Study on the health effects of PM2.5 constituents and source contributions in major metropolitan cities(Seoul, Daejeon, Gwangju, and Ulsan), South Korea

김상철 서울대학교 대학원 2023 국내박사

PM2.5에 대한 노출은 전 세계적으로 사람의 건강에 심각한 위협이 되고 있으며, 사망과 장애에 영향을 미치는 대표적인 위험 인자(risk factor)이다. 우리나라 역시 급속한 산업화 및 도시화에 따라 PM2.5에 의한 심각한 대기질 문제를 겪고 있으며, 대기 중 PM2.5 농도 저감을 위해 다양한 정책이 추진되고 있다. PM2.5는 불균일 혼합물(heterogeneous mixture)로 황산염, 질산염, 유기탄소, 원소탄소 및 비소, 크롬과 같은 중금속 등의 매우 다양한 화학물질로 구성되는데, PM2.5의 화학적 조성은 지역에 따라 다른 (region- specific) 특성이 있다. 이는 PM2.5가 배출원에서의 직접 배출(primary emission) 보다 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 휘발성 유기화합물(VOCs) 등 가스상 전구물질의 대기 중 화학반응에 의한 2차 생성(secondary formation)을 통해 주로 대기 중에 존재하기 때문이다. 즉, 대상지역 및 인근지역의 전구물질 배출량, 대기 중 전구물질의 농도, 기상조건, 오염원의 위치, 지리적 특성 등 매우 다양한 인자들에 의해 PM2.5 조성이 결정된다. PM2.5 화학적 조성은 대상 지역의 PM2.5에 영향을 나타내는 주요 오염원을 규명하고, 각 오염원의 기여도를 산정함에 있어 매우 중요한 요소이다. 또한, 화학적 조성은 궁극적으로 PM2.5 노출이 인체에 유발하는 건강영향과도 밀접하게 연관되어 있기 때문에 보건학적 측면에서의 PM2.5 관리를 위해서는 대상 지역에서의 PM2.5의 구성성분 및 오염원에 의한 건강영향을 정량적으로 산정할 필요가 있다.본 연구에서는“대기관리권역의 대기환경개선에 관한 특별법”에 따라 지정된 4개 대기관리권역을 대표하는 대도시인 서울, 대전, 광주, 울산에서 2014년부터 5년간 분석된 일별 PM2.5 질량농도 및 구성성분 농도를 이용하여 도시별 오염원을 규명하고, 각 오염원의 기여도를 산정하였다. 또한, 같은 기간 PM2.5 구성성분 농도 및 오염원 기여도와 일별 사망자 수 및 응급실 내원환자 수의 연관성을 분석함으로써 PM2.5 노출이 사망과 질병에 미치는 건강영향을 산정하여 건강영향 측면에서 도시별 오염원 관리의 우선순위 선정을 위한 기초자료를 구축하였다.PMF 모델링을 통해 확인된 오염원은 서울, 광주, 울산의 경우 총 10개로 이차 질산염, 이차 황산염, 자동차, 생물성 연소, 소각시설, 토양, 산업, 석탄 연소, 석유 연소, 노후 해염입자 오염원으로 나타났다. 대전의 경우 지리적 위치로 인해 노후 해염입자 오염원은 확인되지 않았고, 나머지 9개 오염원은 다른 도시들과 동일한 것으로 확인되었다. 오염원 기여도에 있어서는 4개 도시 모두에서 공통적으로 이차 질산염, 이차 황산염 및 자동차 오염원에 의한 기여도가 60% 이상으로 나타나 PM2.5가 주로 대기 중 이차생성 및 자동차에 기인하는 것을 확인하였다. 하지만 다른 오염원의 기여도는 도시별 특성에 따라 다르게 나타났는데 특히, 대규모 화력발전소에 인접한 서울, 광주의 경우 석탄 연소 오염원의 기여도가 10% 내외로 높게 나타나 해당 도시에서 네번째로 높은 기여도를 보였다. 반면, 가장 동쪽에 위치한 울산에서는 석탄 연소 오염원의 기여율은 상대적으로 낮았으나 대규모 중화학 공업 도시의 특성이 반영되어 산업 오염원의 기여도가 다른 도시에 비해 월등히 높게 나타났다.PM2.5 구성성분 및 오염원 기여도와 건강영향의 연관성을 분석한 결과는 PM2.5 구성성분 농도 및 오염원 기여도의 단위(IQR) 증가가 전반적으로 사망 및 질병의 상대위험도 증가로 이어짐을 보여주었다. 그러나 구성성분 및 오염원 기여도와 건강영향 사이 연관성의 유의성 및 정도는 지역마다 다르게 나타났다. 먼저 구성성분이 사망에 미치는 영향의 경우 서울, 대전에서는 주로 심혈관계 사망에서 중금속, 유기탄소 등의 구성성분과의 유의한 연관성이 확인되었으나 광주에서는 주로 호흡기계 사망의 상대위험도가 중금속, 이온성분과 밀접한 관계가 있는 것으로 나타났다. 오염원-사망의 연관성에 있어서는 사망의 상대위험도를 증가시킨 구성성분과 밀접한 오염원의 기여도 증가가 사망과 밀접한 것으로 확인되었다. 따라서 PM2.5 노출로 인한 사망 영향을 줄이기 위해서는 도시별 건강영향 분석에 따라 오염원 관리의 우선순위를 마련하고, 각 오염원별 배출량 저감을 위한 정책이 수반될 필요성이 있다. 사망과 다르게 PM2.5 노출에 따른 질병 영향은 주로 호흡기계 질병을 중심으로 구성성분 및 오염원 기여도와 유의한 연관성이 확인되었다. 이 같은 결과는 PM2.5의 주 노출경로가 호흡(inhalation)이고, PM2.5가 매우 미세한 크기로 인해 매질인 공기와 유사하게 거동함에 따라 상기도 뿐만 아니라 하기도인 기관, 기관지, 폐포 등에도 쉽게 도달한 후 염증 반응, 산화스트레스 등의 메커니즘을 통해 호흡기계에 급성 영향을 나타내기 때문으로 판단된다. 상기 메커니즘에 의해 호흡기계 기관에서 생성된 염증성 사이토카인, 활성산소종 등은 다시 전신순환을 통해 심혈관계에 도달해 질병을 유발할 수 있고, 궁극적으로 사망의 위험도를 증가시킬 수 있다. 본 연구의 결과는 대기 중 질량농도 저감에 초점이 맞추어져 있는 현재의 PM2.5 관리정책이 지역별 조성, 오염원 기여도 및 건강영향 특성을 고려한 정책으로 확대될 필요성이 있음을 시사한다. 즉, 환경 오염물질 관리의 궁극적인 목적은 오염물질에 대한 노출이 인체에 유발하는 부정적인 영향을 최소화함으로써 국민의 건강과 안녕을 유지하는 것이기 때문에 지역 특이적인 PM2.5의 조성과 그로 인해 다르게 나타나는 건강영향을 평가함으로써 최적의 대기관리 정책 및 계획 등을 수립하여 실행할 필요가 있다. Exposure to fine particulate matter (PM2.5) has been revealed as severe threats to human health and one of the major risk factors driving both death and disability. South Korea is one of the countries have been suffering from serious air pollution, especially problems related to PM2.5. PM2.5 is a heterogeneous mixture of numerous components such as sulfate, nitrate, organic carbon, elemental carbon, arsenic, lead. The chemical compositional characteristics are highly region-specific because most of the PM2.5 mass concentration is attributable to secondary particles, formed by the reactions among gaseous precursors in the atmosphere. In general, the factors affecting secondary formation are meteorological conditions, source locations, geographical features of the region well as the ambient concentration of gaseous pollutants including sulfur oxides, nitrogen oxides. Therefore, understanding the chemical composition and source profiles in the region of interest is crucial for controlling PM2.5. Moreover, the assessment of health risk caused by PM2.5 exposure needs to conducted to mitigate the adverse health effects from a public health perspective. In this study, the associations of cause-specific mortality and morbidity with both PM2.5 constituents and source contributions were investigated in four metropolitan cities, namely Seoul, Daejeon, Gwangju, and Ulsan. Each city represents the air control zone in the country designated by a special act as of April 2020 to mitigate and control the air pollution on a regional basis. For the analyses, generalized linear model (GLM) was applied to the data including daily health outcomes, the average concentrations of PM2.5 constituents and the results of PMF modelling. The findings show that short-term exposure to PM2.5 constituents largely increased the relative risk (RR) of mortality and morbidity. However, the significance and strength of associations were different among the cities. In addition, source contributions also increased the RR of mortality and morbidity with different strength. In summary, the results of the study imply the importance of approaches based on compositional characteristics and health risk in making proper policies in the region of interest to mitigate the negative health effects of PM2.5 exposure more efficiently.

