[논문]천안시 대기 입자 중 수용성 이온성분의 계절적 특성 및 요인분석을 통한 오염기여도 평가

오세원

doi:10.5762/kais.2011.12.2.1020

천안시 대기 입자 중 수용성 이온성분의 계절적 특성 및 요인분석을 통한 오염기여도 평가
Characterization and source apportionment by factor analysis of water soluble ions in atmospheric particles in Cheonan, Korea 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.2, 2011년, pp.1020 - 1026

초록
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천안시 대기 입자 중 수용성 이온성분의 특성을 분석한 결과, 양이온은 $Na^+$과 $NH_4^+$이, 음이온은 $NO_3^-$와 $SO_4^{2-}$이 조대입자와 미세입자에서 모두 주요한 이온성분으로 조사되었다. 분석된 수용성 이온성분의 농도는 미세입자가 조대입자보다 높은 농도로 나타났으며, 겨울과 봄철에 높은 농도를, 여름철에 가장 낮은 농도를 나타냈다. 총 수용성 이온 성분은 전체 입자의 질량 중 조대입자에서는 계절별로 봄 24.4%, 여름 33.2%, 가을 40.7%, 겨울 39.6%를, 미세입자에서는 각각 43.0%, 59.7%, 55.4%, 53.2%를 차지하는 것으로 분석되어, 조대입자 보다는 미세입자에서 차지하는 비율이 컸으며, 다른 계절보다는 봄철에 낮은 비율을 나타냈다. 이들 수용성 이온성분의 요인분석을 수행한 결과 조대입자는 2개의 요인이, 미세입자는 4개의 요인이 추출되었다. 이로부터 조대입자의 경우 자연적 배출원으로 부터의 기여가 70.03%로, 미세입자의 경우 인위적 배출원으로 부터의 기여가 66.01%로 추정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Seasonal characteristics of water soluble ions in atmospheric particles in Cheonan were studied between 2008 and 2009. $Na^+$, $NH_4^+$ and $NO_3^-$, $SO_4^{2-}$ were the principle cations and anions in both coarse and fine particles. Water soluble ions occupied 24.4%(spring), 33.2%(summer), 40.7%(fall), and 39.6%(winter) of the total mass of coarse particles. In fine particles, 43.0%(spring), 59.7%(summer), 55.4%(fall), and 53.2%(winter) of mass were occupied by water soluble ions. From the factor analysis, 2 and 4 factors were extracted for water soluble ions in coarse and fine particles, respectively. 70.33% of water ions in the coarse particles were estimated from the natural source, but 66.01% in the fine particles were from the anthropogenic source.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이들 미세입자는 기체상 오염물의 응축을 포함하는 화학적 과정에 의해 생성되기 때문에, 황산염, 질산염, 암모니움과 같은 수용성 이온성분이 주요한 구성 성분이다. 따라서 본 연구는 천안시 대기 입자 중 수용성 이온 성분의 상세 조사를 통해, 이들 성분의 배출원별 기여도를 추정하여, 중장기적인 대기질 제어전략의 기초 자료를 제공하고자 하였다.

