This research investigates the characteristics of metallic and ionic elements in $PM_{10}$ and $PM_{2.5}$ on haze day and non-haze day in Busan. $PM_{10}$ concentration on haze day and non-haze day were 85.75 and $33.52{\mu}g/m^3$, respectively, and $...
This research investigates the characteristics of metallic and ionic elements in $PM_{10}$ and $PM_{2.5}$ on haze day and non-haze day in Busan. $PM_{10}$ concentration on haze day and non-haze day were 85.75 and $33.52{\mu}g/m^3$, respectively, and $PM_{2.5}$ on haze day and non-haze day were 68.24 and $23.86{\mu}g/m^3$, respectively. Contribution rate of total inorganic water-soluble ion to $PM_{10}$ mass on haze day and non haze day were 58.2% and 61.5%, respectively, and contribution rate of total water-soluble ion to $PM_{2.5}$ mass on haze day and non haze day were 58.7% and 64.7%, respectively. Also, contribution rate of secondary ion to $PM_{10}$ mass on haze day and non haze day were 52.1% and 47.5%, respectively, and contribution rate of secondary ion to $PM_{2.5}$ mass on haze day and non haze day were 54.4% and 53.6%, respectively. AC (anion equivalents)/CE (cation equivalents) ratio of $PM_{10}$ mass on haze day and non haze day were 1.09 and 1.0, respectively, and AC/CE ratios of $PM_{2.5}$ mass on haze day and non haze day were 1.12 and 1.04, respectively. Also, SOR (Sulfur Oxidation Ratio) of $PM_{10}$ mass on haze day and non haze day were 0.32 and 0.17, respectively, and SOR of $PM_{2.5}$ on haze day and non haze day were 0.30 and 0.15, respectively. Lastly, NOR (Nitrogen Oxidation Ratio) of $PM_{10}$ on haze day and non haze day were 0.17 and 0.08, respectively, and NOR of $PM_{2.5}$ on haze day and non haze day were 0.13 and 0.06, respectively.
This research investigates the characteristics of metallic and ionic elements in $PM_{10}$ and $PM_{2.5}$ on haze day and non-haze day in Busan. $PM_{10}$ concentration on haze day and non-haze day were 85.75 and $33.52{\mu}g/m^3$, respectively, and $PM_{2.5}$ on haze day and non-haze day were 68.24 and $23.86{\mu}g/m^3$, respectively. Contribution rate of total inorganic water-soluble ion to $PM_{10}$ mass on haze day and non haze day were 58.2% and 61.5%, respectively, and contribution rate of total water-soluble ion to $PM_{2.5}$ mass on haze day and non haze day were 58.7% and 64.7%, respectively. Also, contribution rate of secondary ion to $PM_{10}$ mass on haze day and non haze day were 52.1% and 47.5%, respectively, and contribution rate of secondary ion to $PM_{2.5}$ mass on haze day and non haze day were 54.4% and 53.6%, respectively. AC (anion equivalents)/CE (cation equivalents) ratio of $PM_{10}$ mass on haze day and non haze day were 1.09 and 1.0, respectively, and AC/CE ratios of $PM_{2.5}$ mass on haze day and non haze day were 1.12 and 1.04, respectively. Also, SOR (Sulfur Oxidation Ratio) of $PM_{10}$ mass on haze day and non haze day were 0.32 and 0.17, respectively, and SOR of $PM_{2.5}$ on haze day and non haze day were 0.30 and 0.15, respectively. Lastly, NOR (Nitrogen Oxidation Ratio) of $PM_{10}$ on haze day and non haze day were 0.17 and 0.08, respectively, and NOR of $PM_{2.5}$ on haze day and non haze day were 0.13 and 0.06, respectively.
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문제 정의
그러나 부산에서 연무 발생일에 대한 미세먼지 중 금속 성분과 이온성분에 대한 연구는 아직 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 부산지역의 연무 발생일에 대해 PM10과 PM2.5 중의 금속원소와 수용성 이온의 특성에 대해 조사하고 연무 발생일과 비발생일 사이의 화학적 특성에 대해 연구하였다.
