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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.30 No.3 pp.279-287
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2021.30.3.279

Analysis Case of Deposited Dust Particles using SEM/EDX Analysis

Eun-Ji Ha, Jeong-Ho Park*
Department of Environmental Engineering, Gyeongsang National University, Jinju 52725, Korea
*Corresponding author: Jeong-Ho Park, Department of Environ -mental Engineering, Gyeongsang National University, Jinju 52725, Korea Phone : +82-55-772-3345 E-mail : pjh3345@gnu.ac.kr
29/01/2021 08/02/2021 19/02/2021

Abstract


In this study, the composition and morphology of deposited dust particles with size ranging from a few to tens ㎛ were investigated using SEM/EDX (scanning electron microscopy with energy dispersive x-ray spectrometer). Then deposited dust particles were classified into 8 groups: quartz, aluminosilicates, ca-rich, Fe/Ti oxide, carbon-rich, industrial particle, Fe-rich, and biogenic particle. The sources of deposited dust were high in the order of aluminosilicates 41% > biogenic 18% > Fe-rich 11% > quartz and C-rich 8% > industrial 7% > Fe/Ti oxide 5% > Ca-rich 1%. In particular, the ratio of biogenic particles was relatively high due to influence of pollen. The ratio of carbon-rich was 11% at YM site, 10% at MD site, and 4% at MO site, and the site close to the large emission source was high.



SEM/EDX 분석법을 이용한 침착먼지에 대한 분석사례

하 은지, 박 정호*
경상국립대학교 환경공학과

    1. 서 론

    대기 중 떠다니거나 흩날려 내려오는 입자상 물질인 먼지는 보통 입경 0.1∼500 ㎛의 범위를 가지며, 이중 미 세하고 가벼워 장기간 대기 중에 떠다니는 부유분진과 입자의 크기에 따라 무거워서 침강하기 쉬운 것을 강하 분진이라 한다(NAPES, 2021). 또한, 입자상 오염물질 의 대기 중 거동 특성 중 최종 제거과정에는 중력에 의한 건성침착(dry deposition)과 강수에 의한 습성침착(wet deposition)으로 구분된다.

    부유분진의 경우 건강상 피해와 관련하여 PM10 및 PM2.5 측면에서 많은 연구자들이 다양한 부문에서 연구 가 진행되고 있다. 반면, 강하분진의 경우 과거 시간·공 간적 차이에 따라 큰 영향을 받는 건식 및 습성 제거과정 의 침착먼지 측면의 연구결과로부터 요즈음 산성강하물 측정망을 통해 지표면으로의 건성침착량 및 강우 등에 의한 습성침착량의 정도만이 대기환경연보를 통해 발표 되고 있다(Kim et al., 1998;Air Korea, 2021).

    한편, 본 연구대상 지점은 경상남도 하동군 일원에 위 치한 농촌지역임에도 불구하고 광양국가산단 및 석탄 화력 등 주요 대형 대기 배출원과 풍하 방향에 위치하거 나 인접하고 있는 등 대기오염 부하량이 높은 지역이며, 건물 옥상 등에 장기간 쌓인 침착먼지로 인한 생활피해 영향이 나타나고 있다. 이에, 본 연구에서는 주로 강하분 진에 의한 건성 및 습성침착 등 총 침착먼지의 시료채취 와 그 발생 특성을 파악하기 위한 SEM/EDX(Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray spectrometer) 분석법에 주목하였다. 여기서, 침착물은 간단한 시료채취 장치를 통해 장기간 대기 중에 노출 시 킨 후 건성 및 습성침착 과정에서 채취된 불용성의 입자 상 물질을 말하며(Park et al., 2002), SEM/EDX 분석법 은 입자상 물질의 형상, 입경, 화학조성 등의 정보를 짧은 시간 내 동시에 분석이 가능한 경제적인 분석법으로 배 출원 및 기여도를 추정할 수 있다(Park and Suh, 2005). 또한, 필터에 채취된 입자상 물질 뿐만 아니라 황사, 눈 등 다양한 시료에서도 하나 하나의 개별입자 분석시 널 리 활용되고 있으며, 최근 장비의 성능 개선 및 자동화 등 으로 보다 편리하게 사용될 수 있다(Kang and Kim, 2000;Zhang et al., 2011;Gladis et al., 2012).

    따라서, 본 연구에서는 SEM/EDX 분석법으로 침착 먼지의 개별입자에 대한 물리·화학적 정보를 통해 특성 별로 그룹분류하고, 시료채취 지점의 침착먼지의 특성과 발생 원인을 추정하고자 한다. 향후 침착먼지와 관련된 환경피해의 발생원인 파악과 그 해결방안을 모색하기 위 한 기초 정보로 활용되길 기대한다.

