[논문]고형연료제품 사용시설에 따른 다환방향족탄화수소 (PAHs)의 배출특성 및 유해성 평가

허선화; 임승영; 강대일; 김대곤; 전기준; 장기원

doi:10.5572/kosae.2017.33.4.333

고형연료제품 사용시설에 따른 다환방향족탄화수소 (PAHs)의 배출특성 및 유해성 평가
Emission Characteristics and Hazard Assessment of Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAHs) from Solid Fuel Facilities 원문보기

한국대기환경학회지 = Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, v.33 no.4, 2017년, pp.333 - 341

허선화 (국립환경과학원 대기공학연구과) , 임승영 (국립환경과학원 대기공학연구과) , 강대일 (국립환경과학원 대기공학연구과) , 김대곤 (국립환경과학원 대기공학연구과) , 전기준 (인하대학교 환경공학과) , 장기원 (국립환경과학원 대기공학연구과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the earth has shown the limit of environmental capacity. It is also experiencing an environmental crisis with rising energy prices and depletion of coal. Therefore, development of renewable energy is very important solution. However, waste fuel solid are renewable fuels, but they cause environmental problems. In this study, the emission characteristics of hazardous air pollutants were analyzed through measurements at the facilities using solid fuels (SRF, BIO-SRF). Analysis method of PAHs are based on the Korea Standard Methods for Examination. The analysis of PAHs showed that the concentration much higher in Naphthalene, and Benzo(a)pyrene showed at a higher concentration incertain sources. As a result of gas phase and particle phase PAHs, most of Benzo(a)pyrene appeared to be particulate. Through the results of this study will provide basic data for atmospheric environmental management.

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문제 정의

이를 위해 가스상 및 입자상 형태의 PAHs를 측정·분석하였다. 더불어, 배출현황과 유해성 평가 등을 통해 고형연료 사용시설에 대한 관리방안을 제시하고자 한다.
PAHs 성분은 배출원별, 연료에 따라 배출 농도는 비슷할 수 있으나 분포특성은 달라진다. 따라서, 기존에 수행된 선행연구와 비교를 통하여 다양한 고형연료 사용시설에 대한 배출특성을 파악하고자 하였다.
본 연구는 건강위해성 및 유해성 등을 고려하여 고형연료 사용시설에서 발생하는 PAHs 물질 16종에 대한 연구를 수행하였다. 측정은 배출시설 후단 (Controlled)에서 실시하였으며, 표 5는 SRF 사용시설 3개, BIO-SRF 사용시설 2개에서 측정한 PAHs 성분의 가스상과 입자상 농도이다.
본 연구는 고형연료 사용시설을 대상으로 PAHs 배출특성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 가스상 및 입자상 형태의 PAHs를 측정·분석하였다.
본 연구는 최근 들어 사용량이 증가하고 있는 고형연료 사용시설에서 가스상 및 입자상 PAHs를 측정하였다. 측정 결과를 이용하여 배출특성과 유해성을 검토하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 고형연료 사용시설로부터 배출되는 PAHs의 유해성 정도를 평가하기 위하여 PAHs 16종 성분의 농도를 B(a)P 기준의 TEFs로 환산하여 표 6에 TEQs로 나타내었다(NIER, 2007). 고형연료 사용시설에서 측정된 PAHs 농도에 Nisbet et al.

