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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.23 No.12 pp.1963-1970
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2014.23.12.1963

Characterization of PM10 and PM2.5 Mass Concentrations in Jinju

Jeong-Ho Park, Gee-Hyeong Park1), Jeong-Min Suh2)*
Department of Environmental Engineering, Gyeongnam National University of Science and Technology, Jinju 660-758, Korea
1)Busan Metropolitan city Institute of Health & Environment, Busan 616-110, Korea
2)Department of Bio-Environmental Energy, Pusan National University, Miryang 627-706, Korea
Corresponding Author:Jeong-Min Suh, Department of Bio-Environmental Energy, Pusan National University, Miryang 627-706, Korea Phone: +82-55-350-5436suhjm@pusan.ac.kr
March 5, 2014 May 7, 2014 July 21, 2014

Abstract

Ambient particulate matters(PM10 and PM2.5) were investigated at GNTECH university in Jinju city. Samples were collected using a dichotomous sampler(series 240, Andersen Corp.) and a TEOM(Tapered Element Oscillating Microbalance) monitor period from November 2012 to October 2013. For the dichotomous sampler measurements, daily 24-h integrated PM2.5 and PM10–2.5 ambient air samples were collected at a total flow rate of 16.7 L /min. For the TEOM monitor measurements, daily 1-h integrated PM10 ambient air samples were collected at a flow rate of 16.7 L /min. The annual average concentrations of PM10-2.5 and PM2.5 by a dichotomous sampler were 10.0±6.1 μg/m3 and 22.6±9.3 μg/m3, respectively. And PM10 concentration by dichotomous sampler were similar to TEOM monitor by 32.7±12.9 μg/m3 and 31.7±11.3 μg/m3, respectively. And good correlation (R2=0.964) between the two methods was observed. The annual average of PM2.5/PM10 ratio was 0.70±0.12.


진주시 대기중 PM10 및 PM2.5의 질량농도 특성

박 정호, 박 기형1), 서 정민2)*
경남과학기술대학교 환경공학과
1)부산광역시보건환경연구원
2)부산대학교 바이오환경에너지학과

    1.서 론

    대기 중 입자상물질(particulate matter; PM)은 입경 수 nm 에서 수십 μm까지 연속적으로 분포하고 있으며, 이중 장기간 부유하면서 인체 건강에 피해를 줄 수 있는 입경 10 μm 이하의 모든 입자상물질인 PM10은 생성과 정과 크기에 따라 초미세(ultrafine, < 0.1 μm), 축적 (accumulation, 0.1~2.5 μm) 그리고 조대(coarse, 2.5~ 10 μm) 등 크게 3가지 모드(mode)로 분류되고 있다. 이 중 초미세와 축적 영역 즉, 입경 2.5 μm 이하의 모든 입 자들을 PM2.5(fine particle)로 정의하고 있다(Whitby, 1978; Baron과 Willeke, 2001).

    대기 중 PM은 다양한 발생원(source)에서 배출되고 있는데, 특히 PM2.5는 불완전 연소과정으로 발생된 가스 상 물질이 대기 중에서 가스→입자 전환과정에 따라 형 성된다(Seinfeld과 Pandis, 1998). 또한 많은 독성학 연 구에서는 입자의 크기에 따라 미세입자(fine particle)가 조대입자(coarse particle)보다 더 강한 독성학적 악영향 을 미친다고 보고되고 있다(Donaldson 등, 1998).

    이러한 PM2.5 특성으로 미국 EPA(US environmental protection agency)에서는 1997년에 기존의 PM10의 환 경기준에 PM2.5의 기준을 신설하였고 2006년에는 인체 유해성을 고려하여 PM10의 연평균기준(50 μg/m3)을 삭 제하고 PM2.5의 24시간 기준을 35 μg/m3로 강화하였으 며, 연간 산술평균농도의 3년 평균치가 15 μg/m3을 초과 하지 않도록 설정하였다. 또한 WHO는 PM2.5의 24시간 및 연평균 환경기준을 각각 25 μg/m3과 10 μg/m3로 보 다 엄격하게 설정하고 있다.

