 실측값이 나오는가를 확인하였다.
검증실험을 통하여 가정한 성분에 대한 검토를 하였고, 실제로 PM2.5 속에 이온물질이 어떤 형태로 존재하는지를 파악하였다. 이는 2차 생성 에어로졸(aerosol) 연구에도 크게 도움이 될 것으로 기대된다.
분석 결과 서울지역 PM2.5 중 이온성분은 평균 43.6%로 나타났으며, 그 중 SO42-, NO3-, NH4+ 성분이 40.7%를 점유하고 있어 이온성분의 평균 93.4%가 SO42-, NO3-, NH4+ 로 구성되어 있는 것을 알 수 있었다.
이온성분의 계절별 주요 구성 형태는 겨울철의 경우 NH4NO3, (NH4)2SO4, KNO3, (NH4)2CO3, NH4Cl, CaSO4 로 나타났다. 중량농도는 각각 4.865 ㎍/㎥, 3.738 ㎍/㎥, 0.796 ㎍/㎥, 0.719 ㎍/㎥, 0.557 ㎍/㎥, 0.419 ㎍/㎥이며, 겨울철 전체 이온성분의 93.6%를 점유하는 것으로 나타났다. 봄철의 주요 이온결합형태는 (NH4)2SO4, NH4NO3, (NH4)2CO3, KNO3, CaSO4 로 각각 4.970 ㎍/㎥, 2.984 ㎍/㎥, 1.017 ㎍/㎥, 0.629 ㎍/㎥, 0.620 ㎍/㎥이며 중량농도 전체 이온성분의 92.7%이다.
여름철의 주요 이온결합형태는 (NH4)2SO4, (NH4)2CO3, NH4NO3, K2SO4 로 각각 5.980 ㎍/㎥, 1.032 ㎍/㎥, 0.595 ㎍/㎥, 0.389 ㎍/㎥의 중량농도로 나타났으며, 전체 이온성분의 91.2%이다. 가을철의 주요 이온결합형태는 (NH4)2SO4, NH4NO3, (NH4)2CO3, K2SO4, HNO3 로 각각 4.258 ㎍/㎥, 1.676 ㎍/㎥, 1.105 ㎍/㎥, 0.489 ㎍/㎥, 0.433 ㎍/㎥의 중량농도로 나타났으며, 전체 이온성분의 93.2%를 해석하고 있다.
또한, 미세먼지 중 이온성분은 수소이온(H+), 탄산염이온(CO32-)과 결합하여 겨울철에는 (NH4)2CO3, HNO3, MgCO3, H2CO3, 봄철은 (NH4)2CO3, HNO3, NaCO3, H2CO3, 여름철에는 (NH4)2CO3, H2SO4, CaCO3, H2CO3, 가을철에는 (NH4)2CO3, HNO3, MgCO3, H2CO3 의 형태의 화합물이 존재하는 것으로 해석된다.
세계 많은 지역에서 인체 위해성과 기후변화 등의 문제를 일으키고 있는 미세먼지에 대한 문제가 발생하고 있다. 특히 서울지역은 미세먼지의 농도가 OECD국가 중 가장 높은 수준을 유지하고 있어, 이에 대한 저감대책 및 해결방안 모색이 시급한 상황이다. 이 때문에 연료의 대체, 지속적인 환경모니터링 등 환경관리에 대한 다양한 노력을 기울여 이산화황(SO2), 일산화탄소(CO) 등 일부 대기환경문제를 해결하였지만, 미세먼지는 특별히 개선된 효과를 보이지 못하고 관리 이전의 상황과 비슷한 경향을 나타내고 있다.
초미세먼지(PM2.5)의 악영향을 줄이기 위해서 우선 PM2.5의 구성성분 중 비율이 가장 큰 성분 대한 명확한 해석이 필요하고, 이를 바탕으로 PM2.5의 특성을 파악하여 효과적인 저감대책 수립 및 실천이 진행되어야 한다.
따라서, 본 연구에서는 환경 및 인체 위해성이 크며, 2차 생성입자의 구성비율이 높을 것으로 추정되는 PM2.5 중 이온성분에 대한 물리ㆍ화학적 특성을 해석하기 위하여 서울지역 PM2.5의 측정 및 이온분석을 하였다.