제안 방법

2. 본 연구에서 수행한 SRF와 BIO-SRF와 선행연구에서 수행한 RPF, RDF, WCF 사용시설의 배출 농도를 비교 분석하였다. 그 결과, 고형연료 종류와 시설 운영에 따라 RPF 사용시설 ∑PAHs 농도는 12.
3. PAHs의 유해성 정도를 평가하기 위하여 PAHs 16종 성분의 농도를 BaP 기준의 TEFs로 환산하여 TEQs로 나타내었다. SRF와 BIO-SRF 사용시설에 대한∑PAHs 농도는 각각 27.
BIO-SRF 대상시설에서 사용되는 연료는 폐목재류 가연성 폐기물과 수입산 열대식물부산물(캐슈넛)이다. BIO-SRF에서 배출되는 PAHs 농도를 Kim et al. (2017)에서 조사한 화목보일러의 농도와 비교하였다. 그 결과, 화목보일러의 ∑PAHs 농도는 261.
PAHs의 유해성 평가를 위해서는 대표물질의 독성을 기준으로 하는 TEF (Toxic Equivalency Factors)를 이용하여 TEQs (Toxic Equivalen Quotients)를 산정하였다. 본 연구에서 사용된 TEFs는 Benzo(a)pyrene의 발암성을 기준으로 부여된 상대독성 계수이며 표 4와 같다(AETDC, 2008).
각 성분별 분포 특성을 알아보기 위해 벤젠고리 수로 구분하여 SRF와 BIO-SRF 사용시설에 대한 비교분석을 수행하였다(그림 2). 그 결과 SRF와 BIO-SRF 2개 시설에서 동일하게 2개의 벤젠고리를 갖고 있는 물질이 과반수 이상을 차지하고 있었으며, 다음으로는 5개의 벤젠고리를 갖고 있는 물질이 많이 분포하고 있었다.
시료 채취와 분석 방법은 대기오염공정시험기준을 적용하였다. 대상시설에서 시료채취는 각 3회이며, 채취된 가스상 및 입자상 PAHs에 대해 분석을 진행하였다.
그러나 PAHs 성분의 각각 농도를 살펴보면, 두 연구 모두 Nap이 전체 농도의 과반수 이상을 차지하는 배출 특성을 보였다. 또한 정확한 배출수준 파악을 위해 단위고형연료당 유해물질 배출계수를 산출하였다. 현재 PAHs에 대한 국내배출계수 산출 방법이 마련되어있지 않으므로, Hall etal.
표준물질은 Supelco사의 EPA 610 (Polynuclear Aromatic Hydrocarbons Mixture)을 사용하였으며, 대상 물질은 표 3과 같다. 시료 분석 전 SCAN 분석을 통해 확인된 이온만 선택하여 SIM모드로 정량 분석하였다.
각각 추출된 시료 용액은 회전증발농축기를 사용하여 25 mL로 표시선까지 맞춘 후(mass up) 적당량만 분취해 컬럼을 이용하여 느린 속도로 추출한다. 이런 정제과정을 마친 시료는 다시 소량으로 농축한 후 GC/MSD (6890, Agilent /5973i, Agilent, USA)를 사용하여 분석하였으며, 기기분석 조건은 표 2와 같다.
이를 위해 가스상 및 입자상 형태의 PAHs를 측정·분석하였다.
가스상 물질은 가스흡수부와 가스흡착부로 구분하여 별도의 흡수액과 XAD-2 (1-0357, Supelco) 및 PUF (Poly Urethane-Foam) 흡착제를 사용하여 시료를 채취하였다. 입자상 물질은 석영재질의 원통형 여지를 시료 채취 전에 850℃에서 3~4시간 강열과정을 거친 후, 아세톤, 헥산, 디클로로메탄 세정 및 건조과정을 거쳐 등속흡인으로 시료를 채취하였다.
본 연구는 최근 들어 사용량이 증가하고 있는 고형연료 사용시설에서 가스상 및 입자상 PAHs를 측정하였다. 측정 결과를 이용하여 배출특성과 유해성을 검토하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구는 건강위해성 및 유해성 등을 고려하여 고형연료 사용시설에서 발생하는 PAHs 물질 16종에 대한 연구를 수행하였다. 측정은 배출시설 후단 (Controlled)에서 실시하였으며, 표 5는 SRF 사용시설 3개, BIO-SRF 사용시설 2개에서 측정한 PAHs 성분의 가스상과 입자상 농도이다. SRF 사용시설 3개에 대한 ∑PAHs 평균 농도는 93.

대상 데이터

75) μg/m³로 SRF 사용시설에 비해 높게 검출되었다. BIO-SRF 대상시설에서 사용되는 연료는 폐목재류 가연성 폐기물과 수입산 열대식물부산물(캐슈넛)이다. BIO-SRF에서 배출되는 PAHs 농도를 Kim et al.
1 배출가스 중 다환방향족탄화수소-기체크로마토그래피를 적용하여 그림 1과 같이 동시 채취가 가능한 포집장치를 사용하였다(KSME,2016). 가스상 물질은 가스흡수부와 가스흡착부로 구분하여 별도의 흡수액과 XAD-2 (1-0357, Supelco) 및 PUF (Poly Urethane-Foam) 흡착제를 사용하여 시료를 채취하였다. 입자상 물질은 석영재질의 원통형 여지를 시료 채취 전에 850℃에서 3~4시간 강열과정을 거친 후, 아세톤, 헥산, 디클로로메탄 세정 및 건조과정을 거쳐 등속흡인으로 시료를 채취하였다.
com, 2015). 본 연구는 SRF 사용시설 3개, BIO-SRF 사용시설 2개 등 5개 시설을 선정하였다. 선정된 사용시설의 사업장 일반 현황은 표 1과 같다.
PAHs의 유해성 평가를 위해서는 대표물질의 독성을 기준으로 하는 TEF (Toxic Equivalency Factors)를 이용하여 TEQs (Toxic Equivalen Quotients)를 산정하였다. 본 연구에서 사용된 TEFs는 Benzo(a)pyrene의 발암성을 기준으로 부여된 상대독성 계수이며 표 4와 같다(AETDC, 2008).
기기 분석은 선택적 이온검출법인 SIM모드로 분석하였다. 표준물질은 Supelco사의 EPA 610 (Polynuclear Aromatic Hydrocarbons Mixture)을 사용하였으며, 대상 물질은 표 3과 같다. 시료 분석 전 SCAN 분석을 통해 확인된 이온만 선택하여 SIM모드로 정량 분석하였다.