제안 방법
PM10과 PM2.5 중의 수용성 이온성분을 분석하기 위하여 먼지시료가 채취된 필터를 초순수 20 ml(Direct Q Millipore, 18.2 MΩ)가 담긴 60 ml HDPE bottle (Nalgene Co.)에 넣은 후 밀봉하고, 시료의 변질을 막기 위하여 냉동보관 하였다.
PM10과 PM2.5의 질량농도를 측정하기 위하여 여과지를 항온(20℃), 항습(50%) 조건하에서 건조장치(automatic dry/up desiccator, SIBATA DUV-12)에 최소 2일간 건조하고, 감도가 0.001 mg인 전자저울(XP26V, Mettler Toledo Co. Switzerland)로 먼지시료 채취 전·후의 무게를 측량한 후의 중량차로서 PM10과 PM2.5의 질량농도를 구하였다.
그리고 PM10과 PM2.5 중의 미량 금속 성분을 정량하기 위하여 질산-염산 혼합액에 의한 초음파 추출법으로 전처리한 후, syringe filter(PVDF, PALL Co. pore size 0.45 μm , USA)를 이용하여 시료 용액을 여과하고, 유도결합플라즈마 원자방출분광기(ICP/OES, Optima 8300, PerkinElmer Co., USA)를 이용하여 Al, Ca, Fe, Mg, K, Na, 그리고 Si를 분석하였으며, 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP/MS, J200 Tandem, Applied Spectra Co., USA)를 이용하여 As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sr, Ti, V 그리고, Zn를 정량하였다.
보관된 시료는 전처리를 위하여 해동한 다음 초음파세척기에 bottle이 잠기게 한 상태에서 1시간 동안 초음파 추출하였으며, syringe filter (IC Acrodisc 25 mm syringe filter, pore size 0.45 μm, PALL Co., USA)를 이용하여 여과하였다.
, USA)를 이용하여 여과하였다. 여과한 여액은 ICP/OES(iCAP 7400 DUO, ThermoFisher Scientific Co., USA)를 이용하여 양이온인 Na+ , K+ , Ca2+ , Mg2+를 정량하였고, 이온크로마토그래피(ICS, ThermoFisher Scientific Co., USA)를 이용하여 양이온인 NH₄+ 과 음이온인 NO₃- , SO₄2- , Cl-를 정량하였다. 시료 채취지점에서 남동쪽으로 약 4 km 떨어진 부산지방기상청(BRMA : Busan Regional Meteorological Administration)에서 관측한 시료 채취일의 기상요소를 추출하여 살펴본 결과(Table 1 참조), 연무 발생일의 기상요소는 기온 11.
대상 데이터
, 2010). PM10과 PM2.5의 채취는 2016년 2월초부터 4월초까지 2개월에 걸쳐 실시하였고, 측정일수는 총 27일로 이중 연무 발생일은 10일이었으며, 강우가 없는 날을 대상으로 오전 9시부터 다음날 오전 9시까지 24시간 채취하였다.
PM10과 PM2.5의 채취는 mini volume air sampler (Air Metrics, Springfield, OR, USA)를 사용하였으며, 흡인유속은 5.0 /min으로 조정하여 4mm QMA filter (Whatman Co.)에 24시간 PM10 과 PM2.5 시료를 흡인 채취하였다. PM10과 PM2.
본 연구를 위한 PM10과 PM2.5의 시료채취는 Fig. 1과 같이 신라대학교 공학관 6층 옥상(지상 약 20m)에서 실시하였다. 주변지역의 북동쪽과 남동쪽은 백양산 자락으로 둘러싸여 있고 남서쪽의 사상지역은 소규모 공장과 유통 단지 및 주택이 산재해 있어 남풍과 서풍계열이 바람이 불면 인위적인 오염원의 영향을 받을 수 있다(Jeon et al.
