In this study, mass concentrations and chemical compositions of $PM_{2.5}$, including water-soluble ions and elements were determined at the 1,100 m-highland of Mt. Hallasan in Jeju Island across four seasons from August 2013 to August 2014. The average mass concentration of $PM_{2.5...
In this study, mass concentrations and chemical compositions of $PM_{2.5}$, including water-soluble ions and elements were determined at the 1,100 m-highland of Mt. Hallasan in Jeju Island across four seasons from August 2013 to August 2014. The average mass concentration of $PM_{2.5}$ was $12.5{\pm}8.41{\mu}g/m^3$ with 45.8% of the contribution from eight water-soluble ionic species. Three ionic species ($SO{_4}^{2-}$, $NH{_4}^+$, and $NO{_3}^-$) comprised 96.2% of the total concentration of ions contained in $PM_{2.5}$ and were the dominant ions, accounting for 43.5% of the $PM_{2.5}$ mass at Mt. Hallasan. On the basis of the mass concentration level, seasonal variation, enrichment factor, and relationship among elements, we can presume that Mg, K, Ca, Mn, Fe, Co, Sr, Ba, Nd, and Dy originated mainly from crust or soil and that V, Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, and Pb were significantly enriched in $PM_{2.5}$ owing to the effects of the anthropogenic emissions. These results and the local distribution of emission sources and topographic characteristics near this sampling site suggest that the compositions of $PM_{2.5}$ collected at the 1100 m-highland of Mt. Hallasan were largely influenced by inflow from outside of Jeju Island.
In this study, mass concentrations and chemical compositions of $PM_{2.5}$, including water-soluble ions and elements were determined at the 1,100 m-highland of Mt. Hallasan in Jeju Island across four seasons from August 2013 to August 2014. The average mass concentration of $PM_{2.5}$ was $12.5{\pm}8.41{\mu}g/m^3$ with 45.8% of the contribution from eight water-soluble ionic species. Three ionic species ($SO{_4}^{2-}$, $NH{_4}^+$, and $NO{_3}^-$) comprised 96.2% of the total concentration of ions contained in $PM_{2.5}$ and were the dominant ions, accounting for 43.5% of the $PM_{2.5}$ mass at Mt. Hallasan. On the basis of the mass concentration level, seasonal variation, enrichment factor, and relationship among elements, we can presume that Mg, K, Ca, Mn, Fe, Co, Sr, Ba, Nd, and Dy originated mainly from crust or soil and that V, Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, and Pb were significantly enriched in $PM_{2.5}$ owing to the effects of the anthropogenic emissions. These results and the local distribution of emission sources and topographic characteristics near this sampling site suggest that the compositions of $PM_{2.5}$ collected at the 1100 m-highland of Mt. Hallasan were largely influenced by inflow from outside of Jeju Island.
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문제 정의
따라서 향후 제주도 도시지역에 대한 PM2.5 농도특성을 해석하기 위한 사전 연구로써 본 연구에서는 한라산 1,100 m(산림지역)의 도시배경지역에서 PM2.5의 질량 농도와 화학조성의 특성을 파악하였다.
제안 방법
3 mmol/L)를 사용하였다. 나머지 여지는 HNO35 mL, HF 1 mL, H2O21 mL를 첨가하여 microwave 시료분해장치(ETOS-1600, Milestone)에서 고압분해처리를 실시하고, ICP/MS (HP-7700x, Agilent)를 이용하여 원소를 분석하였다. 여기서 5매의 공시험 여지(blank filter)에 대한 분석 결과로부터 얻어진 표준편차의 3배를 검출한계로 하였다.
먼저 PM2.5에 함유된 수용성 이온성분들의 이온수지를 나타냄으로써 분석결과의 신뢰도를 평가하였다(Fig.2). 모든 용액은 전기적으로 중성을 띠므로 음이온과 양이온의 당량농도 합들 사이의 상관계수가 1에 가까울수록 분석데이터는 일관성이 있고 신뢰도가 높다고 판단할 수 있다(Lee et al.
본 연구에서는 각 시료(34개)에 대해서 분석된 모든 원소들사이의 상관계수를 산출하였으며, 산출된 상관계수를 EF 값이 5이하인 원소들과 그 이상인 원소들로 구분하여 Table 4와 Table 5에 제시하였다. EF 값이 5 이하를 나타낸 원소들간에는 대부분 상관계수가 큰 것으로 나타났다.
본 연구에서는 한라산 1,100 m-고지에서 PM 2.5를 포집하여 질량농도와 화학조성을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
보관된 여지를 절반으로 나누어 한 쪽은 수용성 이온 성분들을 분석에 사용하고 나머지 한쪽은 원소성분의 분석에 사용하였다. 이온성분의 분석에 있어서는 여과지에탈 이온 증류수 10 mL를 첨가하여 20분간 초음파 추출한 후 이온크로마토그라피(IC-20, Dionex)로써 수용성 무기이온(Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-, NO3- , SO42-) 을 분석했다. 여기서 column은 Ion Pac CS12A(양이온) 과 Ion Pac As12A(음이온)을 사용하였고, eluent로는 양이온은 Methansulfonate (20 mmol/L), 음이온은 Na2CO3 (2.
