시화산업단지에서 주요 휘발성유기물질의 시간적, 공간적 농도 파악을 위한 능동식과 수동식 시료채취기 비교 Comparison of Active and Passive Sampler for Determining Temperal and Spatial Concentration Assessment of the Main Volatile Organic Compounds Concentration in Shihwa Industrial Complex원문보기
본 연구에서는 시화지구의 공단과 주거 지역에서의 휘발성 유기화합물 농도를 능동식과 수동식 시료채취기를 이용해 측정하고 그 특성을 비교 분석하였다. TVOC의 평균농도는 패시브샘플러(passive sampler)의 경우 공단지역이 주거지역보다 1.86배 더 높게 나타났다. 능동식 시료채취기의 경우 공단지역이 주거지역보다 1.07배 더 높게 나타났다. Passive sampler를 이용하였을 경우 공단지역이 주거지역보다 대부분의 물질에서 농도가 높게 나타났지만 열탈착 흡착 튜브(thermal desorption tube)를 이용했을 경우는 트리클로로에틸렌, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 등 일부 물질의 농도에 있어서 주거지역이 오히려 높게 나타났다. 전체 BTEX 비율 중에서 전반적으로 톨루엔이 차지하는 비율이 가장 컸으며, passive sampler의 경우 공단지역이 주거지역보다 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌의 상대비율이 높게 나타났다. 그러나 열탈착 흡착 튜브의 경우는 오히려 주거지역이 더 높게 나타났다. 본 연구를 통해서 대기오염 목적성분의 시간적, 공간적 농도 특성 파악을 위한 passive sampler를 이용하면 오염관리 혹은 역학적 연구에 도움이 되는 적절한 시료채취 방법이라는 사실을 알 수 있었다.
본 연구에서는 시화지구의 공단과 주거 지역에서의 휘발성 유기화합물 농도를 능동식과 수동식 시료채취기를 이용해 측정하고 그 특성을 비교 분석하였다. TVOC의 평균농도는 패시브샘플러(passive sampler)의 경우 공단지역이 주거지역보다 1.86배 더 높게 나타났다. 능동식 시료채취기의 경우 공단지역이 주거지역보다 1.07배 더 높게 나타났다. Passive sampler를 이용하였을 경우 공단지역이 주거지역보다 대부분의 물질에서 농도가 높게 나타났지만 열탈착 흡착 튜브(thermal desorption tube)를 이용했을 경우는 트리클로로에틸렌, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 등 일부 물질의 농도에 있어서 주거지역이 오히려 높게 나타났다. 전체 BTEX 비율 중에서 전반적으로 톨루엔이 차지하는 비율이 가장 컸으며, passive sampler의 경우 공단지역이 주거지역보다 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌의 상대비율이 높게 나타났다. 그러나 열탈착 흡착 튜브의 경우는 오히려 주거지역이 더 높게 나타났다. 본 연구를 통해서 대기오염 목적성분의 시간적, 공간적 농도 특성 파악을 위한 passive sampler를 이용하면 오염관리 혹은 역학적 연구에 도움이 되는 적절한 시료채취 방법이라는 사실을 알 수 있었다.
In this study, we measured the concentrations of volatile organic compounds (VOCs) in Shiwha area by using active and passive sampler. We did a comparative analysis of the characteristics of the active sampler and passive sampler. In the case of the passive sampler, the average TVOC concentration of...
In this study, we measured the concentrations of volatile organic compounds (VOCs) in Shiwha area by using active and passive sampler. We did a comparative analysis of the characteristics of the active sampler and passive sampler. In the case of the passive sampler, the average TVOC concentration of the industrial area was 1.86 times higher than that of the residential area. In the case of the active sampler, the average TVOC concentration of the industrial area was 1.07 times higher than that of the residential area. When using the passive sampler, the concentration of VOCs in the industrial area was noted to be higher than the concentration found in the residential area. However, when we used the thermal desorption tube, the concentration of residential area was higher rather than that of industrial area in some substances such as trichloroethylene, toluene, ethylbenzene, and xylene. Toluene was a larger percentage of the overall BTEX ratio. In case of the passive sampler, the relative ratio of toluene, ethylbenzene, and xylene was higher in the industrial area than in the residential area. In contrast in case of the thermal desorption tube, the ratio of these substances was higher in the residential area rather than in the industrial area. The passive sampling in this study showed an appropriate method to analyze the temporal and spatial concentrations of air contaminants. This assessment would prove to be useful for its observance of standards or epidemical study.