PM2.5 중 이온성분들의 농도를 측정하기 위하여 중량분석이 끝난 필터를 7 ml의 초순수를 이용하여 초음파 세척기로 추출한 후 이온크로마토그래피(IC : Ion Chromatography)를 이용하여 각 성분을 분석하였다. 이온크로마토그래피로 분석이 되지 않는 수소이온(H+)은 pH Meter로 미세먼지 용출액의 pH를 측정한 후 대기 중의 수소이온(H+)농도로 환산하였다. 그리고 이온크로마토그래피로 분석되지 않는 탄산염이온(CO32-)에 대해서는 음이온(Anion)과 양이온(Cation)의 당량농도 차이로 가정하였다.
이를 바탕으로 CMB(Chemical Mass Balance) 모델을 이용하여 미세먼지 중 음이온과 양이온성분의 결합형태를 도출하였다.
본 연구에서는 수소이온(H+)은 pH를 통해서, 탄산염이온(CO32-)은 양이온과 음이온의 당량차로써 가정을 하였으므로 이 가정이 타당한지를 확인할 필요가 있었다. 따라서 대기 중 이온성분으로 구성된 화합물이 CMB 모델로 도출된 결과와 같이 이루어졌다고 가정하고, 이를 표준물질로 조제하였다. 표준물질을 다시 이온분석을 하여 실측값이 나오는가를 확인하였다.
검증실험을 통하여 가정한 성분에 대한 검토를 하였고, 실제로 PM2.5 속에 이온물질이 어떤 형태로 존재하는지를 파악하였다. 이는 2차 생성 에어로졸(aerosol) 연구에도 크게 도움이 될 것으로 기대된다.
분석 결과 서울지역 PM2.5 중 이온성분은 평균 43.6%로 나타났으며, 그 중 SO42-, NO3-, NH4+ 성분이 40.7%를 점유하고 있어 이온성분의 평균 93.4%가 SO42-, NO3-, NH4+ 로 구성되어 있는 것을 알 수 있었다.
이온성분의 계절별 주요 구성 형태는 겨울철의 경우 NH4NO3, (NH4)2SO4, KNO3, (NH4)2CO3, NH4Cl, CaSO4 로 나타났다. 중량농도는 각각 4.865 ㎍/㎥, 3.738 ㎍/㎥, 0.796 ㎍/㎥, 0.719 ㎍/㎥, 0.557 ㎍/㎥, 0.419 ㎍/㎥이며, 겨울철 전체 이온성분의 93.6%를 점유하는 것으로 나타났다. 봄철의 주요 이온결합형태는 (NH4)2SO4, NH4NO3, (NH4)2CO3, KNO3, CaSO4 로 각각 4.970 ㎍/㎥, 2.984 ㎍/㎥, 1.017 ㎍/㎥, 0.629 ㎍/㎥, 0.620 ㎍/㎥이며 중량농도 전체 이온성분의 92.7%이다.
여름철의 주요 이온결합형태는 (NH4)2SO4, (NH4)2CO3, NH4NO3, K2SO4 로 각각 5.980 ㎍/㎥, 1.032 ㎍/㎥, 0.595 ㎍/㎥, 0.389 ㎍/㎥의 중량농도로 나타났으며, 전체 이온성분의 91.2%이다. 가을철의 주요 이온결합형태는 (NH4)2SO4, NH4NO3, (NH4)2CO3, K2SO4, HNO3 로 각각 4.258 ㎍/㎥, 1.676 ㎍/㎥, 1.105 ㎍/㎥, 0.489 ㎍/㎥, 0.433 ㎍/㎥의 중량농도로 나타났으며, 전체 이온성분의 93.2%를 해석하고 있다.
또한, 미세먼지 중 이온성분은 수소이온(H+), 탄산염이온(CO32-)과 결합하여 겨울철에는 (NH4)2CO3, HNO3, MgCO3, H2CO3, 봄철은 (NH4)2CO3, HNO3, NaCO3, H2CO3, 여름철에는 (NH4)2CO3, H2SO4, CaCO3, H2CO3, 가을철에는 (NH4)2CO3, HNO3, MgCO3, H2CO3 의 형태의 화합물이 존재하는 것으로 해석된다.
주제어
#미세먼지(PM2.5)
#이온발란스(Ion Balance)
#탄산염이온(CO32-)결합형태
#수소이온(H+)
#CMB(Chemical Mass Balance)
학위논문 정보
저자
장은희
학위수여기관
서울시립대학교 일반대학원
학위구분
국내석사
학과
환경공학과 환경공학 전공
지도교수
김신도
발행연도
2013
총페이지
iv, 80 p.
키워드
미세먼지(PM2.5),
이온발란스(Ion Balance),
탄산염이온(CO32-)결합형태,
수소이온(H+),
CMB(Chemical Mass Balance)
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