2019-2020년 전라북도 PM2.5의 화학적 특성과 기원 추정 연구

오상민 전북대학교 일반대학원 2021 국내석사

Study on PM2.5-related research has been increasing since the recent release of information of PM2.5. However, most studies have focused on urban areas than rural areas due to the fact that air pollution mainly results from traffic and industrial process. Recently, PM2.5 concentrations of Jeollabuk-do have been observed the worst level in South Korea, but the study on characteristics of PM2.5 are still lacking in Jeollabuk-do. In this study, we measured concentrations of PM2.5, and its water-soluble ions, carbonaceous species, and elements in Jeonju, a suburban area of South Korea, from May 2019 to February 2020. The average concentration of the PM2.5 was 23.3±13.5 µg/m3, and the major components are sulfate, organic carbons, nitrate and ammonium, which comprise approximately 60 % of PM2.5 mass concentrations. With an increase of PM2.5 concentrations, nitrate and ammonium ions are dramatically increased, and organic carbons and sulfate are decreased. Seven factors were identified in Positive Matrix Factorization (PMF) models analysis: secondary sulfate (25.2 %), mobile (24.6 %), secondary nitrate (19.6 %), biomass burning (11.8 %), Soil (8.4 %), industry (6.2 %), and incineration (4.3 %). During the high concentrations of PM2.5, the contribution of biomass burning, secondary sulfate, and secondary nitrate to PM2.5 was increased remarkably, while the contribution of mobile source was decreased. From the Concentration-weighted trajectory (CWT) and Potential source contribution function (PSCF) model, it showed that the major potential sources-areas of PM2.5 would be originated from local sources related the western part of Jeonju. NH3 and PM2.5 was also collected at a rural site, Jeongeup, which located in western part of Jeonju, during August 2019 ~ August 2020. Annual average concentrations of NH3 and PM2.5 near the target pig farm were 18.1 ppb and 25.2 μg/m3 at upper wind site, 116.0 ppb and 31.9 μg/m3 at source boundary, and 31.0 ppb and 28.2 μg/m3 at downwind site, respectively. There were significant differences between sampling sites in NH3 concentrations, but not in PM2.5 concentrations. Seasonal variation of NH3 showed the highest level in summer at the upper wind site and downwind site, but, surprisingly, the high level observed in winter at the boundary site due to the production of livestock manure and fertilizer. In addition, we investigated the ammonia gas-particle conversion ratio (NHR) resulting in accelerated the formation of SIA of PM2.5. A remarkable enhancement of NHR was observed at the upper wind site and downwind site than the source boundary during measurement period. Moreover, the PM2.5 concentrations increased exponentially with NHR increased, particularly in winter. During measurement periods, most of samples were ammonium-rich conditions regardless of seasons and were characterized by a high nitrate concentration, suggesting that the importance of NH3 to react with acidic species. All these results indicated that NH3 may contributed significantly to SIA formation via gas-to-particle conversions resulting PM2.5 pollution episodes. Furthermore, it showed that the western part of Jeonju, where the livestock industry are concentrated, may be a significant local source area that increases PM2.5 concentrations of Jeonju.

에어로졸의 점성도와 물리적 상태 연구

정라니 전북대학교 일반대학원 2022 국내석사

Although knowledge of the physical state of aerosol particles is essential to understand atmospheric chemistry model and measurements, information on the viscosity and physical state of aerosol particles consisting of organic and inorganic salts and ambient aerosol particles are still rare. Herein, we quantified viscosities at 293 ± 1 K upon dehydration for the binary systems, sucrose/H2O and ammonium sulfate (AS)/H2O, and the ternary systems, sucrose/AS/H2O for organic-to-inorganic dry mass ratios (OIRs) = 4:1, 1:1, and 1:4 using bead-mobility and poke-and-flow techniques. Based on the viscosity-value of the aerosol particles, we defined the physical states of the total aerosol particles studied in this work. For binary systems, the viscosity of sucrose/H2O particles gradually increased from ~4 × 10-1 to > ~1 × 108 Pa‧s when the relative humidity (RH) decreased from ~81% to ~24% ranging from liquid to semisolid or solid state, which agrees with previous studies. The viscosity of AS/H2O particles remained in the liquid state (< 102 Pa‧s) for RH > ~50%, while for RH ≤ ~50%, the particles showed a viscosity of > ~1 × 1012 Pa‧s, corresponding to a solid state. In case of the ternary systems, the viscosity of organic-rich particles (OIR = 4:1) gradually increased from ~1 × 10-1 to ~1 × 108 Pa‧s for a RH decrease from ~81% to ~18%, similar to the binary sucrose/H2O particles. This indicates that the sucrose/AS/H2O particles ranges from liquid to semisolid or solid across the RH. In the ternary particles for OIR = 1:1, the viscosities ranged from less than ~1 × 102 for RH > 34% to > ~1 × 108 Pa‧s at ~27% RH. The viscosities correspond to liquid for RH > ~34%, semisolid for ~34 % < RH < ~27%, and semisolid or solid for RH < ~27%. Compared to the organic-rich particles, in the inorganic-rich particles (OIR = 1:4), drastic enhancement in viscosity was observed as RH decreased; the viscosity increased by approximately 8 orders of magnitude during a decrease in RH from 43% to 25% resulting in liquid to semisolid or solid in the RH range. Overall, all particles studied in this work were observed to exist as a liquid, semi-solid or solid depending on the RH. Furthermore, we compared the measured viscosities of ternary systems with OIRs of 4:1, 1:1, and 1:4 to the predicted viscosities using the Aerosol Inorganic–Organic Mixtures Functional groups Activity Coefficients Viscosity model (AIOMFAC-VISC) predictions with the Zdanovskii–Stokes–Robinson (ZSR)-style organic–inorganic mixing model, with excellent model–measurement agreement for all OIRs. From the observation of the physical state of PM2.5 samples collected in Seoul and Beijing, we suggest that PM2.5 particles exhibited various phases in the atmosphere and even existed as three phases of liquid-liquid-(semi)solid. The PM2.5 particles in Seoul could exist in a liquid state, in two phases of liquid-liquid, three phases of liquid-liquid-(semi)solid, and in a (semi)solid state depending on RH. In addition, during the winter sampling period, PM2.5 particles in Seoul were observed to be in liquid-liquid state due to high RH in the atmosphere, inorganic fraction and aerosol liquid water content (ALWC) of PM2.5. Contrary to the physical state of PM2.5 particles in Seoul, PM2.5 particles in Beijing could exist in a liquid state, two phases of liquid-(semi)solid and (semi)solid state as the RH decreases. PM2.5 particles in Beijing were observed to be dominated by the liquid-(semi)solid state, low RH in the atmosphere, inorganic fraction and ALWC of PM2.5. From these measurements, it was concluded that the physical properties of PM2.5 particles in the atmosphere were related to RH in the atmosphere, chemical composition and ALWC of PM2.5.

