[논문]아산지역의 황사/비황사시 PM<tex>$_{2.5}$</tex>, PM<tex>$_{10}$</tex> 농도특성에 관한 연구

정진도; 황승민; 최희석

아산지역의 황사/비황사시 PM$_{2.5}$, PM$_{10}$ 농도특성에 관한 연구
A Study on the Characterization of PM$_{2.5}$, PM$_{10}$ Concentration at Asian and Non-Asian Dust in Asan Area 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.30 no.11, 2008년, pp.1111 - 1115

정진도 (호서대학교 환경공학과) , 황승민 (호서대학교 벤처전문대학원 보건환경학과) , 최희석 (호서대학교 대학원 환경공학과)

초록
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아산 호서대 지역에서 대기 중 미세먼지를 측정하여 PM$_{2.5}$와 PM$_{10}$의 이온성분과 중금속성분 분석을 통해 농도 특성을 분석하고 황사 발생에 따른 농도특성 변화를 관찰하였다. 황사시 미세먼지의 입경별 평균농도는 비황사시에 비해 큰 증가를 보였으나, PM$_{2.5}$ 비율은 79.7%에서 40.1%로 감소하였다. 이러한 원인은 2.1 $\mu$m를 기준으로 조대 입자와 미세 입자로 구분하여 질량농도를 분석한 결과 황사시 조대 입자가 크게 증가하여 PM$_{2.5}$ 비율이 상대적으로 낮아지기 때문인 것을 알 수 있었다. 황사시 이온 성분 농도의 변화는 미세입자 영역에서 큰 변화를 보이지 않았으나 조대입자 영역에서는 Ca$^{2+}$이온이 약 40배 정도 증가하였고 Na$^+$, SO$_4{^{2-}}$이온 순으로 높은 증가율을 나타내었다. 또한, 중금속 성분의 분석 결과 황사시 Mn, Fe, Zn, Al 순으로 증가폭이 컸으나 질량농도로 보았을 때 Al이 가장 큰 증가량을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The characterization of PM$_{2.5}$ and PM$_{10}$ concentration is considered by analysis of ionic and heavy metal component to measured suspended particle at atmosphere in Hoseo university of Asan area. The variation of concentration is studied at the periods of asian dust occured. In asian dust, the PM$_{2.5}$ ratio is decreased from 79.7% to 40.1%, whereas the size-classified mean concentration of suspended particle is increased largely. It is found that the PM$_{2.5}$ ratio is decreased relatively because the coarse particle is increased largely according to the analysis of the mass concentration to divide the fine and coarse particle on 2.1 $\mu$m basis. It is observed that the Ca$^{2+}$ion is about 40 magnifications and Na$^+$, SO$_4{^{2-}}$ ion is increased in sequence in coarse particle, whereas the variation of ionic concentration is slightly increased in the fine particle. Furthermore, Mn, Fe, Zn, and Al are increased in sequence as the result of heavy metal component analysis, and Al is shown the most increased as mass concentration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

5의 농도특성에 관한 연구는 매우 중요한 것으로 생각된다. 이에 본 연구에서는 아산지역 환경대기 중의 미세먼지의 질량농도를 계산하고 황사와 비황사 기간으로 나누어 이온성분 및 무기 이온성분을 분석하여 그 상대적인 분포 특성을 파악하고, 미세먼지의 경향 및 특성을 분석함으로써 지속적으로 조사, 분석 할 수 있는 기초 자료를 확보하고자 한다.

