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챔버 기술 개발을 통한 PM10과 PM2.5 시료채취기의 수행 특성
Performance Characteristics of PM10 and PM2.5 Samplers with an Advanced Chamber System 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.32 no.8, 2010년, pp.739 - 746  

김도현 (연세대학교 환경공학부 환경과학기술연구소) ,  김선홍 (연세대학교 환경공학부 환경과학기술연구소) ,  김지훈 (연세대학교 환경공학부 환경과학기술연구소) ,  조승연 (연세대학교 환경공학부 환경과학기술연구소) ,  박주면 (에코센스 ET)

초록
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본 연구의 목적은 1) 시료채취공간에서 ${\pm}10%$ 이내의 공기 유속을 가지는 챔버시스템을 제작하여, 2) 먼지(PM, particulate matter)측정을 위하여 사용되는 PM10과 PM2.5 시료채취기의 이론적 특성을 연구하고, 3) 실험을 통하여 본 연구에 사용된 먼지 시료채취기의 수행 특성을 평가하는데 있다. 챔버 내에서의 먼지 시료채취기의 수행능력을 측정하기 위하여 $20\;{\mu}m$의 공기역학중위입경과 2.0의 기하표준편차 특성을 가지는 옥수수전분을 분포하였다. 챔버 실험에 사용된 시료채취기는 미국 연방규정을 만족하는 각 1개의 APM PM10 및 APM PM2.5 시료채취기와 특수 제작된 3개의 소용량 시료채취기(2개 PM10과 1개의 PM2.5)를 사용하여 평균 공기 유속이 0.67 m/s와 2.15 m/s인 두 조건에서 각 1시간씩 3회 반복하여 총 6회의 실험을 실시하였다. 실험 결과, APM PM시료채취기를 기준 시료채취기로 사용하여 소용량 PM10과 PM2.5 시료채취기는 각 각 0.25와 0.39의 보정계수가 필요하며 이원 분산 분석을 통하여 두 개의 소용량 PM10 시료채취기의 평균 농도값 사이에는 유의적 차이가 있었다. 분리한계직경과 기울기(PM10: $10{\pm}0.5\;{\mu}m$$1.5{\pm}0.1$, PM2.5: $2.5{\pm}0.2\;{\mu}m$$1.3{\pm}0.03$)를 가지는 PM10과 PM2.5 시료채취기는 이론적으로 본 연구에 사용된 옥수수전분의 입자특성을 고려하여 86~114%와 64~152%의 먼지농도 범위를 채취하게 된다. 또한, 공기 중에 분포하는 입자의 공기역학중위입경이 해당 시료채취기의 분리한계직경보다 작을 때 시료채취기의 측정 질량농도는 이상적인 질량농도보다 크며, 반대의 경우 시료채취기는 작은 질량농도를 측정한다. 챔버 실험 결과, PM10과 PM2.5의 시료채취기는 각각 37~158%와 55~149% 범위를 가지며 이론적 계산농도보다 큰 범위의 질량 농도를 측정하였고 챔버 내 공기 유속이 2.15 m/s의 조건에서는 0.67 m/s와 비교하여 상대적으로 작은 먼지농도 범위를 가지며 이론적 계산농도와 유사한 먼지농도 범위가 측정되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The purposes of this study are 1) to develop an advanced chamber system within ${\pm}10%$ of air velocity at the particulate matter (PM) collection area, 2) to research theoretical characteristics of PM10 and PM2.5 samplers, 3) to assess the performance characteristics of PM10 and PM2.5 s...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 2) PM10과 PM2.5 시료채취기의 이론적 특성을 연구한다.
  • 본 연구에서는 USEPA의 wind tunnel 기준과 이전의 챔버 실험을 고려하여 미국의 PM10과 PM2.5 연방시료채취 규정을 만족하도록 챔버 내 시료채취공간에서 ±10% 이내의 공기 유속을 가질 수 있는 챔버시스템을 제작하였다.
  • 본 연구에서는 이전의 챔버 실험11)을 통하여 후속 연구로 제시되었던 일반 대기 환경에서 측정되는 µg/m3 단위의 저농도 먼지 환경을 조성하고 균일한 공기흐름을 가지는 개선된 챔버를 제작하여 우리나라 먼지 환경기준(및 안)을 위한 시료채취기의 수행 특성을 연구하였다.
  • 본 연구에서는 일반 대기환경에서의 측정되는 µg/m3 단위의 저농도 먼지 환경을 조성하고 챔버 내 시료채취기의 측정공간에서 균일한 공기 흐름을 조성하여 먼지 측정 오차를 최대한 줄일 수 있는 챔버를 제작하였다.