In this study, we measured the concentrations of volatile organic compounds (VOCs) in Shiwha area by using active and passive sampler. We did a comparative analysis of the characteristics of the active sampler and passive sampler. In the case of the passive sampler, the average TVOC concentration of the industrial area was 1.86 times higher than that of the residential area. In the case of the active sampler, the average TVOC concentration of the industrial area was 1.07 times higher than that of the residential area. When using the passive sampler, the concentration of VOCs in the industrial area was noted to be higher than the concentration found in the residential area. However, when we used the thermal desorption tube, the concentration of residential area was higher rather than that of industrial area in some substances such as trichloroethylene, toluene, ethylbenzene, and xylene. Toluene was a larger percentage of the overall BTEX ratio. In case of the passive sampler, the relative ratio of toluene, ethylbenzene, and xylene was higher in the industrial area than in the residential area. In contrast in case of the thermal desorption tube, the ratio of these substances was higher in the residential area rather than in the industrial area. The passive sampling in this study showed an appropriate method to analyze the temporal and spatial concentrations of air contaminants. This assessment would prove to be useful for its observance of standards or epidemical study.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는, 열탈착 흡착 튜브와 passive sampler를 이용하여 시화공단의 공단지역과 주거지역의 VOCs 농도의 실태를 조사 및 비교하고, 시화공단의 환경측정 용으로 패시브샘플러가 VOCs 측정에 얼마나 적합한가를 알아보고자 하였다.
가설 설정
7) 또한 VOCs는 발암물질이며 할로겐화 탄화수소나 방향족 탄화수소 등과 같이 직접적으로 인체의 건강에 심각한 악영향을 끼친다.8) VOCs의 인체에 미치는 영향은 크게 급성장해와 만성장해로 나눌 수 있다. 급성장해로는 독작용으로 중추신경계를 억제하는 마취작용과 지각력 상실, 현기증, 도취감 등이 있으며 심하면 의식을 잃게 되고 마비, 경련, 사망에까지 이른다.
제안 방법
13,14) 그러나 열탈착 흡착 튜브에 비해 검출한계가 다소 떨어지는 것으로 알려져 있다.15) 실험은 6월, 7월, 8월, 9월, 11월, 12월에 걸쳐 총 6회에 걸쳐 수행하였다.
능동식으로 시료를 채취하여 분석하는 방식인, 열탈착 흡착 튜브를 이용할 경우의 검출한계 분석 방법을 파악하기 위하여, 검량선은 VOCs 표준용액을 0, 0.5 ppb, 1.0 ppb, 2.0 ppb(v/v)가 되도록 첨가한 후, 100 ml/min의 속도로 흡착관에 흡착시킨 다음 탈착장치를 사용하여 탈착시켜 GC/MS를 사용하여 정량분석 하였다. 검량선 작성은 각 성분의 농도에 따른 피크면적을 이용하였고, 이때 0.
본 연구는 시화지구의 공단지역과 인근 주거지역에서 대기중 주요 VOCs 물질을 대상으로 passive sampler와 열탈착 흡착 튜브(thermal desorption tube)를 설치하여 시료를 채취 분석한 것으로 결과는 다음과 같았다.
본 연구에서는 시화산업단지의 공단지역과 주거지역의 월별/계절별 VOCs 변화를 측정하기 위해 열탈착 흡착 튜브와 passive sampler를 설치하고 시료를 채취하여 비교 분석하였다(Fig. 1). 일반적으로 passive sampler는 분자확산 원리를 이용한 것으로 측정 및 분석이 비교적 용이하고, 경제성의 장점을 가진다.
본 연구에서는 시화지구의 공단지역과 주거지역에 각각 10개 지점에 passive sampler를 설치하였고, 열탈착 흡착 튜브는 각각 2개 지점에 설치하여 VOCs를 측정하였다. 분석한 결과 VOCs는 총 6가지로 나타났으며 농도는 Table 8 및 Fig 2, 3과 같았다.
