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문제 정의
- 5와 PM10 성분을 채취하여 이들에 함유된 중금속 성분을 집중적으로 분석하였다. 본 논문에서는 이들 자료를 토대로 분진과 이들의 중금속 성분의 절대적 및 상대적 관계를 설명하기 위해 환경거동을 세밀하게 조명하고자 하였다.
- 본 연구에서 관측된 금속성분의 농도분포가 지닌 의미를 체계적으로 이해하기 위해, 국내에서 중금속 성분들의 농도분포경향을 분석한 이전의 연구 결과들과 본 연구결과의 비교를 시도하였다. 이러한 비교는 미세영역 군의 자료를 발견하기가 쉽지 않아 PM10 영역을 중심으로 이루어졌다.
- 본 연구에서는 중금속 성분의 발생특성을 연구하기 위해, 2001년 봄철 기간 중 PM2.5와 PM10 성분을 채취하여 이들에 함유된 중금속 성분을 집중적으로 분석하였다. 본 논문에서는 이들 자료를 토대로 분진과 이들의 중금속 성분의 절대적 및 상대적 관계를 설명하기 위해 환경거동을 세밀하게 조명하고자 하였다.
제안 방법
- 이 용액을 분석용 시료로 사용하여, 각종 금속 및 황 (S) 성분에 대한 함량을 ICP-AES(ThermoJarrellAsh, Model IRIS-DUO) 방법으로 분석하였다. ICP-AES의 분석은 분석대상물질의 함량에 대한 높낮이를 기준으로 고농도 성분들 (Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, S)과 농도가 낮은 저농도성분들(Ti, Mn, Ba, Sr, Zn, V Cr, Pb, Cu, Ni, Co, Mo, Cd)로 분리 실시하였다. 보다 세부적으로 고농도 성분들은 Radial Plasma Torch법, 저농도 성분들은 Axial Plasma Torch법으로 분석하였고, Simultaneous Mode를 이용하였다.
- 기간 중 주중 29일을 택하여 수행하였다. 본 실험은 24시간 연속측정을 기준으로 PM2.5와 PM10 시료를 각각 InF/h의 유속으로 총 29회 채취 후 분석하였다. 시료채취에 사용된 필터는 비교적 금속의 불순물이 적고, 여과효율이 99.
- 본 연구대상지역에서 관측된 중금속 성분의 오염도 또는 농도분포를 다양한 관점에서 분석하기 위해, 지각에서 주로 기원하는 것으로 알려진 AI을 기준으로 설정하여 각 성분들에 대한 부화계수(Enrichment Factor: EF)를 산정해 보았다. 대략 EF값이 수십(또는 수백을 초과할 때 부화의 정도가 심각하다고 인정할 수 있다(Perry et al.
- 사용하여 산용액으로 용출시켰다. 시료가 채취된 필터를 테플론 용기에 넣고 진한 질산 9mL와 진한 염산 3mL를 가한 후 마이크로파를 조사하여 10분 동안 온도를 175℃로 올리고, 다시 이 온도에서 5분간 유지시켜 총 15분간 시료를 분해하였다. 마이크로파 분해를 거친 용액은 불용물질을 거른(Whatman, 0.
- 5nm pore size 테플론 필터를 사용하였다. 시료채취 전후에 필터를 데시케이터 내에서 48시간 이상 항량한다음, 사용 전후에 칭량을 실시한 후, 여지에 채취된 입자상 물질과 중금속 성분들을 동시에 분석하였다.
- 5 내에서는 EF값이 수십, 수백을 초과하는 성분들이 가장 집중적으로 분포하고 있다는 점을 확인할 수 있다. 연구대상지역에서 발생원의 형태에 따라 나타나는 EF값의 차이를 더 세밀하게 알아보기 위해, 과거의 연구 결과들과도 비교해 보았다(Table 5). 이들 자료에 의하면, Fe이 부산에서 1.
