한국환경분석학회지제 17 권 ( 제 3 호 ) 161~172, 2014 J. of the Korean Society for Environmental Analysis SMPS-APS 를이용한 PM 10 및 PM 2.5 질량농도모니터링가능성평가 박종성 문광주 박승명 송인호 김현재 홍유덕 한진석 국립환경과학원기후대기연구부대기환경연구과 Possibility of the PM 10 and PM 2.5 Concentration Monitoring System using SMPS-APS Combination Jong-Sung Park, Kwang-Joo Moon, Seung-Myung Park, In-Ho Song, Hyun-Jae Kim, Yu-Duck Hong, and Jin-Seok Han Air Quality Research Division, National Institute of Environmental Research, Seoul 122-706, Korea Received September 12, 2014/Revised September 19, 2014/Accepted September 26, 2014 The tandem monitoring system composed of Scanning Mobility Particle Sizer and Aerodynamic Particle Sizer (SMPS-APS) was simultaneously operated with other PM mass monitoring devices using β-ray absorption method such as BAM 1020 at Seoul intensive monitoring site during over 3 months, 2010. The monitoring results of SMPS-APS combination and β-ray absorption method show high correlation when the relative humidity was between 40 % and 60 %. On the other hands, the correlation between two monitoring methods was obviously low in high humidity due to the hygroscopic growth of particles. In addition, several Asian dust (AD) and high PM episodes observed during the monitoring period seemed to make a difference to the monitoring results. The SMPS-APS system underestimated the PM 10 mass concentration during AD periods because the counting efficiency of APS decreases for the large particles (> 5 µm), whereas the overestimating the PM 2.5 mass for high PM episodes due to hygroscopic growth of fine aerosol and recounting the small particles in the boundary size range of SMPS and APS was observed. Key words: Scanning mobility particle sizer; Aerodynamic particle sizer; PM 10 ; PM 2.5 ; Seoul intensive monitoring site 1. 서론대기중입자상물질은생성과정에따라크게일차오염물질과이차오염물질로구분된다. 일차오염물질은일차배출원이주발생원이며비교적발생량파악이용이하고최근들어다양한배출량규제정책에의한배출량개선이이루어졌지만, 이차오염물질은오히려증가하여고농도미세먼지오염사례를유발하는사례가늘어나고있다. 1) 이차오염물질은주로광화학반응을통해기체상오염물질이입자상물질로변환되는등주로화학반응을통해생성되고미세입자의질량농도와시정에직접적인영향을미치며일차오염물질에 비해입자의크기가작아상피세포에직접침투하기때문에인체에매우유해한것으로알려져있다. 2-3,5,18) 최근들어이와같은발생특성및인체위해성을가지는미세입자에대한관심이높아짐에따라대기중미세입자의생성원인을규명하기위한많은연구가수행되고있다. 특히입자의생성원인을규명하는데중요한인자로활용될수있고먼지의동역학연구와모델링의중요한기본자료로제공될수있는미세입자의입경분포에대한모니터링이다양한분야에서시도되고있다. 일반적으로대기중입자상물질은입자의기원과직경에따라 nucleation mode, aitken mode, accumu- To whom correspondence should be addressed. Tel: +82-(0)2-3157-0371, Fax: +82-(0)2-3157-0374, E-mail: psofc@korea.kr
