[논문]산업단지내 미세먼지 및 토양입자의 개별입자 분석

이동현; 김용석; 서정민; 최금찬

doi:10.5322/jes.2013.22.1.7

산업단지내 미세먼지 및 토양입자의 개별입자 분석
Aerosol Characterization Study for Individual Particle of PM10, PM2.5 Observed in Industrial Area 원문보기

한국환경과학회지 = Journal of the environmental sciences, v.22 no.1, 2013년, pp.7 - 15

이동현 (동아대학교 환경공학과) , 김용석 (동아대학교 환경공학과) , 서정민 (부산대학교 바이오환경에너지학과) , 최금찬 (동아대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Aerosol characterization study for individual particle in Busan metropolitan industrial complex was carried out from December 2010 to August 2011. SEM(scanning electron microscope)-EDX(energy dispersive x-ray) analysis was used for the analysis of 600 single particles during the sampling periods to identify non-metallic aerosol particle sources. Average $PM_{10}$ concentration was 65.5 ${\mu}g/m^3$ in summer, 104.1 ${\mu}g/m^3$ in winter during the sample periods. And Average $PM_{2.5}$ concentration was 24.5 ${\mu}g/m^3$ in summer, 64.5 ${\mu}g/m^3$ in winter individually. Particle density, enrichment factor, correlation analysis, principle component analysis were performed based on chemical composition data. Particle density distribution was measured to 2~4 $g/cm^3$, and the density of $PM_{2.5}$ was measured above 3 $g/cm^3$. In general, the elements Si, Ca, Fe and Al concentrations were higher in all samples of individual particles. The non-ferrous elements Zn, Br, Pb, Cu concentrations were higher in summer than in winter. The concentrations were not changed with the seasons because of non-ferrous industry emission pattern.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 부산광역시 S산업지역을 대상으로 입자상오염물질의 발생원을 추정하기 위하여 2계절 (여름, 겨울)동안 대기 중 시료(PM₁₀ , PM_2.5 )와 토양 시료에 대한 샘플링을 실시하였고 특히 SEM-EDX분석법을 이용하여 개별입자의 물리화학적 특성을 파악 하였다.
본 연구에서는 산업시설이 밀집되어 있는 산업단지에서의 발생원을 추정하기 위하여 부산광역시의 S 산업단지에서 2계절(여름철, 겨울철)동안 대기 중 시료(PM₁₀ , PM_2.5 )와 토양시료에 대한 샘플링을 실시하였다. 이 지역의 개별입자의 물리적 형태와 화학적 조성을 알아보기 위하여 SEM-EDX법을 이용하였다.

