입자상 PCBs의 입경분포와 건식 침적에 관한 연구

Abstract

PolyChlorinated Biphenyls (PCBs) are stable compounds and harmful to human health. It was reported that major fractions of PCBs in water bodies are from atmospheric deposition. Dry deposition fluxes and the particles size distributions of PCBs are measured at several sites in Korea in summer and fall of 1999 to characterize the spatial distribution of PCBs levels in the air and their dry deposition fluxes. Samples were taken at the 7 sampling sites (Seoul, Inchon, Yangpyung, Yangsuri, Dukjuk Island, Hwachon) in August 10 ~ 14, 1999 and 3 sampling sites (Seoul, Inchon, Yangsuri) in November 9 ~ 14, 1999. Greased strips were used to measure the PCBs dry deposition fluxes. A cascade impactor and a CPRI were used to determine the size distributions of PCBs. The Sehmel-Hodgson model was used to estimate dry deposition velocity and dry deposition fluxes. Also, dry deposition velocities of PCBs were calculated from the relationship between the measured particulate PCBs deposition fluxes and the particle size distribution data by regression. Further, PCBs homologue flux and concentration were checked due to their different toxic and physical characteristics. The total particle mass concentrations ranged between 26.9 ㎍/㎥ and 357.2 ㎍/㎥ at the sites. The particle mass concentrations at the urban sites (Seoul and Inchon) are higher than these at other sampling sites (Yangpyung and Yangsuri). Fine particles consist of more than 80% of the total particle concentration. The deposition fluxes of total particle matter ranged between 12.1 mg/㎡/day and 289.0 mg/㎡/day. The deposition fluxes of the fall samples are higher than the summer samples because of the high wind speed during fall. The particulate PCBs concentrations are between 0.05 ng/㎥ and 0.74 ng/㎥. PCBs in coarse particles consisted of 2% of the total PCBs concentrations probably due to the preferential absorption of PCBs in organic materials which are mainly in the fine fractions of particles. The PCBs concentrations in Korea are higher than these in US. Tetra-C.B. and hexa-C.B. are major homologue species in fine particle and coarse particle, respectively. The dry deposition fluxes of PCBs are between 16.69 ng/㎡/day and 168.37 ng/㎡/day. Fluxes of penta-C.B. and hexa-C.B. accounted for major total PCBs flux. While the PCBs concentrations in coarse particle are only 2% of the total PCBs concentration, the PCBs flux from coarse particle fraction account from 10% to 80% of the total PCBs flux. Thus, coarse particle fraction is important for dry deposition of PCBs. The estimated PCBs flux using the Sehmel-Hodgson model is compared with the measured flux. The predicted PCBs flux data agree well with the measured flux data. From the regression method, the deposition velocity is estimated, 0.16 cm/sec for fine particulate PCBs and 20.9 