162 박종성 문광주 박승명 송인호 김현재 홍유덕 한진석 lation mode, coarse mode 로나눌수있다. Nucleation mode의입자들은 0.01 µm 이하의입경입자들로응축된 OC와황산의증기등이깨끗한환경에서핵을형성하여생성되고, aitken mode는입경범위가 0.01~ 0.1 µm로고온연소과정에서발생된 OC, 황산, 중금속등의증기가응축되어생성된다. 1) Accumulation mode 는입경범위 0.1~2.5 µm로황산염, 질산염, 암모늄, OC, EC, 중금속, 미세지각성분들로이뤄지며 Coarse mode는 2.5~100 µm의입자들로지각성분, 해염성분, 꽃가루등을포함한다. 3) 이러한입경범위를포함하는넓은입경범위에대한입경별개수농도및분포특성을실시간을측정하고파악할수있는 SMPS-APS system은대기중입자상물질의생성원인및생성메커니즘에대한많은정보를제공할수있다는점에서큰강점을가지고있다. 4) 본연구는입자의입경을분해하여입경에따른개수를측정하는 SMPS-APS system과 β-ray 흡수법장비간의질량농도비교를통해 SMPS-APS system의미세먼지질량농도모니터링가능성을검토하였고서울지역대기중미세입자의입경과습도변화에따른밀도변화를살펴보았다. 2. 연구방법본연구는서울시은평구불광동환경정책평가연구원내수도권대기오염집중측정소 (37 o 36'N, 126 o 55'E, 67m a.s.l.) 에서 2010년 4월부터 6월까지실시간연속측정한결과를사용하였다. 10.6 nm~495.8 nm 입자들은 DMA (Differential Mobility Analyzer) 와 CPC (Condensation Particle Counter) 로구성된 SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) 를사용하였고, 500 nm 이상의입자들은 APS (Aerodynamic Particle Sizer) 를사용하여측정하였다. 본연구에사용된 SMPS와 APS의운전조건은 Table 1과같다. SMPS는전하를가진먼지에전기장을가하면그크기에따라입자의속도와궤적이변화한다는점을이용하여 5 nm~0.5 µm 초미세먼지의입경및먼지분포를측정한다. SMPS는입자의전하를중성화하기위한 Kr-85 쌍극하전기 (bipolar charger), 유량과높은전압을조절하기위한조절부그리고전기적유동성을이용해입자를분류하는 DMA로구성되어있으며, SMPS 내에유입된 1µm 이하의다분산입자들은방사성쌍극하전기를지나면서중성화된다. 이입자는 DMA로유입되어입자크기별로전기적유동성에따라분류된다. DMA는각기다른전극을띠는전극봉두개가한축으로구성된다. 상부로유입된입자는두전극봉사이의좁은유로를축중심으로돌면서음전하를띠는입자들은외부전극으로이동하고, 전하를띠지않는입자들은빠른유속을타고제거되며, 양전하를띠는입자들은자기장에이끌려 DMA 중심에위치한전극봉으로이동한다. 이때입자들은내부전극봉안에위치한 12개의슬릿을통해단분산되어 DMA를빠져나간다. SMPS는최대 108개의입경채널을가진다. 빠져나온단분산입자들은 0.01 µm이상크기를가지는입자들의개수농도를측정하는 CPC 내에서입자표면에알코올증기를응축시켜광학적입자검출기로입자개수를측정한다. 5) SMPS와는다르게 APS에서는개별입자가내장펌프에의해입자가속노즐과광학산란장치로구성되어있는측정부로유입이되는데, 입자가노즐에서가속될때작은입자일수록관성력이작아큰입자일때보다빠른속도로가속되어노즐끝부분에서의입자속도가빨라지게된다. 이때입자가일정한간격을유지하고있는 2개의레이져를통과하면서산란시키는 2개의펄스간격을측정하여입자의 Table 1. Specifications and operation conditions of SMPS-APS used in this study SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) APS (Aerodynamic Particle Sizer) Dilution Ratio 20:1 Classifier Model 3080 Aerosol P 0.250 DMA Model 3081 Total P 0.450 Impactor (cm) 0.0508 Classifier Model 3321 Neutralizer Kr-85 Sheath Flow (L/min) 4.0 DMA Sheath Flow (L/min) 5.0 Aerosol Flow (L/min) 1.0 DMA Aerosol Flow (L/min) 0.5 ADP Voltage (V) 223 Particle size range(nm) 10.4~504.8 Particle size range (µm) 0.523~19.81 Measuring time per scan (sec) 1800 Measuring time per scan (sec) 1800 Particle size resolution (channels) 108 Particle size resolution (channels) 52