제안 방법

개별입자의 SEM-EDX 분석 시에는 화학적 성분이 입자 내에서 거의 균일한 농도 분포를 가지므로 본 연구에서는 점분석(Spot mode) 에 따른 개별입자의 분석을 수행하였다. SEM-EDX 분석 시 Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Zn, Br, Pb, Cu 등과 같은 총 20개의 화학적 성분에 대하여 실험을 실시하였다.
개별입자의 화학적 분석에 사용된 EDX는 SEM에 연결된 보조 장치로 영국 Oxford사의 Model-7421을 사용하였다. Working distance 15 mm, 가속전압 15 keV, 배율은 SEM image를 3,000배로 고정하여 분석하였다. 분석대상 원소는 Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Zn, Br, Pb, Cu 등 총 20개 원소에 대해 실시하였다.
Working distance는 25 mm 이하, 가속전압 20 keV, 배율은 SEM image를 5,000배이며 (해상도는 0.1 μm)로 고정하여 분석하였다.
개별입자의 밀도를 구하기 위하여 각 여지마다 4 개의 분석점을 선정하여 SEM image를 관찰하였다. 각 개별입자의 원소성분 분석은 배율을 3,000배로 고정시켜 EDX를 활용하여 하였다. 개별입자의 원소성분 결과에 따라 원소성분의 중량분율(weight %)과 각 원소성분의 고유밀도를 계산하여 개별입자의 밀도를 구하여 시료별로 나타내었다.
분석대상 원소는 Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Zn, Br, Pb, Cu 등 총 20개 원소에 대해 실시하였다. 각각 포집된 여지마다 SEM의 시야를 바꾸면서 여름과 겨울 계절별 개별입자 각각 300개씩 약 600개의 입자에 대해 측정을 반복 수행하였다. Table 2에서 SEM-EDX의 분석조건을 나타내었다.
개별입자의 화학적 특성을 알아보기 위하여 샘플 종류별로 계절별, 종류별로 60개의 시료를 대상으로 하였으며, 필터당 점분석은 10개로 총 자료는 600개를 대상으로 해석하였다. 개별입자의 SEM-EDX 분석 시에는 화학적 성분이 입자 내에서 거의 균일한 농도 분포를 가지므로 본 연구에서는 점분석(Spot mode) 에 따른 개별입자의 분석을 수행하였다. SEM-EDX 분석 시 Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Zn, Br, Pb, Cu 등과 같은 총 20개의 화학적 성분에 대하여 실험을 실시하였다.
개별입자의 밀도를 구하기 위하여 각 여지마다 4 개의 분석점을 선정하여 SEM image를 관찰하였다. 각 개별입자의 원소성분 분석은 배율을 3,000배로 고정시켜 EDX를 활용하여 하였다.
각 개별입자의 원소성분 분석은 배율을 3,000배로 고정시켜 EDX를 활용하여 하였다. 개별입자의 원소성분 결과에 따라 원소성분의 중량분율(weight %)과 각 원소성분의 고유밀도를 계산하여 개별입자의 밀도를 구하여 시료별로 나타내었다.
SEM-EDX법과 같은 비파괴 분석법은 peak가 높고 재현성이 좋아서 대기 시료나 비파괴가 필요한 입자의 분석에 적합하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 분석에 적합한 시료를 준비하기 위해 포집 여지는 시료 포집 전후에 데시케이터에 48시간 이상 보관하여 항량이 되게 한 후 10 mm X 10 mm로 잘라 carbon mount 에 접착시켜 SEM-EDX 분석에 적합한 시료로 준비한 후 시료의 코팅은 20 nm로 Pt코팅을 실시하였다. 개별입자의 영상을 분석하기 위해 Jeol사의 JSM-6700F 를 사용하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 분석에 적합한 시료를 준비하기 위해 포집 여지는 시료 포집 전후에 데시케이터에 48시간 이상 보관하여 항량이 되게 한 후 10 mm X 10 mm로 잘라 carbon mount 에 접착시켜 SEM-EDX 분석에 적합한 시료로 준비한 후 시료의 코팅은 20 nm로 Pt코팅을 실시하였다. 개별입자의 영상을 분석하기 위해 Jeol사의 JSM-6700F 를 사용하였다. Working distance는 25 mm 이하, 가속전압 20 keV, 배율은 SEM image를 5,000배이며 (해상도는 0.
1 μm)로 고정하여 분석하였다. 개별입자의 화학적 분석에 사용된 EDX는 SEM에 연결된 보조 장치로 영국 Oxford사의 Model-7421을 사용하였다. Working distance 15 mm, 가속전압 15 keV, 배율은 SEM image를 3,000배로 고정하여 분석하였다.
개별입자의 화학적 특성을 알아보기 위하여 샘플 종류별로 계절별, 종류별로 60개의 시료를 대상으로 하였으며, 필터당 점분석은 10개로 총 자료는 600개를 대상으로 해석하였다. 개별입자의 SEM-EDX 분석 시에는 화학적 성분이 입자 내에서 거의 균일한 농도 분포를 가지므로 본 연구에서는 점분석(Spot mode) 에 따른 개별입자의 분석을 수행하였다.
기상자료는 S산업단지에서 가까운 기상청 지역별 측정지점을 이용하였으며, 자료는 기상청 지역별 상세 관측자료(AWS: Automatic weather station of the national weather service)를 이용하여 샘플링 지점에서 가까운 북구지역에서 조사된 자료를 이용하여 분석하였다. 측정기간 동안의 기상조건은 Table 1에 나타내었으며, 바람장미는 Fig.
동쪽은 낙동강이 흐르고, 남쪽으로는 바다가 위치하고 있다, 서쪽, 북서쪽 에는 산업단지와 다수의 주거지역이 혼재하고 있어 상시 배출원의 영향이 예상되는 지역이다. 대기시료 채취 지점은 J사의 옥상(지상 약 10 m)이며, 토양시료는 J사건물과 맞닿은 토양을 동일 지점에서 채취하였다. 샘플링 기간은 계절별 특성을 고려하여 여름철(2011.
본 연구는 대기 중 개별입자의 물리적 특성을 알아 보기 위해 겨울철과 여름철에 샘플링된 PM₁₀ , PM_2.5시료를 분석대상으로 하였다. Table 3에서는 PM₁₀ 과 PM_2.
본 연구에서 개별입자를 포집하기 위해서 PM₁₀ cyclone sampler (3-stage filter pack, URG Co.)와 PM_2.5 cyclone sampler (3-stage filter pack, URG Co.)를 사용하였다. 개별입자 시료채취 시 포집시간은 흡입유량을 16.
Working distance 15 mm, 가속전압 15 keV, 배율은 SEM image를 3,000배로 고정하여 분석하였다. 분석대상 원소는 Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Zn, Br, Pb, Cu 등 총 20개 원소에 대해 실시하였다. 각각 포집된 여지마다 SEM의 시야를 바꾸면서 여름과 겨울 계절별 개별입자 각각 300개씩 약 600개의 입자에 대해 측정을 반복 수행하였다.
산업단지에서의 개별입자의 특성을 살펴보기 위하여 본 연구에서는 부산광역시의 S산업단지를 선정하였다. 이 산업단지는 1970년대 중반에 조성되어 부산의 경제성장의 중심축 역할을 하였다.
시료 채취에 사용된 필터는 SEM-EDX 분석 시 적합한 nuclepore filter(47 mm∅, pore size 0.2 ㎛, Whatman Co.)를 사용하였다.
24)로 각각 5일간 샘플링을 실시하였으며 강우 시에는 샘플링을 중지하였다. 시료의 포집시간은 4시간을 기준으로 하였고, 대기시료 20개, 토양시료는 10개로 계절별로 30개이며, 여름철과 겨울철 분석시료는 총 60개이다.
시료의 포집장소는 S산업단지의 H동에 위치한 J사 (35° 8'47.96"N, 128°59' 23.53"E)를 선정하여 시료를 포집하였다(Fig. 1 참조).

