Advanced drone application on the evaluation of air pollution for large industrial sources

Abstract

산업시설이 밀집해 있는 대형사업장은 에어로졸, NOx, SO2, CO, 휘발성 유기화합물 (VOCs)을 다량으로 배출하며, 이들은 대형사업장으로부터 배출되어 대기 중의 반응을 통해 이차 오염물질을 생성한다. 이들은 사람의 건강과 환경에 영향을 미칠 수 있으며, 따라서 대형사업장 주변 대기 중 대기오염물질의 특성을 파악할 필요가 있다. 드론은 탑, 유인항공기, 인공위성과 같은 다른 측정 방식에 비해 공간적 제약이 적고, 비용이 적게 들며, 높은 공간 해상도를 가져 최근 대기 오염물질의 공간 분포에 대한 연구에 많이 활용되고 있다. 선행 드론 측정 연구는 동시에 다양한 대기오염물질을 측정하지 않았으며 광산란 방식을 사용하는 센서를 이용하여 먼지 농도를 측정하였다. 그러나 광산란 방식은 환경조건에 따라 농도 보정 팩터의 차이가 크며, 그 신뢰성이 낮다. 본 연구에서는 세계 최초로 테프론 백과 필터를 장착한 드론을 이용하여 충청남도에 있는 대형사업장 풍상, 풍하 지점에서 먼지 성분의 화학 조성과 가스상 오염물질을 동시에 측정하였다. 또한, 대형사업장 대기 중 가스상 오염물질의 수직분포를 파악하기 위해 항공기와 드론의 동시 측정을 수행하였다. 대기오염공정시험방법에 준하는 표준 분석 방법으로 대형사업장 주변 대기 중 PM의 화학 조성과 가스상 오염물질을 분석하였다. 유기탄소 (OC)와 원소탄소 (EC)는 Thermal-Optical-Transmittance (TOT) 분석 방법을 이용하여 분석하였고, 먼지 내 수용성 이온 성분은 Ion Chromatography (IC) 분석 방법을 이용하여 분석하였다. 44 종 VOCs는 Thermal Desorption-Gas Chromatography/Mass Spectrometer (TD-GC/MS)를 이용하여 분석하였다. CO, NOX, SO2, O3, NH3는 각각 Infrared (IR) spectrometry method, chemiluminescent method, Ultraviolet (UV) fluorescence method, non-dispersive UV absorption과 off-axis integrated cavity output spectroscopy (OA-ICOS) 방법을 이용한 실시간 측정 장비를 이용하여 측정하였다. 석유화학단지의 경우, 1차, 2차 측정에서 모두 석유화학단지 내에 위치한 측정 지점에서의 탄소성 에어로졸 농도가 단지 외부에 위치한 지점보다 높게 나타났다. 제철소의 경우, 풍상 지점보다 풍하 지점에서 먼지 내 EC와 Ca2+이온 성분이 상대적으로 높게 나타났으며, 이는 제철소의 철 제련과정에서 기인한 석회석, 슬래그와 석탄 연소의 영향일 것으로 판단된다. 각 사업장의 VOCs 농도 분포와 순위는 1차, 2차 측정에서 다르게 나타났다. 석유화학단지의 경우, ethyl alcohol, benzene, toluene, ethylbenzene, xylene이 1차 측정에서 높은 검출 빈도와 평균 농도를 보였으나. 2차 측정에서는 이러한 경향을 확인할 수 없었으며, 2차 측정의 경우 hexane, 2-butanone이 VOCs의 대부분을 차지하였다. 제철소의 경우 1차 측정에서 ethyl alcohol, acetone, 2-propanol이 높은 검출 빈도와 평균 농도를 보였으나 2차 측정에서는 2-butanone이 높은 검출 진도와 평균 농도를 보였다. 항공기와 드론의 동시 측정을 통한 대기 오염 물질의 수직분포는 오염물질의 종류에 따라 다르게 나타났다. Benzene, toluene, xylene (BTX) 농도는 400 m 이상 고도보다 150 m 이하에서 더 높은 농도를 보였으며, 무기가스 (NH3, O3, NO2) 성분은 대체로 400 m 이상 고도보다 150 m 이하 고도에서 더 낮게 나타났다. 항공 측정으로부터 예측한 드론 측정 고도에서의 BTX, 무기가스 농도는 실제 드론 측정값과 상당한 차이를 보였으며, 드론 측정이 항공기가 측정할 수 없는 400 m 이하 고도에서의 측정값을 제공함으로써 항공 측정을 보완할 수 있는 측정 수단이 될 것으로 판단된다.;Large industrial sources emit an enormous amount of various air pollutants such as particle, NOX, SO2, CO and volatile organic compounds (VOCs). The air pollutants directly emitted from large industrial sources react with the oxidants in the atmosphere and form secondary pollutants. These can adversely affect human health and the environment, so it is necessary to understand the characteristics of air pollutants near large industrial sources. Drones have recently been extensively applied to study on the spatial distribution of air pollutants in the atmosphere due to their low spatial constraints, low cost and high spatial resolution compared to other measuring methods such as towers, manned aircraft, and satellites. However, previous measurement studies using drones did not measure various air pollutants at the same time, and only measured the mass of particulate matter (PM) in the atmosphere based on sensors of the light scattering method. However, the