- 연구대상지역인 세종대 지점은 상업지역, 주거지역, 자동차 도로에 의한 영향이 동시에 복합적으로 작용할 수 있어, 중금속 성분들의 농도변화는 풍계의 변화에 영향을 받을 것으로 예상되므로 풍향에 따른 농도변화를 살펴보았다. 우선 관측기간 동안 풍계의 변화를 살펴보면, 남동풍 계열이 매우 우세하게 나타나는 것으로 확인되었다.
- 오염물질들간의 상호 연관성과, 기상인자들이 오염물질들에 미치는 영향 등을 살펴보기 위해 PM2.5와 PM10에 대해 주변인자들과의 상관성 여부를 분석하였다. 대부분의 기상인자들과 분진성분들은 음의 상관성을 보이는 것이 확인된다.
- 2, 3에 제시하였다. 이 그림들은 각 성분들을 유사한 기준에서 비교하기 위해 전체 농도를 11개 계급으로 구분한 후 상호 비교분석을 실시하였다(즉, 이들 자료를 동일한 계급구간으로 구분하기 위해, 각 성분들의 농도값에 일정한 factor를 환산하였다 (Table 3)). 먼저 Fig.
- 전체 관측기간 동안 부유분진과 중금속 성분들의 시간적인 분포특성을 알아보기 위해 시간의 함수로 분진의 농도분포를 도시하였다(Fig. 4). 부유 분진과 마찬가지로 대부분의 중금속 성분들은 황사 발생시 (3/20-3/25, 4/7-4/12, 4/24-4/26, 기상청), 농도값들이급격히 증가하여 황사의 영향을 비교적 뚜렷하게 반영하는 것으로 나타났다.
- 1에 각 성분들의 평균농도, 최대 . 최소값 등을 로그 스케일로 도시한 후 비교하였다. 본 그림에 의하면 이들 중금속의 농도분포는 PM2.
- 그러나 Ba, Cu, Mo, Cd 등은 황사기간에 고농도를 보이는 경향성도 보이지만, 황사가 발생하지 않은 기간에도 고농도를 유지하는 것으로 나타났다. 황사기간과 비황사기간의 농도 차이를 간편하게 분석하고자, 앞서 분류한 황사대 비황사 기간을 구분한 후, 기간대별 농도분포를 단순하게 비교해 보았다. 황사기간 동안 A1 이 비황사기간에 반해 모든 영역 내에서 대략 3, 4배의 높은 농도차이를 나타낸 것을 비롯하여 대부분의 중금속 성분들과 부유 분진의 경우 A1과 비슷한 경향을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
- 그러나 Table 4에 나타난 것과 같이 Cre 대전의 공단지역과 상업지역인 서울의 신촌지역에 비해서는 저농도를, 주거지역인 원주와 서울의 불광동 지점보다는 고농도를 유지하는 것으로 나타났다. 따라서 연구대상지역인 세종대 지점은 Cr 농도에 있어 공단 . 상업지역과 주거지역의 중간수준에 위치하고 있었다.
- 서울시 북동부에 소재한 군자동지역을 중심으로 2001년 봄철 기간을 택하여 부유분진 및 중금속 성분들의 분포양상을 살펴보았다. 본 연구의 결과에 의하면, 지각을 구성하는 주요성분들에 비해 인체에 상대적으로 악영향을 미치는 미세먼지(PM2.
- 시료채취는 2001년 3월 19일부터 같은 해의 4월 30일까지 봄철 황사현상이 빈번하게 발생한 총 47일의 기간 중 주중 29일을 택하여 수행하였다. 본 실험은 24시간 연속측정을 기준으로 PM2.
- 5와 PM10 시료를 각각 InF/h의 유속으로 총 29회 채취 후 분석하였다. 시료채취에 사용된 필터는 비교적 금속의 불순물이 적고, 여과효율이 99.95 %로 알려진 0.5nm pore size 테플론 필터를 사용하였다. 시료채취 전후에 필터를 데시케이터 내에서 48시간 이상 항량한다음, 사용 전후에 칭량을 실시한 후, 여지에 채취된 입자상 물질과 중금속 성분들을 동시에 분석하였다.
