미세먼지(PM2-5, PM-10)정량측정에서 측정방법간의 상관관계 분석 = Analysis of the correlation between measurement methods in the quantitative measurement of fine dust (PM-2.5, PM-10)

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Analysis of the correlation between measurement methods in the quantitative measurement of fine dust (PM-2.5, PM-10) Park, Tae Shin Environmental Engineering Major The Graduate School of Environmental Studies Kwangwoon University There are two methods for measuring dust in the air: the gravimetric measurement method and the beta-ray absorption method. However, the gravimetric measurement method has time constraints as it requires 24 hours for collection, and the beta-ray absorption method allows for real-time measurement, but has the disadvantage of securing installation space and high price. A method that can replace this is the light scattering method, which allows real-time measurement and has no restrictions on installation location due to the small size of the equipment. Among the various dust measurement methods announced by the Ministry of Environment in 2016, the light scattering method was deleted as it was rarely used due to its large error rate. However, currently, due to various research and technological developments, the measurement error of the light scattering method has been greatly improved. Considering this, in this study, I attempted to compare and evaluate the correlation between three different measuring instruments using the beta ray absorption method, the gravimetric measurement method, and the light scattering method by simultaneously installing and measuring the fine dust concentration. To compare the beta ray absorption measurement concentration with the gravimetric measurement concentration, calibration of the beta ray measuring instrument was performed. The fine dust concentration ratio between the calibrated the gravimetric measurement and beta-ray absorption measurement was 96% for PM-2.5 and 107% for PM-10, and the correlation coefficient was 0.9614 for PM-2.5 and 0.9250 for PM-10. Measurements by beta ray absorption and light scattering meter were conducted at hourly intervals, but comparative analysis was conducted by applying the average value over a 24-hour period according to the result notation method specified in the air pollution process test standards. The daily average fine dust concentration ratio of the light scattering and the beta ray absorption meter was measured at 71% and 81% for PM-2.5 and PM-10, respectively, and when comparing only the PM-2.5 results of 15㎍/㎥ or more, it was found to be slightly lower at 54%. The correlation coefficient for PM-2.5 was 0.6722～0.9112, and for PM-10 was 0.8230～0.9405. In the case of PM-10, the concentration ratio was 80% in the high concentration section of 50㎍/㎥ or more on an annual basis among the air environment standards, which was not a significant difference compared to the entire section. In order to investigate the effect of humidity, the concentration and correlation coefficient below and above 60% humidity were compared. As a result, for PM-2.5, a fine dust concentration ratio of 74% and a correlation coefficient of 0.8856 were obtained at 60% or less. Above 60%, a fine dust concentration ratio of 69% and a correlation coefficient of 0.9124 were obtained. For PM-10, a fine dust concentration ratio of 85% and a correlation coefficient of 0.7847 were obtained at humidity below 60%, and a fine dust concentration ratio of 77% and a correlation coefficient of 0.9426 were obtained at humidity above 60%. And for PM-2.5, a fine dust concentration ratio of 68% and a correlation coefficient of 0.9605 were obtained at humidity above 70%. For PM-10, a fine dust concentration ratio of 76% and a correlation coefficient of 0.9553 were obtained. As a result of the study, it was confirmed that the deviation between the beta ray absorption concentration and the light scattering concentration used for real-time measurement was greatly improved and similar measurement values ​were obtained. As a result of comparing fine dust concentration ratio between light scattering and beta ray absorption meters over time at high concentration, PM-2.5 had a somewhat low correlation of 50%. However, PM-10 showed a high correlation of 98%, which is similar as the fine dust concentration ratio of the nearby network of national measurement. It was considered that the difference in correlation depending on particle size was due to the different shapes and densities of fine dust, which resulted in differences depending on the viewing angle. It was found that the correlation was relatively high and the deviation was small in the measurement of PM-10 with large particle size. It is believed that light scattering equipment can be used in place of the shortcomings of beta radiation measuring instruments for monitoring such as responding to fine dust in high concentration cities and environmental impact assessment.

국문 초록 (Abstract)