수동식 시료채취기인 3M 3500을 이용하여 VOCs를 분석할 경우 검출한계를 계산하기 위해서 6개의 VOCs 표준가스를 동일한 양이 되도록 첨가하여 반복측정값의 signal/noise의 비가 5 이상 되고 이들의 편차 값이 25% 이내에 들 때를 검출한계(MDL)로 계산 하였을 때, Table 5와 같았다. 결과적으로 각 VOCs의 검출한계는 0.
샘플링 장소는 공단지역 2개소, 시화공단 배후지역 2개소이다(Table 1). 시료채취는 악취현장에서 약 2시간, 측정펌프(SKC, model: mini pocket pump, USA)의 유량은 약 60-70 ml/min으로 하고, EPA TO-17 방법을 적용하여 열탈착용 흡착 튜브(Tenax TA tube, Gerstel Co., Germany)를 이용하였다.
시화공단 및 정왕동 지역에 총 21개의 샘플링 site (1 km × 1 km의 격자망) 구성하여 3M 3500 passive diffusion monitor를 사용하여 1개월간 샘플링하여 분석하였다.
대상 데이터
모든 시료는 thermal tube desorber model (Gerstel)을 사용하여 GC/MS에 주입하였다. Data system으로는 HP MSD Chemstation을 이용하였다. 다성분을 동시에 분석하기 위해 질량 스펙트럼상의 특성이온으로(characteristic ion)만을 선택하여 분석하는 selected ion-monitoring (SIM) 방법을 이용하였다.
샘플링 장소는 공단지역 2개소, 시화공단 배후지역 2개소이다(Table 1). 시료채취는 악취현장에서 약 2시간, 측정펌프(SKC, model: mini pocket pump, USA)의 유량은 약 60-70 ml/min으로 하고, EPA TO-17 방법을 적용하여 열탈착용 흡착 튜브(Tenax TA tube, Gerstel Co.
이론/모형
Data system으로는 HP MSD Chemstation을 이용하였다. 다성분을 동시에 분석하기 위해 질량 스펙트럼상의 특성이온으로(characteristic ion)만을 선택하여 분석하는 selected ion-monitoring (SIM) 방법을 이용하였다. 자세한 TD-GC/MS의 분석조건은 Table 2에 제시하였다.
Data system으로는 HP MSD Chemstation을 이용하였다. 다성분을 동시에 분석하기 위해 질량 스펙트럼상의 특성이온으로(characteristic ion)만을 선택하여 분석하는 selected ion-monitoring (SIM) 방법을 이용하였다. 자세한 TD-GC/MS의 분석조건은 Table 2에 제시하였다.
농도 측정 및 분석에는 열탈착 가스크로마토그래피 질량분석기(Thermal Desorption/GC-MSD, Model Agilent 6890N, USA)를 사용하였다. 모든 시료는 thermal tube desorber model (Gerstel)을 사용하여 GC/MS에 주입하였다. Data system으로는 HP MSD Chemstation을 이용하였다.
성능/효과
1) 능동식 시료채취기인 열탈착 흡착 튜브를 이용한 VOCs의 분석 검출한계는 0.003-0.028 ppb(v/v)의 값을 보였고, 수동식 시료채취기인 passive sampler를 이용한 VOCs의 분석 검출한계는 0.02-0.29 ppb(v/v)의 값을 보였다. 이는 일반적으로 검출되는 VOCs 농도가 1-100 ppb(v/v)의 분포를 보인다는 점을 고려할 때 충분한 감도를 갖는 방법이라고 할 수있었다.
1,2) 각종 유기용매의 사용이 증가하고 교통수단이 점점 증가 및 다양화됨에 따라 VOCs는 대기질 변화를 초래하는 주요한 요인 중 하나로 잘 알려져 있다.3,4) 그리고 합성, 도장, 세정 등과 관련된 석유화학공업 분야에서 다양한 유기용매가 사용되고 있고, 생활용품이나 대기 환경에서도 흔히 볼 수 있다.
2) TVOC의 평균농도는 passive sampler의 경우 공단지역이 66.88 ppb, 주거지역이 36.05 ppb로 공단지역에서 1.86배 더 높게 나타났다. 열탈착 흡착 튜브의 경우는 공단지역이 158.