SMPS-APS 를이용한 PM 10 및 PM 2.5 질량농도모니터링가능성평가 163 속도 (TOF, Time of Flight) 를구하고공기역학적입경으로변환된다. 이때구형 비구형및모양이불규칙한입자등에상관없이공기중에서같은속도를가진입자들은같은크기로표현되는공기역학적입경을측정한다. 광증배검출기 (Avalanche Photo Detector) 에서감지하는산란된빛의양에해당하는전기적인신호로부터광학적입경에관계된산란강도까지도측정이가능한장비로써입경분해능이우수하며저농도뿐만아니라고농도 (0.001~10,000 개 /cc) 용으로도사용이가능하다. 일반적으로대기중에부유하는최소 0.3 µm에서최대 20 µm크기에어로졸의입경분포를실시간으로측정하는데, 0.3~1 µm구간에서 10개, 1~2.5 µm에서 13개, 2.5~5 µm에서 9개, 5~10 µm에서 10개, 10~20 µm구간에서 10개의총 52개의입경채널을가진다. 6) 미세먼지의질량농도측정은대기중부유하는입자들을일정시간동안연속적으로필터에채취하여미세 입자의 β-ray 흡수소멸량으로부터입자의질량농도를측정하는간접법장비인 BAM TM 1020(Met One Instruments) 를사용하였다. 3. 결과및고찰 3.1. 측정기간중기상조건기상청에서측정한불광동 AWS 자료를사용하여 2010년 4, 5, 6월의기상조건을살펴보면평균기온은 16.8, 평균습도 59.3 %, 평균풍속 2.4 m/s 이었다. 측정기간중평균기온은월 6~7 o C 씩상승했고, 강수량또한증가하였다. 주풍향은북서풍과동풍계열이며, 동풍은남동풍에서북동풍으로변하는추세를보였다. 6월의북동풍은오호츠크해기단의영향으로늦봄 ~ 초여름사이에태백산맥을넘어영서지방으로부는높새바람으로전년동월의기상자료와비교해보면측 Table 2. Meteorological condition at Seoul intensive monitoring site Temp ( o C) Wind Speed (m/s) Rainfall (mm) RH (%) April 9.7 2.4 64.5 54.1 May 17.3 2.2 104.0 62.2 June 23.4 2.8 126.5 61.5 Fig. 1. Wind rose at Seoul intensive monitoring site in (a) April, (b) May, (c) June, 2010. Fig. 2. Variation of meteorological condition at Seoul intensive monitoring site.
164 박종성 문광주 박승명 송인호 김현재 홍유덕 한진석 정기간의기온과상대습도가낮은수준을보였다. 이는오호츠크해기단이한반도에보다큰영향을주었던것으로사료된다. 측정기간중 4월 2회 (4월 1일 15시 ~21시, 4월 2일 08시 ~4월 3일 00시 ), 5월 2회 (5월 1 일 13시 ~18시, 5월 11일 11시 ~13시 ) 의황사가각각관측되었으며, 6월에는고농도미세먼지사례가 1회 (6 월 17일 ~18일 ) 관측되었다. 8) 3.2. 미세먼지입자의밀도추정측정지역에따라편차가있으나일반적으로개수농도에서질량농도로변환할때입자들은밀도 1.6 g/cm 3 의완전한구로가정한다. 습기가없는미세입자의경우입자의주요구성성분은황산암모늄 (Ammonium Sulfate, AMSUL)( 비중, ρ p = 1.8 g/cm 3 ), 질산암모늄 (Ammonium Nitrate, AMNIT)(ρ p = 1.9 g/cm 3 ), EC (ρ p =2g/cm 3 ), OC (ρ p = 1~1.5 g/cm 3 ) 이다. 4,16) 2010 년도수도권대기오염집중측정소에서측정한 PM 2.5 는 26.6 µg/m 3, 탄소성분의농도는 OC가 3.9 µg/m 3, EC 가 1.5 µg/m 3, 황산암모늄과질산암모늄은각각 9.7 µg/m 3, 6.4 µg/m 3 이며, 중금속성분으로유추한토양유추성분 (CM) 은 5.0 µg/m 3, 미량유해성중금속 (TM) 농도는 0.1 µg/ 인것으로보고하였다. 