수도권지역 대기 중 초미세먼지의 탄소성입자 및 PAHs의 특성 연구

김선화 서울시립대학교 일반대학원 2013 국내석사

Carbonaceous species are known to have effects on visibility and photochemical impairment and polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) in ultrafine particles(PM2.5) have impacts as carcinogenics and mutations influencing human health. In this study, Seoul metropolitan areas were classified by residential, commercial and industrial areas for choosing sample sites during Feb.~Sep. 2012. Some of the average concentrations in certain PM2.5 exceeded daily PM2.5 standard by 2015 Ambient Air Quality Standards in Korea, 50㎍/㎥ specially in spring and winter. Those were mainly considered areas due to meterological effects and sources in china in the spring and an increase of energy consumption for heating in the winter. Total Carbon(TC) of PM2.5 concentrations accounted for roughly 20~30%, Organic Carbon(OC) 13~19%, Elemental Carbon(EC) 4~6%. OC portion constituted approximately 60~70% of TC. OC3 concentration of OC fractions was higher than estimated, mainly due to vehicle exhaust source and OC2 was detected in relatively high concentrations in the summer which is considered due to SOC. SOC with nitrogen compounds, ozone etc. might cause photochemical smog and visibility impairment. PAHs concentrations in PM2.5 were 4.06ng/㎥ in the spring, 3.63ng/㎥ in the summer, 3.76ng/㎥ in the fall, 10.33ng/㎥ in the winter and the benzene rings distribution of PAHs were higher in 3~4 rings. Phenanthrene(PHE), Naphthalene(NP) and Benzo(b)Fluoranthene(BbF) were detected the highest concentrations among 16 PAHs species during a specific period. PAHs are considered to be related with combustion processes, motor vehicles, illegal burning, fossil fuel combustion and various complicated sources. The correlations analysis of carbonaceous species and PAHs suggested that PAH distributions were dominated by the presence of BC, rather than OC. The results were analyzed showing that EC has similar emission sources to the sources of PAHs. 미세먼지 PM2.5 중 시정감소 및 광화학적 영향을 끼칠 수 있는 탄소성입자와 발암성 및 돌연변이를 일으킬 수 있는 PAHs의 특성을 수도권 지역 내 주거지역, 상업지역, 공업지역으로 구분하여 분석하였다. 측정기간 동안 PM2.5의 평균농도는 봄철과 겨울철에 24시간 기준 50㎍/㎥을 초과하였으며 특히 봄철은 중국대륙의 기후 및 생활환경에 영향을 받은 것으로 판단하며, 겨울철은 급격한 기온 저감으로 인한 에너지 사용량 증가의 원인으로 분석된다. PM2.5 농도 중 탄소성 입자의 농도분포는 20~30%, OC(Organic Carbon)는 13~19%, EC(Elemental Carbon)는 4~6%의 농도비율을 차지하였으며 TC(Total Carbon) 중 OC는 60~70%로 검출되었다. 채취된 시료의 농도는 전반적으로 이동오염원의 발생원으로 추정되는 OC3의 농도가 높게 나타났으며, 특히 SOC(Secondary Organic Carbon)의 특징을 가지는 OC2는 여름철에 상대적으로 높은 농도로 검출된 것으로 볼 때 질소산화물, 오존 등과 결합하여 광화학 스모그를 생성하고 시정장애 및 인체에 위해하게 작용할 가능성이 있다고 판단하였다. PM2.5 농도 중 PAHs의 농도분포를 살펴보면, 봄철 4.06ng/㎥, 여름철 3.63ng/㎥, 가을철 3.76ng/㎥, 겨울철 10.33ng/㎥으로 겨울철 PAHs의 농도가 가장 높게 검출되었으며, 벤젠고리별 분포특성을 살펴본 결과 3~4 ring으로 연결된 중·고비점 화합물의 농도가 높은 비율을 나타내는 것으로 확인되었고, PAHs 16종 물질 중 Phenanthrene(PHE), Naphthalene(NP), Benzo(b)Fluoranthene(BbF)이 가장 높은 농도를 나타내었으며 PAHs의 특정농도비로 산출된 값과 종합하여보면 선행 연구된 자료들과 유사한 배출원인 디젤 및 가솔린을 연료로 사용하는 이동오염원과 산업용 연료의 연소 시 발생되는 물질의 영향을 받은 것으로 판단하였다. 탄소성입자와 PAHs 농도의 상관분석은 유기물질로 분리되는 PAHs가 EC와 상관관계가 존재하는 것으로 산출된 값을 통해 확인할 수 있었으며, 이는 PAHs와 EC의 발생원이 유사하고 PAHs의 16종 중 분자량이 높은 물질이 EC의 특성과 비슷한 점을 고려하였을 때 도출된 결과라고 할 수 있다.