    한편 환경부에서는 1995년부터 미세먼지(PM10)에 대 한 대기환경기준을 설정한 이후 2007년부터 24시간 평 균 100 μg/m3, 연평균 50 μg/m3으로 기준을 더욱 강화 하였다. 그러나 PM10 농도가 기준 이하라 하더라도 건강 상의 장해를 가져올 수 있고, 시정감소에 직접적인 영향 을 미치는 입자의 크기는 2 μm 이하로서 빛의 산란과 흡 수효율이 매우 크다는 점이 고려되어 2011년에 환경정 책기본법을 개정하여 2015년부터 대기환경기준에 PM2.5 항목(24시간 평균 50 μg/m3, 연평균 25 μg/m3)을 추가 하였다(NIER, 2011; NIER, 2012).

    최근 우리나라에서는 중국발 스모그로 인해 전국적으 로 미세입자 농도가 치솟는 등 미세입자에 대한 대기환 경 문제가 확산되고 있으나 일부 청정지역과 대도시지역 을 중심으로 PM10 및 PM2.5에 대한 연구가 주로 이루어 지고 있다(Cho 등, 2003; NIER, 2009; Jeon, 2010). 따 라서 각 지역별 미세입자 특성 연구에 관한 연구보고가 필요한 실정인데, 특히 서부경남지역의 중심지인 진주시 는 인구 약 33만의 도농복합도시로서 친환경도시를 표방 하고 있고 지역 대기환경에 큰 악영향을 줄만한 대형배 출원이 없으나 최근 고농도 오존의 빈번한 발생 등으로 청정도시 이미지 훼손과 전반적인 지역 대기질 악화 우 려의 목소리가 높아지고 있다(Park, 2010).

    따라서 본 연구에서는 진주시 소재 경남과학기술대학 교에서 2012년 11월부터 2013년 10월까지 1년간 매월 PM10 및 PM2.5의 시료를 채취하고 대기 중 거동 특성을 파악하였다. 이를 통해 지역의 대기환경 중 미세먼지 오 염의 현황 문제점을 파악하고 측정자료의 축적을 통해 향후 지역 특성에 맞는 대기오염 저감대책을 제안하고자 한다.

    2.재료 및 방법

    2.1.시료채취 지점

    경상남도 진주시는 총면적 713 km2, 인구 약 33만명, 1읍, 15면, 21동의 행정구역으로 구성된 도농복합도시 이며, 진양호와 시를 관통하는 남강이 흐르는 진주의 지 형은 표고 100~500 m 높이의 낮은 산이 분포하고 구릉 형태로 나타나고 있어 약풍 지속시 대기오염물질의 축적 이 용이한 지형적 특성이 나타난다. 도심에는 상평지방 산업단지가 입지해 있고 도심 외각으로 남해 및 통영-대 전간 고속도로가 관통하고 있다(Jinju, 2013).

    본 연구에서 대기 중 PM의 시료채취지점은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 경남 진주시 소재 경남과학기술대학교 (GNTECH) 공동실험실습관 4층 옥상에서 실시하였으 며, 본 측정지점은 도심지역의 중심에 위치한 주거지역 으로 간선도로에서 약 100 m 떨어져 있어 자동차 등 주 요 대기오염물질 배출원의 직접적인 영향이 없는 곳이다.

    Table 1에는 측정기간 중 기상상태를 나타내었으며, 연간 평균기온은 12.5°C, 습도 65%, 풍속은 1.3 m/sec 로 나타내었으며, 풍향은 겨울철에는 북풍(N)계열 그리 고 여름철에는 남풍(S)계열로 나타났다.