11) 관측지점은도심지에위치하며인위적오염물질의영향이많은특성으로인하여자동차배출가스및일차에어로졸형태로나타나는 EC와아황산가스, 이산화질소등이물리화학적으로반응하여이차적으로발생하는황산암모늄, 질산암모늄의농도가다른지역보다높은수준인것으로알려져있다. 12,13) 이성분들은비교적높은비중을가지므로입자의밀도를증가시킬수있다. 측정지점의토양유추성분밀도는지각의평균밀도인 3.1 g/cm 3 로가정하고, As, Se, Cr, Pb, Mn, Ni과같은미량유해성중금속밀도는각성분의밀도와연평균질량농도비를통해약 8.8 g/cm 3 로산정하였다. 이러한미세먼지성분조성과성분에따른밀도를통해추정된불광동측정지점의미세먼지밀도는약 1.9 g/cm 3 수준이다. 그러나대도시에서미세먼지의밀도는자동차와같은직접적인배출의영향을받는것으로알려져있으며, Friedlander (2000) 는 LA의초미세입자들은구형의형태이기보다비구형의응집된입자들로이루어져있는것으로보고하였고, 14) 이러한비구형의응집된형태의입자들은자동차와같이고온의연소에서발생하며, 구형입자와공기역학적직경이같을지라도더큰표면적을가지고있어일반적으로밀도가더작은것으로 Fig. 3. Comparison of SMPS-APS to β-ray absorption methods ratio slope and density. 알려져있다. 15) 그러므로측정지점의미세입자밀도는다음의두가지조건에만족하는범위에서결정되어야할것으로판단된다. 즉, 측점지점의미세먼지밀도는 1) 미세입자가완전한구형인건조한상태의조건임을반영하였을때의밀도인 1.6 g/cm 3 이상이여야하며, 2) 측정지점이도시지역으로직접적인배출원에노출되어있음을반영할때에, 모든성분이고려되어산정된 1.9 g/cm 3 보다그밀도는작은범위에수렴되어야한다. Fig. 3은 2010년 4, 5, 6월의 SMPS-APS의개수농도를질량농도로환산할때사용한미세입자의밀도에따른 SMPS-APS와 β-ray 장비간의질량농도비기울기이다. PM 2.5 는 1.62 g/cm 3 의밀도일경우에기울기 1로 1:1 대응선에제일근접하게분포하였고, PM 2.5-10 의경우에는 1.92 g/cm 3 일때기울기 1에근접하게나타나조대입자일수록입자의밀도가높은것으로사료된다. 그러므로수도권의 PM 2.5 의밀도는약 1.6 g/ cm 3 이며, PM 10 의밀도는 2010년 PM 2.5 /PM 10 Ratio 평균이약 0.65 11) 인것을감안할때약 1.7 g/cm 3 수준인것으로사료된다. 3.3. SMPS-APS와 β-ray 장비간의질량농도비교 Fig. 4, 6, 8은월별 β-ray 흡수법장비와 SMPS- APS의질량농도비교시계열이다. Chueinta와 Hopke (2001) 는여러성분의입자를 β-ray 흡수법과 FRM (Federal Reference Method) 중량법으로비교했을때오차가 ±6 % 이내인결과를보여주었고, 7) Chung의연구에서는 BAM TM 1020과 FRM법으로측정한결과가기울기 0.95, 절편 1.36 µg/ 상관계수 0.99로매우좋은상관성을나타내는등 β-ray 장비는이미여러선행연구를통해연속모니터링장비로서
SMPS-APS를 이용한 PM10 및 PM2.5 질량농도 모니터링 가능성 평가 165 Fig. 4. Hourly PM2.5 and PM10 mass concentration comparison of SMPS-APS and β-ray monitoring instruments in April 2010. Fig. 5. SMPS-APS concentration vs. β-ray absorption methods concentration in April 2010. Fig. 6. Hourly PM2.5 and PM10 mass concentration comparison of SMPS-APS and β-ray absorption methods in May 2010. 의 성능이 검증되었다.16) SMPS-APS와 β-ray 장비 간 4, 5, 6월 평균 상관계 수는 약 0.8로 비교적 좋은 상관성을 보였다. 4월의 상 관계수는 PM2.5 0.77, PM10 0.85 이며, 5월은 PM2.5 0.72, PM10 0.82, 6월은 PM2.5 0.86, PM10 0.85 이 다. 조대입자 농도가 높은 황사가 발생한 4, 5월은 PM10의 상관계수가 높게 나타났고, 미세입자 농도가 높 은 고농도 미세먼지 사례를 보인 6월은 PM2.5의 상관 계수가 높게 나타났다. 월별 측정방법 간 연관성을 살 펴보면 PM2.5와 PM10의 기울기가 각각 4월 0.84,