    2. 재료 및 방법

    2.1. 시료채취

    본 연구에서는 침착먼지의 채취를 위해, 직경 20 cm 의 원통형 깔때기와 직경 47 mm, 공극 8 ㎛의 membrane 필터가 장착된 여과기 등으로 구성된 높이 1.2 m의 채취장치를 제작하고, 대기 중에 장기간 노출시 킨 후 여과필터 상에 채취된 불용성의 침착먼지를 채취 하였다(Park et al., 2002).

    Fig. 1에는 경남 하동군의 전형적인 농촌마을에 위치 한 3개 침착먼지 채취지점을 나타냈으며, YM 지점 및 MD 지점은 광양권의 풍하 측의 수 km 이내에 직접 위 치하고 석탄화력 발전소와도 인접하고 있으며, MO 지점 은 두 지점과 약 10 km 정도 이격되어 있다. 한편, 2017 년 기준 국가대기오염물질 배출량 자료에서 광양시의 에 너지산업 및 제조업 연소, 생산공정 등 산업부문의 TSP 배출량은 약 18,402 톤/년으로 하동군의 약 60배, 경남 전체의 약 10배에 달할 정도로 매우 높은 먼지 배출원 지 역이다(NAPES, 2021).

    Table 1에 나타낸 바와 같이 시료채취는 1차 기간 (`20.05.20~06.06) 및 2차 기간(`20.09.10~09.25)에 걸 쳐 약 15일 동안 각각 채취하였고, 특히 채취기간 중 강 수일수 및 강수량은 1차 1일간 2.0 mm 및 2차 6일간, 21.5 mm로 나타났다.

    2.2. 분석방법

    침착먼지의 형상, 원소 조성 등 물리화학적 정보를 얻기 위하여, 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM, TESCAN사, model MIRA3)에 에너지분산형X선분석 장치(EDX, Oxford사, model Aztec)이 부착된 SEM/EDX 분석법을 사용하였다. SEM 분석조건은 가 속전압 15 kV, Working Distance (WD) 10 mm에서 분석시료에 따라 배율을 조절하면서, EDX로 C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Fe, Ni, Zn 등의 원소성분을 분석하였다. 또한, 분석시료는 분석 의 정확도를 높이기 위하여 Pt로 코팅하였으며, EDX로 분석된 원소의 함량은 중량%로 표시하였다.

    한편, SEM/EDX 분석은 시료별 평균적인 물리·화학 적 정보를 얻기 위해 배율 ×300배 및 ×500배에서 면 분석 그리고 하나 하나의 개별입자 분석을 위해 배율 ×1,000배 및 ×3,000배에서 점 분석을 실시하였다. 특히, 점 분석시 침착먼지는 매우 다양한 크기로 존재하나, 이 중 주요 발생원으로부터 비산 배출된 후 주변 건물 옥상 등에 쉽게 침착되어 생활상의 먼지피해를 고려하여 주로 입경 수 ~ 수십 ㎛의 개별입자를 분석 대상으로 하였다.

    2.3 개별입자의 분류과정

    점 분석으로 얻어진 침착먼지 중 개별입자들의 물리· 화학적 정보를 통해 발생원을 추정하기 위하여, Table 2 에 나타낸 바와 같이 그 특성별로 8개 그룹분류로 구분하 였다.

    침착먼지의 그룹분류는 각종 참고문헌 및 본 연구 의 SEM/EDX 분석결과를 고려하여, 1) 지각 물질인 지질기원은 A : quartz (Si-O), B : aluminosilicates (Al-Si-O 등), C : Ca-rich (Ca-C-O 등), D : Fe/Ti oxide (Fe-O, Ti-O), 2) 시료채취 주변의 주요 인위적 배 출원의 배출영향을 고려한 인위기원은 E : C-rich (C > 50%, C + O > 90%, C/O > 3), F : industrial particle (구형형태 fly ash, Al-Si-O, Fe-O 등), G : Fe-rich (Fe > 50%) 그리고 3) 박테리아, 포자, 꽃가루 등 생물기원 은 H : biogenic particle (형상, C + O > 75%) 등 총 8 개 그룹(A~H)으로 분류하였다.

    한편, 대기 중 PM2.5 및 PM10 등 미세먼지에 대한 개 별입자 연구들에서는 특히, 각종 연료 연소시 발생되는 soot 등을 carbonaceous로 표기하고 그 비율이 높은 것 으로 보고되고 있으나, 본 연구에서는 주변지역의 대형 제철소 및 석탄화력 등의 발생원의 영향 고려와 거대입 자인 침착먼지를 분석대상으로 하고 있는 등 석탄분진과 같이 탄소(C) 함량 등이 높은 개별입자들을 C-rich로 표 기하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 면 분석

    면 분석은 기존 필터 전체에 포집된 입자들을 분석하 는 전량분석과 가까우며, 분석시료에 대한 전반적이고 평균적인 물리·화학적 정보를 통해 특정 배출원의 큰 영 향 여부를 가늠할 수 있다.