    2.2.시료채취 방법

    본 연구에서는 진주시 대기 중 PM10 및 PM2.5 입자상 물질의 포집하기 위하여 중량농도 측정법인 PM10 Dichotomous sampler(series 240, Andersen Corp., 이 하 Dichoto)를 사용하였으며, 동시에 자동측정법인 TEOM monitor(series 1400A, Thermo Scientific, 이 하 TEOM)을 이용하여 PM10 농도를 동시에 연속 측정 하였다. Dichoto는 PM10 유입구(inlet)와 가상임팩터 (virtual impactor)가 장착되어 있어 PM10 유입구를 통 해 공기역학적 직경 10 μm 이하의 입자상물질을 유입한 후 가상임팩터에서 유량 조절을 통해 공기역학적 직경 10~2.5 μm(coarse, PM10-2.5)과 2.5 μm 이하(fine, PM2.5) 의 입자를 각각의 포집필터를 통해 분리 포집하는 시료 채취 장치로서 미국 환경청(EPA)에서 공인된 장치이다 (US EPA, 1999). TEOM는 기기 내부에 장착된 필터위 에 미세먼지의 농도가 증가함에 따라 필터의 진동수가 변화하는 것을 측정하여 농도를 측정하는 방식으로 역시 PM10의 경우 미국 EPA의 FEM(forum on environmental measurements) 방법으로 사용되고 있다.

    시료채취 기간은 2012년 11월부터 2013년 10월까지 1년간 매월 비강우시에 2~7일간 연속측정하였으며, Dichoto는 직경 47 mm의 테프론 필터와 16.7 L/min 유 량으로 24시간 기준으로 PM10-2.5 및 PM2.5 의 시료를 각 각 채취하였고 PM10(=PM10-2.5 + PM2.5) 농도를 산출하 였다. TEOM법은 시료채취기간 중 16.7 L/min 유량으 로 1시간 간격으로 연속 측정하였다.

    한편, 본 실험기간 중 보다 상세한 대기에어로졸의 입 경분포 특성을 살펴보기 위하여 2013년 5월 6~7일 그리 고 8월 14~16일에 걸쳐 각 1회씩 공기채취유량 30 L/min의 다단 임팩터 MOUDI(micro-orifice uniform deposit impactor, Model 110, MSP Corp.)를 사용하여 질량입경분포 특성을 조사하였다. 본 MOUDI 임팩터는 입경 0.056~18 μm 사이의 대기 중 입자를 10단으로 분 리 포집하는 장치로서, 각 단의 분리입자크기(cut size) 는 최초 유입구단의 18 μm을 비롯하여 1단 10 μm, 2단 5.6 μm, 3단 3.2 μm, 4단 1.8 μm, 5단 1.0 μm, 6단 0.56 μm, 7단 0.32 μm, 8단 0.18 μm, 9단 0.1 μm 및 10단 0.056 μm이며, 이후 직경 37 mm인 테플론 필터로 back-up 필터로 사용하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.월별 PM10 및 PM2.5의 농도 특성

    본 연구기간 동안 질량농도측정법인 Dichoto에 의한 PM10-2.5, PM2.5, PM10 농도 및 자동농도측정법인 TEOM 에 의한 PM10 농도의 월별 추이를 Fig. 2에 나타내었다. 여기서 Dichoto의 PM10 농도는 PM10-2.5 및 PM2.5 농도 를 합한 값이다.

    Dichoto에 의한 PM10-2.5 농도분포는 4.1~16.6 μ g/m3, 연평균 농도는 10.0 μg/m3으로 5월이 가장 높고 8 월이 가장 낮은 농도 특성이 나타났다. PM2.5 농도분포는 16.6~36.4 μg/m3, 연평균 농도는 22.6 μg/m3으로 5월이 가장 높고 8월이 가장 낮은 농도 특성이 나타났으며, 연 간 PM2.5 대기환경기준(25 μg/m3)에 거의 도달하는 수 준으로 나타났다. 또한 월별 PM10 농도분포는 20.7~51.7 μg/m3, 연평균 농도는 32.7 μg/m3으로 PM2.5 의 월별농도 특성과 유사하게 5월이 가장 높고 8월이 가 장 낮은 농도 특성이 나타났으며, 연간 PM10 대기환경기 준(50 μg/m3)을 만족하는 수준으로 나타났다. TEOM에 의한 월별 PM10 농도분포는 18.5~40.8 μg/m3, 연평균 농도는 31.7 μg/m3으로 나타났다.