가설 설정

  • Fig. 4(a)와 (b)는 매 실험마다 동일한 먼지를 발생하였다는 가정을 가지고 0.67 m/s와 2.15 m/s의 두 조건에서 각 시료채취기로 측정된 먼지의 평균농도를 기준으로 각 세 번의 실험을 통하여 측정된 질량농도의 범위를 확인하였을 때, PM10과 PM2.5의 시료채취기는 각각 37~158%와 55~149%범위를 가지며 이론적 계산농도보다 큰 범위의 질량 농도를 측정하였다. 그러나 먼지 발생 유속이 2.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
먼지의 측정은 무엇을 위해 수행되는가? 먼지의 측정은 인간의 건강과 관련하여 정확한 측정이 필요하며 대기환경기준, 오랜 기간 공기질 경향 및 역학조사를 위해 수행된다.6) 먼지의 정확한 측정을 위하여 PM10과 PM2.
먼지의 정확한 측정을 위해 사용된 시료채취기는 무엇인가? 먼지의 측정은 인간의 건강과 관련하여 정확한 측정이 필요하며 대기환경기준, 오랜 기간 공기질 경향 및 역학조사를 위해 수행된다.6) 먼지의 정확한 측정을 위하여 PM10과 PM2.5 시료채취기를 사용하며 그 수행 특성은 분리한계(CP, cutpoint)직경과 기울기(slope)를 가지는 누적시료채취 효율로 나타낼 수 있다.7) 여기서, 분리한계직경은 시료채취 기의 시료채취효율이 50%인 공기역학직경을 의미한다.
분리한계(CP, cutpoint)직경은 무엇을 의미하는가? 5 시료채취기를 사용하며 그 수행 특성은 분리한계(CP, cutpoint)직경과 기울기(slope)를 가지는 누적시료채취 효율로 나타낼 수 있다.7) 여기서, 분리한계직경은 시료채취 기의 시료채취효율이 50%인 공기역학직경을 의미한다. PM10기울기의 경우, Hinds7)는 인간의 호흡기 시스템의 가슴흉부에 침착되는 먼지(AD≤10 µm)의 기울기는 1.
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참고문헌 (24)

  1. Schwartz, J., Dockery, D. W. and Neas, L. M., "Is daily mortality associated specifically with fine particles?," J. Air Waste Manage. Assoc., 46, 927-939(1996). 

  2. Borja-Aburto, V. H., Castillejos, M., Gold, D. R., Bierzwinski, S. and Loomis, D., "Mortality and ambient fine particles in southwest Mexico city," Environ. Health Perspec., 106(12), 849-855(1998). 

  3. US Environmental Protection Agency, 40 CFR Part 50. National Ambient Air Quality Standards for Particulate Matter (1997). 

  4. 대도시대기질개선연구, 국립환경과학원(2005). 

  5. US Environmental Protection Agency, Air quality criteria for particulate matter. Vols. I, II, and III. Report No. EPA/ 600/P-95/001 aF-cF.3v. Washington, D.C.: U.S. Environmental Protection Agency, Office of Research and Development (1996). 