- 연구대상지역인 세종대학교는 동쪽으로 어린이대공원, 서쪽과 북쪽은 주거지역, 남쪽에는 상업지역이 위치해 있다. 학교 밖에는 큰 규모의 도로가 어느 정도 인접한 거리에 있어 대중교통수단에 주로 사용되는 연료의 영향 및 여러가지 인위적 배출원의 영향권에 일정 수준 노출되어 있다.
- 입자상 물질 및 이들과 결합된 중금속성분들의 채취는 서울시의 북동지역에 위치한 광진구 군자동의 세종대학교 내 5층 건물 영실관 옥상에서 이루어졌다. 연구대상지역인 세종대학교는 동쪽으로 어린이대공원, 서쪽과 북쪽은 주거지역, 남쪽에는 상업지역이 위치해 있다.
이론/모형
- ICP-AES의 분석은 분석대상물질의 함량에 대한 높낮이를 기준으로 고농도 성분들 (Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, S)과 농도가 낮은 저농도성분들(Ti, Mn, Ba, Sr, Zn, V Cr, Pb, Cu, Ni, Co, Mo, Cd)로 분리 실시하였다. 보다 세부적으로 고농도 성분들은 Radial Plasma Torch법, 저농도 성분들은 Axial Plasma Torch법으로 분석하였고, Simultaneous Mode를 이용하였다. 그리고 분석시 ICP의 기기조건 및 각 성분들의 검출한계는 Table 1 에 제시하였다.
- 에어로졸의 금속 및 황 성분의 분석은 EPA Method 3051A의 방법에 따라 마이크로파 분해장치 (CEM microwave digestion system, Model MARS-5) 를 사용하여 산용액으로 용출시켰다. 시료가 채취된 필터를 테플론 용기에 넣고 진한 질산 9mL와 진한 염산 3mL를 가한 후 마이크로파를 조사하여 10분 동안 온도를 175℃로 올리고, 다시 이 온도에서 5분간 유지시켜 총 15분간 시료를 분해하였다.
- m PVDF syringe filter) 후 최종적으로 50mL가 되도록 초순수로 표충하였다. 이 용액을 분석용 시료로 사용하여, 각종 금속 및 황 (S) 성분에 대한 함량을 ICP-AES(ThermoJarrellAsh, Model IRIS-DUO) 방법으로 분석하였다. ICP-AES의 분석은 분석대상물질의 함량에 대한 높낮이를 기준으로 고농도 성분들 (Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, S)과 농도가 낮은 저농도성분들(Ti, Mn, Ba, Sr, Zn, V Cr, Pb, Cu, Ni, Co, Mo, Cd)로 분리 실시하였다.
성능/효과
- <K<S<Fe<Ca<Al으로 나타났다. Coarse particle의 경우는 Co<Mo<Cd<Cr<Sr<...<Mg<K<Fe< Ca<Al의 순으로 저농도를 유지하는 성분들은 비슷한 순위를 유지하는 것으로 나타났으나 고농도의 성분들에서는 다소 차이를 보이는 것으로 확인되었다. 이는 연구대상 지역이 봄철을 맞아 교내.
- 이를 통해 세종대 지점으로 유입되는 분진의 오염 경향을 어느 정도 판단할 수 있는 기준을 제시할 것으로 기대된다. 먼저 부유분진의 입경영역에 상관없이 Em。】 공통적으로 io 미만의 수치를 나타낸 성분들을 살펴보면, 대부분 토양입자에서 풍부하게 존재하는 Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti, Sr 등의 성분들로 확인되어, 그 오염의 정도가 미미한 것으로 나타났다. 또한 개별적으로 Mn, Ba, Cd 성분들은 조대입경과 PM10 내에서 EF값이 낮게 나타났으며, 석유계 연료의 연소 등을 통해 주로 배출되는 V도 이와 유사하게 나타났다.
