다단 임팩터 Nanosampler를 이용한 진주시 대기에어로졸입자의 입경별 질량농도 특성 Mass Size Distribution of Atmospheric Aerosol Particles with Nanosampler Cascade Impactor in Jinju City원문보기
Atmospheric aerosol particles were investigated at GNTECH university in Jinju city. Samples were collected using the Nanosampler period from January to December 2014. The Nanosampler is a 6 stage cascade impactor(1 stage : > $10{\mu}m$, 2 stage : $2.5{\sim}10{\mu}m$, 3 stage : ...
Atmospheric aerosol particles were investigated at GNTECH university in Jinju city. Samples were collected using the Nanosampler period from January to December 2014. The Nanosampler is a 6 stage cascade impactor(1 stage : > $10{\mu}m$, 2 stage : $2.5{\sim}10{\mu}m$, 3 stage : $1.0{\sim}2.5{\mu}m$, 4 stage : $0.5{\sim}10{\mu}m$, 5 stage : $0.1{\sim}0.5{\mu}m$, back-up : < $0.1{\mu}m$) with the stages having 50% cut-off ranging from 0.1 to $10{\mu}m$ in aerodynamic diameter. The mass size distribution of Atmospheric aerosol particles was unimodal with peak at $1.0{\sim}2.5{\mu}m$ or $0.5{\sim}1.0{\mu}m$. The annual average concentrations of TSP, $PM_{10}$, $PM_{2.5}$, $PM_1$, $PM_{0.5}$ and $PM_{0.1}$ were $44.0{\mu}g/m^3$, $40.3{\mu}g/m^3$, $31.4{\mu}g/m^3$, $18.0{\mu}g/m^3$, $8.0{\mu}g/m^3$, $3.0{\mu}g/m^3$, respectively. On average $PM_{10}$, $PM_{2.5}$, $PM_1$, $PM_{0.5}$ and $PM_{0.1}$ make up 0.91, 0.70, 0.41, 0.19 and 0.07 of TSP, respectively. The annual average of $PM_{2.5}/PM_{10}$ ratio was 0.77.
Atmospheric aerosol particles were investigated at GNTECH university in Jinju city. Samples were collected using the Nanosampler period from January to December 2014. The Nanosampler is a 6 stage cascade impactor(1 stage : > $10{\mu}m$, 2 stage : $2.5{\sim}10{\mu}m$, 3 stage : $1.0{\sim}2.5{\mu}m$, 4 stage : $0.5{\sim}10{\mu}m$, 5 stage : $0.1{\sim}0.5{\mu}m$, back-up : < $0.1{\mu}m$) with the stages having 50% cut-off ranging from 0.1 to $10{\mu}m$ in aerodynamic diameter. The mass size distribution of Atmospheric aerosol particles was unimodal with peak at $1.0{\sim}2.5{\mu}m$ or $0.5{\sim}1.0{\mu}m$. The annual average concentrations of TSP, $PM_{10}$, $PM_{2.5}$, $PM_1$, $PM_{0.5}$ and $PM_{0.1}$ were $44.0{\mu}g/m^3$, $40.3{\mu}g/m^3$, $31.4{\mu}g/m^3$, $18.0{\mu}g/m^3$, $8.0{\mu}g/m^3$, $3.0{\mu}g/m^3$, respectively. On average $PM_{10}$, $PM_{2.5}$, $PM_1$, $PM_{0.5}$ and $PM_{0.1}$ make up 0.91, 0.70, 0.41, 0.19 and 0.07 of TSP, respectively. The annual average of $PM_{2.5}/PM_{10}$ ratio was 0.77.
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문제 정의
최근 국내에서는 전국단위의 고농도 미세먼지가 사회적 환경문제로 관심이 집중되고 있는 배경 하에 지역 대기에어로졸입자의 상세한 거동 특성 파악이 중요하며, 이에 본 연구에서는 다단 임팩터인 Nanosmpaler를 이용하여 진주시 대기 중 대기에어로졸입자의 시료를 채취하고 대수정규분포 및 입경별 농도분포 등 보다 상세한 지역 대기 중 거동 특성을 분석함으로써 이와 관련된 연구자료의 제공 및 지역 대기질 관리정책의 기초자료로 삼고자 한다.
제안 방법
Table 1에는 시료채취 기간 및 기상상태를 나타냈으며, 시료채취는 임팩터 포집유량 40 L/min로 2014년 1월부터 1년간 매월 2~3일간 연속으로 12회의 대기에어로졸입자 시료를 채취하였다. 또한, 포집전후의 필터 무게를 칭량하기 위해 시료채취 전후 24시간 이상 데시게이트에서 항온, 항습한 후 무게 0.01 mg까지 칭량가능한 전자저울(AT201, METTLER, USA)을 이용하여 측정 전후의 필터 중량을 칭량하고 질량 농도를 산정하였다.