    두 측정법간 Dichoto/TEOM의 PM10 농도비는 1.07±0.322로 질량농도측정법에 다소 높게 나타났다. 특히 Fig. 3에 나타낸 Dichoto 및 TEOM에 의한 PM10 농도의 상관관계식을 살펴보면, Dichoto에 대한 TEOM 의 결정계수(R2)는 0.964로 상관성은 양호한 것으로 나 타났으며, 중량농도측정법에 대한 TEOM의 기울기는 0.863으로 TEOM이 중량농도에 비해 약 13% 가량 낮 게 측정되는 경향을 보였다. 이러한 결과는 TEOM이나 베타선 자동측정법이 질량농도측정법에 비해 PM 질량 농도가 과소평가되고 있다는 기존 보고와 유사한 경향을 보이고 있었는데, 두 측정방법의 농도차이는 측정방법의 원리가 다르고 특히 자동측정법은 시료도입부의 가온시 스템이 PM 성분 중 탄소성분 및 이온성분 등 휘발성이 강한 성분들을 휘발로 인한 loss 현상으로 질량농도가 저 평가된 결과로 평가되고 있다(NIER, 2009). 또한, US EPA에서도 특히 탄소성분 및 이온성분 등의 휘발성이 강한 성분들을 구성된 PM2.5의 측정방법은 중량농도법 만을 측정방법으로 인정하여 사용하고 있으며, 이는 자 동법이 대기상태 및 미세먼지의 조성에 따라 영향을 받 는다는 연구결과가 바탕이 된 결과이다(US EPA, 2001).

    한편, Table 2에는 계절별 PM농도 및 PM2.5/PM10 농 도비 특성을 나타내었다. Dichoto에 의한 PM10-2.5의 농 도분포는 4.1~16.6 μg/m3로 나타났으며, 계절별로는 봄 15.2 μg/m3 > 가을 10.7 μg/m3 > 여름 8.0 μg/m3 > 겨울 5.9 μg/m3으로 봄철이 높게 나타났다. PM2.5 농도분포는 16.6~36.4 μg/m3로 나타났으며, 계절별로는 봄 28.3 μ g/m3 > 가을 23.4 μg/m3 > 겨울 20.0 μg/m3 > 여름 17.8 μg/m3으로 봄철이 높게 나타났다. 또한, PM10 농도분포 는 20.7~51.7 μg/m3로 나타났으며, 계절별로는 봄 43.5 μg/m3 > 가을 34.1 μg/m3 > 겨울 26.0 μg/m3 > 여름 25.8 μg/m3의 순으로 봄철이 높게 나타났다. 과거 Cho 등(2003)은 Dichoto를 이용한 서울지역의 PM10-2.5 평균 농도는 20.8 μg/m3, PM2.5 평균농도는 24.5 μg/m3, PM10 평균농도는 45.3 μg/m3으로 보고하고 있으며, 본 진주지역과는 PM10-2.5 농도 영역에서 서울이 다소 높게 나타났다.

    또한 본 연구에서 Dichoto에 의한 PM2.5/PM10 농도 비(ratio)는 연평균 0.70±0.12으로 나타났으며, 특히 계 절별로는 봄철이 0.64로 낮게 그리고 겨울철이 0.76으로 높게 나타났다. 국내에서 중량농도법으로 측정된 PM2.5/PM10 의 농도비 보고사례를 보면 인천 0.62, 경기 포천이 0.71로 보고되고 있으며(NIER, 2009), 서울의 경우 평균 0.54로 나타나고 있다(Cho 등, 2003). Chen 등(2011)은 미국 North Carolina에서 Dichoto에 의한 ratio가 평균 0.62로 보고하고 있으며, 각종 측정장비에 따라서 0.57~0.67로 다소 차이를 보고하고 있다. 따라서 본 연구에서의 PM2.5/PM10 농도비 0.70은 다른 지역과 비교하여 상대적으로 다소 높은 경향으로 나타나고 있었 으며, 이는 PM 측정법간의 차이나 지역과 시기에 따라 차이를 보이는 것으로 판단된다.