166 박종성 문광주 박승명 송인호 김현재 홍유덕 한진석 Fig. 7. SMPS-APS concentration vs. β-ray absorption methods concentration in May 2010. Fig. 8. Hourly PM2.5 and PM10 mass concentration comparison of SMPS-APS and β-ray absorption methods in June 2010. Fig. 9. SMPS-APS concentration vs. β-ray absorption methods concentration in June 2010. 0.87, 5월 0.87, 0.94, 6월 1.12, 1.27로 4, 5월은 SMPS-APS가 β-ray 장비보다 과소평가하였으며 6월은 과대평가하는 경향을 보였다. 이는 황사가 발생한 4, 5 월에는 10 µm이상의 조대입자농도가 증가하므로 APS
SMPS-APS 를이용한 PM 10 및 PM 2.5 질량농도모니터링가능성평가 167 운영시 5 µm 보다큰입자는노즐안에서정착되고충돌할때많은손실이발생한다는선행연구 6) 결과와같은이유로 SMPS-APS가개수농도를과소평가한것으로사료되며, PM 2.5 농도가 150 µg/m 3 이상크게증가한고농도미세먼지사례가발생했던 6월에는 0.5 µm부근의 SMPS와 APS 장비의경계입경영역에서입자수가중복측정되거나, 습윤성장의영향을많이받는미세입자의농도가크게증가하여유동적가열방식 (smart heating) 으로자동으로온습도를보정해주는 β- ray 장비와는달리온습도보정이없이측정하는 SMPS-APS 측정자료농도가과대평가된것으로사료된다. Table 3, 4, 5를보면 SMPS-APS와 β-ray 장비의 PM 2.5 비사례시평균농도는각각 4월 21.9 µg/ m 3, 22.4 µg/m 3, 5월 22.9 µg/m 3, 22.4 µg/m 3, 6월 34.1 µg/m 3, 29.6 µg/m 3 으로 4월을제외하고 5, 6월 모두 SMPS-APS가높은수준을보였으며, PM 10 의경우는 4월 37.8 µg/m 3, 38.3 µg/m 3, 5월 39.0 µg/m 3, 44.2 µg/m 3, 6월 38.1 µg/m 3, 41.6 µg/m 3 으로 β-ray 장비가높은수준을보여위에서언급한분석결과와일치한다. 사례시평균농도를보면비사례시와동일하게 PM 2.5 는 SMPS-APS가높은농도수준을보이고 PM 10 은 β-ray 장비가높은수준을보였다. 특히, 4, 5 월황사시에는 PM 10 에서 SMPS-APS와 β-ray 장비의농도차가약 16.5 µg/m 3 으로크게나타났고, 6월고농도미세먼지사례시에는 PM 2.5 에서약 26.3 µg/m 3 으로크게나타났다. 3.4. 습도에따른 SMPS-APS와 β-ray 장비의질량농도비변화 Fig. 10, 11, 12는 SMPS-APS와베타선흡수법장 Table 3. Comparison of mass concentrations measured by SMPS and β-ray absorption methods in April AD and NAD. (unit : µg/m 3 ) AVG STDEV Median Max Min PM 2.5 AD * (4/1.15~21) 45.2 15.0 45.2 60.7 30.0 NAD * 21.9 10.1 20.5 51.3 3.0 SMPS-APS AD(4/2.08~4/3.00) 30.6 13.7 24.4 64.5 18.2 NAD 37.8 17.9 36.8 102.9 5.4 PM 10 AD(4/1.15~21) 119.4 37.2 105.3 194.4 109.9 AD(4/2.08~4/3.00) 105.7 31.4 96.0 180.9 71.0 PM 2.5 AD(4/1.15~21) 27.5 7.7 27.5 37.0 19.0 NAD 22.4 10.5 20.8 64.0 2.0 Beta-ray AD(4/2.08~4/3.00) 25.4 12.1 23.6 49.0 5.0 NAD 38.3 21.9 47.0 92.0 5.0 PM 10 AD(4/1.15~21) 134.7 14.7 135.0 158.0 120.0 AD(4/2.08~4/3.00) 142.0 30.0 141.0 200.0 105.0 *NAD: Non-Asian Dust, AD: Asian Dust Table 4. Comparison of mass concentrations measured by SMPS and β-ray absorption methods in May AD and NAD. (unit : µg/m 3 ) AVG STDEV Median Max Min PM 2.5 AD * (5/10.13~18) 22.5 15.2 18.0 27.5 17.6 NAD * 22.9 12.0 15.0 