장기간 모니터링 자료를 이용한 PM2.5 오염특성 분석 및 오염원 기여도 추정

임득용 경희대학교 대학원 2014 국내박사

차량의 증가와 가정 및 산업시설에서의 화석연료 소비량의 빠른 증가는 도심지역의 대기오염을 악화시키는 주요 오염원인으로 간주되고 있다. 이렇게 다양한 오염원으로부터 배출된 다양한 오염물질은 시정악화와 같은 지역규모부터 온실효과와 같은 지구규모에 이르기까지 심각한 대기오염문제를 유발한다. 특히 대기 중 초미세입자 (PM2.5)의 인체와 생태계에 미치는 위해성으로 PM2.5에 대한 관심은 고조되고 있다. 이에 본 연구는 장기간 모니터링 자료를 이용하여 대기 중 PM2.5의 농도패턴 변화를 분석하고, 대기질 변화에 직·간접적으로 잠재적인 영향을 미칠 수 있는 기상요소 및 헤이즈 (haze)나 황사 (Asian dust)와 같은 자연환경인자, 그리고 사회적 및 정책적 인자들을 함께 고려하여 주요 성분들의 장기적인 변동 특성을 해석하고자 하였다. 이러한 분석자료에 수용방법론 중 PMF 모델을 적용하여 본 연구지역의 대기질에 영향을 미치는 PM2.5의 주요 오염원을 확인하고, 각 오염원의 정량적 기여도를 추정하고자 하였다. 또한 모델링 결과를 토대로 연구지역의 PM2.5 오염원에 대한 효과적인 관리 및 대응방안을 마련하고자 하였다. 본 연구에서는 1989년 1월부터 2012년 4월까지 경희대학교 국제캠퍼스에서 시료를 채취하였다. 시료채취지점 주변으로 주거 및 상업지역, 그리고 중소산업시설이 자리하고 있으며, 특히 정문 앞으로 왕복 8차선 도로가 있고 5 ㎞ 거리에 경부고속도로와 용서고속도로가 지나고 있다. 연구지역의 대기질 농도는 정부의 활발한 대기질 관리정책 시행 덕분으로 2000년대 중반까지 감소하였으나, 이후 다시 증가하는 추세이다. 특히 PM2.5의 연평균 농도는 34.3 ㎍/㎥에서 59.0 ㎍/㎥의 범위로 존재하며, 이는 대기환경 연평균 기준농도인 25 ㎍/㎥를 크게 초과하는 수치이다. Sulfate, nitrate, ammonium 등 주요 이온성분 농도는 각각 7.42 ㎍/㎥, 6.37 ㎍/㎥, 3.60 ㎍/㎥로, 이들 2차 분진의 주요 성분은 PM2.5에 대하여 50∼60%의 질량분율을 보였으며 전체 이온성분에 대하여 83.3%의 분율을 보였다. 인체에 유해한 대표적인 무기원소 성분인 Cr, Ni, Pb는 시료채취 기간에 따라 두 개의 그룹으로 구분하였으며, PM2.5의 질량분율은 A그룹이 Pb (0.29%) > Ni (0.07%) > Cr (0.04%)이었고 B그룹은 Cr과 Pb (0.08%) > Ni (0.07%) 이었다. PM2.5 농도는 2008년 이후 haze 발생 시에 주로 nitrate, sulfate, ammonium 이온 등 2차 분진의 영향으로 매우 높았으며, haze의 발생빈도 또한 증가하였다. 게다가 haze는 과거 주로 겨울철에 발생하였으나 최근에는 모든 계절에 걸쳐 관측되고 있다. 고농도 PM2.5는 haze 뿐만 아니라 황사와도 밀접한 관련이 있는데, haze 관측 시 일평균 농도는 13.1 ㎍/㎥∼212.9 ㎍/㎥로 분포하며 황사 관측 시에는 33.6 ㎍/㎥∼124.6 ㎍/㎥으로 분포하여 대부분 대기환경기준 일평균 농도인 50 ㎍/㎥를 크게 초과하는 것으로 나타났다. 2007년 5월부터 2012년 4월까지의 PM2.5에 대하여 PMF 모델링을 수행한 결과 모두 8개의 오염원이 확인되었으며, 장거리운송 기인 산업 오염원, 소각 오염원, 석탄연소 및 토양 오염원, 자동차 오염원, 생체량연소 오염원, 2차 분진 오염원, 산업관련 오염원, 기름연소 오염원 등이었다. 각각의 오염원 기여도는 2차 분진 오염원 26.5% (11.4 ㎍/㎥), 자동차 오염원 24.2% (10.4 ㎍/㎥), 석탄연소 및 토양 오염원 13.9% (6.0 ㎍/㎥), 소각 오염원 13.2% (5.7 ㎍/㎥), 기름연소 오염원 11.6% (5.1 ㎍/㎥), 장거리운송 기인 산업 오염원 4.6% (2.0 ㎍/㎥), Cl-rich 산업관련 오염원 3.4% (1.5 ㎍/㎥), 생체량연소 오염원 2.6% (1.1 ㎍/㎥) 이었다. 마지막으로 선행연구 (2005년∼2007년)와 본 연구 (2007년∼2012년)의 PMF 결과의 비교에서 장거리운송 기인 산업 오염원과 Cl-rich 산업관련 오염원이 새롭게 확인되었으며, 각 오염원의 조성에도 차이가 있었다. 석탄연소 및 토양 오염원은 22.7% (7.4 ㎍/㎥)에서 13.9% (6.0 ㎍/㎥)으로, 생체량연소 오염원은 16.2% (5.5 ㎍/㎥)에서 2.6% (1.1 ㎍/㎥)으로 감소하였다. 2차 분진 오염원은 32.0% (10.0 ㎍/㎥)에서 26.5% (11.4 ㎍/㎥), 소각 오염원은 15.7% (4.5 ㎍/㎥)에서 13.2% (5.7 ㎍/㎥) 이었다. 기름연소 오염원은 7.2% (3.0 ㎍/㎥)에서 11.6% (5.0 ㎍/㎥)으로, 그리고 자동차 오염원은 6.2% (1.5 ㎍/㎥)에서 24.2% (10.4 ㎍/㎥)으로 각각 증가하였다. 따라서 본 연구지역의 최근 대기질은 PM2.5의 질량농도가 증가하였음이 확인되었고, 주로 자동차 관련 오염원의 영향을 많이 받는 등 인위적 행위로부터 발생되는 오염물질에 의해 점차 악화되고 있는 것으로 분석되어 이를 제어하기 위한 관리방안을 모색하여야 한다. With the adverse effects on air quality, human health, visibility, cloud formation, and even climate change, atmospheric fine particles (PM2.5) recently has drawn keen attention from research scientists and public all over the world. The rapid increase of vehicles and fossil fuel consumption in domestic and industrial facilities has been regarded as the main polluters for the deterioration of air quality in urban areas and thus they are highly ranked as primary sources of PM2.5. The objective of this study is to understand the air quality trends of the study area by long-term monitoring data and referring to socio-environmental events occurred during the sampling period, qualitatively identify of effective sources and quantitatively estimate the contribution of each source by PMF modeling, and finally suggest optimal PM2.5 control and management strategies considering the regional environmental conditions. For accurate investigation of air pollution trends at a specific area long-term monitoring is essential because air quality can be easily changed with any social and various meteorological events in a short time. In this study, PM sampling conducted from January 1989 to April 2012 at Kyung Hee University, Global Campus. This sampling site is surrounded by residential and commercial area and small industrial facilities as well. In particular, there are 8-lane road in front of the campus and 2 highways (Seoul-Busan and Yongin-Seoul Highways) passes about 5 ㎞ away. The total of 264 PM2.1 and 248 PM11 samples were collected by using a low volume cascade impactor and total of 355 PM2.5 and 2,171 PM10 samples collected by using a high volume air sampler. Each chemical component was analyzed by IC, XRF, and ICP-AES and the raw data were used as input profiles for PMF modeling. The PM trends varied in accordance with social and environmental conditions. Generally PM levels decreased until mid-2000 by virture of active air pollution control and management policies by the government but after then PM2.5 levels have remarkably increased unlike PM10. The annual average PM2.5 concentration varied from 34.3 ㎍/㎥ to 59.0 ㎍/㎥ and it is much higher than the new PM2.5 standard set as 25 ㎍/㎥ (annual) and it would be activated on Jan. 1, 2015. The concentration levels of main ionic species such as sulfate, nitrate and ammonium were 7.42 ㎍/㎥, 6.37 ㎍/㎥ and 3.60 ㎍/㎥, respectively. The mass fraction of PM2.5 of these ions to major components of secondary aerosol was 50∼60% and the fraction to total ion was 83.3%. The concentration levels of 3 representative inorganic elements such as Cr, Ni, and Pb were divided into 2 groups based on time period. The mass fraction of PM2.5 were Pb (0.29%) > Ni (0.07%) > Cr (0.04%) in Group A, and Cr and Pb (0.08%) > Ni (0.07%) in Group B. The PM2.5 concentration shows very high levels and it is dominated by secondary aerosol, primarily as nitrate, sulfate and ammonium ions during haze phenomena and the frequency of haze has increased since 2008. Moreover, haze mainly occurred during the winter in the past but it is observed in all seasons these days. The level of PM2.5 are strongly associated with haze and Asian dust episode. Daily concentrations of PM2.5 were ranged 13.1 ㎍/㎥∼212.9 ㎍/㎥ in haze days and 33.6 ㎍/㎥∼124.6 ㎍/㎥ in Asian dust days, most of the cases considerably exceeded daily standard of 50 ㎍/㎥. The PMF modeling for PM2.5 was intensively conducted to estimate quantitative contribution of each source based on the chemical information (in case of 232 samples and 22 chemical species). Through repeated trial-and-error procedures, the total of 8 factors were determined. The 8 sources were initially identified as a long-range transported industrial, a incineration, a coal and soil related, a motor vehicle, a biomass burning, a secondary aerosol, an industrial related, and an oil combustion sources. From the results of the PMF modeling for PM2.5, the sources were apportioned by secondary aerosol 26.5% (11.4 ㎍/㎥), motor vehicle 24.2% (10.4 ㎍/㎥), coal and soil related 13.9% (6.0 ㎍/㎥), incineration 13.2% (5.7 ㎍/㎥), oil combustion 11.6% (5.1 ㎍/㎥), long-range transported industrial 4.6% (2.0 ㎍/㎥), industrial related (Cl-rich) 3.4% (1.5 ㎍/㎥), and biomass burning 2.6% (1.1 ㎍/㎥), respectively. Comparing PMF results between prior study (2005∼2007) and this study (2007∼2012), new sources such as long range transported industrial source and Cl-rich industrial source were identified and some changes in composition of each source were recognized. Coal and soil related source decreased from 22.7% (7.4 ㎍/㎥) to 13.9% (6.0 ㎍/㎥), biomass burning source decreased from 16.2% (5.5 ㎍/㎥) to 2.6% (1.1 ㎍/㎥), secondary aerosol source varied from 32.0% (10.0 ㎍/㎥) to 26.5% (11.4 ㎍/㎥), incineration source varied from 15.7% (4.5 ㎍/㎥) to 13.2% (5.7 ㎍/㎥), oil combustion source increased from 7.2% (3.0 ㎍/㎥) to 11.6% (5.0 ㎍/㎥), and further motor vehicle source increased from 6.2% (1.5 ㎍/㎥) to 24.2% (10.4 ㎍/㎥), respectively. Thus this study area is greatly influenced by the vehicle source.