light scattering method has low reliability due to considerable variation between concentration correction factors depending on environmental conditions. In this study, for the first time, drones equipped with a teflon bag and filters simultaneously measured the chemical composition of PM and gaseous pollutants at upwind and downwind of large industrial sources in Chungchengnam-do, Korea. Also, a drone was simultaneously measured with the aircraft measurement to examine the vertical distributions of pollutants in large industrial sources. The chemical components in PM and gaseous pollutants were analyzed based on the national standard analytical method suggested by the Ministry of Environment in Korea. Organic carbon (OC) and elemental carbon (EC) were analyzed using the Thermal-Optical-Transmittance (TOT) method, and water-soluble ions in the PM were analyzed using Ion Chromatography (IC). 44 VOCs were analyzed using Thermal Desorption–Gas Chromatography/Mass Spectrometer (TD-GC/MS). CO, NOX, SO2, O3, and NH3 were measured using real-time measuring equipment using the Infrared (IR) spectrometry method, the chemiluminescent method, the Ultraviolet (UV) fluorescence method, the non-dispersive UV absorption and the off-axis integrated cavity output spectroscopy (OA-ICOS), respectively. Two measurement campaigns were carried out around large industrial sources. In a petrochemical complex, carbonaceous aerosol concentrations were higher at the measurement point located in the petrochemical complex than A, which was located outside the complex. In a steel mill, the concentrations of EC and Ca2+ in the PM were relatively higher at the downwind than at an upwind point, which was probably influenced by coal combustion and limestone or slags from the iron smelting process in the steel mill. The distribution of VOCs concentrations and orders of each industrial source for the 1st and 2nd measurements showed different patterns. In the petrochemical complex site, ethyl alcohol, benzene, toluene, ethylbenzene, xylene showed high average concentration and detection frequency in the 1st measurement, while, hexane, 2-butanone accounts for most of VOCs in the 2nd measurement. In the steel mill, ethyl alcohol, acetone, 2-propanol showed high detection frequency average concentrations in the 1st measurement, whereas 2-butanone did in the 2nd measurement. The vertical distributions of air pollutants from the aircraft and drone measurements were different by the type of air pollutants. Benzene, toluene and xylene (BTX) concentrations were higher at altitudes of below 150 m than at altitudes of above 400 m. The concentrations of inorganic gases (NH3, O3 and NO2) were generally lower at the altitudes of below 150 m than at altitudes of above 400 m. The concentrations of BTX and inorganic gases at drone measurement altitudes assumed by aircraft measurements differed significantly from the actual drone measurements. It seems that drones can improve aircraft measurements by providing measurements below 400 m that aircraft cannot measure.