이론/모형

5 )와 토양시료에 대한 샘플링을 실시하였다. 이 지역의 개별입자의 물리적 형태와 화학적 조성을 알아보기 위하여 SEM-EDX법을 이용하였다.

성능/효과

1. 샘플채취 기간 동안의 PM₁₀ 평균농도는 여름철 65.5 ㎍/㎥, 겨울철 104.1 ㎍/㎥이었으며, 평균적인 농도로 볼 때 여름철보다는 겨울철의 중량 농도가 약 1.6 배 정도 더 높게 나타났다. PM_2.
2. 개별입자의 밀도는 PM10 의 경우 주로 2∼4 g/㎤의 밀도분포를 보이는 것으로 보아 암석과 금속성분의 영향을 많이 받는 것으로 해석 할 수 있다.
3. 개별입자에 대한 화학적 분석 결과, 대체적으로 모든 시료에서 Si, Ca, Fe, Al 등의 농도가 5% 이상으로 높게 나타났다. 그 외 Cr, Ni, Mn 등은 1～5%를 나타내며 골고루 분포된 것으로 나타났다.
4. Zn, Br, Pb, Cu 등 비철금속의 성분은 겨울철보다 여름철이 높게 나타났으며 PM10 에서는 중량대비로 Zn> Cu> Pb> Br 농도 순으로 높게 나타났다.
12은 계절별 특성을 고려하여 개별 입자의 화학적 조성을 비교한 그래프이다. PM₁₀ , PM_2.5 , 토양에서의 SEM-EDX 분석결과, Si, Fe, Ca, Al 등의 원소들의 성분이 대체적으로 높게 나타났으며, 그 외 대부분의 원소들이 골고루 검출되었다. PM₁₀ 의 경우, 여름철에는 Si> Fe> Ca> Al 순으로 이들 원소가 전체의 약 41%를 차지하였으며, Ca, S 등의 원소도 고르게 나타났다.
Zn, Br, Pb, Cu 등 비철금속의 성분은 겨울철보다 여름철이 높게 나타났으며 PM10 에서는 중량대비로 Zn(4.45%)> Cu(3.46%)> Pb(2.88%)> Br(2.27%) 순으로 높게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에어로졸 입자의 형상은 어떠한가?	이들 에어로졸 입자는 각종 미량의 화학성분으로 구성되어 있는 분산체이며, 그 성상은 공간적, 시간적으로 크게 변동하므로 입경별 화학 조성의 공간적, 시간적 분포의 파악과 분석이 중요하다. 에어로졸 입자의 형상은 그 발생원에 따라 또는 존재 형태에 따라 매우 다양하고 불규칙적이며, 그 화학적 성분은 입자를 발생시킨 발생원의 원래 성분과 같은 화학적 특성을 나타낸다. 따라서 대기 중 미세먼지에 대한 발생원 추정 및 발생원 정보를 얻기 위해서는 에어로졸 입자에 대한 물리적인 특성(size, shape, density 등)과 화학적인 특성을 파악하는 것이 필수적이다(Hinds, 1999).
	에어로졸 입자란?	(EPA, 2003). 이들 에어로졸 입자는 각종 미량의 화학성분으로 구성되어 있는 분산체이며, 그 성상은 공간적, 시간적으로 크게 변동하므로 입경별 화학 조성의 공간적, 시간적 분포의 파악과 분석이 중요하다. 에어로졸 입자의 형상은 그 발생원에 따라 또는 존재 형태에 따라 매우 다양하고 불규칙적이며, 그 화학적 성분은 입자를 발생시킨 발생원의 원래 성분과 같은 화학적 특성을 나타낸다.
	에어로졸 입자가 인체에 건강을 주는 경우는?	산업단지에서는 제조공정이나 사용 원료 및 연료 등에 따라 고유한 물리화학적 특성을 가진 에어로졸 입자가 배출되어지게 된다. 대기 중으로 배출된 대기에 어로졸 입자 중 입경 10 μm 이하의 미세입자 (PM 10 )의경우 주로 공기 중에서 장기간 부유하면 인체 건강에 피해를 주게 되며, 입경 10 μm 이상의 거대입자의 경우 중력침강에 의해 주변지역 지표면에 쉽게 퇴적된다.

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저자의 다른 논문 :

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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