A multi-functional indoor smog chamber was designed and evaluated to investigate photochemical or water vapor reaction mechanisms of air pollutants. Various smog chamber experiments could be conducted using ambient air or purified air in this smog chamber. The smog chamber consisted of a housing, a ...
A multi-functional indoor smog chamber was designed and evaluated to investigate photochemical or water vapor reaction mechanisms of air pollutants. Various smog chamber experiments could be conducted using ambient air or purified air in this smog chamber. The smog chamber consisted of a housing, a Teflon bag, blacklights, injection ports, sampling ports, and utility facilities. The characteristics of light source, the wall losses of air pollutants, and the quality of purified air were experimentally investigated. The maximum NO$_2$ photolysis rate was 1.10 min$^{-1}$ . In a 2.5-m$^3$ Teflon bag, the wall losses of ambient $O_3$, NO, and NO$_2$ were 1.2~2.4$\times$10$^{-3}$ min$^{-1}$ , 0.7~2.0$\times$10$^{-3}$ min$^{-1}$ , and 0.4~2.0$\times$10$^{-3}$ min$^{-1}$ , respectively. The wall loss of ambient particles ranging 0.05 to 0.2 ${\mu}{\textrm}{m}$ was 1.8~5.4$\times$10$^{-3}$ min$^{-1}$ , which was slightly higher than those of ambient gaseous species. The purified air supply system provided high quality of air with NO$_{x}$ < 1 ppb, and total hydrocarbons < 5 ppb.b.
A multi-functional indoor smog chamber was designed and evaluated to investigate photochemical or water vapor reaction mechanisms of air pollutants. Various smog chamber experiments could be conducted using ambient air or purified air in this smog chamber. The smog chamber consisted of a housing, a Teflon bag, blacklights, injection ports, sampling ports, and utility facilities. The characteristics of light source, the wall losses of air pollutants, and the quality of purified air were experimentally investigated. The maximum NO$_2$ photolysis rate was 1.10 min$^{-1}$ . In a 2.5-m$^3$ Teflon bag, the wall losses of ambient $O_3$, NO, and NO$_2$ were 1.2~2.4$\times$10$^{-3}$ min$^{-1}$ , 0.7~2.0$\times$10$^{-3}$ min$^{-1}$ , and 0.4~2.0$\times$10$^{-3}$ min$^{-1}$ , respectively. The wall loss of ambient particles ranging 0.05 to 0.2 ${\mu}{\textrm}{m}$ was 1.8~5.4$\times$10$^{-3}$ min$^{-1}$ , which was slightly higher than those of ambient gaseous species. The purified air supply system provided high quality of air with NO$_{x}$ < 1 ppb, and total hydrocarbons < 5 ppb.b.
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문제 정의
본 연구에서는 대도시 스모그 생성 메커니즘을 규명하기 위하여 체적이 약 lOm, 인 2개의 테플론백을 설치할 수 있는 실내 스모그 챔버를 설겨】, 제작하여 대표적인 성능을 평가하였다. 이 스모그 챔버는 청정공기 뿐만 아니라 외기를 사용하여 휘발성 유기화합물의 광화학 반응 현상, 수분의 영향 등을 규명할 수 있도록 설계되어 있다.
등, 2002). 본 연구에서는 서울 지역의 스모그 특성을 밝혀내기 위하여 직접 실제 대기를 챔버 내부로 도입하여 실험할 수 있도록 체적이 약 10m, 인 2개의 반응 백을 설치할 수 있는 실내 스모그챔버를 설겨】, 제작한 후 대표적인 성능을 평가하였다. 유틸리티 설비로 외기 도입 설비, 청정공기 공급설비, 유량 제어 유닛을 갖추었다.
본 연구팀에서는 스모그의 주요 생성 인자와 변환 메커니즘을 연구하는데 중점을 두고, 대도시의 시정 장애 현상을 규명하여 궁극적으로 스모그 저감 대책을 도출하기 위하여 연구를 수행하고 있다(문길주 등, 2002). 본 연구에서는 서울 지역의 스모그 특성을 밝혀내기 위하여 직접 실제 대기를 챔버 내부로 도입하여 실험할 수 있도록 체적이 약 10m, 인 2개의 반응 백을 설치할 수 있는 실내 스모그챔버를 설겨】, 제작한 후 대표적인 성능을 평가하였다.