80.1 21.0 SMPS-APS AD(5/11.11~13) 27.1 18.7 26.8 35.1 25.7 NAD 39.0 28.7 26.9 102.5 35.2 PM 10 AD(5/10.13~18) 114.2 56.2 72.6 151.9 131.2 AD(5/11.11~13) 101.1 64.0 54.4 106.5 95.4 PM 2.5 AD(5/10.13~18) 20.2 17.1 13.5 26.0 16.0 NAD 22.4 12.9 13.9 66.0 1.0 Beta-ray AD(5/11.11~13) 25.3 20.6 15.8 29.0 23.0 NAD 44.2 26.5 24.7 96.0 2.0 PM 10 AD(5/10.13~18) 125.3 45.8 40.7 154.0 140.0 AD(5/11.11~13) 104.3 38.8 32.4 106.0 103.0 *NAD: Non-Asian Dust, AD: Asian Dust
168 박종성 문광주 박승명 송인호 김현재 홍유덕 한진석 Table 5. Comparison of mass concentrations measured by SMPS and β-ray absorption methods in June HCE and Non-HCE. (unit : µg/m3) Non-HCE* PM2.5 HCE*(6/17~18) SMPS-APS Non-HCE PM10 HCE(6/17~18) Non-HCE PM2.5 HCE(6/17~18) Beta-ray Non-HCE PM10 HCE(6/17~18) *HCE: High Concentration Event AVG 34.1 139.1 38.1 130.8 29.6 112.8 41.6 134.3 STDEV 38.1 58.4 22.8 75.7 16.4 35.8 18.5 44.7 Median 19.4 69.2 33.5 93.0 27.0 121.5 40.0 138.5 Max 182.1 194.3 219.8 254.3 83.0 160.0 99.0 203.0 Min 2.3 35.7 4.1 47.7 1.0 66.0 5.0 104.0 Fig. 10. Comparison of SMPS-APS to β-ray absorption methods PM2.5 and PM10 ratio and relative humidity in April. Fig. 11. Comparison of SMPS-APS to β-ray absorption methods PM2.5 and PM10 ratio and relative humidity in May. Fig. 12. Comparison of SMPS-APS to β-ray absorption methods PM2.5 and PM10 ratio and relative humidity in June.
SMPS-APS 를이용한 PM 10 및 PM 2.5 질량농도모니터링가능성평가 169 Fig. 13. Correlation of SMPS-APS to β-ray absorption methods of PM2.5 and PM10 according to RH. 비의질량농도비시계열이고, Fig. 13은습도에따른 SMPS-APS와베타선흡수법의비를습도에대한산포도로나타낸것이다. 습도가높은수준으로갈수록 SMPS-APS/β-ray 질량농도비가커지는경향을보이며습도가대략 50 % 이하일때질량농도비가 1보다작은값으로 SMPS-APS가베타선흡수법에비해농도를과소평가하였으며, 80 % 이상의습도에서는 SMPS- APS/β-ray 질량농도비가 1보다큰값으로 SMPS-APS 가과대평가하였다. 이러한현상은 Fig. 13을보면산포도의기울기가 PM 2.5 에서 0.008, PM 10 에서 0.005로나타나미세입자일수록습도의영향을더욱많이받으며이는 SMPS의영향이큰것으로사료된다. 선행된연구에서 sheath air의높은상대습도가주는영향은오직낮은유량으로인해긴체류시간을가질경우에만유효한것으로밝혀졌다. 10 L/min 이상의유량에서 NaCl 같은흡습성입자의성장은 sheath air 와다분산에어로졸의상대습도차가 80 % 이상이라도별영향이없으며이는 2.2초정도의체류시간은물을흡수해서성장할만큼충분히큰시간이아님을의미한다. 17) 하지만본연구에서는 sheath flow가 5 L/ min, 체류시간 4.5초정도이므로흡습성장되기에는충분히큰시간이다. 그러므로습도가높을때축적모드 (condensation mode) 와액적모드 (droplet mode) 의입자형성이주가되는 0.08~2 µm입경범위의 SMPS 개수농도가과대평가되어 PM 2.5 의 SMPS-APS/ß-ray 질량농도비가 PM 10 의경우보다높아진것으로사료된다. 