- 이러한 연구 결과는 이미 최성우, 송형도 (1999) 등이 실시한 연구에서도 확인된바 있다. 그 결과에 의하면, 비황사기간 중 자연 발생원에 의한 Al, Fe의 평균농도는 PM10에서 411, 289ng/m3인 것에 비해 황사기간에 보인 농도는 569, 425ng/m3으로 증가하였다. 반면 Zn, Pb 등과 같이 인위적 오염원에 민감하게 영향을 받는 성분들은 황사가 발생한 기간에도 비슷한 농도를 유지하거나 비 황사 기간에 높게 측정된 바 있다.
- 먼저 부유분진의 입경영역에 상관없이 Em。】 공통적으로 io 미만의 수치를 나타낸 성분들을 살펴보면, 대부분 토양입자에서 풍부하게 존재하는 Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti, Sr 등의 성분들로 확인되어, 그 오염의 정도가 미미한 것으로 나타났다. 또한 개별적으로 Mn, Ba, Cd 성분들은 조대입경과 PM10 내에서 EF값이 낮게 나타났으며, 석유계 연료의 연소 등을 통해 주로 배출되는 V도 이와 유사하게 나타났다. 그리고 Cr과 Co 성분들 역시 £知이미세영역에서 두드러지게 높게 나타나, 전형적인 중금속 성분의 부화경향을 보여주었다.
- 이는 관측지점의 동쪽에 이들 성분의 분포에 직접적인 영향을 미치는 오염원의 존재를 추정할 수 있을 것이나 조대영역에서는 서풍의 풍계가 불어올 때 고농도를 보이는 양상을 보이는 것으로 보아 이에 대한 세밀한 연구가 필요할 듯 싶다. 또한 동풍계열의 풍계시 남풍이 불었을 때보다 상대적으로 고농도의 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 특히 K, Pb, S의 농도는 동풍풍계시 다른 풍계 시보다 그 농도차이가 매우 높게 유지되고 있다.
- Table 2는 본 연구대상 지역에서 관측 기간 동안 부유분진의 평균 농도치와 중금속 성분들의 평균농도를 조사한 것이다. 먼저 부유분진들의 농도분석 결과를 살펴보면, PM2.5의 경우는 49.3±29.2|ig/ m3(N=29), PM10은 95.5±46.1Hg/m3(N=28), 조대입자 영역(Coarse particle: PM10-PM2.5)에서는 50.5+ 35.叩以1『μ=28)戊로 PM10과 조대입자의 농도가 PM2.5의 평균농도보다 대략 2, 4배 정도 높은 수준을 유지하였다. 각각의 부유분진들에 포함된 중금속 성분들의 평균농도에 대한 통계치는 Table 2에 제시된 것과 같이 확인되었다.
- 이에 반해 Pb의 경우, 부산, 대전, 서울(흑석동) 지점들에서는 283, 718, 484의 결과를 보여 연구대상지역에서의 경우와 비슷한 경향을 보였다. 반면 Cde 부산, 대전, 서울(흑석동) 지점에서 713, 407, 92.1로 연구대상지역에서 보여주는 16.4(PM2.5), 3.78(Coarse fraction)과 같은 EF값은 여타 지역에 비해 상당히 낮은 수준이란 것을 확인할 수 있었다.
- 분포양상을 살펴보았다. 본 연구의 결과에 의하면, 지각을 구성하는 주요성분들에 비해 인체에 상대적으로 악영향을 미치는 미세먼지(PM2.5) 내에서 주요 중금속 성분들(예를 들어, Zn, Cr, Pb, Ni 등) 이고농도 상태를 유지한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 연구지역에서의 성분들에 대한 오염도를 살펴보기 위한 방편으로 EF값을 비교한 결과에서도 이와 같은 경懿이 뚜렷하게 일관성 있게 나타났다.
- 5m/s로 나타났다. 상대습도는 56±15 %로, 일반적으로 봄철의 경우 60%를 웃도는 상대습도를 유지한다는 점을 감안하여 상대적으로 적게 관측되었다. Table 2는 본 연구대상 지역에서 관측 기간 동안 부유분진의 평균 농도치와 중금속 성분들의 평균농도를 조사한 것이다.