3) Passive sampler를 이용하였을 경우 공단지역이 주거지역보다 대부분의 물질에서 농도가 높게 나타났지만 열탈착 흡착 튜브를 이용했을 경우는 트리클로로에틸렌, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 등 일부 물질의 농도에 있어서 주거지역이 오히려 높게 나타났다.
4) 전체 BTEX 비율 중에서 전반적으로 톨루엔이 차지하는 비율이 가장 컸으며, passive sampler의 경우 공단지역이 주거지역보다 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌의 상대비율이 높게 나타났다. 그러나 열탈착 흡착 튜브의 경우는 오히려 주거지역이 더 높게 나타났다.
Passive sampler의 자료를 분석한 결과 하절기(7, 8, 9월)에 TVOC가 높게 나타났으며, 특히 9월 공단의 TVOC는 112.32 ppb로 가장 높게 나타났다. 이는 하절기의 높은 온도에 의한 유기화합물의 활발한 휘발성으로 사료된다.
검출한계의 측정결과는 6개의 VOCs 표준가스를 동일한 양이 되도록 첨가하여 반복측정값의 signal/noise의 비가 5 이상이 되고 이들의 편차 값이 25% 이내에 들 때를 검출한계(Method Detection Limit, MDL)로 계산하였을 때, 계산된 결과는 Table 5와 같았다. VOCs의 검출한계는 0.003-0.028 ppb(v/v)의 값을 보였고, 이는 일반적으로 검출되는 VOCs 농도가 1-100 ppb(v/v)의 분포를 보인다는 점을 고려할 때 충분한 감도를 갖는 방법이라고 할 수 있었다.
수동식 시료채취기인 3M 3500을 이용하여 VOCs를 분석할 경우 검출한계를 계산하기 위해서 6개의 VOCs 표준가스를 동일한 양이 되도록 첨가하여 반복측정값의 signal/noise의 비가 5 이상 되고 이들의 편차 값이 25% 이내에 들 때를 검출한계(MDL)로 계산 하였을 때, Table 5와 같았다. 결과적으로 각 VOCs의 검출한계는 0.02-0.29 ppb(v/v)의 값을 보였고, 이는 일반적으로 검출되는 VOCs 농도가 1-100 ppb(v/v)의 분포를 보인다는 점을 고려할 때 충분한 감도를 갖는 방법이라고 할 수 있었다.
07배 더 높게 나타났다. 계절별 TVOC 농도 변화로는 passive sampler의 경우 여름철에 비해 겨울철에 감소하는 경향성을 나타내었지만, 열탈착 흡착 튜브의 경우는 뚜렷한 경향성을 나타내지 않았다.
이는 하절기의 높은 온도에 의한 유기화합물의 활발한 휘발성으로 사료된다. 그리고 공단지역과 주거지역의 TVOC 농도를 비교해보면, 6개월간의 평균 TVOC 농도가 공단지역은 66.88 ppb, 주거지역은 36.05 ppb로 공단지역의 농도가 훨씬 높았다. 이는 휘발성 유기화합물이 공단지역의 오염원으로부터 배출되는 경향이 있으므로 주거지역보다 대기 중의 농도가 높은 것으로 사료된다.
따라서 본 연구를 통해서 대기오염 목적성분의 시간적, 공간적 농도 특성 파악을 위해, passive sampler를 이용하면 관리 기준 준수 혹은 역학적 연구에 도움이 될 수 있는 적절한 시료채취 방법이라는 사실을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 산업생산이 많은 공단지역에서의 평균 BTEX 농도가 높게 나타나리라는 것을 예상할 수 있었다. passive sampler로 측정하였을 경우에는 벤젠을 제외한 나머지 물질은 공단지역에서 모두 높게 나타났다.
따라서 오이도역 주변의 주거지역인 site 3 지역이 가장 낮은 TVOC 농도를 나타내었다. 열탈착 흡착 튜브를 이용한 TVOC 농도의 경우 passive sampler와는 달리 월별/계절별/지역별 경향성이 뚜렷하게 나타나지 않음을 알 수 있었다. 결국 TVOCs의 경우도 열탈착 흡착 튜브로 시료를 채취하여 분석할 경우, 역시 감도는 좋아 미량물질까지 검출가능하지만 측정시간이 짧아 시간적/공간적 경향성을 나타내는데 한계가 있음을 알 수 있었다.