제안 방법

Cascade Impactor에서 100-7.2 µm, 3.0-7.2 µm, 1.5-3.0 µm, 0.95-1.5 µm, 0.49-0.95 µm, 0.01-0.49 µm의 5구간 입경별로 섬유여과지에 채취된 대기입자는 먼저 여과지의 질량 측정(Satorius, Model CP225D)을 통해 입경별 입자의 질량농도 분석을 수행하였다.
분석용 컬럼으로는 양이온은 Ionpac CS12A를, 음이온은 Ionpac AS9-HC를 사용하였으며, 자세한 분석조건은 표 1에 기술하였다. 분석된 추출액중의 이온 농도를 통해 채취된 입자 중 미세입자와 조대입자별 각 이온성분의 질량 농도와 각 성분의 구성비(%)를 산출하였다.
천안시 대기 입자의 계절별 이온 성분 특성을 조사하기 위해, 안서동에 위치한 상명대학교 본관 옥상에 5-Stage Cascade Impactor(Andersen, Model 235)를 장착한 High-volume Air Sampler(Andersen, GV2360-70)를 설치하여 대기 입자를 입경별로 유리섬유 여지에 포집하였다[7]. 시료의 채취는 24시간 연속적으로 수행하여 일평균 특성값을 도출하였으며, 계절별 특성을 조사하기 위해 2008년부터 2009년까지 3개월 단위로 봄은 3-5월까지, 여름은 6-8월까지, 가을은 9-11월까지, 겨울은 12월-2월까지로 계절을 구분하여, 총 36회 시료를 채취하였다. Cascade Impactor에서 100-7.
다양한 오염원에서 배출된 성분들은 화학적 결합 및 흡착에 의해 각 입자상 물질의 특성을 나타내게 되며, 이에 따라 배출오염원 특성에 따라 각 지역의 입자상 물질은 이를 구성하는 특정 성분비율이 존재하게 된다. 요인 분석은 각 오염원의 특성을 나타내는 성분을 추출하여 공통성이 존재하는 요인으로 설명하는데, 본 연구에서는 각 이온성분의 농도를 변수로 사용하여, 이들의 요인을 추출하였다. 요인분석의 기본 모형은 식 1로 표시되는데,
이 후 입자가 채취된 여과지를 입경 3.0 ㎛을 기준으로 조대입자와 미세입자로 구분하여 초순수에 담근 후, 초음파세척기(Hwashin, Power sonic 410)에서 1시간, 진탕기(Humancorp, SH-800S)에서 200 rpm으로 1시간동안 진탕하여 여과지에 채취된 입자의 수용성 이온성분을 추출하였다.
이는 여름철 집중 강우가, 기체상 오염물 질의 전환에 의한 수용성 이온을 포함하는 미세입자의 생성보다는 조대입자의 생성을 더 억제하기 때문으로 사료된다. 이들 이온성분의 농도는 각 입자의 총 질량농도에 크게 영향을 받기 때문에, 절대 농도 보다는 상대적 비율을 분석하여 수용성 이온성분이 전체 입자 중 어느 정도를 구성하는지를 나타내는 구성비(%)를 통해 분석하였다. 이를 위해 표 3에 각 이온별로 전체 질량 중 각 이온이 차지하는 구성비를 산출하여 기술하였다.
이렇게 측정된 대기 입자의 이온 성분별 농도 자료를 토대로, 이들 성분의 주요 오염원을 추정하고자 요인분석(Factor Analysis)을 수행하였다. 요인분석은 복잡한 다차 원의 측정 변수들을 물리적으로 해석 가능한 저차원의 요인수로 변환하는 다변량통계분석법 중의 하나로, 대기 분야에서는 측정된 오염물의 복잡한 화학 성분 특성 자료를 기초로 하여, 오염원을 확인하고 그 기여도를 평가 하는 수용모델에 응용되어 사용되고 있다[8,9].
이들 이온성분의 농도는 각 입자의 총 질량농도에 크게 영향을 받기 때문에, 절대 농도 보다는 상대적 비율을 분석하여 수용성 이온성분이 전체 입자 중 어느 정도를 구성하는지를 나타내는 구성비(%)를 통해 분석하였다. 이를 위해 표 3에 각 이온별로 전체 질량 중 각 이온이 차지하는 구성비를 산출하여 기술하였다. 조대입자의 경우 전체 질량 중 이온성분이 봄 24.
0 ㎛을 기준으로 조대입자와 미세입자로 구분하여 초순수에 담근 후, 초음파세척기(Hwashin, Power sonic 410)에서 1시간, 진탕기(Humancorp, SH-800S)에서 200 rpm으로 1시간동안 진탕하여 여과지에 채취된 입자의 수용성 이온성분을 추출하였다. 이온성분이 추출된 수용액은 이온크로마토그래피(Dionex, ICS-90)를 이용하여 양이온은 Na⁺, NH₄⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺을, 음이온은 Cl^- , NO₃^-, SO₄^2-을 분석하였다. 분석용 컬럼으로는 양이온은 Ionpac CS12A를, 음이온은 Ionpac AS9-HC를 사용하였으며, 자세한 분석조건은 표 1에 기술하였다.
0µm를 기준으로 조대입자와 미세입자로 구분하여 측정된 총 질량농도를 표 2에 나타냈다. 이와 함께 측정된 입경별 농도를 국내 대기환경기준과 미국 EPA 기준과 비교하기 위해 PM10과 PM2.5 농도값도 같이 기술하였다. 표 2의 PM10 농도는 Cascade Impactor의 4구간 (3.