춘천 지역에서 채취한 대기 중 PM2.5와 그 구성성분의 분포특성에 관한 연구

鄭珍姬 강원대학교 2009 국내석사

약 2년 8개월의 기간동안 채취된 222개의 PM_(2.5) 시료의 평균 농도는 36.5 ㎍/㎥로 측정되었다. 계절별 평균 농도는 여름철 및 가을철에 비하여 봄철과 겨울철이 높았다. 또한 국내 및 국외의 다른 지역과 비교한 결과, 서울지역(43 ㎍/㎥)과 비슷한 수준을 보이고 있었다. 환경부 자동측정망 자료인 춘천시 중앙로의 PM10과 강원대학교 옥상의 PM_(2.5)의 일 변화는 비슷한 경향을 나타내었다. 각 계절별로 이온들의 PM_(2.5)에 대한 기여율은 여름철이 제일 높았으며, 봄, 가을, 겨울은 비슷한 수준으로 나타났다. 수용성 이온 성불들 중 가장 많은 부분을 차지하고 있는 SO₄^(2-)는 2007년 여름철이 제일 높은 농도를 보였으며, 춘천지역 NO₃^(-)는 SO₄^(2-)와는 반대로 여름철에 낮은 농도를 그리고 겨울철에 높은 농도를 나타냈다. 여름철에는 광화학반응으로 인해 2차 SO₄^(2-)의 생성이 활발하나, 2차 NO₃^(-)의 경우 온도 의존성으로 인해 여름에는 다량이 가스상(HNO₃과 NH₃)으로 전환되기 때문이다. 또한 춘천의 외곽은 농, 축산업으로 자연적 배출원에 의해 배출된 상대적으로 높은 NH₃ 농도로 인해, PM_(2.5) 내 존재하는 NO₃^(-)와 SO₄^(2-)의 주요 형태는 NH₄NO₃와 (NH₄)₂SO₄로 파악된다. 탄소 성분의 구성형태는 계절별로 OC, EC와 SOC의 경우 공통적으로 겨울철이 높은 농도를 보였으나, PM_(2.5)에 대한 평균 기여율은 OC, EC와 SOC의 성분 모두 여름철이 높게 나타났다. 특이한 양상으로 2005~2006년 겨울철동안 SOC는 가장 높은 기여율을 나타내었고, 산정된 J 값으로 인해 에어로졸이 산성상태로 존재한다는 것을 보여주었다. 따라서 2005~2006년 겨울철에 존재하는 산성입자가 SOC의 불균질 생성반응을 크게 촉진시켜 SOC의 기여율이 높아졌다고 추측된다. 춘천시의 PM_(2.5) 농도는 기상요인에 크게 영향을 받는 것으로 밝혀졌다. 춘천시의 대표적인 기상 특성인 안개는 2차 에어로졸의 생성반응을 증가시키는 한편, 기존에 생성된 2차 에어로졸이 용액 상태가 되면서 크게 미세입자의 농도를 증가시키는 것으로 추측된다. 또한 안개는 탄소 성분의 증가에도 영향을 끼쳤다. 안개뿐만 아니라 춘천시의 PM_(2.5) 농도는 뚜렷하게 중국으로부터의 장거리 이동 영향을 크게 받는 것으로 밝혀졌다. 혼합고도가 낮아 일반적으로 농도가 높게 나타나는 겨울철의 경우에도, 중국으로부터의 편서풍이 존재하지 않을 때에는 상당히 낮은 농도를 나타내었다. 결론적으로, 춘천시 내에 중-대규모 대기오염 배출시설이 존재하지 않음에도 불구하고 서울 및 수도권 지역과 유사한 PM_(2.5) 농도를 보이는 이유는 장거리 이동을 통한 외부로부터의 유입(특히 중국)과 춘천 특유의 빈번한 안개의 발생 때문으로 보인다. 따라서 춘천시 PM_(2.5) 농도를 감소시키기 위해서는 수도권 지자체의 협력을 통해 국가 배출량 인벤토리의 개선뿐만 아니라 동북아시아 내 장거리 이동에 대한 국가 간 협력이 절실하다고 판단된다. Fine particles (PM_(2.5)) were collected and analyzed from November 2005 through August 2008 in Chuncheon, Korea to investigate the characteristics of PM_(2.5) and its ionic constituents. The average PM_(2.5) concentration during the study period was 36.5 ㎍/㎥, which is almost two times higher than the annual US NAAQS PM_(2.5) standard of 15 ㎍/㎥. PM_(2.5) concentrations were higher in spring and winter than in summer and fall. This higher concentration in winter was most likely due to the combination of increased emissions from combustion sources for heating and the lower mixing heights, while lower PM_(2.5) in summer was possibly related to the large amounts of wet deposition. During spring, Asian Dust events dramatically enhanced PM_(2.5) concentrations, and long-range transport of PM_(2.5) emitted in industrial area of China often occurred during winter based on trajectory analysis. Contribution of PM_(2.5) to PM10 concentrations ranged from 71.9 ㎍/㎥ during Asian Dust events to 457.2 ㎍/㎥, indicating that a large portion of PM_(2.5-10) was transported from China during Asian Dust events. Among the major ionic constituents SO₄^(2-) showed the highest concentration, followed by NH₄^(+), NO₃^(-) and NO₂^(-). Chuncheon appeared to be NH₄^(+) rich environment, indicating that (NH₄)₂SO₄ and NH₄NO₃ were the predominant forms of NO₃^(-) and SO₄² in PM_(2.5). Carbonaceous compounds in PM_(2.5) including OC and EC were also analyzed. The mean concentration of OC tended to be higher during the winter than the one during the summer, however EC had the lowest concentration in winter. Fraction of secondary organic carbon to total OC was higher in winter as the ammonium availability index, J had the same seasonal variation. This result indicates the possibility that acidic particles in winter might enhance the heterogeneous production of SOC. Fog has frequently occurred in Chuncheon since So-Yang dam was constructed in 1973. Fog events were observed on 48 days during sampling period, and the average PM_(2.5) concentration was approximately 1.3 times higher during fog events than during non-fog events. This result suggests that fog enhances the secondary aerosol formation because the aerosol spontaneously absorbs water to form a saturated salt solution, deriving a significant increase in the mass of the particle.

