대기 중 입자상 중금속의 건식 침적에 관한 연구

Abstract

대기로부터 침적된 물질로 인해 토양오염과 수질오염 현상이 심화될 뿐만 아니라 환경 생태계도 영향을 받는다는 것이 밝혀지면서 대기 침적 현상에 대한 관심이 커지고 있다. 침적은 대기 중의 여러 미량 물질들이 환경계에 미치는 영향과 그들의 이동을 조절하는 중요한 기작 중 하나이다. 중금속은 가장 오래 전부터 알려진 독성물질로서, 약 30가지 금속이 사람에게 독성을 발현하는 것으로 알려져 있고, 그 중 일부 중금속은 발암성을 가지고 있다. 또한 중금속은 조직 내 그들의 지속성 때문에 다른 유기성 발암물질에 대해 촉진제 또는 공동 발암원으로도 작용할 수 있다. 대기 중 중금속은 광역적인 입자의 근원지를 추적할 뿐만 아니라 대기오염의 주요 측도로도 활용된다. 이에 본 연구에서는 대기 중 입자상 중금속 물질의 건식 침적 특성을 연구하기 위해서 2000년 2월부터 10월까지 4회 (2/16∼2/19, 5/22∼5/24, 9/24∼10/7, 10/12∼10/16)에 걸쳐 경기도 군포시 4개의 시료채취 장소 (도서관, 능내초교, 정수장, 산본초교)에서 대기 중 입자상 중금속의 입경별 농도 분포와 건식 침적량을 낮과 밤 시간대를 구분하여 측정하였다. 건식 침적량은 그리스 대체 표면을 이용하여 측정하고, 입경 농도 분포는 cascade impactor를 이용하여 10㎛이하의 입경별 농도를, CPRI를 이용하여 10㎛이상의 입경별 농도를 측정하여 0.1㎛∼100㎛ 사이의 입경별 농도 분포를 파악하였다. 건식 침적 속도 추정 모델인 Sehmel-Hodgson 모델을 통해 계산한 중금속의 건식 침적량과 측정한 건식 침적량을 비교하여 모델의 적합성을 알아보았다. 중금속의 건식 침적 속도에 따른 입경별 건식 침적량의 변화를 파악하였다. 낮 시간대의 건식 침적량이 밤 시간대의 건식 침적량보다 높게 나타났으며, 이는 낮 시간대의 높은 풍속과 대기 중 농도에 의한 것으로 생각된다 중금속 중 자연발생 원소인 Al, Ca은 인위적인 중금속보다 50배 이상 더 높은 건식 침적량을 나타냈으며 인위적인 중금속 중 Pb과 Zn은 건식 침적량이 높게 나타났다. 총 건식 침적량에서 중금속 각 물질의 건식 침적량이 얼마나 차지하는지를 보았을 때, 인위적인 중금속보다 자연발생 중금속이 크게 차지하고 있었으며 낮 시간대보다 밤 시간대 중금속의 침적 비율이 증가하는 것으로 보아 낮 시간대에는 중금속보다 다른 물질의 건식 침적량이 많다는 것을 알 수 있다. 입자상 물질의 농도는 낮 시간대가 밤 시간대보다 높은 농도분포를 나타냈으며, 이는 낮 시간대의 오염원 배출량의 증가에 의한 것으로 판단된다. 전체적으로 1-10㎛ 사이에서 높은 농도분포를 나타내고 있으며, 농도분포는 bimodal 형태를 띄고 있다. 10㎛이하의 미세입자가 총 입자상 물질의 80 wt%를 차지하고 있으며, 10㎛이상의 거대입자는 낮은 농도분포를 보이고 있다. Sehmel-Hodgson 모델에 의해 추정된 건식 침적 속도와 측정한 입경별 농도를 사용하여, multi-step 모델 계산 방법으로 건식 침적량을 계산하였다. 그 결과, 건식 침적량은 거대입자의 빠른 건식 침적 속도 때문에 거대입자의 농도분포에 민감하게 변화하며, 상대적으로 미세입자의 농도에는 그리 영향을 받지 않았다. 측정한 입자상 물질의 건식 침적량과 모델에 의해 계산된 건식 침적량을 비교해 보았을 때, 지역적 차이는 있지만 전체적으로는 총질량에 대해서는 잘 맞고 있다. 모델 보정은 향후 중금속 및 다른 분석물질에 대한 지속적인 연구로 미흡한 부분을 뒷받침할 것으로 생각한다. 총 건식 침적량과 대부분 중금속 건식 침적량의 90% 이상이 10㎛ 이상의 입자들이 차지하고 있으며, 따라서 실제 지표면에 영향을 미치는 것은 대기 중 높은 농도로 존재하는 미세입자가 아니라 거대입자라는 사실이 부각되었다. 그러므로 거대입자의 농도와 건식 침적 속도의 역할이 중요하다.;Atmospheric deposition is an important mechanism controlling the fate of airborn toxics and their transfer from the atmosphere to the natural surfaces. It is commonly classified as either dry or wet deposition. Dry deposition is occurred by several processes, such as Brownian motion of particulate, sedimentation, and impaction. Wet deposition is occurred by rain and snowfall including washout and rainout. The actual importance of wet versus dry deposition, however, is highly variable, depending on ecosystem type, location, and elevation. For example, at the Walker Branch Watershed, U.S.A., dry deposition constituted a major fraction of total annual atmospheric input of cadmium and zinc (20%), lead (55%), and manganese (90%). Atmospheric dry deposition fluxes and ambient size distributions of particulate heavy metals were measured at four sites in Kunpo, a small city in the Seoul metropolitan area in Korea. At each site, aerosol samples were collected by dry deposition plates, a cascade impactor, and a coarse particle rotary impactor during four sampling periods. Samples were taken at four sites - city library, Neungnae elementary school, water treatment plant, and Sanbon elementary school. Samples were collected in February (2/16-2/l9), May (5/22-5/24), September (9/24-l0/7), and October (10/12-10/16) 2000. During each period, dry deposition plate was measured from 4 to 7 days during which no rain was observed. Ambient particle concentration samplers were measured for 1 day during each period. In each day two samples were obtained, day (from 09:00 to 18:00) and night (from 18:00 to 09:00) samples. At all sites, the average fluxes of mass and heavy metals measured during daytime were higher than nighttime fluxes due to higher wind speeds and higher ambient concentrations during daytime. The average fluxes of crustal elements (Al, Ca) were 1-2 orders of magnitude higher than anthropogenic elements (As, Cd, Cu, Mn, Ni, Pb, and Zn). Also the heavy metal concentrations during daytime were higher than nighttime. Based on a dust emission estimation study in Kunpo, it was found that dust emissions during daytime are higher than nighttime. The ambient concentrations of the crustal elements have two high concentrations, one in small particles (D_(P) ≤ 10 ㎛), the other in large particles (D_(P) > 10 ㎛), and the higher concentrations than anthropogenic elements in the large particles (D_(P) > 10 ㎛). All elements concentrations mainly constitute in the small particles. As the ambient concentrations increase, the dry deposition increase. No apparent spatial or temporal trend was found. The calculated fluxes using an multi-step model and the dry deposition velocity obtained from the Selmel-Hodgson model were compared with the measured fluxes and both results agreed well. It was found from the model results that despite the concentrations in small particles were high, the dry deposition fluxes were mainly determined by large particles due to the high dry deposition velocity. Therefore, large particles played an important role in the dry deposition fluxes.