제안 방법

4 cm)에 포집된 시료는 47 mm 펀치로 절단하여 전처리하였으며, 초음파 추출기와 진탕기(200 rpm)에 각 1시간동안 vial을 넣어 이온성분을 추출한 후 24시간 동안 4℃의 상태에서 보관하였다. Ion chromatography (ICS 90, Dionex Co., Ltd.)를 사용하여 추출된 이온성분을 분석하였으며, 분석한 이온성분의 종류는 Na⁺, NH₄⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺의 양이온 5가지와 Cl^-, NO^2-, NO^3-, SO₄^2-의 음이온 4가지 성분으로 총 9가지 수용성 이온성분을 분석하였다.
4 m³/min (±1 m³/min)의 유속으로 24시간 연속 채취하는 것을 원칙으로 하였다. 또한 시료채취 전후 필터는 데시케이터 내에서 48시간 항량한 후 무게를 측정하였다.
5에 나타내었다. 분석한 이온성분은 Na⁺, NH⁴⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ 양이온 5개 성분과 Cl^-, NO₂^-, NO₃^-, SO₄^2- 음이온 4개 성분으로 총 9개의 성분을 분석하였다. 분석결과를 보면 황사시 거의 모든 이온 성분이 미세입자 영역과 조대입자 영역에서 증가하고 있음을 알 수 있다.
시료 채취 유량은 1.4 m3/min (±1 m3/min)의 유속으로 24시간 연속 채취하는 것을 원칙으로 하였다.
시료 포집시 부유먼지의 입경별 농도를 알아보기 위해 high volume air sampler에 6 stage high volume cascade impactor (Model 236, Andersen Co., Ltd.)를 적용하여 포집하였다. 시료 포집에 사용된 cascade impactor의 절단입경은 10.
시표 채취는 풍속이 약하고 맑은 날을 대상으로 이루어졌으며 매일 13시부터 익일 13시까지 24시간 연속 측정하였고, 조사 전일 또는 조사당일 비가 오거나 풍속이 10 m/sec 이상인 경우에는 대표값을 나타 낼 수 없으므로 채취하지 않거나 다음날 채취를 실시하였다. 또한 시료의 포집은 24시간을 기준으로 하였으며, 기상 조건 등 부득이한 경우에 있어서는 최소 20시간 이상 포집된 시료를 분석 대상으로 하였다.
아산 호서대 지역에서 대기 중 미세먼지를 측정하여 PM_2.5와 PM₁₀의 이온성분과 중금속성분 분석을 통해 농도 특성을 분석하고 황사 발생에 따른 농도특성 변화를 관찰하였다. 주요 결과는 다음과 같다.
이온 성분 분석을 위한 전처리는 cascade impactor의 유리섬유 여과지에 의해 포집된 시료 중 2.1 µm를 기준으로 조대입자와 미세입자로 나누어 여과지를 2등분하여 플라스틱 vial에 넣은 후 초순수 용액으로 전처리 하였다.
중금속 성분 분석을 위한 전처리에는 질산 전처리법을 이용하였다. 전처리가 끝난 시료는 ICP-OES (Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry, VISTA-PRO, VARIAN Co., Ltd.)를 사용하여 Ti, Al, Fe, Zn, Cr, P, V, As, Mn, Ni, Pb, Se의 12개 중금속 성분을 분석하였다. 분석된 중금속성분의 농도는 공시료 값들에 대하여 보정 하였다.

대상 데이터

시표 채취는 풍속이 약하고 맑은 날을 대상으로 이루어졌으며 매일 13시부터 익일 13시까지 24시간 연속 측정하였고, 조사 전일 또는 조사당일 비가 오거나 풍속이 10 m/sec 이상인 경우에는 대표값을 나타 낼 수 없으므로 채취하지 않거나 다음날 채취를 실시하였다. 또한 시료의 포집은 24시간을 기준으로 하였으며, 기상 조건 등 부득이한 경우에 있어서는 최소 20시간 이상 포집된 시료를 분석 대상으로 하였다.
6에 황사시와 비황사시의 대기 에어로졸 중의 중금속성분 농도를 나타내었다. 분석한 중금속 성분은 Al, Fe, Cr, Zn, P, V, As, Mn, Ni, Pb, Ti, Se의 총 12개이다. 분석결과 조대입자 영역은 비황사시에 Al, Zn, Ti, Fe, Mn 순으로 나타났고 황사시에는 Al, Zn, Fe, Mn, Ti 순으로 높은 농도치를 나타냈다.
1에 시료 채취 장소를 나타내었다. 시료 채취는 충청남도 아산시 배방면에 위치한 호서대학교 중앙도서관 건물 5층 옥상부지에서 포집하였다. 이 측정 지점은 건물이나 수목 등의 장애물이 없고 지상의 흙, 모래가 날리지 않는 곳이며 그 지역에서 비산먼지의 농도를 채집할 수 있는 곳이다.
입자상 물질 및 중금속 성분들의 시료 채취를 위해 2007년 4월 1일부터 5월 11일까지 황사·비황사 일을 포함하여 총 14개의 시료를 채취하였다.
이 측정 지점은 건물이나 수목 등의 장애물이 없고 지상의 흙, 모래가 날리지 않는 곳이며 그 지역에서 비산먼지의 농도를 채집할 수 있는 곳이다. 측정대상 지역인 호서대학교는 아산시의 동쪽 경계 지역으로 서쪽과 남쪽으로는 산지가 형성되고 있고, 동쪽과 북쪽에는 주거지역이 위치해 있다.