    3.2.PM의 농도분포 및 PM2.5/PM10의 농도비

    Fig. 4에는 Dichoto에 의한 (a) PM10-2.5, (b) PM2.5, (c) PM10 농도범위별 분포특성과 (d) PM2.5 농도로부터 단일 회귀분석을 통한 PM10 질량농도와의 상관관계를 나타내었다.

    PM10-2.5 영역의 농도분포는 중앙값(median) 8.6 μ g/m3, 평균값(average) 10.0 μg/m3, PM2.5 영역은 중앙 값 21.3 μg/m3, 평균값 22.6 μg/m3 그리고 PM10 영역 은 중앙값 30.6 μg/m3, 평균값 32.7 μg/m3로 평균값이 중앙값보다 높은 농도분포 특성이 나타났다. 따라서 각각의 농도분포는 평균값에서 다소 왼쪽으로 치우친 경향을 보이고 있었으며, 특히 PM10의 농도분포는 PM10-2.5 및 PM2.5에 비해 넓게 분포하고 있었다. 이러 한 농도분포 경향은 미국 플로리다에서 Dichoto를 사 용하여 집중 관측한 Poor 등(2002)의 보고와도 유사 하였으며, 이 보고에서는 PM10-2.5는 중앙값 11.2 μ g/m3, 평균 11.9 μg/m3, PM2.5농도는 중앙값 11.7 μ g/m3, 평균 13.0 μg/m3 그리고 PM10 농도는 중앙값 23.6 μg/m3, 평균 24.9 μg/m3로 보고하고 있다.

    (d)에서는 PM2.5와 PM10 농도사이의 상관성을 살 펴보기 위하여, 측정된 PM2.5농도로부터 단일 회귀분 석을 통해 modeled PM10농도를 산출하고 이를 측정 된 PM10농도와의 상관성을 나타내었다. 그 결과 회귀 관계식은 modeled PM10=4.597PM2.5+1.240으로 나타 났으며, 결정계수(R2)=0.804(p<0.05)로 나타나, PM2.5 로 PM10을 약 80% 수준으로 평가되어졌다. 한편, Cho et al.(2003)은 PM2.5와 PM10의 회귀관계식에서 modeled PM10=4.20PM2.5+9.91, R2=0.73으로 PM2.5로 PM10을 약 73% 수준으로 설명하고 있어, 본 연구결과와 유사한 경향을 보이고 있다.

    3.3.입경분포 특성

    본 연구에서는 진주시 대기 중 PM의 보다 상세한 입 경별 농도분포 특성을 살펴보기 위하여 다단 임팩터 MOUDI를 사용하여 2013년 5월과 8월에 각각 채취 된 입경별 질량농도분포와 누적분포를 Fig. 5에 나타내 었다.

    진주시 대기 중 입자상물질의 질량농도 입경분포는 5 월과 8월 모두 입경 약 2 μm 전후를 기준으로 한 전형적 인 도시 대기 중의 입경분포인 이산형분포(bimodal distribution)로 나타났으며(Park과 Choi, 1997; Whitby, 1978), 특히 조대입자 영역은 분리입경 5.6~3.2 μm(2~3 단) 그리고 미세입자 영역은 분리입경 약 0.32 μm(7단) 에서 peak를 나타내었다. 이는 도시 입경별 농도분포 특 성 연구보고와도 유사하였다(Plaza 등, 2011).