유틸리티 설비로 외기 도입 설비, 청정공기 공급설비, 유량 제어 유닛을 갖추었다. 즉, 이 스모그 챔버는 1차 오염물질에 의한 스모그 현상 뿐만 아니라 광화학 반응에 의한 스모그 현상도 규명할 수 있도록 설계하였다. 스모그 챔버의 성능평가 자료는 향후 수행되는 스모그 챔버 실험결과를 해석하는데 기초자료로 활용된다.
제안 방법
분석하였다.C2와 C3 탄화수소는 GC-FID (Va打an mod이 STAR 3600CX)를 이용하여 분석하였고, Ca 이상의 탄화수소는 GC-MS (Varian model 3400CX GC & model Saturn 2000 MS)를 이용하여 분석하였다. 청정공기에 포함된 총휘발성 유기화합물의 농도는 약 3.
Condensation particle counter (TSI model 3025; detection limit 3 nm)^- 사용하여 청 정 공기 에 포함된 입자상 물질의 농도를 측정하였다. 청정공기에 포함된 입자상 물질의 농도는 45개/cm, 이하이었고, 청정공기 공급설비의 출구에 고압 가스용 필터 (Kurabo model Kranpure GS-SF)를 설치하면 입자 농도는 0.
각 입경별 벽면손실율을 살펴보기 위하여 4가지 입경 범위 (0.0594-0.0638 |im, 0.0982-0.106 gm, 0.146~0.157 |im, 0.195~0.209 Jim)를 선정하여 시간 경과에 따른 수농도의 변화를 살펴보았다. 외기를 도입하여 광원을 켜지 않은 상태에서 시간경과에 따른 4가지 입경범위에 속한 입자의 수농도 변화 의예 (2002년 8월 21일 오전)를 그림 12에 나타냈다.
각 케비넷에는 상하 간격을 130mm로 유지하여 16개의 blacklight를 수평으로 설치하였으며, 챔버의 양측면에는 4개의 캐비넷을 설치하여 챔버의 벽면으로 사용하였다. 그러므로, 각 챔버에는총 64개의 blacklight가 설치되어 있으며, 안정기 (라이트 전자 FL40W(FL/FLR40W)) ]대에 2개의 biacklight를 연결한 후 개별적으로 스위치를 만들어 빛의 강도 (light intensity)를 다양하게 조절할 수 있도록 만들었다.
또한, 스모그 챔버가위치한 건물의 외부에서 태양광의 스펙트럼을 측정하였다. 광화학 반응 실험시 광도의 영향을 파악하기 위하여 blacklight의 일부를 켜지 않는데, 본 연구에서는 그림 5에 나타낸 바와 같이 blackli앙it를 배 열하여 광도를 4가지 (25%, 50%, 75%, 100%)로 조절하였다.
각 케비넷에는 상하 간격을 130mm로 유지하여 16개의 blacklight를 수평으로 설치하였으며, 챔버의 양측면에는 4개의 캐비넷을 설치하여 챔버의 벽면으로 사용하였다. 그러므로, 각 챔버에는총 64개의 blacklight가 설치되어 있으며, 안정기 (라이트 전자 FL40W(FL/FLR40W)) ]대에 2개의 biacklight를 연결한 후 개별적으로 스위치를 만들어 빛의 강도 (light intensity)를 다양하게 조절할 수 있도록 만들었다. 이때 테플론 백과 광원의 접촉을 방지하기 위하여 면 재질의 노끈을 광원으로부터 약 5 cm 띄워 상하 10cm 간격의 사선으로 연결하였으며, 챔버의 바닥부분에도 같은 방법으로 노끈을 설치하여 테플론 백 이 바닥면과 접촉하지 못하도록 하였다.
이때 길이가 2m인 광섬유(optical fiber) 센서를 사용하였다. 또한, 스모그 챔버가위치한 건물의 외부에서 태양광의 스펙트럼을 측정하였다. 광화학 반응 실험시 광도의 영향을 파악하기 위하여 blacklight의 일부를 켜지 않는데, 본 연구에서는 그림 5에 나타낸 바와 같이 blackli앙it를 배 열하여 광도를 4가지 (25%, 50%, 75%, 100%)로 조절하였다.
또한, 청정공기를 캐니스터로 4회 채취하여 K1ST 특성분석센터에 의뢰하여 총 81종의 휘발성 유기화합물을 분석하였다.C2와 C3 탄화수소는 GC-FID (Va打an mod이 STAR 3600CX)를 이용하여 분석하였고, Ca 이상의 탄화수소는 GC-MS (Varian model 3400CX GC & model Saturn 2000 MS)를 이용하여 분석하였다.