대상 데이터

본 연구를 수행한 천안시는 충남의 동북부에 위치한 인구 약 50만 규모의 도내 최대 도시로, 충남지역의 교통과 산업의 중심 역할을 수행하고 있는 지역이다. 천안시는 1990년대 이후 지속적인 산업체의 유입으로 전자, 반도체, 기계, 금속, 자동차관련 업체들을 중심으로 12개의 산업단지에 약 400개의 산업체가 운영 중에 있으며[4], 이에 따라 대기질 변화에 대한 우려가 있는 실정이다.
이온성분이 추출된 수용액은 이온크로마토그래피(Dionex, ICS-90)를 이용하여 양이온은 Na⁺, NH₄⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺을, 음이온은 Cl^- , NO₃^-, SO₄^2-을 분석하였다. 분석용 컬럼으로는 양이온은 Ionpac CS12A를, 음이온은 Ionpac AS9-HC를 사용하였으며, 자세한 분석조건은 표 1에 기술하였다. 분석된 추출액중의 이온 농도를 통해 채취된 입자 중 미세입자와 조대입자별 각 이온성분의 질량 농도와 각 성분의 구성비(%)를 산출하였다.
천안시 대기 입자의 계절별 이온 성분 특성을 조사하기 위해, 안서동에 위치한 상명대학교 본관 옥상에 5-Stage Cascade Impactor(Andersen, Model 235)를 장착한 High-volume Air Sampler(Andersen, GV2360-70)를 설치하여 대기 입자를 입경별로 유리섬유 여지에 포집하였다[7]. 시료의 채취는 24시간 연속적으로 수행하여 일평균 특성값을 도출하였으며, 계절별 특성을 조사하기 위해 2008년부터 2009년까지 3개월 단위로 봄은 3-5월까지, 여름은 6-8월까지, 가을은 9-11월까지, 겨울은 12월-2월까지로 계절을 구분하여, 총 36회 시료를 채취하였다.

데이터처리

본 연구에서는 대기 입자 중 수용성 이온성분 측정 자료를 기반으로 요인 분석을 수행하여, 입자 전체의 오염원 추정에 한계를 가지고 있으나, 수용성 이온성분이 미세입자의 주요 구성 성분임을 고려 할 때, 이들의 오염원 추정은 향후 대기질 제어 전략 수립에 필요한 기초자료 활용될 수 있다. 본 연구에서는 SPSS 10 통계 프로그램을 이용하여 요인분석을 수행하였다[10].