반면 PM 10 의경우는 PM 2.5 보다 SMPS-APS/ß-ray 질량농도비가낮은경향을보였다. 이는 PM 10 질량농도에 SMPS 보다기여도가큰 APS의영향으로사료 된다. 이는위에서언급한바와같이 APS 운영시 5 보다큰입자는노즐안에서정착되고충돌할때많은손실이발생하여개수효율이관성법인 Cascade impactor에비해떨어지며이런손실은 APS가입자를개수할때입자들의뭉침현상으로조대입자가과대평가되는현상을상쇄하고도남을만큼충분히크다고보고한선행연구결과와일치한다. 6) 결과적으로 APS에서발생하는 5 이상입자의개수농도과소평가는 PM 10 의 SMPS-APS/β-ray 질량농도비가 PM 2.5 일때보다낮은수준을갖게한다. Fig. 14, 15, 16을보면 4월의경우습도가 50 % 이상일때의 SMPS-APS/β-ray 기울기는 PM 2.5 가 0.90 PM 10 이 0.95이며, 50 % 이하일때는각각 0.72, 0.74 이다. 5월은습도 50 % 이상 0.95, 0.97, 이하 0.68, 0.94이며 6월은습도 50 % 이상 1.19, 1.35, 이하 0.63, 0.88이다. 4, 5, 6월모두습도가 50 % 이상일경우가 50 % 이하일경우보다 SMPS-APS의농도가높아짐을보인다. 특히 PM 2.5 의비율이높은고농도미세먼지사례가있는 6월의경우습도가 50 % 이상일때기울기가 1 이상으로 SMPS-APS가 β-ray 보다더높은질량농도를나타내었다. 이는습윤성장이활발히일어나는초미세입자들의증가에따른개수농도과대평가에그원인이있는것으로사료된다. 4. 결론본연구에서는수도권대기오염집중측정소에서 β-ray 흡수법을이용한미세입자질량농도측정장비들과 0.005~20 µm의입경범위에서입경별개수농도를측정
170 박종성 문광주 박승명 송인호 김현재 홍유덕 한진석 Fig. 14. Correlation of SMPS-APS with β-ray absorption methods with RH in April 2010. Fig. 15. Correlation of SMPS-APS with β-ray absorption methods with RH in May 2010. Fig. 16. Correlation of SMPS-APS with β-ray absorption methods with RH in June 2010. 하는 SMPS-APS system의측정결과를비교하여 SMPS-APS system을이용한 PM 2.5 와 PM 10 질량농도측정가능성을검토하고측정환경에따른결과의차이를살펴보았다. 그결과, 동시에측정된미세먼지성분 조성비와측정지점의특성을고려하여산출한밀도인 PM 2.5 1.6 g/m 3, PM 10 1.7 g/m 3 로 SMPS-APS system 의개수농도를질량농도로환산해서비교해본결과 SMPS-APS system과 β-ray 흡수법을이용한간접측정
SMPS-APS 를이용한 PM 10 및 PM 2.5 질량농도모니터링가능성평가 171 장비의결과가 4, 5, 6월평균 R 2 값이약 80% 로비교적좋은재현성을보였다. PM 2.5 와 PM 10 의상관계수는각각 4월 0.77, 0.85, 5월 0.72, 0.82, 6월 0.86, 0.85 로나타났다. PM 2.5 와 PM 10 의연관성은기울기가각각 4월 0.84, 0.87, 5월 0.87, 0.94, 6월 1.12, 1.27 로두방법을이용한측정값이거의 1:1 대응선주변으로분포하였다. 단, 6월을제외한 4, 5월은 SMPS- APS가 β-ray 장비보다전반적으로과소평가하는경향을보였다. 6월고농도미세먼지사례가발생한기간으로 PM 2.5 이하의미세입자농도가 150 µg/m 3 이상크게증가하면서 SMPS과 APS 장비간경계입경영역에서입자수가중복측정되거나, 유동적가열 (smart heating) 방식으로온습도가일정하게유지되는 β-ray 방식과다르게초미세먼지의습식성장으로입자개수농도의과대평가되었을가능성을보여준다. SMPS-APS 의습도에따른측정결과를살펴보면습도가높아질수록 SMPS-APS/β-ray 질량농도비가높아짐을보였으며 PM 2.5 인미세입자영역에서이러한특징은더욱잘나타났다. PM 2.5 에서습도에따른변화가더큰이유는축적모드 (condensation mode) 와액적모드 (droplet mode) 의입자형성이주가되는 0.08~2 µm입경범위입자들이습윤성장을하여개수농도가과대평가되어 SMPS-APS의 PM 2.5 가 β-ray 보다높게나타난것으로사료되고, PM 10 이 PM 2.5 보다전체적으로낮은질량농도차이를나타낸이유는위의습윤성장효과와더불어 APS 측정시 5 µm이상의입자는과소평가되는현상이그이유로사료된다. 