이론/모형

중금속 성분 분석을 위한 전처리에는 질산 전처리법을 이용하였다. 전처리가 끝난 시료는 ICP-OES (Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry, VISTA-PRO, VARIAN Co.

성능/효과

1) 황사시 미세먼지의 입경별 평균농도는 비황사시에 비해 큰 증가를 보였으나, PM_2.5 비율은 79.7%에서 40.1%로 감소하였다. 이러한 원인은 2.
2) 황사시 이온 성분 농도의 변화는 미세입자 영역에서 큰 변화를 보이지 않았으나 조대입자 영역에서는 Ca²⁺이온이 37배 증가하였고 Na⁺, SO₄^2-이온 순으로 높은 증가율을 나타내었다.
3) 중금속 성분의 분석 결과 황사시 Mn, Fe, Zn, Al 순으로 증가폭이 컸으나 질량농도로 보았을 때 Al이 가장 큰 증가량을 보였다. 그 외 Cr, As, Ni, Se, V와 같은 유해중금속 성분은 일반 대기와 비슷하거나 오히려 낮은 농도 분포를 보였다.
4,5) 더욱이 황사는 발원지로부터 약 5.5 km의 고도에서 강한 편서풍을 타고 이송되는데 1차 발원지인 경우 보통 2∼5일을 이동하여 한반도에 영향을 주나, 2차 발원지인 경우 1∼2일 이내에 영향을 주는 것으로 최근 연구에서 밝혀졌다.
8) 이를 고려하였을 때 본 연구에서 농도가 높았던 Fe, Al 성분들은 지각성분에 의한 것이며, Zn, Mn, Pb 성분들의 경우 황사시 불어오는 기류에 인근 도로에서 자동차 배기가스 등에 영향을 받았을 것으로 생각된다.
분석한 중금속 성분은 Al, Fe, Cr, Zn, P, V, As, Mn, Ni, Pb, Ti, Se의 총 12개이다. 분석결과 조대입자 영역은 비황사시에 Al, Zn, Ti, Fe, Mn 순으로 나타났고 황사시에는 Al, Zn, Fe, Mn, Ti 순으로 높은 농도치를 나타냈다. 한편 미세입자 영역에서는 비황사시 Al, Zn, Ti, Fe, Mn의 농도 순서를 나타났고 황사시에는 Zn, Al, Fe, Mn, Ti 순으로 나타났으며, 그 외 다른 중금속 물질들은 아주 낮은 농도를 나타냈다.
분석한 이온성분은 Na⁺, NH⁴⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ 양이온 5개 성분과 Cl^-, NO₂^-, NO₃^-, SO₄^2- 음이온 4개 성분으로 총 9개의 성분을 분석하였다. 분석결과를 보면 황사시 거의 모든 이온 성분이 미세입자 영역과 조대입자 영역에서 증가하고 있음을 알 수 있다. 특히 미세입자 영역에 비해 조대입자 영역에서 큰 폭의 증가를 보였는데 이는 황사시 부유먼지가 중국으로부터 이송되는 과정에서 공업화된 중국 동부지역을 거치면서 여러 성분들이 흡착되었기 때문이라고 생각되어진다.
조대입자영역은 비황사시에 17.8 µg/m3의 질량농도를 나타냈으나 황사시에 481.1 µg/m3을 나타내 27.8배의 높은 증가율을 보였으며, 미세입자영역은 비황사시 41.4 µg/m3에서 황사시 124.8µg/m3로 약 3배 정도의 증가율을 보였다.
질량농도 측정결과를 보면 비황사(NAD, Non-Asian Dust)일 평균 TSP는 59.3 µg/m3, PM10은 53.6 µg/m3로서 현재 대기환경 기준치(하루 평균)인 100 µg/m3 보다 낮은 농도를 보인 것을 알 수 있다.
특히 미세입자 영역에 비해 조대입자 영역에서 큰 폭의 증가를 보였는데 이는 황사시 부유먼지가 중국으로부터 이송되는 과정에서 공업화된 중국 동부지역을 거치면서 여러 성분들이 흡착되었기 때문이라고 생각되어진다. 총 9개의 이온성분의 분석결과를 보면 조대입자 영역에 있어서 Ca²⁺ 이온성분이 현저하게 증가하였으며, Mg²⁺ 이온은 가장 낮은 증가를 보였다. 특히 황사시 Ca²⁺ 이온농도는 비황사시와 비교하여 37배의 높은 값을 나타내었으며, 이는 토양기원 물질인 Ca²⁺ 이온이 황사시 중국으로부터 이송되는 부유먼지 중에 다량으로 포함되어 있음을 알 수 있다.
)를 사용하여 측정하였다. 측정 기간 동안 풍향은 서풍, 북서풍 계열이 주풍향으로 나타났으며, 평균 풍속은 1.9 m/sec, 평균 상대습도는 46%, 평균 기온은 10.4℃였다.
총 9개의 이온성분의 분석결과를 보면 조대입자 영역에 있어서 Ca²⁺ 이온성분이 현저하게 증가하였으며, Mg²⁺ 이온은 가장 낮은 증가를 보였다. 특히 황사시 Ca²⁺ 이온농도는 비황사시와 비교하여 37배의 높은 값을 나타내었으며, 이는 토양기원 물질인 Ca²⁺ 이온이 황사시 중국으로부터 이송되는 부유먼지 중에 다량으로 포함되어 있음을 알 수 있다. 또한 음이온성분 중 12.