한편, 본 연구에서는 임팩터의 전체 농도를 총부유먼지(TSP) 그리고 공기역학적 입경 1 μm 전후로 구분한 1단~3단을 조대입자(coarse particles) 및 4단~back-up을 미세입자(fine particles) 영역 농도로 구분하였다.
대상 데이터
시료채취 장소는 경남 진주시 소재 경남과학기술대학교(GNTECH) 공동실험실습관 4층 옥상에서 실시하였으며, 본 측정지점은 도심지역의 중심에 위치한 주거지역으로 간선도로에서 약 100 m 떨어져 있어 자동차 등 주요 대기오염물질 배출원의 직접적인 영향이 없는 곳이다. Table 1에는 시료채취 기간 및 기상상태를 나타냈으며, 시료채취는 임팩터 포집유량 40 L/min로 2014년 1월부터 1년간 매월 2~3일간 연속으로 12회의 대기에어로졸입자 시료를 채취하였다. 또한, 포집전후의 필터 무게를 칭량하기 위해 시료채취 전후 24시간 이상 데시게이트에서 항온, 항습한 후 무게 0.
시료채취 장소는 경남 진주시 소재 경남과학기술대학교(GNTECH) 공동실험실습관 4층 옥상에서 실시하였으며, 본 측정지점은 도심지역의 중심에 위치한 주거지역으로 간선도로에서 약 100 m 떨어져 있어 자동차 등 주요 대기오염물질 배출원의 직접적인 영향이 없는 곳이다. Table 1에는 시료채취 기간 및 기상상태를 나타냈으며, 시료채취는 임팩터 포집유량 40 L/min로 2014년 1월부터 1년간 매월 2~3일간 연속으로 12회의 대기에어로졸입자 시료를 채취하였다.
시료채취에 사용된 여재는 각 분리단과 back-up 필터는 직경 55 mm의 석영필터(Pallflex사 2500QAT-UP 및 ADVANTEC사 QR-100)를 사용하였으며, 관성필터의 경우 본 임팩터 제조회사인 Kanomax사가 제공하는 직경 8 μm의 SUS섬유를 원형 테프론 카트리지에 약 9.8 mg 충진 후 시료채취에 사용하였다.
데이터처리
그러나 수작업으로 직선식을 긋는 방식은 다소의 오차가 발생될 수 있으며, 본 연구에서는 엑셀 프로그램(MS Excel)상에서 대수확률 그래프용지를 작성하고 각 분리단의 농도 누적 퍼센트를 통해 선형회귀선의 y 절편 및 기울기를 구하는 최소자승회귀분석(least-squares linear regression)으로 직선방정식을 긋는 Probit method를 이용하여 각각의 MMAD과 σg를 구하였다(O'Shaughnessy 와 Raabe, 2003).
성능/효과
PM10의 농도 수준은 대기환경기준을 만족하지만, PM2.5의 경우 연평균 기준을 초과하는 것으로 나타났고 특히, PM0.1의 농도 수준은 연평균 3.0 μg/m3으로 외국의 측정결과와 비교하여 다소 높은 농도 수준인 것으로 나타났다.
TSP 농도에 대한 입경범위별 기여도는 연평균 PM100.91, PM2.5 0.70, PM1 0.41, PM0.5 0.19 PM0.1 0.07로 각각 나타났으며, PM10의 기여도는 봄 > 겨울 > 여름 >가을의 순으로 PM2.5 및 PM1는 겨울 > 봄 > 여름 가을의 순으로 그리고 PM0.5 및 PM0.1의 경우 계절별 큰 농도 차이는 나타나지 않았다.
TSP의 농도는 월별 21.8~59.0 μg/m3의 농도 분포로 특히, 농도가 가장 높았던 4월이 가장 낮았던 10월에 비해 약 2.7배 높게 나타나는 등 월별 농도 특성을 보였고 연평균 농도는 44.0 μg/m3으로 과거 TSP 연간 대기환경 기준(150 μg/m3 이하)보다 낮은 농도 수준을 보였다.
본 연구에서 사용된 Nanosampler 임팩터에 의한 대수 정규분포는 대부분 3단(1.0~2.5 μm) 또는 4단(0.5~1.0 μ m)에서 peak를 나타내는 단일형분포(unimodal)의 형태로 나타났다.
본 연구에서 사용된 Nanosampler는 일반적으로 널리 사용되는 임팩터와 달리 각 분리단의 50% 절단입경이 PM10/PM2.5/PM1/PM0.5/PM0.1의 입경별 농도분포로 정확히 구분 할 수 있다는 특징이 있다. Table 3에는 연평균 및 겨울(1월, 2월, 12월), 봄(3~5월), 여름(6~8월), 가을(9~11월) 등 계절별 TSP 및 입경별 농도 특성을 나타냈다.