背景地域의 PM_(2.5)에 관한 硏究

박기형 東亞大學校 大學院 2001 국내석사

대기 오염물질의 장거리 이동에 관한 문제는 어떤 한국가에 한정된 것이 아니고 주변지역국가에 영향을 줄 수 있는 국제적인 문제라 할 수 있겠다. 발생원에서 배출된 대기 오염물질은 대기 중 광화학반응이나 확산 등의 작용에 의하여 변화하며 넓은 지역으로 이동하기 때문에 국지적인 오염이라기보다는 전지구적 환경문제로 다루어 질 수 있으며 그 관심이 증대되고 있다. 동북아시아 지역의 우리나라를 비롯한 일본, 그리고 최근 공업화가 급속도로 진행되고 있는 중국 등에서 각종 배출원으로부터 대량의 대기 오염물질이 배출되고 있으며, 이의 확산·이동으로 인한 대기 오염물질의 국가간이동 (transport) 및 침착 (deposition)의 문제, 산성우 (acid rain fall)의 피해가 우려되는 실정이다. 이들 대기오염물질은 자국에서 유입·유출되는 배출량을 정량 하고, 배출원을 규명하는데는 많은 따르기 때문에 이에 대한 기초적인 자료로써 인위적인 오염원이 없는 배경지역에 대한 연구가 필요한 실정이다. 주변지역에 대한 배출량과 특성을 조사함으로 배경농도의 정도를 알 수 있고 실제 배출되어 외부로부터 수송되어 오는 물질을 정량화 할 수 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 배경지역의 미세입자를 대상으로 오염의 정도와 특성, 동태등을 조사하고자 하였다. 대기 중에 존재하는 입자상 물질은 매우 다양한 특성을 가지고 있다. 이러한 입자의 특성을 결정짓는 요인에는 입경, 화학적 성분, 입경분표, 액적과의 친화력, 입자의 광산란 특성 및 흡수 등이 있다. 대기 중의 부유성 입자상 물질 중 조대입자 (coarse particle)는 자연침강 (settling)에 의해 쉽게 제거되지만 미세입자 (fine particle)는 배출원에서 가스상 물질이 일단 배출된 뒤 광화학 반응 등 기상조건에 의해 2차 입자로 전환된 것들이 대부분이며 대기 중에 장시간 체류하며 자연 침강보다는 강우의 세정 (scavenging)작용 및 상변화 등의 과정에 의해 응축, 응결되어 거대입자에 부착되거나 성장된 후 대기 중에서 제거된다. 그러므로 PM_(2.5)는 기류의 이동에 따라 수백∼수 천 km의 다른 지역까지 운반되어 산성강하물의 침착으로 인해 그 지역의 오염도를 증가시킬 수 있다. 특히 2차 입자 (secondary particles)는 거의 대부분이 PM_(2.5) 영역에 해당하며 시정의 악화, 재산상의 피해 및 동·식물 등에 끼치는 영향이 상대적으로 크다. 국가간 대기 오염물질의 이동은 과거와는 달리 분쟁의 소지가 있으며 산성비 및 월류성 대기 오염물질에 대한 국가간 협약 및 공동조사 등의 연구가 진행되고 있다. 특히, 우리나라는 인접국의 영향을 크게 받고 있으며 봄철의 황사 및 중국 동부 연안의 배출에 항시 노출되어 있다. 이를 위한 대책으로 현재 제주도 고산 등에서 공동 조사중인 East-Asia Program이 진행중이며 배경농도 자료의 축적을 위해 한국, 일본, 미국, 중국등이 공동으로 대처하고 있다. 그러나 서해지역을 중심으로 많은 자료들이 조사되고 있으며 일본에 영향을 줄 수 있는 동해지역의 배경농도 자료는 거의 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 부산시 주변 배경지역인 기장을 대상으로 배경지역내의 PM_(2.5) 미세입자에 대한 화학적 성상을 조사하고 배출원의 영향을 검토하였다. 또한, SAS 통계분석을 이용하여 주성분 분석을 실시, PM_(2.5) 배출원을 규명하고자 하였다. This paper is to investigate and study characteristics of PM_(2.5) in background area. PM_(2.5) samples were collected in Gijang site, clean area and close to seaside located in the northeast of Busan. PM_(2.5) aerosol samples were collected using the FH95 sampler. Samples were measured for particle mass, water soluble components (SO_(4)^(2-), NO_(3)^(-), Cl^(-), Na^(+), NH_(4)^(+), K^(+), Mg^(2+), and Ca^(2+)), and trace metallic elements (Al, Fe, Mn, Mg, Ba, Pb, Zn, Cu, Ni, and V). Mass concentration was about half level (19.93㎍/㎡) compared to urban area. Nss-chloride ion has negative value, and the reason is thought to be "Chlorine loss" due to reaction between NaCl(s) and acidic aerosol in coastal area. It is thought to be that sulfate ion was by long range transport considering nss-sulfate takes up 93% of total sulfate. Ammonium has very high correlation with nss-sulfate (0.61) compared with ss-sulfate (0.04), and this result shows that ammonium sulfate compounds ((NH_(4))_(2)SO_(4), NH_(4)HSO_(4), (NH_(4))_(3)H(SO_(4))_(2)) came from long distance when there is almost no anthropogenic sources near sampling site. Al and Fe of metallic elements have high concentration similar to other area, and this is thought to be natural sources like soil, etc. compared with urban area showing high concentration of Pb, Cr from vehicle, iron & steel industries. Principal component analysis shows sulfate and ammonium ions are factor 1 of ionic components, and this results shows that this area and PM_(2.5) are more affected by secondary particles of fine mode than primary particles of sea salt. In case of metallic elements, two groups, natural origin sources (Al, Fe, Mn, Mg, and Ba) and anthropogenic origin sources (Pb, Zn, Cu, Ni, and V), were estimated but there is no specific factor due to local characteristics without any anthropogenic emission.