- 연구대상지역에서 FE값이 수백을 초과할 정도로 심각한 수준을 유지하는 성분들은 PM 2.5에서 Zn, Mo, Cr, Pb, Cu, Ni 등이, Coarse fraction 중에는 Zn, Mo 성분으로 나타났다. 이 중 Zn, Mo 성분은 각각의 부유분진들 모두에서 높게 측정되어 기름연료의 사용과 자동차 타이어의 마모, 브레이크 라이닝 마모 등이 중요한 배출원으로 작용하였을 것으로 기대된다.
- 살펴보았다. 우선 관측기간 동안 풍계의 변화를 살펴보면, 남동풍 계열이 매우 우세하게 나타나는 것으로 확인되었다. 이러한 분석에 의하면 PM2.
- 미세/조대입자 농도비가 1보다 작을 경우에는 조대입자 내에서 중금속 농도가 높고, 보다 클 경우는 미세입자 내에 중금속 농도가 높음을 나타낸다. 이들 F/C 농도비를 살펴보면, 미세입자에 더 높은 농도를 보이는 중금속 성분들은 Zn, Cr, Pb, Ni 등으로 구분이 되는데, 이들의 분율비는 각각 1.70, 2.35, 5.83, 2.61로 나타나 인위적 오염원의 영향에 민감한 성분임이 확인되었다. 즉, 이들 성분들은 모두 인위적 배출원 (자동차의 배기가스나 타이어 마모, 브레이크 라이닝 마모 등과 같은)에 의한 영향을 적절한 수준으로 반영하는 것으로 판단된다.
- 이러한 결과는 세종대 지점에 큰 도로가 인접해 있고, 학교 주변에 많은 인쇄소가 편중되어 있다는 점 등이 어느 정도 반영된 것으로 분석되어진다. 이러한 관측 결과는 인체에 직접적으로 투과될 수 있는 PM2.5 내에서는 EF값이 수십, 수백을 초과하는 성분들이 가장 집중적으로 분포하고 있다는 점을 확인할 수 있다. 연구대상지역에서 발생원의 형태에 따라 나타나는 EF값의 차이를 더 세밀하게 알아보기 위해, 과거의 연구 결과들과도 비교해 보았다(Table 5).
- 우선 관측기간 동안 풍계의 변화를 살펴보면, 남동풍 계열이 매우 우세하게 나타나는 것으로 확인되었다. 이러한 분석에 의하면 PM2.5와 PM10의 경우, 동풍계열의 풍계가 나타날 때 서풍계열보다 대부분의 중금속 농도가 높게 측정되었다. 반면 조대영역은 서풍이 불어올 때 더 높은 농도가 나타났다.
- 이와 같은 분석의 결과에 따르면, 토양과 같은 자연적인 배출원에 직접적인 영향을 받는 것으로 알려진 주요 원소성분들(예를 들어, Al, Fe, Ca, Na, K) 은조대와 미세영역간 농도차가 2, 3배 정도로 현격하게나타났다. 이에 반해, 자동차를 위시한 여러가지 인위적인 오염원에 상대적으로 민감한 영향을 받는 것으로 알려진, V, Cr, Pb, Cd 등과 같은 저농도 중금속 성분들은 상대적으로 큰 농도차이를 보이지 않는 것으로 나타났다.
- 즉, 황사의 발생에 따른 분진농도의 증가부분에 비해 금속성분의 증가비는 상대적으로 미미하게 나타났다. 이와 같은 결과는 결과적으로 황사전체가 모든 금속성분의 증가를 유도하는 유일한 원인으로 볼 수는 없다는 것을 간접적으로 시사하는 것으로 보인다.