연구에서는 지역 대기에어로졸입자의 입경별 농도분포 특성을 상세히 파악하기 위해 각 분리단의 입경별 분급 특성이 TSP/PM10/PM2.5/PM1/PM0.5/PM0.1등으로 채취 가능한 Nanosampler를 이용하여 시료를 채취한 결과, 대수정규분포는 3단(1.0~2.5 μm) 또는 4단(0.5~1.0μm)에서 peak를 나타내는 단일형분포의 형태로 연평균 MMAD는 1.36 μm, σg는 4.93로 나타났다.
전반적으로 TSP/PM10/PM2.5/PM1/PM0.5/PM0.1의 농도는 연평균 44.0 μg/m3, 40.3 μg/m3, 31.4 μg/m3, 18.0μg/m3, 8.2 μg/m3, 3.0 μg/m3등으로 각각 나타났으며, 계절별로는 TSP 및 PM10의 경우 봄 > 겨울 > 여름 > 가을의 순으로 PM2.5 및 PM1는 겨울 > 봄 > 여름 > 가을의 순으로 그리고 PM0.5 및 PM0.1의 경우 계절별 큰 농도 차이는 나타나지 않았다.
조대입자 및 미세입자 영역의 농도는 연평균 26 μ g/m3, 18.0 μg/m3로 각각 나타났으며, TSP 농도에 대한 기여도는 조대 0.588 : 미세 0.412로 전반적으로 조대입자 영역이 다소 높았다.
특히, 본 연구에서 PM10 및 PM2.5의 농도 수준은 PM10의 경우 대기환경기준을 만족하지만, PM2.5의 경우 24시간 기준(50 μg/m3)이하이지만 연평균 기준(25 μg/m3)을 초과하는 것으로 나타났다.
후속연구
이러한 지역 대기에어로졸입자의 입경별 농도 수준 파악을 통해 향후 발생원 추적을 통해 보다 상세한 지역 대기환경에 미치는 영향 특성의 규명 등 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대기에어로졸입자의 발생기원은 어떠한 것들이 있는가?
대기 중 고체 또는 액적 상태의 부유물질인 대기에어로졸입자(atmospheric aerosol particles)는 다양한 발생원에서 직접 배출되거나 대기 중 물리화학적 생성과정 등을 통해 통상 입경 수 nm에서 100 μm까지 넓은 범위로 연속적으로 분포한다. 발생기원은 크게 입경 1 μm 이하의 미세입자(fine particles) 영역의 경우 각종 연소과정이나 대기 중 가스 입자상으로 전환된 2차 입자들 그리고 약1 μm 이상의 조대입자(coarse particles) 영역은 토양, 해염, 꽃가루 등 자연적 발생원에서 주로 기원되고 있다(Willeke과 Whitby, 1975; Sienfeld과 Pandis, 1998). 또한, 인체 및 생태계에 미치는 피해나 국지적, 지구적 대기환경에 미치는 영향 등은 입경별 크기나 물리 화학적 조성 등에 따라 크게 다르며, 특히 많은 독성학 연구에서 미세입자가 조대입자보다 더 강한 독성학적 악영향을 미친다고 보고되고 있다(Donaldson 등, 1998).
관성 임팩터에서 입자의 크기가 작아지면 어떠한 문제가 생기는가?
전통적으로 입경별로 분리 포집하는 장치로써 널리 사용되는 다단 임팩터(cascade impactor)는 노즐을 통해 가속시켜 기류와 함께 이동하는 에어로졸입자를 충돌판에 충돌시켜 관성이 작은 입자는 유선을 따라 이동되지만 관성이 큰 입자는 충돌판에 포집되는 장치로서 입자의 크기는 공기역학적 직경(aerodynamic diameter)에 의해 입경별로 분리 포집하는 관성 임팩터이다. 관성 임팩터는 입자의 크기가 작아지면 입자의 관성력이 낮아져 분리효율이 급격히 떨어지게 되므로 대기압 조건에서는 입경 약 0.3 μm까지 분급 포집가능하다. 또한, 최근에는 입경 0.
다단 임팩터란 무엇인가?
전통적으로 입경별로 분리 포집하는 장치로써 널리 사용되는 다단 임팩터(cascade impactor)는 노즐을 통해 가속시켜 기류와 함께 이동하는 에어로졸입자를 충돌판에 충돌시켜 관성이 작은 입자는 유선을 따라 이동되지만 관성이 큰 입자는 충돌판에 포집되는 장치로서 입자의 크기는 공기역학적 직경(aerodynamic diameter)에 의해 입경별로 분리 포집하는 관성 임팩터이다. 관성 임팩터는 입자의 크기가 작아지면 입자의 관성력이 낮아져 분리효율이 급격히 떨어지게 되므로 대기압 조건에서는 입경 약 0.
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