]는 입자상 황산염의 몰농도(mol/ ), [SO₂]는 가스상 SO₂ 의 몰농도(mol/ ), [NO₃입자상 질산염의 몰농도(mol/ ), [NO₂]는 가스상 NO₂ 의 몰농도(mol/ )이다. 본 연구에 사용된 가스상 오염물질인 SO₂와 NO₂는 본 연구 지역과 가장 가까운 곳에 위치한 학장동의 자료이며(Fig. 1 참조), ppb 를 mol/ 으로 변환하여 사용하였다. 입자상 물질의 농도비(SOR, NOR)가 클수록 대기 중에 체류시간이 길었다고 해석할 수 있으며, 일차오염물질이 우세한 도시지역에서는 가스상 오염물질의 상대적인 비중이 높아 SOR이 대개 0.
이론/모형
대기 입자의 산성도에 대한 이해는 산성도가 에어로졸의 흡습 성장, 독성 그리고 불균질 반응에 영향을 주는 중요한 인자인 점에서 매우 의미가 있다. 이온 평형 방법이 연무일과 비연무일의 입자 산성도 또는 중화 상태를 조사하기 위해 사용하였다(Wang et al., 2005). 양이온(CE : Cation Equivalents)과 음이온(AE : Anion Equivalents)의 미등가 농도 (micro-equivalent concentrations: μeq/m3)는 다음과 같은 식으로 계산되었다(Gao et al.
성능/효과
1) 연무일과 비연무일의 PM10 농도는 각각 85.75 / 와 33.52 / 이었고, PM2.5 농도는 각각 68.24 / 와 23.86 / 이었다. 연무일과 비연무일의 PM2.
2) 금속성분의 PM10 의 연무일/비연무일 농도비는 Zn이 2.07로 가장 높았으며, 다음으로 Pb, Mn, Ca, Ti, Co, Fe, Sr, Mg순이었다. PM2.
3) 연무일과 비연무일에 PM10에서 가장 높은 농도를 보인 이온 성분은 NO₃- 이었으며, 다음으로 SO₄2-, NH₄+이었다. PM2.
4) PM10 과 PM2.5 농도에 대한 이온성분들의 기여도를 보면, PM10 의 경우, 연무일과 비연무일에 NO₃- 이가장 높았으며, 다음으로 SO₄2- 이었다. PM2.
5) PM10 에 대한 총 수용성이온의 기여율은 연무일과 비연무일에 각각 58.2%와 61.5%이었으며, PM2.5의 기여율은 각각 58.7%와 64.7%이었다. 연무일와 비연무일의 이차생성이온의 PM10 에 대한 기여율은 각각 52.
6) 연무일과 비연무일의 PM10 에 대한 해염의 농도는 각각 3.64 / 와, 3.34 / 이었고, 해염의 기여율은 각각 4.42%와 11.61%이었다. PM2.
7)PM10 의 연무일과 비연무일의 AE/CE 비는 각각 1.09와 1.0이었고, PM2.5 의 AE/CE비는 각각 1.12와 1.04이었다. PM10 의 연무일과 비연무일의 SOR은 각각 0.
27배) 순이었다. Cl-을 제외하고 모든 이온성분이 비연무일보다 연무일에 높았고, 미량성분인 Na+, Mg2+, Ca2+, K +보다는 NO₃-, SO₄2-, NH₄+ 등이 높은 증가를 보였다.
5에 대한 기여율을 조사하여 나타낸 것이다. PM10 에 대한 총 수용성이온의 기여율은 연무일과 비연무일에 각각 58.2%와 61.5%(평균 60.3%)로 비연무일이 연무일에 비해 높았다. PM2.
5 모두 괘법동보다는 낮지만 2배 정도 높은 상승을 보였다. 그리고 연무일과 비연무일의 PM2.5 /PM10 비는 각각 0.64와 0.57로 연무일이 비연무일보다 높아 초미세먼지의 비중이 연무일에 높은 것으로 나타났다. 따라서 괘법동과 학장동 모두 연무일의 PM10 과 PM2.
