[논문]서울의 블랙카본 특성 연구

박종성; 송인호; 김현웅; 임형배; 박승명; 신선아; 신혜정; 이상보; 김정호

doi:10.14249/eia.2019.28.2.113

서울의 블랙카본 특성 연구
The Characteristics of Black Carbon of Seoul 원문보기

환경영향평가 = Journal of environmental impact assessment, v.28 no.2, 2019년, pp.113 - 128

초록
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2018년 가을철(9월 5일~10일, 6일간) 수도권대기오염집중측정소에서 미세먼지와 함께 블랙카본(BC, black carbon)의 농도 및 코팅두께를 파악하였다. 가을철 $PM_{10}$은 $23{\pm}12.6{\mu}g/m^3$, $PM_{2.5}$는 $12{\pm}5.8{\mu}g/m^3$으로 다른 계절보다 낮은 수준이었다. Aethalometer로 측정한 BC는 $0.73{\pm}0.43{\mu}g/m^3$, SOCEC로 측정한 EC(elemental carbon)는 $0.34{\pm}0.18{\mu}g/m^3$, SP2로 측정한 rBC(refractory-BC)는 $0.32{\pm}0.18{\mu}g/m^3$으로 측정방법에 따른 농도차이를 보여주었으나, 시계열 분포와 일 변동은 동일한 경향을 나타내었다. 수도권대기오염집중측정소에서 측정된 블랙카본은 자동차와 같은 일차오염원의 영향을 강하게 받았고, 주간과 야간의 출퇴근으로 인한 교통 혼잡 시간대에 높은 특징을 보였다. SP2로 측정한 $PM_{1.0}$ 단일입자에 대한 블랙카본의 개수농도는 84 nm에서 최고치로 관측되었으며, 코팅두께는 43 nm로 산정되었다. 특히 블랙카본 입자의 직경이 작을수록 코팅두께는 증가하였고, 입자의 직경이 증가할수록 코팅두께는 작아지는 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The concentration and coating thickness of black carbon (BC) were measured along with fine dust in the fall of 2018, at the Seoul Metropolitan Area Intensive Monitoring Station (SIMS). In fall, the concentration of $PM_{10}$ and $PM_{2.5}$ was $23{\pm}12.6{\mu}g/m^3$ and $12{\pm}5.8{\mu}g/m^3$, respectively, lower than that in other seasons. The BC level, measured using an Aethalometer, was $0.73{\pm}0.43{\mu}g/m^3$, while the levels of elemental carbon (EC) and refractory-BC (rBC), measured by semi-continuous carbon analyzer (SOCEC) and single particle soot photometer (SP2), were $0.34{\pm}0.18{\mu}g/m^3$ and $0.32{\pm}0.18{\mu}g/m^3$, respectively. As such, the concentration level differed according to the measurement method, but its time-series distribution and diurnal variation showed the same trends. The BC concentration at SIMS was primarily affected by automobiles with higher levels of BC during morning and evening commuting times due to increased traffic congestion. rBC, measured by SP2, had a peak concentration and coating thickness of 84 nm and 43 nm, respectively. Notably, the coating thickness had an inverse relationship with particle size.

주제어

표/그림 (14)

그림 Figure 1. Image of SIMS location map (Google Earth Pro, Ver 7.3.2.5491, Aug. 2018).
그림 Figure 2. Plot of the Wind rose of study period at SIMS.
표 Table 1. Daily weather conditions during the study period at SIMS.
표 Table 2. Instrumentation of the BC and PM_2.5 Measurement at SIMS.
그림 Figure 3. Time variation of PM concentrations (left) and scatter plot (right) at SIMS.
그림 Figure 4. Pollution rose of PM₁₀ (left) and PM_2.5 (right) at SIMS.
표 Table 3. Summary on concentrations of PM₁₀ and PM_2.5.
그림 Figure 5. Time variation of carbon compounds (EC, BC and rBC) and its scattered plots at SIMS.
표 Table 4. Summary on the carbon compounds as EC, BC and rBC
그림 Figure 6. Pollution rose of EC (left), BC (middle) and rBC (right) at SIMS.
그림 Figure 7. Diurnal variation of PM (PM₁₀, PM_2.5) (left) and carbon compounds (EC, BC, rBC) (right)
표 Table 5. Summary on the PM_2.5, EC, BC and rBC in case of the rush-hour and non rush-hour
그림 Figure 8. The rBC size distribution spectrum and number concentrations by SP2 at SIMS.
그림 Figure 9. The rBC averaged size distribution (left) and coating thickness (right) at SIMS.