춘천시 대기 중 PM2.5 내 유기 탄소의 농도 특성 및 배출원 평가

박종민 강원대학교 2017 국내석사

In this study, atmospheric organic carbon (OC) concentrations in PM2.5 have been higher than those measured in urban and/or industrial areas. This study was initiated to identify the major causes enhancing the OC concentrations. PM2.5 and its OC concentrations were measured at Chuncheon in Korea from April, 2012 to August, 2015. Average PM2.5 concentration was 27.8±18.8 ㎍/㎥, exceeding the annual PM2.5 standard of 25 ㎍/㎥. Average OC and elemental carbon (EC) concentrations were 7.8±4.6 ㎍/㎥ and 1.2±0.9 ㎍/㎥, respectively. Average primary organic carbon (POC) and secondary organic carbon (SOC) concentrations were 4.7±3.1 ㎍/㎥ and 3.4±2.7 ㎍/㎥, respectively. SOC fraction was accounting for 43.1%. however, the SOC fraction have been reported to be lower than those measured in other cities, suggesting that the influences of secondary formation were no significant. The mean concentrations of WSOC were 4.0±1.8 ㎍/㎥ with increased values in winter and decreased values in summer, and WSOC/OC ratios (mean: 0.51) were higher in spring and winter than in summer. Average total PAHs concentration was 7.6±8.9 ng/㎥ and the average concentrations of individual PAH have the decreasing order of IcP (20.3%) > Phe (11.4%) > Chr (11.3%). In this study, high OC/EC ratio (7.7) and good correlation between EC and OC (R = 0.79, p<0.0001) were found, suggesting that OC and EC were likely to have similar sources and it was primary emissions source such as biomass burning except vehicle source. Average WSOC/OC ratio was 0.51 and good correlation between WSOC and OP, POC were found, suggesting that biomass burning was possibly important for WSOC formation. Correlation between KBB and OC were found, suggesting that the influences of biomass burning were significant. PAHs were estimated to be influenced by coal combustion and biomass burning when source estimateds were made using the PAHs ring number and the diagnostic ratio. strong correlation between POC and SOC for the samples of the top 10% OC/EC ratio, suggesting that long-range transport of SOC precursors as well and EC and POC was postulated to be important in this city. Good correlation between PM10 concentrations in Seoul and Chuncheon were found, suggesting that air pollutant of Seoul was postulated to be important in this city. Conclusion, the influences of biomass burning and long-range transport were significant, while, secondary formation were no significant. 본 연구는 PM2.5 성분 중 유기 탄소의 농도가 다른 도시에 비해 높은 농도를 나타내어 춘천의 PM2.5 내 유기 탄소 농도 증가에 영향을 미치는 주요 배출원을 파악하기 위해 실시되었다. 2012년 4월부터 2015년 8월까지 PM2.5 시료를 채취하여 PM2.5 질량 농도를 측정하고 PM2.5 내 유기 탄소의 농도를 분석하였다. 대기 중 PM2.5 농도는 27.8±18.8 ㎍/㎥로 연평균 기준치를 초과하는 높은 농도가 나타났다. OC와 EC 농도는 각각 7.8±4.6 ㎍/㎥, 1.2±0.9 ㎍/㎥로 나타났다. POC와 SOC의 농도를 추정한 결과 각각 4.7±3.1 ㎍/㎥, 3.4±2.7 ㎍/㎥로 나타났으며 OC에 대한 비율은 각각 58.9%, 43.1%를 차지하였다. SOC는 다른 지역과 비교하였을 때 낮은 비율을 나타내었으며 대기 중 2차 생성 반응으로 인한 유기탄소에 대한 영향은 적은 것으로 나타났다. WSOC 농도는 4.0±1.8 ㎍/㎥으로 겨울철 농도는 증가하고 여름철은 감소하였다. 그리고 WSOC/OC의 평균은 0.51로 봄과 겨울이 여름보다 높았다. PAHs 농도는 7.6±8.9 ng/㎥로 나타났으며 IcP, Phe 및 Chr이 각각 20.3%, 11.4% 그리고 11.3%로 높게 나타났다. 춘천은 높은 OC/EC ratio(7.7)과 OC와 EC가 좋은 상관성(R=0.79, p<0.0001)을 나타냈으며 이것은 자동차 연소 외 1차 배출원의 영향을 받는 것으로 나타났다. 평균 WSOC/OC ratio는 0.51로 나타났으며 WSOC와 OP, POC와의 상관성이 나타나 생체 소각의 영향을 받는 것으로 나타났다. KBB와 OC는 상관성을 보였으며 이것은 생체 소각으로 인한 1차 배출원의 영향을 받는 것으로 나타났다. PAHs는 고리 개수와 Diagnostic ratio를 사용하여 배출원 추정을 하였을 때 석탄 연소 및 생체 소각의 영향을 받는 것으로 추정되었다. 상위 10% OC/EC ratio 시료의 경우 POC와 SOC가 좋은 상관성을 나타내었으며 이것은 중장거리 이동에 대한 영향을 받는 것으로 판단 할 수 있다. 또한 서울과 춘천의 PM10 농도도 좋은 상관성을 보여 풍상지역인 서울의 대기오염물질이 춘천에 영향을 미친다고 판단하였다. 결론적으로 춘천의 높은 유기 탄소 농도에는 생체 소각과 중장거리 이동에 의한 영향을 받으며 대기 중 2차 생성 반응에 의한 영향은 적은 것을 알 수 있었다.