입자상물질 시료를 채취하기 전에 사용할 여지는 상대습도 35%, 온도 21.5℃로 유지되는 항온항습실내에서 24시간 이상 정치시킨 여지를 1 μg의 감도를 지닌 전자저울(SC-2, Sartorius, Germany)을 사용하여 무게를 달아서 사용하였으며, 시료채취가 마무리되면 다시 동일한 방법으로 정치시킨 후 무게를 달아서 포집 전후의 여과지 무게 차이로 질량농도를 계산하였다.
한라산 1,100 m-고지에서의 PM2.5 시료채취는 매월 5회~6회 정도 실시하였으며, 매 회마다 오전 10시부터 48시간 또는 72시간 동안 연속적으로 공기를 흡인하였다.
대상 데이터
PM2.5 분급장치가 장착된 sequential air sampler (PMS-103, APM Co., Korea)를 사용하였으며, 이 장치는 16.7 L/min의 유량으로 작동된다.
Table 1에는 매월의 시료채취 시기 및 기상개황을 정리하여 나타냈다. 본 시료채취지점에는 기상측정장비가 설치되지 않아 인근에 위치한 어리목 자동기상측정점의 자료를 참고로 제시하였다. PM2.
5의 포집을 실시한 채취 지점을 나타냈다. 본 채취지점은 한라산 중턱의 1100고지라고 불리지는 지점의 인근에 위치하고 있는 새오름(해발 1,120 m) 정상부의 숲이 울창한 곳에 위치하고 있다. 여기서는 ‘1,100 m-고지’라고 표현할 것이다.
이론/모형
본 연구에서 다음 식을 사용하여 농축계수(enrichment factor, EF)를 산출하였는데(Wang et al., 2007; Xu et al., 2012), 기준원소는 Al을 이용하였으며, 지각성분의 조성비는 Wedepohl(1995)이 제시한 자료를 사용하였다.
성능/효과
5 μg/m3 수준이었으며, 5월>1월>10월>8월의 순이었다. 8가지 수용성 이온성분 들의 전체 농도는 5월과 1월이 10월과 8월보다 두 배 정도 높게 나타났으며, 이중 SO42-, NH4+ 그리고 NO3- 가전체 이온농도의 96.2%로 대부분을 차지하였다. 그리고 PM2.
4에 나타냈다. 계절별 평균농도를 기준으로 보면 Mg, Al, K, Ca, Mn, Fe, Zn, Pb의 농도는 대체로 10 ng/m3 이상 으로 높은 수준을 보였으며, 나머지 원소들은 평균 5ng/m3 이하로 낮은 농도수준을 보였다. 월별 농도를 보면, Mg, Al, K, Ca, Mn, Fe, Co, Sr, Ba, 및 Nd 등과 같은 원소들의 농도는 5월에 크게 증가하였다.
그리고 PM2.5 질량농도 중 전체 이온성분의 비율은 45.6%였으며, 원소성분들 중 Mg, K, Ca, Mn, Fe, Co, Sr, Ba, 및 Nd은 평균 10 ng/m3 이상으로 비교적 높은 농도수준를 보이면서 5월에 농도가 크게 증가하였다.
Mg, K, Ca, Mn, Fe, Co, Sr, Ba, 및 Nd은 거의 모든 달에서 5 이하의 EF 값을 보이므로 이들은 토양이나 지각 배출원에서 기인한 것이라고 판단할 수 있다. 그리고 V, Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, 및 Pb은 대체로 EF 값이 10 이상이면서 전반적으로 5월보다는 다른 달의 EF 값이 다소 큰 경향을 보였다. 따라서 이들 원소들은 지각 오염원이 아닌 다른 오염원의 영향을 상당히 받는 것으로 판단할 수 있었다.
본 연구에서 시료들은 매질들이 대체로 비슷하고 주요한 이온성분들은 거의 대부분 분석했기 때문에 이온수지를 비교하여 분석데이터를 평가함에 있어서는 큰 무리는 없는 것으로 판단된다. 그리고 분석결과들이 서로 양호한 상관성을 나타내는 것으로 볼 때 분석결과는 양호한 신뢰도를 보인다고 판단된다.
3%를 차지했다. 그리고 평균적으로 SO42-는 28.9%, NH4+는 11.8%, 그리고 NO3-는 3.1%를 차지하는 것으로 나타났다. 이 외 나머지 이온들(Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-)은 PM2.
이로써 이들 원소들은 공통된 오염원의 영향을 받고 있기 때문으로 생각할 수 있다. 또한 EF 값이 10 이상으로 큰 원소들 사이의 상관계수는 꽤 다양한 값들을 보이지만 전반적으로는 원소들 사이에 상당한 상관성을 가지는 것을 알 수 있다. 일례로 석탄연소가 주요 배출 원으로 알려진 As와 Se 사이의 상관계수는 0.