5배 이상의 높은 상승을 보였다. 그리고 연무일과 비연무일의 PM2.5 /PM10 비는 각각 0.80과 0.71로 연무일이 비연무일보다 높아 초미세먼지의 비중이 연무일에 높은 것으로 나타났다. 학장동의 경우, 연무일과 비연무일의 PM10 농도는 각각 95.
57로 연무일이 비연무일보다 높아 초미세먼지의 비중이 연무일에 높은 것으로 나타났다. 따라서 괘법동과 학장동 모두 연무일의 PM10 과 PM2.5 농도가 비연무일보다 상당히 높았으며, 특히 두 지역 모두 PM10 농도 보다 PM2.5 농도에서 높은 증가를 보인 것이 특징이다. 이는 연무의 조성이 주로 조대입자보다는 미세입자 부분이 증대하는 것으로 보인다.
4%)로 비연무일이 연무일에 비해 높았다. 또한 본연구 지역에서 연무와 비연무일의 이차생성이온의PM10에 대한 기여율은 각각 52.%와 47.5%(평균 49.3%)로 연무일이 비연무일보다 높았다. PM2.
5 의 연무 일/비연무일 금속성분 농도비를 나타낸 것이다. 먼저, 각 금속성분의 PM10 연무일/비연무일 농도비를 보면, 전 항목의 연무일 농도가 비연무일보다 높았다. 특히 Zn의 연무일/비연무일 농도비가 2.
먼저, 연무일과 비연무일에 PM10 에 가장 높은 농도를 보인 성분은 NO₃-로 각각 20.92 / 와 7.10 / 로 연무일이 2.95배 높았으며, 다음으로 SO₄2-이 각각 15.49 / 와 7.97 / 로 연무일이 2.60배 높았으며, NH₄+이 각각 8.65 / 와 3.01 / 로 2.88배 높았다. PM2.
본 연구 지역에서 연무일과 비연무일의 PM10 에 대한 해염의 농도는 각각 3.64 μg/m3 와, 3.34 μg/m3 로 거의 비슷한 값을 나타내었으나, 해염의 기여율은 각각4.42%와 11.61%(평균 8.95%)로 비연무일이 연무일에 비해 높게 나타났다.
Cl- /Na+ 비는 Cl-과 Na+ 의 오염원 정체성을 밝힐 수 있을 뿐만 아니라 해안 도시 지역에서 화석연료 연소의 영향을 알아볼 수 있다. 본 연구에서 Cl- /Na+ 비는 연무일의 PM10 과 PM2.5 에서 비연무일보다 낮았다. 연구 기간 중 Cl- 의형성이 Na+ 보다 작았다.
5의중량농도에 대한 이온성분들의 기여도를 연무일과 비연무일로 나누어 나타낸 것이다. 본 연구에서 PM10의경우, 연무일과 비연무일에 가장 높은 비율을 보인 이온은 NO₃- 으로 각각 24.4%와 21.2%이었고, 다음으로 SO₄2-이 각각 18.1%와 17.8%이었다. PM2.
5 / PM10 비가 비연무일보다 높은 것은 대기 중 조대입자는 지각과 토양 오염원으로부터 직접 대기 중으로 방출되고, 미세입자는 대기 중에서 일차오염물질과 이차오염물질의 복잡한 화학과정에 의해 기인된다. 본연구에서 연무일의 높은 PM2.5 /PM10 비는 미세입자에 이차오염물질의 복잡한 부가적인 생성을 나타내었으며, 이차 에어로졸의 복잡한 형성이 빠를수록 이차 오염물질의 농도는 연무일로 갈수록 현저한 상승을 보여준다(Tian et al., 2014).