    질량누적분포도에서 질량 중앙경(MMAD, mass median aerodynamic diameter)은 5월 약 0.62 μm 그리고 8월 약 1.13 μm로 나타났으며, 인위적 오염원이 거의 없는 청정지역으로 미세입자의 대기중 농도가 매우 적고 특히 해안가에 위치하고 있어 조대입자인 해염입자의 영향이 큰 우리나라 배경지역인 고산지대에서 MMD는 약 2 μm 로 보고되고 있다(Kim 등, 1999).

    한편 다단 임팩터 MOUDI에서 최초 유입단(cut-off >10 μm)의 질량농도를 제외한 PM2.5/PM10 비는 약 0.8 전후로 나타났으며, 앞에서 기술한 Dichoto의 PM2.5/ PM10비 평균 0.70 보다 다소 높게 나타났다. 이는 두 샘 플러 사이의 시료채취방법이 다른 이유도 있겠지만 PM10 농도 중 PM2.5의 농도비가 높다는 것을 반증하고 있다고 판단된다.

    4.결 론

    최근 우리나라에서는 중국발 미세먼지의 대기환경 문 제가 사회적 이슈로 전국적으로 크게 확산되고 있으며, 2015년 PM2.5대기환경기준 시행 및 미세먼지에 대한 대 기오염 경보제가 전국적으로 시행을 앞두고 있는 등 미 세먼지(PM10) 및 초미세먼지(PM2.5)에 대한 대기질 개 선을 위한 제도적 장치마련 및 다양한 연구가 진행되고 있다.

    이에 본 연구에서는 진주지역의 PM10 및 PM2.5의 질 량농도 특성의 기초조사를 통해 지역 대기환경 문제를 파악하고 향후 저감대책을 모색하기위한 기초조사 자료 로 삼고자 진주시 소재 경남과학기술대학교에서 2012년 11월부터 2013년 10월까지 1년간 매월 대기 중 PM10 및 PM2.5의 시료를 채취하고 그 거동 특성을 파악하였다.

    진주시 PM10의 연평균 농도는 32.7 μg/m3으로 PM10 대기환경기준(연평균 50 μg/m3)을 만족하는 수준으로 나타나고 있었으나, PM2.5의 농도는 연평균 22.6 μg/m3 으로 PM2.5 대기환경기준(연평균 25 μg/m3)에 거의 육 박하는 수준이었고 특히 미국 EPA에서는 기준(PM2.5 연 평균치 15 μg/m3) 및 WHO의 PM2.5 연평균 환경기준치 (10 μg/m3)를 초과하는 수준으로 나타났다. 또한 진주지 역의 PM2.5/PM10 농도비는 연평균 0.70으로 국내외의 연구보고들과 비교하면 상대적으로 PM2.5의 비중이 높 은 경향으로 나타나고 있으며, 진주지역도 PM2.5로 인한 인체피해 영향 등 대기환경 문제에 있어 예외 지역이 아 님을 알 수 있었다.

    향후 진주지역에 대한 미세먼지의 배출특성 및 발생 원 추적을 통해 보다 상세한 지역 대기환경에 미치는 영 향 특성의 규명 등 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단 된다.

    Figure

    JESI-23-1963_F1.gif

    Map of Jinju and sampling site(GNTECH).

    JESI-23-1963_F2.gif

    Average monthly PM10 concentration by dichotomous and TEOM sampler in Jinju. The contributions from PM10-2.5 and PM2.5 by dichotomous sampler are shown.

    JESI-23-1963_F3.gif

    Correlation of PM10 concentration between dichotomous and TEOM method.

    JESI-23-1963_F4.gif

    Distribution of (a) PM10-2.5, (b) PM2.5, and (c) PM10 concentration and (d) relationship between PM2.5 and PM10 in Jinju.

    JESI-23-1963_F5.gif

    Size and cumulative distributions of mass in May and August, 2013.

    Table

    Summery meterological conditions during sampling periods

    Summary statistics of seasonally PM10-2.5, PM2.5 and PM10 measured in Jinju

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