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 연구에서는 BC의 농도 및 입경분포를 파악하고자 서울 도심에 위치한 수도권대기오염집중측정소에서 가을철 초미세먼지(PM_2.5)와 BC를 연속 측정하였다. 동시에 광학적투과법, 열광학적방법 그리고 레이저 백열측정법을 통해 측정한 BC의 농도를 비교하여 측정방법간의 차이를 산정하였다.

제안 방법

BC 입자의 백열강도를 교정하기 위하여 밀도가 1.20g/cm³인 Aquadag (Aquadag, Aqueous Deflocculated Acheson Graphite, USA)을 이용하여 150 nm, 175 nm, 200 nm, 250 nm, 300 nm, 350 nm, 400 nm 입자의 백열강도를 측정하여 BC 질량과의 관계를 2차 회귀직선으로 산출하였으며, 이 값을 적용하여 BC 농도를 산출하였다.
PM2.5 질량농도는 베타선흡수법을 이용하여 1시간 간격으로 측정하였고, SOCEC를 이용하여 PM2.5 중의 EC (elemental carbon)를 측정하였다.
그러나 rBC는 그 발생원에 따라서 유기 및 무기물질과 혼합될 수 있으며, 대기 중에서 체류시간이 길어질수록 숙성됨에 따라 입경이 커지며 성장할 수 있다. SP2는 고강도 레이저원을 이용하여 실시간으로 PM_1.0(10 - 600 nm) 이하의 에어로졸 입자에 대한 산란 및 백열흡수 스펙트럼을 측정하여 블랙카본의 농도와 입경분포를 분석한다. 레이저가 조사되는 광학챔버에는 산란 및 백열 검출기가 있으며, 검출기에서 측정되는 단일입자에 대한 산란광의 세기는 입자의 직경을 그리고 백열광은 rBC입자의 질량과 비례한다.
5는 대기 중 이차 생성되는 무기이온성분(NH₄NO₃, (NH₄)₂SO₄)과 함께 유기 및 무기탄소성분이 주요한 물질로 고려된다(NIER 2016). 그러므로 3절에서는 PM₁₀과 PM_2.5와 함께 블랙카본의 일 변동 특성과 PM_2.5에 대한 기여율을 비교하여 고찰하였다.
그리고 Aethalometer를 이용하여 PM2.5 중의 BC를 측정하였다.
대기 중으로 배출된 rBC 입자의 코팅두께에 대하여 산정하였다. Figure 9의 오른쪽 그림에서 왼쪽 축은 지연시간(lag time)을 나타내고 오른쪽 축은 코팅두께를 나타낸다.
5)와 BC를 연속 측정하였다. 동시에 광학적투과법, 열광학적방법 그리고 레이저 백열측정법을 통해 측정한 BC의 농도를 비교하여 측정방법간의 차이를 산정하였다. 특히 레이저 백열측정법을 통해 BC의 입경분포를 파악하였고, 입자의 체류시간에 따른 성장특성 및 배출기원에 따른 입자의 특징을 규명하는데 활용되는 BC입자의 코팅두께를 산정하여 제시하였으며, 고농도 미세먼지 사례에서 그 특징을 고찰하였다.
그러므로, 본 연구에서는 정확한 BC 농도 산정을 위하여 Oh 등(2015)의 연구를 참고하여 다음과 같이 교정을 실시하였다. 밀도가 1.05 g/cm³인 표준입자(PSL, Poly Latex, Styrene, NIST, USA) 200 nm, 220 nm, 240 nm, 269 nm, 300 nm를 주입하여 입자의 산란신호를 측정하였으며, 해당 입자의 미 산란(Mie-Scattering) 특성에 따른 산란 단면적과 산란신호를 이용하여 대기시료의 입자 직경을 산출하기 위한 1차 회귀직선을 다음과 같이 산출하였다.