cm/sec for coarse particulate PCBs, respectively. The deposition velocity of coarse particulate PCBs is 100 times higher than these of fine particulate PCBs. Both the ambient PCBs concentrations and dry deposition fluxes show no apparent trend on the site dependency. Keywords: PCBs, spatial distribution, dry deposition flux, size distribution, dry deposition velocity, Sehmel-Hodgson model, Endocrine disrupter.;PolyChlorinated Biphenyls (PCBs)는 두 개의 phenyl기에 10개 이하의 염소가 치환된 형태의 화학물질로, 유전체로의 특성이 좋기 때문에 여러 가지 산업 분야에서 다양한 용도로 사용되었다. 그러나 PCBs는 체내에서 암을 유발시키고, 호르몬의 정상적인 작용을 방해하는 등 인체에 위해성을 미친다. PCBs는 환경에서 분해가 잘 되지 않고, 대기 중에서의 체류시간이 길어 대기중 이동이 주된 이동 경로로, 배출원이 없는 극지방에서도 동물의 지방조직이나 물고기의 체내에서 발견된다. 1980년 이후 미국의 연구에서 5대호에 유입되는 PCBs의 최소 50%에서 90%는 대기 침적에 의한 것임이 밝혀지면서 대기 침적에 관한 관심이 고조되었다. 그러나 국내에서는 분석과 측정의 어려움으로 인하여 PCBs의 건식 침적 연구가 활발히 이루어지지 않고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 총입자상 물질과 입자상 PCBs의 공간적인 건식 침적 특성을 연구하기 위해서 1999년 여름 (8/10 ~ 8/14, 1999)에는 7개의 채취 장소 (서울, 인천, 양평, 양수리, 화천, 충주, 덕적도)에서, 가을 (11/9 ~ 11/14, 1999)에는 3개의 채취 장소 (서울, 인천, 양수리)에서 대기중 입자상 PCBs의 입경 분포별 농도와 건식 침적량을 측정하였다. 건식 침적량은 그리스 대체 표면을 이용하여 측정하고, 입경 농도 분포는 cascade impactor를 이용하여 10 ㎛ 이하 6개 입경 농도를, CPRI를 이용하여 6.5 ㎛ 이상 4개 입경 농도를 측정하여 0.1 ㎛ ~ 100 ㎛ 사이의 입경 분포를 파악하였다. 건식 침적 속도 추정 모델인 Sehmel-Hodgson 모델을 통해 계산한 PCBs의 건식 침적량과 측정한 건식 침적량을 비교하여 모델의 적합성을 알아보았다. PCBs의 건식 침적 속도는 측정한 건식 침적량과 농도의 상관 관계를 regression method를 이용하여 통하여 구하였다. PCBs는 동족체별로 물리적 성질과 독성학적 특성이 달라지므로, 입자상 PCBs의 대기중 농도와 건식 침적량을 동족체별로 구별하여 살펴보았다. 대기 중 입자상 물질의 농도는 26.9 ㎍/㎥ ~ 357.2 ㎍/㎥ 로 나타났으며 도심 지역인 서울과 인천은 높은 질량 농도를 보이며 미세 입자의 농도가 전체의 80%를 차지하였다. 건식 침적량은 12.1 mg/㎡/day ~ 289.0 mg/㎡/day 로 나타났으며 전체적으로 가을철이 여름철에 비해서 높은 건식 침적량을 보인다. 이는 가을의 풍속이 여름에 비해서 2배 이상 높기 때문이라고 생각한다. 시료 채취 장소와 기간에 따라서 입자상 PCBs의 대기중 농도는 0.05 ng/㎥ ~ 0.74 ng/㎥ 으로 나타났다. 입자상 PCBs의 농도 중 거대 입자에 결합하고 있는 비율이 2% 정도밖에 되지 않고, 단위 입자 질량당 결합하고 있는 PCBs의 질량비를 살펴보면 미세 입자에 결합하고 있는 PCBs의 질량비가 거대 입자의 2배에서 6배정도 높게 나타났다. 이는 미세 입자의 유기 탄소 영향으로 PCBs가 미세 입자에 선택적으로 상분포하기 때문으로 보인다. 미국에 비해 우리나라의 대기 중 PCBs 농도가 더 높게 나타났다. 입자상 PCBs의 농도는 미세 입자에서는 tetra-C.B.가 거대 입자에서는 hexa-C.B.가 높게 나타났다. PCBs의 건식 침적량은 16.69 ng/㎡/day ~ 168.37 ng/㎡/day 로 나타났으며 대기 중 존재하는 입자상 PCBs의 8.2 ~ 16.4% 는 건식 침적에 의해서 제거되는 것으로 나타났다. 동족체별로는 tri-C.B.가 가장 낮은 건식 침적량을 보이고 penta-C.B., hexa-C.B.가 높은 건식 침적량을 보인다. 거대 입자에 결합한 PCBs의 농도가 2% 밖에 되지 않음에도 불구하고 거대 입자 PCBs의 건식 침적량은 전체의 10% ~ 80% 를 차지하고 있다. 이를 통해 거대 입자가 건식 침적에 미치는 기여도가 큼을 알 수 있고, 건식 침적 연구에서는 미세 입자와 함께 거대 입자도 중요한 요소임을 알 수 있다. Sehmel-Hodgson 모델의 적합성을 알아보기 위해 입자의 건식 침적 속도를 추정하여 PCBs의 건식 침적량을 계산하였다. PCBs의 추정한 건식 침적량과 측정한 건식 침적량은 비교적 잘 일치하고 있어 Sehmel-Hodgson 모델이 PCBs의 건식 침적 속도 추정에 적합하게 사용되고 있음을 보여준다. 새로운 방법으로 PCBs의 건식 침적 속도를 regression method를 이용하여 구하였다. 미세 입자의 경우는 0.16 cm/sec, 거대 입자의 경우 20.9 cm/sec 의 건식 침적 속도를 나타내었다. 서울과 인천이 PCBs의 주된 배출원이라고 가정하고 연구를 진행한 결과, 서울과 인천의 PCBs의 입경 농도와 건식 침적량 모두 다른 지역에 비해서 크지 않게 나타났고 이를 통해서 서울과 인천이 PCBs의 주 배출원이 아닌 것으로 보인다.