이론/모형

고형연료 사용시설에서 측정된 PAHs 농도에 Nisbet et al.(1992)에서 제시한 독성상대계수를 적용하였다. 그 결과 SRF와 BIOSRF 사용시설에 대한 B(a)P-eq는 각각 27.
현재 PAHs에 대한 국내배출계수 산출 방법이 마련되어있지 않으므로, Hall etal. (2012)에서 사용한 배출계수 산출식을 참고하였다(식 1). 연료사용량은 측정 시 사용된 연료를 일단위로 환산하여 적용하였다.
기기 분석은 선택적 이온검출법인 SIM모드로 분석하였다. 표준물질은 Supelco사의 EPA 610 (Polynuclear Aromatic Hydrocarbons Mixture)을 사용하였으며, 대상 물질은 표 3과 같다.
배출가스 중 PAHs는 수은과 마찬가지로 가스상 및 입자상 물질로 존재한다. 따라서, 시료채취는 대기오염 공정시험기준 ES 01505.1 배출가스 중 다환방향족탄화수소-기체크로마토그래피를 적용하여 그림 1과 같이 동시 채취가 가능한 포집장치를 사용하였다(KSME,2016). 가스상 물질은 가스흡수부와 가스흡착부로 구분하여 별도의 흡수액과 XAD-2 (1-0357, Supelco) 및 PUF (Poly Urethane-Foam) 흡착제를 사용하여 시료를 채취하였다.
시료 채취와 분석 방법은 대기오염공정시험기준을 적용하였다. 대상시설에서 시료채취는 각 3회이며, 채취된 가스상 및 입자상 PAHs에 대해 분석을 진행하였다.

성능/효과

1. 배출특성 분석 결과, SRF 사용시설 ∑PAHs 평균 농도는 93.462 μg/m3이며, BIO-SRF 사용시설 ∑PAHs 평균 농도는 106.235 μg/m3로 SRF 사용시설보다 높게 검출되었다.
SRF와 BIO-SRF 사용시설에 대한∑PAHs 농도는 각각 27.00 μg/m3, 31.52 μg/m3로,배출 농도와 동일하게 BIO-SRF 사용시설에서 높게 도출되었다.
각 성분별 분포 특성을 알아보기 위해 벤젠고리 수로 구분하여 SRF와 BIO-SRF 사용시설에 대한 비교분석을 수행하였다(그림 2). 그 결과 SRF와 BIO-SRF 2개 시설에서 동일하게 2개의 벤젠고리를 갖고 있는 물질이 과반수 이상을 차지하고 있었으며, 다음으로는 5개의 벤젠고리를 갖고 있는 물질이 많이 분포하고 있었다. PAHs의 화학적 특성상 벤젠고리가 밀집한 형태에서 안전성을 보이며, 직선형태로 배열된 경우에는 분자량이 클수록 불안정하다(Hong, 2012).
그 결과, SRF와 BIO-SRF의 ∑PAH 배출계수는 각각 1.631 mg/kg, 1.852 mg/kg으로 도출되어 농도 결과와 동일하게 BIO-SRF에서 높게 나타났다.
그 결과, 고형연료 종류와 시설 운영에 따라 RPF 사용시설 ∑PAHs 농도는 12.26~188.15 μg/m3, WCF 사용시설은 2.79 μg/m3로 다양한 농도범위를 나타냈다.
그 결과, 화목보일러의 ∑PAHs 농도는 261.50 μg/m3로 본 연구 결과에 비해 약 2.5배 높게 나타났다.
65 μg/m³로 조사되었다(NIER, 2011). 따라서, 고형연료 사용시설의 PAHs 유해성은 생활폐기물 소각시설보다 4~5배 정도 낮은 수치로 분석되었다. 그러나 본 연구의 유해성 평가 방법은 B(a)P을 기준으로 산출된 독성상대계수로 분석하기 때문에 B(a)P의 농도 수준에 따라 차이가 클 것으로 판단된다.
본 연구에서는 고형연료의 PAHs 배출특성이 다양하게 나타났으며, 연료 분류체계 변경에 따라 선행연구 비교에서 큰 차이를 보였다. 또한, PAHs의 경우 SRF 사용시설보다 BIO-SRF에서 높은 농도로 검출되어 바이오매스 폐기물 연료에 대한 보다 효과적인 관리와 품질기준 강화가 필요하다고 판단된다.