성능/효과

9%를 차지하고 있다. NH₄⁺, NO₃^-, SO₄^2-이온별 평균 구성비는 각각 5.2%, 12.3%, 19.4% 으로 분석되었다. 이들 이온의 구성비는 직접적인 오염원으로부터의 영향이 미미하여, 국가배경농도 측정소가 운영 중인 한라산 고산(9%, 5%, 29%)과 황해상 덕적도(9%, 4%, 30%)와 다른 특성을 나타낸다[12,13].
42%를 차지하는 가장 큰 인위적 오염원의 영향 요인으로, 기체상 오염물인 NOx로 부터의 전환에 의해 형성되어 NH₄NO₃의 형태로 존재하는 입자로 사료된다. 마지막으로 요인 4는 전체의 12.38%를 설명할 수 있고 Na⁺가 가장 주요 성분으로 나타났으나, 다른 유의한 성분이 존재 하지 않았으나 NO₃^-의 성분이 가장 높은 유의수준을 나타내고 있어, 대기 중 NOx 성분이 해염 성분인 NaCl과의 반응에 의해 NaNO₃로 생성된 입자로 판단된다. 이상의 요인 분석을 통해 미세입자는 요인 2를 제외한 3개의 요인이 인위적 배출원으로 부터 구성된 성분으로, 미세입자의 이온성분 중 66.
반면, 미세입자는 총 4개의 요인이 추출되었으며, 이는 전체 분산 중 87.89%가 설명될 수 있었다. 이들 4개 요인은 각각 분산의 차이가 크지 않아, 미세입자는 여러 요인이 복합적으로 적용되었음을 알 수 있다.
분석된 총 수용성 이온성분의 농도는 조대입자의 경우 봄, 여름, 가을, 겨울에 17.71, 5.14, 9.69, 12.64 µg/m3이고, 미세입자는 31.26, 16.52, 19.80, 23.07 µg/m3로, 조대입자와 미세입자 모두 겨울과 봄철에 가장 높은 농도를, 여름철에 가장 낮은 농도를 보였다.
2%를 구성하였다. 이들 수용성 이온성분은 조대입자와 미세입자에서 각각 2개와 4개의 요인으로 추출되었으며, 미세입자의 경우 인위적 배출원에 의한 기여율이 66.01%로 추정되었다. 이상의 연구 결과를 통해, 천안시 대기 입자는 이동오염원의 영향이 크게 작용하는 도심지역의 특성을 나타내고 있음을 확인하였으며, 이에 따라 향후 천안시 대기 입자의 제어 전략 수립 시 이동오염원에 대한 고려가 매우 중요한 고려대상임을 제시할 수 있었다.
01%로 추정되었다. 이상의 연구 결과를 통해, 천안시 대기 입자는 이동오염원의 영향이 크게 작용하는 도심지역의 특성을 나타내고 있음을 확인하였으며, 이에 따라 향후 천안시 대기 입자의 제어 전략 수립 시 이동오염원에 대한 고려가 매우 중요한 고려대상임을 제시할 수 있었다.
38%를 설명할 수 있고 Na⁺가 가장 주요 성분으로 나타났으나, 다른 유의한 성분이 존재 하지 않았으나 NO₃^-의 성분이 가장 높은 유의수준을 나타내고 있어, 대기 중 NOx 성분이 해염 성분인 NaCl과의 반응에 의해 NaNO₃로 생성된 입자로 판단된다. 이상의 요인 분석을 통해 미세입자는 요인 2를 제외한 3개의 요인이 인위적 배출원으로 부터 구성된 성분으로, 미세입자의 이온성분 중 66.01%를 차지하고 있는 것으로 추정된다.
5 오염도는 현 미국 EPA 일평균 기준을 상회하는 측정일 수의 빈도가 높은 것으로 조사되고 있다[5,6]. 이상의 측정 결과는 미세입자인 PM2.5가 천안시 대기질 개선을 위해 고려해야 할 주요한 오염물임을 시사한다. 이들 미세입자는 기체상 오염물의 응축을 포함하는 화학적 과정에 의해 생성되기 때문에, 황산염, 질산염, 암모니움과 같은 수용성 이온성분이 주요한 구성 성분이다.
이와 함께 측정된 PM10과 PM2.5의 농도는 각각 평균 85.75±28.06 µg/m3, 59.91±13.33 µg/m3으로 나타났으며, 봄철 PM10과 PM2.5는 각각 112.34, 76.23 µg/m3으로 가장 높은 농도를 보였다.
07 µg/m³로, 조대입자와 미세입자 모두 겨울과 봄철에 가장 높은 농도를, 여름철에 가장 낮은 농도를 보였다. 전체적으로 미세입자의 이온농도가 조대입자의 이온농도보다 높게 나타났으며, 여름철의 경우 미세입자의 이온농도가 조대입자의 3.21배에 해당하였다. 이는 여름철 집중 강우가, 기체상 오염물 질의 전환에 의한 수용성 이온을 포함하는 미세입자의 생성보다는 조대입자의 생성을 더 억제하기 때문으로 사료된다.
이를 위해 표 3에 각 이온별로 전체 질량 중 각 이온이 차지하는 구성비를 산출하여 기술하였다. 조대입자의 경우 전체 질량 중 이온성분이 봄 24.4%, 여름 33.2%, 가을 40.7%, 겨울 39.6%를, 미세입자에서는 각 계절별로 43.0%, 59.7%, 55.4%, 53.2%를 차지하는 것으로 분석되었다. 이온성분이 차지하는 비율이 타 계절에 비해 봄철이 상대적으로 낮은 원인은 황사로 인해 대기 입자에 비 수용성 금속성분이 다량 함유된 토양성분이 유입되어 수용성 이온성분의 비율이 상대적으로 감소하기 때문으로 사료된다[7].
천안시 대기 입자의 수용성 이온성분을 2008년부터 2009년까지 분석한 결과, 양이온은 Na⁺과 NH₄⁺이, 음이온은 NO₃^-와 SO₄^2-이 조대입자와 미세입자에서 모두 주 요한 이온성분으로 분석되었으며, 총 수용성 이온이 조대 입자에서는 봄, 여름, 가을, 겨울에 각각 24.4%, 33.2%, 40.7%, 39.6%를, 미세입자에서는 각각 43.0%, 59.7%, 55.4%, 53.2%를 구성하였다. 이들 수용성 이온성분은 조대입자와 미세입자에서 각각 2개와 4개의 요인으로 추출되었으며, 미세입자의 경우 인위적 배출원에 의한 기여율이 66.
표 2에 제시한 바와 같이, 측정한 전체 자료의 평균치는 조대입자가 51.13±35.51 µg/m3(95% 신뢰구간), 미세입자가 53.79±11.12 µg/m3으로 봄철을 제외 하고는 미세입자가 조대입자 농도보다 상대적으로 높았으며, 조대입자와 미세입자 모두 계절별 농도는 봄, 겨울, 가을, 여름의 순으로 측정되었다.