본 연구는 서울시 은평구 불광동에 위치한 수도권대기오염집중측정소(SIMS: Seoul metropolitan area intensive monitoring station)에서 SOCEC(Sunset, USA), Aethalometer (Magee, USA), SP2 (DMT, USA)를 이용하여 입자상탄소성분을 측정하였으며, 동시에 베타선흡수법을 이용한 BAM1020(Meton, USA)을 이용하여 PM₁₀과 PM_2.5를 측정하였다. 측정사이트는 서울 북동부에 위치하며, Figure 1에 정확한 위치를 위성사진으로 나타내었다.
2016). 본 연구에서는 가을철 수도권대기오염집중측정소에서 미세먼지(PM₁₀, PM_2.5)와 EC, BC 및 rBC 단일입자에 대한 농도를 측정하고 코팅두께를 산정하였으며, 결과를 요약 정리하면 다음과 같다.
그러므로 단일입자에 대한 산란광의 피크와 백열광의 피크가 출현한 시간차가 클수록 코팅두께는 증가하며, 반대로 시간차가 작을수록 코팅두께는 작고, 순수한 rBC 입자를 나타낸다. 본 연구에서는 각각의 단일입자에 대한 피크의 시간차이를 산정하여 코팅두께를 분석하였다(Shiraiwa et al. 2010).
본 연구에서는 자당용액(sucrose, sigma-aldrich, 99.999%, USA)을 초순수로 희석하여 1.32 μg/㎕ 농도의 표준시료를 제조하였고, 10 ㎕ 실린지를 이용하여 분취한 후에 시료채취 필터로 사용하는 석영여지를 준비하여 각각 0회, 1회, 2회, 3회, 4회씩 포말한 후 분석하여 검량선을 작성하였다(Park et al. 2015).
18 μg/m³로 BC > EC > rBC 순으로 나타났다. 열광학적방법(EC), 광학적투과법(BC) 그리고 레이저 백열측정법(rBC)을 통해 측정한 BC의 농도를 비교분석하여 측정방법 간 차이와 특징을 고찰하였다.
5 중의 BC를 측정하였다. 이 세 가지 방법은 모두 여지에 기반한 측정방법으로 각각 1시간(PM_2.5, SOCEC) 및 5분(Aethalometer) 간격의 측정주기를 가지는데 반해, SP2는 여지 없이 직접적으로 시료를 광학챔버로 유입시켜 실시간으로 측정한다. 또한 다른 장비는 모두 PM_2.
장비의 검출한계는 0.4μg/m3, 측정농도 범위는 0~40 μg/m3이며(Park et al. 2015), 본 연구에서는 SOCEC 장비로 분석된 성분 중에 원소탄소 성분의 농도를 이용하였다.
최근 백령도와 제주도에서 BC 입자농도와 입경분포에 관한 연구가 진행된 바가 있으며, 이 연구에서는 여지에 기반한 간접적인 측정방법 이외에 레이저를 이용한 백열측정법을 적용하여 BC의 농도와 함께 입경분포를 제시하였다(Oh et al. 2014; Oh et al. 2015). 두 지역 모두 섬이라는 지리적 위치와 배경지역의 특성을 나타내기 때문에, 서울과 같은 도심지역에서 측정한 결과와 비교하면 그 차이와 특징을 파악할 수 있을 것이다.
동시에 광학적투과법, 열광학적방법 그리고 레이저 백열측정법을 통해 측정한 BC의 농도를 비교하여 측정방법간의 차이를 산정하였다. 특히 레이저 백열측정법을 통해 BC의 입경분포를 파악하였고, 입자의 체류시간에 따른 성장특성 및 배출기원에 따른 입자의 특징을 규명하는데 활용되는 BC입자의 코팅두께를 산정하여 제시하였으며, 고농도 미세먼지 사례에서 그 특징을 고찰하였다.