    Fig. 2에는 MD 지점의 침착먼지에 대한 배율 ×500 배에서 면 분석한 사례이며, (a) SEM 이미지, (b) EDX 원소별 면 분석, (c) EDX 스펙트럼을 각각 나타냈다.

    면 분석에서는 입경 수 ~ 수십 ㎛의 다양한 크기와 형상 의 개별입자들이 나타났으며, SEM 이미지에서 주로 검 은색 입자들은 탄소(C) 및 밝은색 입자들은 철(Fe)의 함 량이 높은 등 다양한 원소 성분들로 구성되어 있었다. 통 상 입자상 물질은 배출공정의 연료 및 공정조건에 따라 유사한 특성을 가지고 있는데, 예를 들어 석탄 비산재(fly ash)의 경우 확인자(maker)로 구형형태 및 O-Si-Al의 화학조성이 특징이다(Park, 2017). 따라서, 면 분석의 사 례에서 침착먼지가 온전히 특정 배출원만의 큰 영향을 받았다고 판단하기에는 어렵다.

    Table 3에는 3개 지점별 면 분석을 통한 원소 성분의 평균 함량을 나타냈다.

    전반적으로 지점별 기간별 원소별 함량에 있어 다소 차이는 있지만, 지점별 원소의 평균 함량은C-O-Si-Fe -Al-Ca의 순으로 모두 유사하고, 1차 및 2차 기간별로는 탄소 함량이 1차 30% 수준에 비해 2차 50% 수준으로 높은 점 이외는 모두 유사하였다.

    결국 기존 전량분석과 가까운 면 분석을 통해서는 특 정 배출원의 영향을 명확히 구별하기에는 어렵고 이후 점 분석의 개별입자 분석을 통해 다양한 배출원의 영향 특성을 살펴볼 필요가 있다.

    3.2. 점 분석

    Fig. 3에는 3개 지점별 침착먼지에 대한 배율 ×1,000 배에서 점 분석하고 개별입자별 원소 조성을 함량 %의 순으로 나타낸 사례이다. 여기서, 앞서 Table 2에 나타낸 바와 같이 A ~ D는 지질기원, E ~ G는 인위기원 그리고 H는 생물기원으로 분류되는 입자들이다.

    전반적으로 지점별 다양한 분류의 개별입자들이 관찰 되었고, 특히 입경 십 ~ 수십 ㎛의 aluminosilicates (B) 및 biological (H)의 주로 자연적, 생물 기원의 입자들이 많이 관찰되었다. 이러한 입자들은 지역 특성상 발생량 이 많고 주로 조대입자로 중력침강에 의해 지표면으로 쉽게 침착되는 경향이 원인으로 판단된다.

    또한, 인위적 기원으로 판단되는 불규칙한 형태로 Fe 함량이 50% 이상인 Fe-rich (G) 또는 C 함량이 50% 이 상인 C-rich (E) 그리고 입경 수 ~ 수십 ㎛의 구형입자로 Fe 또는 Si-Al 함량이 높은 비산재로 판단되는 industrial (F) 등도 비교적 많이 관찰되었다. 이러한 입자들은 주변 지역에 입지해 있는 제철소, 발전소 등 대형 배출원의 발 생영향을 고려 할 수 있다.

    한편, 발전소의 경우 노천 야적된 석탄은 약 95%가 kaolinite (Al2O3․2SiO2․2H2O), pyrites (FeS2), calcite (CaCO3) 등의 광물질로 구성되어 있고 특히, 이들 광물 질은 연소되지 않고 주로 구형형태의 석탄회나 비산재로 배출된다(Park, 2017). 또한, 제철소의 경우 보통 30~70% 의 철분(Fe)을 함유한 철광석 그리고 코크스, 석회석 등 을 노천야적장에 적치하므로 비산먼지의 1차적인 배출 원이며, 특히 입자밀도가 높아 강하속도가 빠르기 때문 에 실질적인 확산 범위는 2 km 이내로 추정되고 있다 (Kim, 2005).

    3.3. 개별입자들의 8개 그룹분류

    Fig. 4에는 1차, 2차 및 전체 기간 그리고 3개 지점별 침착먼지에 대한 8개 그룹별 평균 비율을 나타냈다.

    선행연구들에서는 조대입자의 영향이 큰 TSP의 경우 aluminosilicates 50% 전후, carbonaceous 20~30%, quartz 7~8%, industrial 4%, biological 3~4%, Ca-rich 및 Fe/Ti oxide 2~3% 수준으로 그리고 미세입 자인 PM2.5 및 PM10 중에서는 carbonaceous 50%, aluminosilicates 20%, quartz 10%, biologial 3% 수준 등 대상시료 및 분석대상의 입경 등에 따른 그룹분류에 다소 차이가 보고되고 있다(Cong et al., 2009;Pachauri et al., 2013;Zeb et al., 2018).