- Table 4에는 그 결과를 제시하였다. 주로 토양성분에 연계된 Fe의 경우 비교 대상지점들에 비해 최고 대비 최저농도의 차이가 3 배 정도가 나타나는 것을 비롯하여 Mn, Ti, Ba 등의 경우도 연구대상지점에서 상대적으로 고농도를 유지하는 것으로 나타났다. 그러나 Table 4에 나타난 것과 같이 Cre 대전의 공단지역과 상업지역인 서울의 신촌지역에 비해서는 저농도를, 주거지역인 원주와 서울의 불광동 지점보다는 고농도를 유지하는 것으로 나타났다.
- 이에 반해 Cr, Pb, Cu, Co, Mo, Cd, S 등을 위시한 일부 성분들은 실질적으로 각 분진성분의 황사斤]황사 증가비의 변화에 비해 오히려 더 감소하거나 변화가 미미한 경우도 확인된다. 즉, 이들 성분들은 황사 현상의 발생 자체가 특별히 질적으로 이들의 고농도를 초래하였다기보다는 황사의 발현에 따른 분진량의 증가 현상으로 인해, 결과적으로 금속성분의 농도가 증가하였다는 것을 유추할 수 있다. 그런데 실제로 황사가 발생하는 환경조건에서, 황사의 침적대상지역에서 장거리 이동과 관련없이 국부적으로 분진의 발생량이(강한 풍속 등에 영향받아) 상당 수준 증가할 수도 있다.
- 대체로 주성분 등에서는 분진총량의 증가비에 근사한 수준 또는 그 이상으로 농도의 증가가 확인된데 반해, 일부 금속성분들은 이러한 경향과는 동떨어진 결과를 보여 주었다. 즉, 황사의 발생에 따른 분진농도의 증가부분에 비해 금속성분의 증가비는 상대적으로 미미하게 나타났다. 이와 같은 결과는 결과적으로 황사전체가 모든 금속성분의 증가를 유도하는 유일한 원인으로 볼 수는 없다는 것을 간접적으로 시사하는 것으로 보인다.
후속연구
- 5에서 Zn, Mo, Cr, Pb, Cu, Ni 등이, Coarse fraction 중에는 Zn, Mo 성분으로 나타났다. 이 중 Zn, Mo 성분은 각각의 부유분진들 모두에서 높게 측정되어 기름연료의 사용과 자동차 타이어의 마모, 브레이크 라이닝 마모 등이 중요한 배출원으로 작용하였을 것으로 기대된다. 또한 Pb의 경우도 EF값이 PM2.
- 반면 조대영역은 서풍이 불어올 때 더 높은 농도가 나타났다. 이는 관측지점의 동쪽에 이들 성분의 분포에 직접적인 영향을 미치는 오염원의 존재를 추정할 수 있을 것이나 조대영역에서는 서풍의 풍계가 불어올 때 고농도를 보이는 양상을 보이는 것으로 보아 이에 대한 세밀한 연구가 필요할 듯 싶다. 또한 동풍계열의 풍계시 남풍이 불었을 때보다 상대적으로 고농도의 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.
- , 1999; Zhang and Arimoto, 1993). 이를 통해 세종대 지점으로 유입되는 분진의 오염 경향을 어느 정도 판단할 수 있는 기준을 제시할 것으로 기대된다. 먼저 부유분진의 입경영역에 상관없이 Em。】 공통적으로 io 미만의 수치를 나타낸 성분들을 살펴보면, 대부분 토양입자에서 풍부하게 존재하는 Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti, Sr 등의 성분들로 확인되어, 그 오염의 정도가 미미한 것으로 나타났다.
- 또한 Cde 서울의 불광동 지점과 경기도 용인 지점에 비해서는 낮은 농도를 보이지만, 그 외의 지점들에 비해서는 비교적 높은 농도를 보여주고 있다. 이와 같은 사실들을 종합하여 볼 때, 본 연구지점은 주로 자연적인 오염원에 의한 영향을 받는 원소 성분들은 대체로 높은 농도를 보여주지만, 인위적인 오염원을 통해 배출되는 중금속 성분들은 어느 정도 오염원과 지역적 특성과의 연계성을 제시할 수 있는 것으로 사료된다.
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