먼저 사용된 광원의 스펙트럼 특성을 알아보기 위해 챔버 내에서 blacklight를 켜고 파장별 광도를 optical spectrum analyzer (Pimacs Co. model OSA 300)로 측정하였다. 이때 길이가 2m인 광섬유(optical fiber) 센서를 사용하였다.
본 연구에서는 scanning mobility particle sizer (SMPS, TSI model 3934UX 사용하여 0.02-0.6|im 범위인 입자의 수농도를 측정하여 챔버내 입자의 벽면손실율을 평가하였다. 입자크기에 따른 벽면손실의 영향을 살펴보기 위하여 2002년 8월 21일 오전 10시경 외기를 테플론 백 내부로 도입한 경우 시간 경과에 따른 입경분포의 변화를 구하여 그림 11에 나타냈다.
본 연구에서는 광도를 독립적으로 제어할 수 있고 쉽게 이동할 수 있도록 blacklight를 캐비넷에 설치하였다. 각 케비넷에는 상하 간격을 130mm로 유지하여 16개의 blacklight를 수평으로 설치하였으며, 챔버의 양측면에는 4개의 캐비넷을 설치하여 챔버의 벽면으로 사용하였다.
청정공기 공급설비는 건조한 압축공기를 만들고, 압축공기 중에 포함된 입자상 물질을 제거하기 위한 에어 필터, 선택적 흡착 및 촉매 반응을 이 용하여 황화합물, 유기 화합물 등의 가스상 물질을 순차적으로 제거하기 위한 유닛으로 구성된다. 본 연구에서는 표 2에 나타낸 바와 같이 03, SO2, N* O 등의 농도가 1 ppb 이하, HC, CH4, CO 등의 농도가 5ppb 이하인 청정공기를 만들기 위하여 가스상 물질을 제거할 수 있는 pure air generator (Aadco Instruments model 737-15)^- 사용하였다.
분 기관을 지난 후에는 플렉시블 덕트를 사용하여 송풍기와 연결시켰다. 송풍기를 사용하여 클린룸 내부로 대기를 도입하였고, 인버터를 사용하여 외기 도입 관으로 흡인되는 유량을 조절하였다.
실내 스모그 챔버의 대표적인 성능으로 광원의 스펙트럼, NO 광분해율, 오염물질의 벽면손실, 청정공기의 순도를 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
실제 외기를 이용한 챔버 실험시 필요한 외기를 테플론 백 내부로 도입하기 위하여 그림 3에 나타낸 바와 같이 외 기 도입관, 2개의 분기관, 보조 팬, 송풍기, 인버터로 구성되는 외기 도입 설비를 설계하여 제작하였다. 이때 외기에 포함된 입자를 제거할 수 있는 에어 필터를 필요에 따라 외기 도입 관의 중간에 설치할 수 있도록 만들었다.
,e 아래에서 분 기관을 주 도입관에 연결하였다. 이때 분기관의 중간에 보조 팬(컴퓨터용 소형 팬)을 설치하여 각 테플론 백으로 대기를 도입할 수 있도록 하였다. 분 기관을 지난 후에는 플렉시블 덕트를 사용하여 송풍기와 연결시켰다.
그러므로, 각 챔버에는총 64개의 blacklight가 설치되어 있으며, 안정기 (라이트 전자 FL40W(FL/FLR40W)) ]대에 2개의 biacklight를 연결한 후 개별적으로 스위치를 만들어 빛의 강도 (light intensity)를 다양하게 조절할 수 있도록 만들었다. 이때 테플론 백과 광원의 접촉을 방지하기 위하여 면 재질의 노끈을 광원으로부터 약 5 cm 띄워 상하 10cm 간격의 사선으로 연결하였으며, 챔버의 바닥부분에도 같은 방법으로 노끈을 설치하여 테플론 백 이 바닥면과 접촉하지 못하도록 하였다.
80 n?인 2개의 실외 챔버를 대상으로 청정공기와 함께 단일 가스상 물질을 챔버에 주입하여 다양한 가스상 물질의 벽면손실율을 측정하였다. 태양광을 조사하지 않은 상태에서。3의 벽면손실율은 작은 챔버의 경우 약 3.