대상 데이터

5를 측정하였다. 측정사이트는 서울 북동부에 위치하며, Figure 1에 정확한 위치를 위성사진으로 나타내었다. SIMS의 지리적 입지(37.

이론/모형

그러므로, 본 연구에서는 정확한 BC 농도 산정을 위하여 Oh 등(2015)의 연구를 참고하여 다음과 같이 교정을 실시하였다. 밀도가 1.
본 연구에서 적용된 BC 흡수계수는 최초 Hansen 등(1984)이 제시한 β-attenuation 방법으로서 석영여지에 포집된 시료에 레이저를 조사하였을 때 근적외선의 880 nm 파장에서 얻어진 16.6 m2/g의 값을 적용하여 분석하였으며, 검출한계는 0.005 μg/m3, 측정범위는 0.01~100 μg/m3이다(Hansen et al. 1983).

성능/효과

1. PM10은 평균 23±12.6 μg/m3이었고, PM2.5는 12±5.8 μg/m3로 연평균기준 및 동일한 지점에서 이전의 측정결과와 비교하였을 때에 비교적 낮은 수준이었으며, PM10과 PM2.5의 농도분포는 기류의 유입 방향에 따라 서로 다른 특성을 나타내었다.
2. 서로 다른 측정방법을 이용한 탄소성분의 시계열 농도는 서로 유사한 분포 경향을 보였고, 농도수준은 각각 EC 0.34±0.18 μg/m3, BC 0.73±0.43 μg/m3, rBC 0.32±0.18 μg/m3로 BC > EC > rBC 순으로 나타났다.
3. 미세먼지와 블랙카본의 일변동 분포를 분석한 결과, 교통 혼잡 시간대에 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 교통 혼잡 시간대에는 PM_2.
4. 대기 중의 블랙카본입자의 코팅두께를 산정한 결과 rBC 입자의 입경이 작을수록 코팅두께가 증가하는 특성을 보였으며, 입경이 증가함에 따라 PM_2.5의 농도증가에 영향을 줄 수 있는 요인으로 작용할 수 있다.
5 농도분포를 Figure 4와 같이 오염장미 그래프로 나타내었다. PM₁₀은 측정소를 기점으로 동남 방면으로부터 북쪽 방면까지 넓은 영역에서 기류가 유입될 때, 농도가 높게 나타났으나, PM_2.5는 주로 남쪽 방면에 서 기류가 유입될 때 높은 특성을 보였다. 이러한 차이는 조대입자의 오염원이 주로 북서 방면에 있음을 추정케 한다.
미세먼지와 블랙카본의 일변동 분포를 분석한 결과, 교통 혼잡 시간대에 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 교통 혼잡 시간대에는 PM_2.5가 평상시의 30 % 수준이 증가하였으며, 블랙카본은 약 50 % 이상 증가하여, 자동차와 같은 이동 오염원에 의한 영향으로 PM_2.5에 대한 블랙카본의 기여도가 크게 증가하는 것을 시사하였다.
풍향 및 풍속을 고려한 측정기간의 BC, EC 및 rBC에 대한 오염장미를 Figure 6에 나타내었다. 그 결과 BC와 EC는 절대농도의 수준 차이는 있지만 거의 같은 분포를 보여 측정방식에 따른 농도 수준차이는 존재하지만 같은 발생원 및 생성기작에서 배출된 성분인 것을 잘 나타내었다. 탄소성분의 오염장미 분포를 Figure 4의 PM₁₀과 PM_2.
특히 SP2로 측정한 rBC의 경우 여지를 사용하지 않고 직접적으로 에어로졸 입자를 2,000 K로 증폭된 레이저 중심점으로 유입시키기 때문에 유기성분이 완전히 제거되고 순수한 탄소입자에 대한 성분을 분석할 수 있다. 그러므로 이러한 장비간의 측정 원리와 분석에 대한 고찰을 통해 본 연구에서 나타난 측정방법간의 농도의 편차를 충분히 설명할 수 있다.