  6. US Environmental Protection Agency, Air quality criteria for particulate matter. Vol. I. Report No. EPA/600/P-99/002aD. Research Triangle Park, N.C.: U.S. Environmental Protection Agency, National Center for Environmental Assessment (2003). 

  7. Hinds, W. C., "Ch 4: Particle size statistics," Aerosol technology properties, behavior, and measurement of airborne particles. Wiley Inc., New York, USA, pp. 75-110(1999). 

  8. US Environmental Protection Agency (USEPA), 40 CFR Part 53, "Subpart D - Procedures for testing performance characteristics of methods for PM10," Ambient air monitoring references and equivalent methods, WashingtonDC(2000). 

  9. US Environmental Protection Agency (USEPA), 40 CFR Part 53, "Subpart F - Procedures for testing performance characteristics of Class II equivalent methods for PM2.5," Ambient air monitoring references and equivalent methods, Washington DC(2000). 

  10. McFarland, A. R., and Ortiz, C. A., Evaluation of prototype PM-10 inlets with cyclonic fractionators, in Proceeding of the 76th Annual Meeting of APCA, Atlanta, GA, Paper No. 33.5(1983). 

  11. 박주면, 구자건, 정태영, 권동명, 유종익, 서용칠, "PM10 질량농도 측정을 위한 시료채취기의 비교 연구," 대한환경공학회지, 31(2), 153-160(2009). 

  12. Buser, M. D., Parnell C. B., Lacey R. E., Shaw B. W. and Auvermann., B. W., "Inherent biases of PM10 and PM2.5 samplers based on the interaction of particle size and sampler performance characteristics," ASAE International Meeting, Sacramento, CA. ASAE Paper No. 011167(2001) 

  13. Ranade M. B., Woods M. C., Chen F. L., Purdue L. J. and Rehme K. A., "Wind-tunnel evaluation of pm10 samplers," Aerosol Sci. Technol., 13, 54-71(1990). 

  14. Chung, I. P., Dunn-Rankin, D., Phalen, R. F. and Oldham, M. J., "Low-cost wind tunnel for aerosol inhalation studies," Am. Ind. Hyg. Assoc. J., 53(4), 232-236(1992). 

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  17. McFarland, A. R., Gupta, R. and Anand, N. K., "Suitability of air sampling locations downstream of bends and static mixing elements," Health Phys., 77, 703-712(1999). 

  18. Park, J-M., Rock, J. C., Wang, L., Seo, Y-C., Bhatnagar, A. and Kim, S-H., "Performance Evaluation of Six Different Aerosol Samplers in a PM Generation Chamber," Atmos. Environ., 43, 280-289(2009). 

  19. Wang, L., Wanjura, J. D., Parnell, C. B. Jr., Lacey, R. E. and Shaw, B. W., "Performance characteristics of a low-volume PM10 sampler," Transactions of the ASABE, 48(2), 739-748(2005). 

  20. US Environmental Protection Agency (USEPA), 40 CFR Part 50, "Appendix B - Reference method for the determination of suspended particulate matter in the atmosphere," National primary and secondary ambient air quality standards, Washington DC(1983). 

  21. Operation manual of mini-vol portable air sampler, Eugene, OR, USA(2007). 

  22. Kingham, S., Durand, M., Aberkane, T., Harrison, J., Wilson, J. G. and Epton, M., "Winter comparison of TEOM, MiniVol and DustTrak PM10 monitors in a woodsmoke environment," Atmos. Environ., 40(2), 338-347(2006). 

  23. Richard, W. B., Lane, D. D., Marotz, G. A. and Wiener, R. W., "Performance evaluation of the portable MiniVOL particulate matter sampler," Atmos. Environ., 35(35), 6087-6091(2001). 

  24. Zhu, Y., Hinds, W. C., Kim, S-H. and Sioutas, C., "Concentration and size distribution of ultrafine particles near a major highway," J. Air Waste Manage. Assoc., 52, 1032-1042(2002). 

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