    거대입자인 침착먼지를 분석대상으로 하는 본 연구에 서 8개 그룹별 비율은 전체 평균의 경우 B 41% > H 18% > G 11% > A = E 8% > F 7% > D 5% > C 1%의 수준으로 나타나, biological (H)의 상대적 높은 비율을 제외하고는 선행연구의 경향과 유사하였다. 특히, 9월 중 에 실시한 2차 기간에는 biogenic (H)이 매우 높았으며, SEM/EDX 분석결과 수십 ㎛의 찌그러져 있는 구형 형 상 및 C 함량 75% 이상 등을 고려시 주변의 잡초류에 의 해 다량 발생된 꽃가루로 인한 영향으로 판단된다. 국립 생물자원관의 가이드북에서 꽃가루는 참나무, 소나무 등 나무류는 4~6월, 질경이, 돼지풀 등 잡초류는 8~10월에 주로 발생되고 있으며, 꽃가루의 SEM 이미지 등 정보를 통해 제공하고 있으며, 이를 참조하였다(NIBR, 2015).

    지점별 특성은 A ~ D의 자연적 지질기원의 경우 MO 지점 70% > MD 지점 52% > YM 지점 46%의 순으로, E ~ G의 인위적 기원의 경우 YM 지점 30% > MD 지점 28% > MO 지점 21%의 순으로 그리고 H의 생물기원은 YM 25% > MD 21% > MO 9%로 차이를 보였다. 특 히, 인위적 기원 중 C-rich (E)의 경우 YM 지점 11%, MD 지점 10%, MO 지점 4% 그리고 industrial (F)의 경우 YM 지점 8%, MD 지점 7%, MO 지점 6% 등 광 양권만과 가까운 지점일수록 상대적으로 높은 특성을 보 이고 있었다. 또한, Fe-rich (G)은 모든 지점에서 약 11% 로 다소 높은 비율을 나타내고 있다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 SEM/EDX 분석법으로 침착먼지의 특 성을 8개 그룹분류를 통해 침착먼지의 영향 지점에 대한 발생 원인을 다음과 같이 추정하였다.

    • 1) 면 분석의 평균적인 분석결과, 다양한 형상 및 원소 성분들로 구성된 개별입자들이 관찰되어, 온전히 특정 배출원만의 영향보다 다양한 배출원의 영향을 동시에 확 인할 수 있었다.

    • 2) 침착먼지의 분석결과, 지리적 및 계절적 영향 등을 고려하여, 자연적인 지질기원의 A ~ D 그룹, 주변 대형 배출원의 인위기원의 E ~ G 그룹 그리고 꽃가루 등 생물 기원의 H 그룹 등 총 8개의 그룹으로 분류 할 수 있었다.

    • 3) 입경 수 ~ 수십 ㎛의 개별입자들에 대한 8개 그룹 별 비율은 전체 평균 B 41% > H 18% > G 11% > A = E 8% > F 7% > D 5% > C 1%로 특히, 2차 기간(9월 중) 중 꽃가루가 발생되는 계절적 특성상 biological (H) 의 비율이 높았다.

    • 4) 지점별 특성 중 인위기원의 경우 YM 지점 30% > MD 지점 28% > MO 지점 21%의 순으로 특히, 이 중 C-rich (E)의 경우 YM 지점 11%, MD 지점 10%, MO 지점 4% 그리고 industrial (F)의 경우 YM 지점 8%, MD 지점 7%, MO 지점 6% 등 주변 대형 배출원과 가 까운 지점일수록 상대적으로 높은 비율을 보이고 있었다.

    향후 대형 배출원 주변에서 종종 나타나는 먼지 피해 영향의 민원에 대한 관심과 더불어 다양한 배출원에 대 한 영향 확인과 기여도를 추정할 수 확인자 개발 등의 지 속적 연구를 통해 명확한 먼지피해에 대한 원인과 그 해 결방안의 모색이 필요할 것이다.

    감사의 글

    이 논문은 2020~2021년도 경남과학기술대학교 대학 회계 연구비 지원에 의하여 연구되었음.

    Figure

    JESI-30-3-279_F1.gif

    Bulk(dry+wet) particle deposition sampler and sampling site.

    JESI-30-3-279_F2.gif

    SEM image and EDX mapping analysis of particulate matter deposited.

    JESI-30-3-279_F3.gif

    Results of SEM/EDX analysis of particulate matter deposited by point analysis.

    JESI-30-3-279_F4.gif

    Frequency of particle groups observed during the study period.

    Table

    Meteorological conditions during sampling period.

    Identification of major sources of particulate matters obtained through SEM-EDX

    Average weight(%) of elemental composition by mapping analysis

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