동일한 지점에서 측정된 사례를 고찰하면, 수도권대기오염집중측정소의 EC 농도(2010년~2015년)는 1.1~2.1 μg/m3 범위로서 겨울이 가장 높고 여름철이 가장 낮은 특성을 보이며(NIER 2016), 2016년도 연평균 EC 농도는 1.23μg/m3, 9월 평균은 1.07 μg/m3으로(NIER 2017), 본 연구에서 측정된 EC의 평균값은 2016년 보다 낮은 수준이나, 측정기간이 6일로서 측정기간이 짧은 한계점을 가진다.
5가 가을철보다 높은 경우들이 관측되고 있다(NIER 2016). 본 연구기간에 측정된 가을철 PM_2.5는 과거 동일한 지점에서 측정된 평균농도보다 비교적 낮은 수준으로 판단되지만, 시계열 그래프를 살펴보면 9월 5일부터 7일에는 다른 기간보다 높은 분포를 나타내고 시시각각 변화하는 특성을 나타내고 있다. Figure 3의 산포도를 보면 PM_2.
본 연구에서 사용한 PM2.5와 PM10 측정장비의 정도관리는 자동측정장비와 함께 중량법 측정장비 3대 이상을 동시 측정하여 등가성평가를 수행하였으며, 중량법과 비교결과 선형회귀식의 기울기는 0.9~1.1 범위에 있었고, 절편은 ± 2.25 이내로 평가기준을 만족하였다(NIER 2016).
수도권대기오염집중측정소에서 가을철 측정기간의 특성은 rBC 입경이 작을수록 지연시간이 길게 나타났고, 반대로 rBC 입경이 클수록 지연시간이 짧아져서 170 nm 부근과 그 이상에는 0 μs에 수렴하는 것으로 산정되었다.
측정기간 동안의 rBC의 개수농도분포에 대한 스펙트럼을 시계열로 Figure 8에 나타내었다. 시계열을 통해 분포를 살펴보면, 9월 6일 오전에 가장 높은 개수농도 분포를 보이고 있으며, 주간의 교통 혼잡시간(DT_RH, DayTime_Rush Hour)와 야간의 교통 혼잡시간(NT_RH, NightTime_Rush Hour)에 피크가 반복적으로 나타났다. rBC 개수농도의 스펙트럼은 주로 40 nm~180 nm에서 고 농도구간이 분포하는 것으로 파악된다.
이것은 서울에서 측정된 블랙카본은 입경이 작을수록 코팅두께가 크며, 반대로 블랙카본의 입경이 클수록 코팅두께가 작아져, 블랙카본의 입경이 170 nm 이상에서는 코팅효과가 나타나지 않았음을 의미한다. 입경에 따른 코팅두께를 살펴보면, 수도권측정소에서 측정된 rBC 평균입경 84 nm에 대한 코팅두께는 43 nm이었고, 60 nm rBC입자의 코팅두께는 58 nm, 70 nm rBC 입자는 53 nm로 나타났다. 서울의 rBC 코팅 두께는 미국의 휴스턴 및 달라스와 같은 도시지역의 20 ± 10 nm보다는 두껍고, 생체소각 사례의 65 ± 12 nm보다 얇은 수준으로 파악된다(Schwarz et al.
측정결과 주요 평균값을 살펴보면, PM10은 평균 23±12.6 μg/m3이었고, PM2.5는 12±5.8 μg/m3으로, PM10(50 μg/m3)과 PM2.5(25 μg/m3)의 연평균 기준치 이내로 나타났다.
Figure 5에 나타낸 EC, BC 및 rBC에 대한 시계열 그래프를 보면 EC, BC, rBC가 절대농도 수준의 차이는 있으나, 매우 유사한 분포 경향을 보였다. 측정방법 간의 산포도를 고찰하면 rBC 와 EC의 기울기는 0.8(r2 = 0.69), rBC와 BC는 0.37(r2 = 0.84), EC와 BC는 0.39(r2= 0.87)이었으며, 특히 EC와 rBC는 매우 유사한 농도 수준을 나타내고, BC는 EC와 rBC보다 약 2배 이상 높은 수준으로 파악되었다.