본 연구에서는 크기가 약 2.5 n?인 테플론 백에 외기를 도입하여 가스상 및 입자상 물질의 벽면손실율을 측정하였다. 서로 다른 4가지 외기조건 (2002년 1 월 16일, 3월 13일, 4월 22일, 8월 20일)의 공기를 사용하여 광원을 켜지 않은 상태에서 시간 경과에 따른 오존(03)농도의 변화를 측정하여 그림 10에 나타냈다.
일반적으로 광원의 광도를 평가하기 위하여 no2 의 광분해율을 측정하므로 (Zafonte * 以., 1977), 본연구에서도 그림 8에 나타낸 바와 같이 석영관(내경 2.0 cm, 길이 100 cm)을 제작하여 NO의 광 분해율을 측정하였다. 102.
이때 캐비넷의 안쪽 벽면도 알루미늄 박판을 부착하여 빛을 잘 반사시키도록 하였다. 정면에서 본 스모그 챔버의 수직 단면도를 나타낸 그림 2에서 볼 수 있는 바와 같이 정면에 챔버 내부로 출입할 수 있는 출입문을 설치하였고, 샘플링 포트와 주입 포트를 정면에 설치하여 측정 장비와 연결되는 샘플링관의 길이를 최소화시켰다.
챔버내 광도의 공간적 분포를 살펴보기 위하여 광도 100%인 조건에서 광섬유 센서를 챔버의 중앙에 위치시킨 후 6가지 (전후, 좌우, 상하) 방향의 스펙트럼을 측정하였으며, 상대적으로 높은 광도를 나타낸 4방향의 스펙트럼을 그림 6에 나타냈다. 그림 6을 보면, 4방향의 스펙트럼 패턴은 동일하지만 빛의 세기는 방향에 따라 약간 다르다.
있다. 청정공기에 포함된 수분량은 노점온도로 표현되므로 dew point monitor (General Eastern model HYGRO M4)를 사용하여 청정공기의 노점온도를 측정하였다. 노점온도 센서로는 25℃, 1기압에서 측정범위가 -15~25℃(상대습도 6~ 100%)이고, 정확도가 ±0.
테플론 백 내부가 외기로 채워지는데 걸리는 시간을 고려하여 외기 도입관과 분기관의 크기를 결정하였다. 체적이 약 8m3인 백을 기준으로 2개의 백이 20분 이내에 외기로 채워지려면 각 분 기관으로 흐르는 유량은 0.
테플론 백이 널리 사용되고 있다. 테플론 백의 내부 벽면에서의 입자손실을 최소화시키기 위해서는 표면적에 대한 체적 h] (surface-to-volume ratio) 가 작은 백이 좋으나, 본 연구에서는 먼저 체적 이 약 2.5m, (1.35x 1.35X L35m)인 정육면체 모양의 백을 제작하였다. 이 경우 단위 체적당 표면적의 비는 약 4.
대상 데이터
0 cm, 길이 100 cm)을 제작하여 NO의 광 분해율을 측정하였다. 102.5 ppm인 NO 표준가스를 99.9999%인 N, 가스로 희석하여 사용하였다. 이때 질량 유량 제어기 (mass flow controller)를 사용하여 NCh와 Nz를 적절한 비율 (NCh: 0.
본체의 바닥면은 클린룸내 공기의 흐름을 원활하게 하기 위하여 클린룸의 다공판 바닥면으로부터 200 mm 높이에 설치하였다. 광원이 설치된 캐비넷을 본체의 양 옆면으로 사용하였으며, 나머지 4면은 빛의 반사율이 좋은 알루미늄 박판 (Al sheet, Specular PreMirror 41)을 안쪽에 부착시 킨 합판을 사용하여 외부와 차단시켰다. 이때 캐비넷의 안쪽 벽면도 알루미늄 박판을 부착하여 빛을 잘 반사시키도록 하였다.
, 1992). 따라서, 본 연구에서도 길이가 1214 mm인 blacklight (Sylvania F40/350BL, 40W)를 광원으로 사용하였다.
, 20이). 본 연구에서 사용된 테플론 필름(Korton FEP fluoropolymer film)의 두께는 2 mil(약 51 μm)이고, 고온에서 접착할 수 있으므로 고온 공압 순간 접 착기 (impulse sealer, Packaging Aids Corp, model PI-G18)를 사용하여 테플론 백을 만들었다.