춘천에서 바이오매스 연소가 PM2.5의 농도에 미치는 영향 - 레보글루코산을 포함한 화학적 구성 성분을 중심으로

최수연 강원대학교 대학원 2021 국내석사

Atmospheric fine particles (PM2.5) has an adverse health effect, allow its long range transport, and effectively reduce visibility. It is emitted by both anthropogenic sources such as vehicle exhaust and biomass burning and natural sources including soil suspension and ocean spray. Majority of PM2.5 is secondarily formed in atmosphere through gas phase oxidation, gas-aerosol partitioning, and/or heterogeneous oxidation of volatile organic compounds. Previous studies have suggested that high PM2.5 concentration was significantly affected by regional- and long-range transport and atmospheric secondary formation in Chuncheon, Korea. It was also anticipated that biomass burning was important to high PM2.5 episode in this city. In the previous studies, K+ was used as a tracer of biomass burning; however, it can also be emitted from soil and ocean spray. In this study, the chemical constituents of PM2.5, including levoglucosan, a more accurate biomass burning tracer, were analyzed to determine the effect of biomass combustion on PM2.5 concentration. Concentrations of eight soluble ionic compounds (SO42-, NO3-, Cl-, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, NH4+), organic carbon (OC), elemental carbon (EC), and levoglucosan and its isomers (mannosan and galactosan) were identified. During the study period, average PM2.5 concentration (19.4 ± 13.1 µg/m3) exceeded the annual national ambient air quality standard (15 µg/m3), and about 8% of total samples exceeded the daily national ambient air quality standard (35 µg/m3). Correlation between K+ and levoglucosan was statistically significant but showed relatively low correlation coefficient, indicating that K+ is not a good enough tracer to identify the effect of biomass burning. It was determined that the biomass burning was an important source to increase PM2.5 concentration during fall and winter. In case of high PM2.5 concentration episodes, both biomass burning and secondary inorganic aerosol formation were found to be important. Based on backward trajectories, it was confirmed that biomass burning occurred in China affected the PM2.5 in Chucheon via long-range transport. In addition, the good correlations between levoglucosan and secondary PM2.5 components are likely to indicate that secondary organic and inorganic aerosol formation actively occurred in the biomass burning plume. 대기 중 초미세먼지(PM2.5)는 인체 건강에 대한 악영향을 미치며, 시정장애 등 다양한 문제를 야기한다. PM2.5는 화석연료의 연소, 자동차 배출가스, 소각로 등과 같은 인위적 오염원에서 직접 배출되는 1차 에어로졸과 대기 중 가스상 오염물질의 응축 및 입자상 오염물질과의 반응을 통해 생성되는 2차 에어로졸로 구분될 수 있으며, 대기 중 체류시간이 길어 장거리 이동이 가능하다. 지금까지 춘천에서 진행된 선행연구 결과에 의하면 춘천의 PM2.5는 중장거리 이동의 영향을 받은 것으로 파악되었으며, 2차 에어로졸의 활발한 생성이 중요하다고 제시되었다. 반면 바이오매스 연소를 포함하는 국지적 배출 역시 고농도 현상을 야기하는 것으로 추정되었다. 이러한 선행연구에서는 K+을 이용하여 바이오매스 연소 영향을 추정하였다. 그러나, K+는 바이오매스 연소 이외에 토양 및 해염입자로도 배출되기 때문에 바이오매스 연소의 영향을 파악하기에는 한계가 존재한다. 따라서 본 연구에서는 더 정확한 바이오매스 연소 지표 물질로 사용되고 있는 levoglucosan을 포함한 PM2.5의 화학적 구성 성분을 분석하여 바이오매스 연소 영향을 파악하고, PM2.5 농도를 높이는 주된 원인을 파악하고자 하였다. 연구기간 동안 PM2.5의 질량 농도와 더불어 PM2.5를 구성하는 8종의 수용성 무기이온(SO42-, NO3-, Cl-, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, NH4+)과 유기탄소(organic carbon: OC), 무기탄소(elemental carbon: EC), 그리고 levoglucosan 및 그 이성질체(mannosan, galactosan)를 분석하였다. PM2.5 평균 질량 농도는 19.4 ± 13.1 µg/m3으로 연평균 대기환경기준 농도(15 µg/m3)를 초과하였으며, 일평균 기준 농도(35 µg/m3)를 초과한 시료는 전체 시료의 8%를 차지하였다. 바이오매스 연소 지표물질인 K+과 levoglucosan과의 상관분석 결과 통계적으로 유의하지만 다소 낮은 상관성을 나타내어 K+만으로는 바이오매스 연소 영향을 확인하기에는 한계가 있는 것으로 판단하였다. 또한 levoglucosan을 이용하여 PM2.5 농도에 대한 바이오매스 연소 영향을 추정한 결과 가을과 겨울의 바이오매스 영향이 큰 것으로 확인되었다. PM2.5 고농도 에피소드의 경우 바이오매스 연소 및 2차 생성 에어로졸의 생성이 중요하게 나타났으며, 바이오매스 연소는 장거리 수송으로도 유입되어 영향을 주는 것으로 확인되었다. 바이오매스 연소 지표자와 2차 무기 에어로졸 성분 사이의 좋은 상관성은, 바이오매스 연소 연기에서의 2차 무기에어로졸 생성 반응의 중요성을 시시한다.

포천지역 대기중 PM2.5와 PM10의 화학적 특성에 관한 연구

최규식 대진대학교 대학원 2009 국내석사

본 연구는 경기 포천지역의 PM2.5 및 PM10의 화학적 조성에 대한 특성을 해석하고자 포천시 선단동에 위치한 대진대학교에서 2009년 3월 30일부터 4월 24일까지 토요일과 일요일을 제외하고, 매일 오전 10부터 익일 오전 10까지 24시간 연속으로 PM2.5 및 PM10을 동시 측정하여, PM2.5 및 PM10의 질량농도와 주요 수용성 이온성분 (Cl-, NO3-, SO42-, Na+, NH4+, K+, Ca2+, Mg2+)을 분석 하였다. 시료채취기간 동안 24시간 평균 질량농도는 PM2.5 와 PM10이 각각 19.36∼102.2㎍/㎥, 23.51∼157.55㎍/㎥으로 매우 넓은 범위에 걸쳐 나타났으며, 이 기간 동안 질량농도의 전체 평균을 보면, PM10의 경우 우리나라 환경부의 PM10 연간 평균 기준치 50㎍/㎥를 1.3배 이상 초과한 것이고, PM2.5는 미연방 대기질 기준 (NAAQS)인 연평균 15㎍/㎥보다는 3배 이상 초과한 결과를 보였다. 또한, 국내․외 환경기준과의 농도 차이가 PM10보다는 PM2.5에서 큰 것으로 나타났으며, 기준치 초과횟수도 미세먼지인 PM2.5에서 높게 나타난 것은 인체에 보다 유해한 것으로 알려진 2.5㎛ 이하 미세먼지의 오염이 조대입자에 비해 심각한 수준임을 의미한다고 할 수 있겠다. PM2.5 와 PM10 중 수용성 이온의 성분별 농도분포를 보면 음이온성분은 SO42- > NO3- > Cl- 순으로 나타났으며, 양이온성분은 NH4+ > Na+ > Ca2+ > K+ > Mg2+의 순으로 나타나 PM2.5 와 PM10이 같은 농도분포 경향을 보였다. PM2.5 및 PM10의 질량농도와 수용성 이온성분들과의 상관관계는 Cl-, NO3-, SO42-, Na+, NH4+, K+이 유사한 경향을 보였으며, 그 중에서 NO3-, SO42-, NH4+, K+는 높은 상관계수를 나타냈다. 또한 PM2.5 및 PM10 중 수용성 이온성분간의 상관관계도 질량농도와 이온성분간의 상관관계와 유사한 경향을 보였다. 반면, Mg2+ 및 Ca2+과의 상관관계에서는 PM10의 경우 질량농도와 이온성분들과의 상관관계와 이온성분들 간의 상관관계에서 모두 높은 상관계수를 나타냈지만, PM2.5의 경우에서는 모두 0.4이하의 역 상관관계를 나타냈다. 이와 같은 결과로 볼 때 PM2.5의 경우에는 자연적 오염원보다는 인위적 오염원에 의한 영향을 더 많이 받으며, PM10의 경우에는 Mg2+, Ca2+와 같은 자연적 오염원과 NO3-, SO42-와 같은 인위적 오염원의 영향을 동시에 받는 것으로 판단된다. PM2.5 및 PM10에서 Mg2+, Ca2+과 다른 이온 성분들 간의 상관관계가 전혀 다른 경향을 나타냈지만, PM2.5 및 PM10에서 모두 NO3-, SO42-, NH4+, K+의 상관관계가 높게 나타난 것으로 볼 때 본 연구의 대상 지점인 대진대학교의 PM2.5 및 PM10의 농도는 자연적 오염원에 의한 영향도 있지만 그보다는 인위적 오염원에 의한 영향이 더 큰 것으로 판단된다. 따라서 포천지역의 PM2.5의 화학적 조성을 정량적으로 설명하기 위해서는 K+, Mg2+, Ca2+와 같은 토양에 기인한 오염원의 영향을 고려한 추가적인 연구가 필요하다고 하겠다.