, USA)를 이용하여 양이온인 NH₄+ 과 음이온인 NO₃- , SO₄2- , Cl-를 정량하였다. 시료 채취지점에서 남동쪽으로 약 4 km 떨어진 부산지방기상청(BRMA : Busan Regional Meteorological Administration)에서 관측한 시료 채취일의 기상요소를 추출하여 살펴본 결과(Table 1 참조), 연무 발생일의 기상요소는 기온 11.6˚C , 풍속 3.6m/s, 상대습도 56.7%, 운량 3.0(1/10), 일조시간 8.9으로 비연무 발생일에 비해 기온과 상대습도가 높았고, 풍속, 운량 그리고 일조시간은 거의 비슷한 값을 나타내었다. 연무 발생일에 기온과 상대습도가 동시에 높다는 것은 공기 중에 수증기가 많다는 것을 암시하고 있다.
7%이었다. 연무일와 비연무일의 이차생성이온의 PM10 에 대한 기여율은 각각 52.1%와 47.5%이었고, PM2.5 에 대한 기여율은 각각 54.4%와 53.6%이었다.
86/ 이었다. 연무일의 PM10 과 PM2.5 농도는 비연무일에 비해 각각 2.60배와 2.86배로 증가하여, PM10 과 PM2.5 모두 2.5배 이상의 높은 상승을 보였다. 그리고 연무일과 비연무일의 PM2.
34 / 이었다. 연무일의PM10 과 PM2.5 농도는 비연무일에 비해 각각 1.79배와 2.01배로 증가하여, PM10 과 PM2.5 모두 괘법동보다는 낮지만 2배 정도 높은 상승을 보였다. 그리고 연무일과 비연무일의 PM2.
연구 기간 중 Cl- 의형성이 Na+ 보다 작았다. 즉, 해염보다 석탄연소에 의한 Cl- 의 배출이 약했다는 것을 알 수 있고, 따라서 Cl-보다 Na+ 이 미세먼지 중에 더 많이 농축되었다는 것을 보여주었다.
후속연구
8) 향후 본 연구는 도시 지역에 연무 현상 발생 시미세먼지 특성을 체계적으로 이해한다면 도시대기질관리와 대책 수립에 통찰력을 제공할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연무의 원인은?
연무는 시정이 1km 이상이고 상대습도가 75% 이하일 때 대기 중에 연기, 먼지 등 미세하고 건조한 고체입자가 떠 있어서 대기의 색이 우윳빛으로 흐려 보이는 현상을 말한다(KMA, 2013). 연무 현상은 화산 분출물이나 바람에 날린 먼지, 황사 등 자연의 먼지가 공기 중에 섞여 발생하지만, 도시나 공업 지대와 같은 오염 지역에서는 공장과 주택으로부터의 연기, 자동차의 배기가스 등 인간활동에 의한 인공적 오염물질에 의해서도 발생한다(Gao et al., 2015).
연무란?
연무는 시정이 1km 이상이고 상대습도가 75% 이하일 때 대기 중에 연기, 먼지 등 미세하고 건조한 고체입자가 떠 있어서 대기의 색이 우윳빛으로 흐려 보이는 현상을 말한다(KMA, 2013). 연무 현상은 화산 분출물이나 바람에 날린 먼지, 황사 등 자연의 먼지가 공기 중에 섞여 발생하지만, 도시나 공업 지대와 같은 오염 지역에서는 공장과 주택으로부터의 연기, 자동차의 배기가스 등 인간활동에 의한 인공적 오염물질에 의해서도 발생한다(Gao et al.
PM10 과 PM2.5 시료의 질량농도 측정 과정은?
PM10 과 PM2.5 의 질량농도를 측정하기 위하여 여과지를 항온(20 ), 항습(50%) 조건하에서 건조장치(automatic dry/up desiccator, SIBATA DUV-12)에 최소 2일간 건조하고, 감도가 0.001 인 전자저울(XP26V, Mettler Toledo Co. Switzerland)로 먼지시료 채취 전 후의 무게를 측량한 후의 중량차 로서 PM10 과 PM2.5 의 질량농도를 구하였다. 그리고 PM10 과 PM2.
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