1 μg/m3 이하로 앞의 세 이온들 비해서 아주 낮은 수준을 보였다. 본 연구에서 측정된 이온들의 전체 농도에서 SO42-, NH4+, 및 NO3-이 차지하는 비중은 96.1%였으며, 이 중에서 SO42-는 63.1%로써 이온성분 중 가장 높은 비중을 차지하고 있으며, 다음으로는 NH4+가 26.3%, 그리고 NO3-는 6.7%를 차지하였다. 그 외 나머지 이온들(Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-)은 총 이온농도의 3.
본 연구에서 측정한 8가지 이온성분 중 SO42-, NH4+, 및 NO3-의 평균 농도는 각각 3.43±2.23 μg/m3, 1.43±0.87 μg/m3, 0.37±0.70 μg/m3으로 나타났으며, 그 외 Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-의 평균 농도는 모두 0.1 μg/m3 이하로 앞의 세 이온들 비해서 아주 낮은 수준을 보였다.
그리고 V, Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb 등은 평균 5 ng/m3 이하로 낮은 농도수준을 보이면서도 월별 차이는 크지 않았다. 원소성분들의 월별 농도 수준과 그 변동양상, 농축계수 그리고 원소들 사이의 상관관계를 통해서 볼 때, Mg, K, Ca, Mn, Fe, Co, Sr, Ba, 및 Nd은 주로 지각 또는 토양에서, 그리고 V, Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb 등은 인위적인 오염원에서 기인하여 농축된 것으로 나타났다.
이러한 결과들을 PM2.5 채취지점 주변의 배출원 분포와 지형적 특성 등과 함께 고려할 때 한라산 1,100 m-고지에서 채취한 PM2.5의 조성은 주로 제주도 외부로부터의 유입에 의해 영향을 받은 것으로 생각할 수 있었다. 그렇지만 향후 수용모델과 기류패턴분석 등을 이용한 오염원 추정을 통한 명확한 해석이 필요하다.
즉, 5월과 1월 그리고 8월과 10월의 농도 수준이 서로 비슷한 수준인 것으로 나타났으며, 이온성분의 농도 수준은 5월과 1월이 8월과 10월보다도 두 배 정도 높은 것을 알 수 있었다.
특히 Ca2+와 Mg2+는 다른 달보다 5월에 그 농도가 큰 폭으로 상승함을 볼 수 있었다. 특히 Ca2+는 일반적으로 토양과 해염이 주요 오염원으로 알려져 있는데, 본 연구에서는 비해염 기원 Ca2+(nss-Ca2+)은 총 Ca2+의 51%~95.4% 정도이며 5월에 점유율이 높았다. 이처럼 한라산 1,100m-고지에서 채취된 PM2.
후속연구
5의 조성은 주로 제주도 외부로부터의 유입에 의해 영향을 받은 것으로 생각할 수 있었다. 그렇지만 향후 수용모델과 기류패턴분석 등을 이용한 오염원 추정을 통한 명확한 해석이 필요하다.
, 2013). 이는 측정지점의 지리적인 위치와 해발고도의 차이에 기인한다고 판단되지만 추후 이에 대한 면밀한 검토가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구의 시료채취 지점인 1,100 m-고지의 특징은 무엇인가?
여기서는 ‘1,100 m-고지’라고 표현할 것이다. 이 채취지점은 제주시 도심지역(연동 대기오염측정소)으로부터 대략 15 km 정도 떨어져 있으며, 인근에 속칭 1100 도로라고 불리는 2차선 도로가 통과하고 있지만 지형적 으로 보면 이 도로를 통행하는 차량들에서 배출되는 오염물질들이 PM 시료에 직접적인 영향은 거의 미치지 않을 것으로 판단되는 곳이다.
PM이란 무엇인가?
대기오염제어기술의 발달함에도 불구하고 도시지역에 있어서 입자상물질 (particulate matter, PM)의 농도 수준을 제어하는 것은 여전히 어려운 문제로 남아있다. PM이라는 말은 공기 중에서 퍼져있는 고체 혹은 액체 입자를 말하는데, 이들 입자는 수, 크기, 모양, 표면적, 화학적 조성, 용해도, 그리고 기원에 따라서 다르다. 또한 PM은 심폐질환과 폐암 등과 같은 급성 또는 만성 호흡 기계 질환과 관련이 있는데(WHO, 2009), 전 세계적으로 폐암의 약 8%, 심폐질환의 5%, 그리고 호흡기 감염 사망의 3%가 PM의 노출에 기인한다고 보고된 바 있다 (Cohen et al.
PM과 관련 있는 질환에는 무엇이 있는가?
PM이라는 말은 공기 중에서 퍼져있는 고체 혹은 액체 입자를 말하는데, 이들 입자는 수, 크기, 모양, 표면적, 화학적 조성, 용해도, 그리고 기원에 따라서 다르다. 또한 PM은 심폐질환과 폐암 등과 같은 급성 또는 만성 호흡 기계 질환과 관련이 있는데(WHO, 2009), 전 세계적으로 폐암의 약 8%, 심폐질환의 5%, 그리고 호흡기 감염 사망의 3%가 PM의 노출에 기인한다고 보고된 바 있다 (Cohen et al., 2005).
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