후속연구

2015). 두 지역 모두 섬이라는 지리적 위치와 배경지역의 특성을 나타내기 때문에, 서울과 같은 도심지역에서 측정한 결과와 비교하면 그 차이와 특징을 파악할 수 있을 것이다.
2008). 여기에서 제시한 코팅두께는 6일의 측정기간에 대한 평균값의 정보만을 제공하기 때문에 제한점이 있으며, 장기간에 걸친 측정을 수행하여 다양한 사례에서 코팅 두께의 변화 특성을 고찰할 필요가 있다.
SP2는 높은 시간해상도를 가지며 입자에 대한 다양한 정보들을 포함하기 때문에 자료량이 방대하여 장기간 측정이 어려운 한계가 있다. 이를 극복하고 자료처리 능력을 배양하여 추후 장기간의 측정자료 및 분석결과가 얻어진다면, 시간에 따른 코팅두께의 변화 양상 및 증가비율, 코팅모양의 물리적인 특성들을 분석하여 입자의 성장 및 생성 기원을 추적할 수 있는 과학적인 근거자료 생산이 가능하리라 판단된다.
07 μg/m³으로(NIER 2017), 본 연구에서 측정된 EC의 평균값은 2016년 보다 낮은 수준이나, 측정기간이 6일로서 측정기간이 짧은 한계점을 가진다. 제주도(Oh et al. 2015) 및 수도권(NIER 2016)의 사례와 본 연구결과를 비교 고찰하면, 본 연구기간 중에 측정된 PM_2.5는 낮은 수준인 동시에 PM_2.5를 구성하는 탄소성분도 다른 계절보다 낮아, PM_2.5의 EC와 PM_1.0의 rBC의 농도가 거의 근소한 차이를 나타낸 것으로 판단되며, 추후 다양한 미세먼지 농도수준에서 측정을 수행하여 장비간의 차이를 정립할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	블랙카본의 특징은?	내연기관 및 소각 등의 연소과정을 통해 배출되는 블랙카본(BC, Black Carbon) 및 검댕입자(Soot particle)는 빛을 산란시키기도 하지만 주로 흡수하여 보유하는 특성을 가지고 있어 지구기후복사에너지 균형에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Bond et al. 2013).
	미세먼지와 블랙카본의 일변동 분포를 분석한 결과는?	미세먼지와 블랙카본의 일변동 분포를 분석한 결과, 교통 혼잡 시간대에 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 교통 혼잡 시간대에는 PM2.5가 평상시의 30 % 수준이 증가하였으며, 블랙카본은 약 50 % 이상 증가하여, 자동차와 같은 이동 오염원에 의한 영향으로 PM2.5에 대한 블랙카본의 기여도가 크게 증가하는 것을 시사하였다.
	도시지역 BC 및 검댕입자의 오염원은?	도시지역에서는 BC 및 검댕입자의 오염원으로서 자동차를 주목할 수 있다. 자동차엔진에서 가솔린과 디젤기관 연료원의 주성분은 C8H18, C12H26이며, 이론적인 완전연소 조건에서는 대부분 CO2와 H2O로 분해되지만 연료대비 산소가 부족하거나 연료와 산소의 불안정한 혼합으로 인한 불완전연소 조건에서는 탄화수소화합물이 유기 및 무기탄소와 같은 탄소성화합물로 배출된다.

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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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