ToF-ACSM을 이용한 서울 대기 NR-PM1 화학 성분 농도 특성 연구

Abstract

대기에 부유하는 고체 또는 액체상 입자상 물질인 에어로졸은 건강을 해치며, 가시거리를 감소시키고, 생태계와 기후 변화에도 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 에어로졸은 생성 과정에 따라 직접 배출되는 1차 에어로졸과 대기 중 화학 과정으로 생성되는 2차 에어로졸로 구분되며, 응축, 증발 등 대기 중 화학 과정에 의해 입자의 크기와 성분이 바뀔 수 있다. 그러므로, 대기 에어로졸 특성을 파악하고, 효과적인 저감 대책을 수립하기 위해서는 지속적인 에어로졸 화학 성분 관측이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 에어로졸의 화학 성분을 실시간으로 측정할 수 있는 장비인 Time of flight aerosol chemical speciation monitor (ToF-ACSM)을 사용하여 자료의 신뢰성을 확인하고 서울 대기 에어로졸의 화학 성분 파악을 위한 연구를 진행하였다. 첫 번째 연구는 ToF-ACSM의 신뢰성을 확인하여 활용도를 높이고자 진행되었다. 이를 위해 여과지를 이용한 채취법과 두 가지 유형의 실시간 질량 분석기의 측정값을 비교하여 ToF-ACSM의 신뢰성을 파악하고자 하였다. 연구 결과, 겨울과 여름철 모두 성분들의 장비별 상관관계는 좋았으나 무기 이온 성분 농도 값이 여과지와 HR-ToF-AMS보다 약 1.5 ~ 3배가량 과대평가 되고 있었으며, 여과지와 HR-ToF-AMS를 기준으로 값을 보정해주어 유사한 농도 수준으로 내려갔다. 두 번째 연구는 ToF-ACSM을 통해 서울의 대기 에어로졸의 화학 성분을 파악하고자 진행되었다. 이를 위해 2020년 12월과 2021년 6월에 측정된 ToF-ACSM의 자료를 사용하였다. 2020년 12월 15일부터 2021년 1월 15일까지인 겨울철의 NR-PM1의 평균 농도는 14.63 µg/m3, 2021년 6월 1일부터 30일까지인 여름철의 NR-PM1의 평균 농도는 17.91 µg/m3로 나타났다. PMF 분석을 통해 구분한 유기 에어로졸의 유형은 겨울에는 COA + HOA, BBOA, OOA-1, OOA-2이며, 여름에는 POA, OOA-1, OOA-2이다. 계절별 유기 에어로졸의 비율과 고농도 사례 시 특징, 이전 연구 결과 등을 바탕으로 OOA-1은 LV-OOA, OOA-2는 SV-OOA일 가능성이 있다고 판단하였다. 고농도 사례 중 2020년 12월 10일부터 30일까지로 정체된 기류가 주된 High EP 1는 국지적(local) 오염물질로 알려진 SV-OOA로 추정되는 OOA-2가 큰 비율을 차지했다. 반면, 2021년 1월 10일부터 15일까지로 기간에 황사가 관측되고 중국으로부터의 장거리 이동 기류가 주된 High EP 2는 지역적(regional) 오염물질로 알려진 LV-OOA로 추정되는 OOA-1이 큰 비율을 차지하였다.;Measured concentrations of major inorganic ions (sulfate, nitrate, ammonium, and chloride) and organic matters (OM) of PM1.0 were compared among filter samples, high-resolution time-of-flight aerosol mass spectrometer (HR-ToF-AMS) and ToF aerosol chemical speciation monitor (ToF-ACSM). The observed values of the non-refractory PM1 (NR-PM1) chemical components of ToF-ACSM showed good correlation with the HR-ToF-AMS (R2 > 0.97) and PM1.0 filter (R2 > 0.85) results. However, concentrations of the ToF-ACSM were generally higher than HR-ToF-AMS and PM1.0 filter. If the concentrations of the ToF-ACSM chemical components were adjusted based on the PM1.0 filter based mass and HR-ToF-AMS based NR-PM1 mass, the concentrations of the ionic species become comparable to those the PM1.0 filter, but organics becomes lower than the OM of PM1 filter result. In this study, ToF-ACSM was used to understand the concentration and characteristics of NR-PM1 chemical components in Seoul. The average concentration of NR-PM1 was 15.29 μg/m3 in 15 December 2020 to 15 January 2021 and 17.91 μg/m3 in 1 to 30 June 2021. As a result of PMF analysis, organic aerosols in NR-PM1 were classified as COA + HOA, BBOA, OOA-1, and OOA-2 in winter and as POA, OOA-1, and OOA-2 in summer. In the High EP 1 (21 to 30 December 2020) of the stagnant atmosphere in winter, OOA-2 accounted for a high fraction. High EP 2 (10 to 15 June 2021) when yellow dust was observed, OOA-1 accounted for a high fraction. Based on the ratio of organic aerosols by season, the characteristics of high concentration cases, and the results of previous studies, it is judged that OOA-1 is LV-OOA and OOA-2 is SV-OOA.