VOCs cocentrations by using passive sampler. 주거지역과 공단지역 모두에서 높게 검출되었으며, passive sampler로는 9월에 32.66 ppb로 가장 높았고, 나머지 기간에는 유사한 수준을 유지하였다. 에틸벤젠과 자일렌도 9월에 각각 23.
벤젠의 농도를 기준으로 한 방향족 화합물 BTEX의 비율을 Table 9에 나타내었다. 측정기간 6개월 동안의 passive sampler를 이용했을 경우 공단지역의 B:T:E:X는 1.00 : 2.42 : 0.96 : 0.86, 주거지역은 1.00 : 1.29 : 0.32 : 0.19로 공단지역이 주거지역보다 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌의 상대비율이 높게 나타났다. 반면에 열탈착 흡착 튜브를 이용했을 경우는 공단지역의 B:T:E:X는 1.
02 ppb 로 가장 높았고 공단지역과 주거지역의 농도 수준이 유사하였다. 톨루엔은 역시 가장 높게 검출되었으며, 트리클로로에틸렌, 에틸벤젠, 자일렌, 스티렌 순으로 농도 수준이 낮게 나타났다. 그러나 열탈착 흡착 튜브를 이용한 경우, 예를 들어 톨루엔의 11월 농도가 공단의 경우 18.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
휘발성 유기화합물은 무엇인가?
휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)은 대기 중에서 광화학반응을 일으켜서 광화학 산화성 물질을 생성시켜 광화학 스모그를 유발하는 물질을 통틀어 일컫는다. 1,2) 각종 유기용매의 사용이 증가하고 교통수단이 점점 증가 및 다양화됨에 따라 VOCs는 대기질 변화를 초래하는 주요한 요인 중 하나로 잘 알려져 있다.
VOCs는 무엇을 통해서 쉽게 체내로 흡수되는가?
VOCs는 피부, 호흡기, 소화 등을 통해서 쉽게 체내로 흡수되고, 저농도에서 장기간 노출되면 건강상 위해가 생길 수 있다.7) 또한 VOCs는 발암물질이며 할로겐화 탄화수소나 방향족 탄화수소 등과 같이 직접적으로 인체의 건강에 심각한 악영향을 끼친다.
휘발성 유기화합물이 대기질 변화를 초래하는 주요한 요인으로 알려진 이유는 무엇인가?
휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)은 대기 중에서 광화학반응을 일으켜서 광화학 산화성 물질을 생성시켜 광화학 스모그를 유발하는 물질을 통틀어 일컫는다. 1,2) 각종 유기용매의 사용이 증가하고 교통수단이 점점 증가 및 다양화됨에 따라 VOCs는 대기질 변화를 초래하는 주요한 요인 중 하나로 잘 알려져 있다.3,4) 그리고 합성, 도장, 세정 등과 관련된 석유화학공업 분야에서 다양한 유기용매가 사용되고 있고, 생활용품이나 대기 환경에서도 흔히 볼 수 있다.
참고문헌 (17)
박주철, 김선태, 이규성, "기타화학제품 제조업의 휘발성유기화합물(VOCs) 배출 특성에 관한 연구," 한국냄새환경학회지, 4(4), 223-233(2005).
Zabiegala, B., Gorecki, T., Przyk, E., and Namiesnil, J., "Permeation passive sampling as a tool for the evaluation of indoor air quality," Atmos. Environ., 36(17), 2907-2916(2002).
Kim, S. T., Yim B. B., and Jeong, J. H., "Evaluation of a Passive Air Sampler for Measuring Indoor Formaldehyde," Jpn. Soc. Anal. Chem., 23(4), 497-500(2007).
성민기, 전연 성일(Seiich Tabuch), 이중훈, 이승민, "신축공동주택의 실내 화학오염물질 측정 사례," 대한건축학회지, 24(1), 594-597(2004).
김종국, 송병주, 고장석, 김재식, "도심 및 공단지역 대기중 휘발성 유기화합물 분포 특성," 한국환경분석학회지, 5(4), 217-224(2002).
Lee, S. C., Chiu, M. Y., F, H. K., Zou, S. C., and Wang, X., "Volatile organic compounds (VOC) in urban atmosphere of Hong Kong," Chemoshpere, 48(3), 375-382(2002).
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