후속연구

이는 연료 성분에 따른 차이로 발생하는 결과라고 예측할 수 있다. 따라서, 향후 고형연료 사용시설에 대한 관리방안 마련 시 연료 성분 특성에 대한 반영이 필요할 것으로 판단된다.
이러한 결과는 PAHs의 열역학적 안정성이 벤젠고리 형태, 탄소-수소 결합에 따라 달라지기 때문에 나타난 결과라고 볼 수 있다(NIER, 2010). 또한 고형연료 사용시설의 경우 연료 종류와 배출시설 및 방지시설 운영 현황에 따라 농도 결과가 상이할 수 있으므로 보다 많은 관련 연구가 수행되어야 할 것이다.
본 연구에서는 고형연료의 PAHs 배출특성이 다양하게 나타났으며, 연료 분류체계 변경에 따라 선행연구 비교에서 큰 차이를 보였다. 또한, PAHs의 경우 SRF 사용시설보다 BIO-SRF에서 높은 농도로 검출되어 바이오매스 폐기물 연료에 대한 보다 효과적인 관리와 품질기준 강화가 필요하다고 판단된다. 이를 위해 고형연료의 제조사별, 원료성분, 발열량, 수분함량 등에 대한 관리가 엄격히 이루어져야 한다.
PAHs의 화학적 특성상 벤젠고리가 밀집한 형태에서 안전성을 보이며, 직선형태로 배열된 경우에는 분자량이 클수록 불안정하다(Hong, 2012). 또한, 벤젠고리가 3개 이상인 것은 분해속도가 느려 오랫동안 잔류하기 때문에 특정 PAHs 물질에 대한 관리가 필요할 것으로 판단된다.
따라서, 고형연료 사용시설에 대한 연료품질 관리 강화와 시설운영에 대한 전문인력을 확보하여 PAHs를 포함한 다양한 유해대기오염물질 관리가 필요하다. 향후 추가적인 연구 등을 통해 고형연료 유해성에 대한 기초자료를 지속적으로 구축할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐기물 고형연료 사용의 문제점은?	그러나 폐기물 고형연료는 청정연료 사용을 권장하는 기존의 연료정책과 상반되며, 오염물질 배출로 인한 사용시설 인근 지역주민들과의 환경문제를 유발하기도 한다. 환경민원이 빈번하게 발생하는 일부 지역에서는 고형연료 사용시설에 대한 집중단속을 실시하였다.
	본 연구에서 적용한 PAHs의 유해성 평가 산정 방법은?	PAHs의 유해성 평가를 위해서는 대표물질의 독성을 기준으로 하는 TEF (Toxic Equivalency Factors)를 이용하여 TEQs (Toxic Equivalen Quotients)를 산정하였다. 본 연구에서 사용된 TEFs는 Benzo(a)pyrene의 발암성을 기준으로 부여된 상대독성 계수이며 표 4와 같다(AETDC, 2008).
	PAHs 측정 시 유해성 평가를 위해 입자상 뿐만 아니라 가스상도 측정해야 하는 이유는?	유해대기오염물질 중 발암물질을 포함하고 있는 다환방향족탄화수소(PAHs)는 대기 중에서 가스상과 입자상으로 존재한다. 그중 유해성과 관련이 있는 PAHs는 주로 입자상 형태로 존재하지만 기체상 PAHs는 대기 광화학 반응을 거쳐 기존 PAHs보다 강한 다양한 독성물질들을 생성한다(Lee and Lane, 2010, 2009). 따라서 PAHs 측정 시 가스상과 입자상의 동시측정을 통하여 신뢰도 높은 유해성 평가가 이루어져야 한다.

참고문헌 (16)

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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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