본체의 프레임은 알루미늄 프로파일로 제작하였고, 클린룸의 공간적 인 제 약 (2.4 X 3.6 X 3.0 m)으로 인하여 반응 백이 설치되는 내부공간의 최대 크기는 1.72 X 2.60x2.22 m (약 lOm')으로 설계하였다. 본체의 바닥면은 클린룸내 공기의 흐름을 원활하게 하기 위하여 클린룸의 다공판 바닥면으로부터 200 mm 높이에 설치하였다.
본 연구에서는 서울 지역의 스모그 특성을 밝혀내기 위하여 직접 실제 대기를 챔버 내부로 도입하여 실험할 수 있도록 체적이 약 10m, 인 2개의 반응 백을 설치할 수 있는 실내 스모그챔버를 설겨】, 제작한 후 대표적인 성능을 평가하였다. 유틸리티 설비로 외기 도입 설비, 청정공기 공급설비, 유량 제어 유닛을 갖추었다. 즉, 이 스모그 챔버는 1차 오염물질에 의한 스모그 현상 뿐만 아니라 광화학 반응에 의한 스모그 현상도 규명할 수 있도록 설계하였다.
model OSA 300)로 측정하였다. 이때 길이가 2m인 광섬유(optical fiber) 센서를 사용하였다. 또한, 스모그 챔버가위치한 건물의 외부에서 태양광의 스펙트럼을 측정하였다.
이론/모형
광원을 켜지 않은 경우와 광원을 켠 경우 석영관으로부터 빠져나오는 가스의 NO와 NO2 농도를 chemiluminescence NO—NO?-NOx an시yzer (Thermo Environmental Instruments model 42C)로 측정하였다. NCh의 광분해 상수(ki)는 Zafonte 打 以(1977)이 제안한 식 (1)을 이용하여 구하였다.
청정공기에 포함된 수분량은 노점온도로 표현되므로 dew point monitor (General Eastern model HYGRO M4)를 사용하여 청정공기의 노점온도를 측정하였다. 노점온도 센서로는 25℃, 1기압에서 측정범위가 -15~25℃(상대습도 6~ 100%)이고, 정확도가 ±0.2℃인 1111H 모델을 사용하였다. 청정공기의 노점 온도는 모두 -15℃ 이하로 1시간 이상 유지되었으며, 이것은 기온이 18℃일 때 상대습도가 8% 이하인 것을 의미한다.
성능/효과
1. 인공 광원 (blacklight)의 스펙트럼은 태양광과 차이가 있으나, 중요한 광화학 반응이 일어나는 400 nm 이하인 파장에서 광도가 높아 태양광을 어느 정도 모사할 수 있을 것으로 생각된다. 스펙트럼 측정 결과로부터 스모그 챔버내 광도는 공간적으로 균일하지 않고 위치에 따라 다를 것으로 추정된다.
2. 인공 광원 (blacklight)의 NO2 광분해 상수는 최대 LlOminT이었고 광원의 수가 25%, 50%, 75%일 때 각각 0.32, 0.60, 0.85 miS 이 었다.
3. 체적이 약 2.5m, 인 테플론 백에 외기를 도입하여 가스상 물질의 벽면손실율을 측정하였는데, 초기 오존 농도가 높을수록 벽면손실율이 크며, 초기 6농도가 10~42ppb 범위일 때 벽면손실율은 1.2 ~2.4x10-3 minT 이었다. NO와 NCh의 벽면손실율은 각각 0.
4. 체적이 약 2.5m3인 테플론 백에 외기를 도입하여 입자상 물질의 벽면손실율을 측정하였는데, 0.05~0.2μm 범위인 입자의 경우 벽면손실율은 약 1.8~5.4x l0TminT 범위에 있었고, 가스상 물질의벽면손실율에 비해 약간 컸다.
5. 청정공기에 포함된 O& NO® S02, 총휘발성 유기화합물 농도는 설계상의 청정공기의 순도를 만족하였다. CO 농도도 detection limit 이하이었으므로, 설계치를 만족할 것으로 추정된다.
후속연구
즉, 이 스모그 챔버는 1차 오염물질에 의한 스모그 현상 뿐만 아니라 광화학 반응에 의한 스모그 현상도 규명할 수 있도록 설계하였다. 스모그 챔버의 성능평가 자료는 향후 수행되는 스모그 챔버 실험결과를 해석하는데 기초자료로 활용된다.
있다. 향후 다양한 백의 크기에 따라 벽면손실율을 측정하여 스모그 챔버 실험결과를 보정하는데 사용할 계획이다.
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