미세먼지(PM—2.5, PM—10) 정량측정에서 측정방법간의 상관관계 분석 대기 중 먼지측정방법으로는 중량농도법과 베타선흡수법을 이용하는 방법이 있으나, 중량농도법은 24시간 포집을 해야하는 시간적 제약이 있 고 베타선흡수법은 실시간 측정이 가능하나 설치 공간의 확보와 높은 가 격으로 인한 단점을 가지고 있다. 이를 대체할 수 있는 방법으로는 실시 간 측정이 가능하고 작은 장비 크기로 인해 설치 장소에 제약이 없는 광 산란법이 있다. 2016년 환경부에서 고시된 여러 먼지측정 방법들 중 광산 란법은 오차율이 커서 거의 사용되지 않아 삭제되었다. 그러나 현재는 다 양한 연구와 기술의 발달 등으로 인하여, 광산란법의 측정 오차가 많이 개선되었다. 이러한 점을 고려하여 이번 연구에서는 베타선흡수법, 중량농도법, 광 산란법을 적용하는 3가지 다른 측정기를 동시에 설치하고 미세먼지 농도 를 측정하여 상호간의 상관관계를 비교하고 평가하고자 하였다. 베타선흡 수 측정값을 중량농도 측정값과 비교하기 위하여 베타선측정기에 대한 교 정을 진행하였다. 교정 완료 후 중량농도/베타선흡수 측정기의 농도비는 PM-2.5는 96%, PM-10은 107%로 나타났으며, 상관계수는 PM-2.5는 0.9614 그리고 PM-10은 0.9250으로 나타났다. 베타선흡수와 광산란 측정기에 의한 측정은 1시간 간격으로 실시하였 으나, 대기오염공정시험기준에 명시된 결과값 표기법에 따라 24시간 기준 으로 평균값을 적용하여 비교분석을 진행하였다. 광산란/베타선흡수 측정 기의 농도비는 PM-2.5와 PM-10에서 각각 71% 및 81%로 측정되었으 며, 15㎍/㎥ 이상의 PM-2.5 결과값만 비교시 54%로 다소 낮아지는 것으 로 나타났다. PM-2.5의 상관계수는 0.6722～0.9112, PM-10은 0.8230～ 0.9405로 나타났다. PM-10의 경우는 대기환경기준 중 연간기준 50㎍/㎥ 이상의 고농도 구간에서는 농도비가 80%로 전체 구간에서와 비교시 큰 차이가 없었다. 습도에 따른 영향을 조사하기 위하여 습도 60%를 기준으로 전후에 대 한 농도와 상관계수를 비교한 결과, PM-2.5는 60% 이하에서는 미세먼지 농도비 74%, 상관계수 0.8856이 얻어졌으며 60% 이상에서는 미세먼지 농 도비 69%, 상관계수 0.9124가 얻어졌다. PM-10은 습도 60% 이하에서는 미세먼지 농도비 85%, 상관계수 0.7847이 얻어졌으며, 습도 60% 이상에 서는 미세먼지 농도비 77%, 상관계수 0.9426으로 얻어졌다. 그리고 70% 이상의 습도에서 PM-2.5는 농도비 68%, 상관계수 0.9605이 얻어졌으며, PM-10은 농도비 76%, 상관계수 0.9553이 얻어졌다. 연구결과, 실시간 측정을 위해 사용하는 베타선흡수와 광산란 측정 값 간의 편차는 많이 개선되어 유사한 측정값이 얻어지는 것으로 확인되었으 며, 고농도시 시간별 광산란/베타선흡수 측정기의 농도비를 비교한 결과 PM-2.5는 50%로 다소 낮은 상관관계를 보이나, PM-10은 98%로 인근에 위치한 국가측정망간의 미세먼지 농도비와 유사하게 측정되었다. 입자 크 기에 따라 상관관계의 차이가 발생하는 것은 미세먼지의 모양과 밀도가 달라서 투시각에 따라 차이가 발생되는 것으로 판단된다. 입자 크기가 큰 PM-10 측정에서 상관관계가 상대적으로 높고 편차가 적은 것으로 조사 되어 고농도시의 미세먼지 대응 및 환경영향평가 등의 모니터링에 베타선 흡수법 측정기의 부족한 부분을 대신하여 광산란법 장비를 사용할 수 있 을 것으로 여겨진다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 및 내용 3
• 제2장 이론 및 선행연구 4
• 2.1 대기오염물질 4
• 2.1.1 입자상물질 4
• 2.1.2 가스상물질 4
• 2.2 미세먼지 7
• 2.2.1 미세먼지 발생원 7
• 2.2.2 미세먼지 성분 구성 7
• 2.3 미세먼지 측정 방법 8
• 2.3.1 베타선흡수법 8
• 2.3.2 중량농도법 10
• 2.3.3 광산란법 11
• 2.4 정도관리 14
• 2.4.1 정도검사 14
• 2.4.2 등가성평가 14
• 2.4.3 정확도 15
• 2.4.4 정밀도 15
• 2.4.5 간이측정기 성능인증 15
• 2.4.6 간이측정기 해외 적용사례 18
• 제3장 연구 방법 19
• 3.1 연구기간 및 장소 19
• 3.2 사용장비 20
• 3.2.1 광산란측정기 20
• 3.2.2 베타선측정기 21
• 3.2.3 중량농도법측정기 22
• 3.3 측정장비의 운영 23
• 3.3.1 시료채취유량 교정 24
• 3.3.2 반복성 25
• 3.3.3 공시험 25
• 3.3.4 최종결과 26
• 제4장 결과 30
• 4.1 중량농도와 베타선흡수 측정결과 상관관계 평가 31
• 4.2 광산란과 베타선흡수 측정결과 상관관계 평가 36
• 4.2.1 계절 변화에 따른 평가 38
• 4.2.2 일별 농도 변화에 따른 평가 41
• 4.2.3 습도 변화에 따른 평가 47
• 4.2.4 고농도 발생시에 따른 평가 56
• 제5장 결론 62
• 참고문헌 65