후속연구

그러나, 이러한 결과에 대해서는 부유먼지가 중국으로부터 유입 되어질 때 기상적인 인자, 즉 응축·응집 등에 의한 입자의 입경변화를 고려하지 않으면 안 되며, 앞으로도 이러한 인자를 고려한 지속적인 조사 및 분석이 필요하다고 생각되어진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기 중 에어로졸의 크기는?	일반적으로 대기 중 에어로졸의 크기는 0.1 µm에서부터 100 µm 이상까지 다양한 크기의 입자가 존재하며, 이 중 2.5 µm 이상의 조대 입자는 대기 중에서 체류 시간이 짧고 호흡시 비강에서 걸러지기 때문에 인체에 대한 피해는 상대적으로 적은 편이다.
	2.5 µm 이상의 조대 입자가 인체에 미치는 영향 정도는?	1 µm에서부터 100 µm 이상까지 다양한 크기의 입자가 존재하며, 이 중 2.5 µm 이상의 조대 입자는 대기 중에서 체류 시간이 짧고 호흡시 비강에서 걸러지기 때문에 인체에 대한 피해는 상대적으로 적은 편이다. 그러나 입자 크기가 2.
	2.5 µm 이하인 에어로졸의 특징은?	그러나 입자 크기가 2.5 µm 이하인 미세입자는 체류 시간이 길뿐 아니라 호흡기를 통하여 흡입시 천식과 안질환, 폐암 등 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다.3)

참고문헌 (8)

Chung, Y. S. and Yoon, M. B., "On the accurrence of yellow sand and atmospheric loadings," Atmos. Environ., 30, 2387-2397(1996)

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Xiao, Y. Z., "A core project of the international geospherebioshere programme," pp. 6-10(1998)
U.S. EPA., National Air Quality and Emissions Trends Report, EPA-454/r-97-013, OAQPS, Research Triangle Park, NC 27711(1996)
전병일, "2002년 부산지역 봄철 황사/비황사시 PM10중 의 중금속 농도 특성," 환경영향평가, 12(2), 100-101(2003)
이용기, 김종찬, 최승석, 임흥빈, 최양희, 이수문, "황사 현상에 의한 대기오염물질의 농도분포 특성에 관한 연구," 대한위생학회지, 17, 71-78(2002)

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인희진, 이은희, 박순웅, "2002년 봄철에 관측된 황사사례에 대한 수치모의," 한국대기환경학회 추계학술대회, pp. 91-92(2002)
최희석, "아산지역에서 관측된 PM2.5, PM10 농도 특성에 관한 연구," 호서대학교 석사학위논문(2008)
Nitta, H., Ichikawa, M., Sato, M., Konishi, S., and Ono, M., "A new approach based on a covariance structure model to source apportionment of indoor fine particles in Tokyo," Atmos. Environ., 28(4), 631-636(1994)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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