후속연구

요인분석법은 도출된 요인에 대한 타당성을 검증하기가 어렵다는 단점이 있으나, 한정된 자료를 기초로 오염원을 추정할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 대기 입자 중 수용성 이온성분 측정 자료를 기반으로 요인 분석을 수행하여, 입자 전체의 오염원 추정에 한계를 가지고 있으나, 수용성 이온성분이 미세입자의 주요 구성 성분임을 고려 할 때, 이들의 오염원 추정은 향후 대기질 제어 전략 수립에 필요한 기초자료 활용될 수 있다. 본 연구에서는 SPSS 10 통계 프로그램을 이용하여 요인분석을 수행하였다[10].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기 중 입자의 크기 분포 및 성분의 정확한 이해는, 그 지역 대기 중 입자상 오염물질의 주요 배출원 및 그 영향을 예측하고, 제어 전략을 수립하는 과정에서 가장 필수적인 요소가 된다고 본 이유는?	이들 대기 입자들은 그 크기에 따라 침강, 산란, 충돌 특성과 같은 여러 물리적 성질이 달라지며, 이에 따라 인체 및 환경에 미치는 영향은 입자의 크기에 크게 좌우된다. 이와 같이 넓은 크기 범위에 분포하는 대기 입자는, 그 발생방법에 따라 기계적 과정에 의해 생성되는 직경 2.5µm이상의 조대입자(Coarse Particle)와 화학적 과정에 의해 생성되는 직경 2.5 µm이하의 미세입자(Fine Particle)로 구분된다. 이들을 구성하는 주요 성분은 황산염, 질산염, 암모니움과 같은 이온성 성분, 유기 및 원소 상태의 탄소를 포함하는 탄소 성분, 금속류를 포함하는 지각 성분, 해염과 수분을 포함하며, 지역의 특성에 따라 구성 성분이 차이를 나타낸다[1-3]. 따라서 대기 중 입자의 크기 분포 및 성분의 정확한 이해는, 그 지역 대기 중 입자상 오염물질의 주요 배출원 및 그 영향을 예측하고, 제어 전략을 수립하는 과정에서 가장 필수적인 요소가 된다.
	천안시 대기 입자의 계절별 이온 성분 특성을 조사하기 위해 한 방법은?	천안시 대기 입자의 계절별 이온 성분 특성을 조사하기 위해, 안서동에 위치한 상명대학교 본관 옥상에 5-Stage Cascade Impactor(Andersen, Model 235)를 장착한 High-volume Air Sampler(Andersen, GV2360-70)를 설치하여 대기 입자를 입경별로 유리섬유 여지에 포집하였다[7]. 시료의 채취는 24시간 연속적으로 수행하여 일평균 특성값을 도출하였으며, 계절별 특성을 조사하기 위해 2008년부터 2009년까지 3개월 단위로 봄은 3-5월까지, 여름은 6-8월까지, 가을은 9-11월까지, 겨울은 12월-2월까지로 계절을 구분하여, 총 36회 시료를 채취하였다.
	대기 중 입자상 물질이란?	대기 중 입자상 물질은 배출원의 다양성 및 배출 후 대기 중에서의 물리, 화학적 반응에 의해 구성 성분이 다양하고, 크기도 수십 nm에서 수십 µm까지의 넓은 직경 범위에 걸쳐 분포한다. 이들 대기 입자들은 그 크기에 따라 침강, 산란, 충돌 특성과 같은 여러 물리적 성질이 달라지며, 이에 따라 인체 및 환경에 미치는 영향은 입자의 크기에 크게 좌우된다.

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용어 설명 출처 목록 (6)

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