대략습도가 50~80% 일때 SMPS-APS/β-ray 질량농도비가 1에가까워졌다. 본연구로수도권에어로졸의밀도는 PM 2.5 1.6 g/m 3, PM 10 1.7 g/m 3 수준인것을확인할수있었으며 SMPS-APS system은습도에영향을많이받아질량농도를측정하는주장비로활용하기에는무리가있지만, 인렛앞단에히터나실리카겔등의제습장치를사용하는방법으로습도문제를해결한다면충분히활용가능성이있음을보여주었다. 미세먼지에의한대기환경문제가대두되면서먼지농도와그화학적조성및광학적특성, 발생원추정등에대한연구가활발히진행되고있지만입경에대한연구는아직미흡한실정이다. 질량이같은미세입자덩어리라도, 입경이작을수록질량당입자개수가늘어나고그에따라입자표면적도크게증가하여인체에대한유해성도크게높아지기때문에질량농도만으로대기중미세입자의오염수준을판단하기보다는입자 의입경분포특성과입경별특징등이함께연구되어야할것이다. 감사의글 이연구는환경부 대기오염측정망구축 운영 예산을지원받아국립환경과학원의대기오염집중측정소운영결과를활용하여수행되었습니다. 참고문헌 1. J. H. KIM, S. D. Kim, J. S. Yoon and J. J. Lee Characterization of Ultrafine Particles at Rural Site", Korea J. Atmos. Environ., 2005, 265-267. 2. N. J. Baik, J. H. Lee, Y. P. Kim and K. C. Moon Measurement and Analysis of Visibility Impairment during June, 1994 in seoul, J. KAPRA, 1996, 12(4), 407-419. 3. R. J. Charlson, S. E. Schwartz, J. M. Hales, R. D. Cess, J. A. Coakley, J. E. Hansen, and D. J. Hofmann Climate forcing by antropogenic aerosols, Science, 1992, 255, 423-430. 4. S. D. Kim, Current Status and Tasks of Fine Particle in Korea, Korea J. Atmos. Environ., 2004, 41-56. 5. D. K. Woo, S. B. Lee, G. N. Bae and T. Kim Comparison of Ultrafine Particle Monitored at a Roadside Using an SMPS and TR-DMPS, Korea J. Atmos. Environ., 2008, 24(4), 404-414. 6. A. J. Armendariz and D. Leith Concentration measurement and counting efficiency for the aerodynamic particle sizer 3320, Journal of Aerosol Science, 2002, 33, 133-148. 7. W. Chueinta and P.K. Hopke Beta gauge for aerosol mass measurement, Aerosol Science and Technology, 2001, 35(4), 849-843. 8. KMA (Korea Meteorological Administration) Annual report of Asian dust, 2011 9. KECO (Korea Environment Corporation) Study on the measurement and the management of PM 2.5, 2007, Korea. 10. C. S. Christoforou, L.G. Salmon, M.P. Hannigan, P.A. Solomon and G.R. Cass Trends in fine particle concentration and chemical composition in Southern California, Journal of Air and Waste Management Association, 2000, 50, 43-53. 11. NIER (National Institute of Environmental Research) Annual Report of Seoul Intensive Monitoring Site(2010), 2011 12. J. S. Han, B. G. Kim and S. D. Kim Chemical Composition of Fine Aerosol Associated with Visibility
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