포항지역 미세먼지발생에 대한 수용성무기이온의 화학적 특성 및 예측모델 평가

이기창; 김보은; 이병근; 김지훈; 박상수; 홍경지; 류동현; 송정한; 김태분

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저자정보: 이기창 (경상북도) 김보은 (경상북도) 이병근 (경상북도) 김지훈 (경상북도) 박상수 (경상북도) 홍경지 (경상북도) 류동현 (경상북도) 송정한 (경상북도) 김태분 (경상북도)

저널정보: 대한환경공학회 대한환경공학회지 대한환경공학회지 제45권 제7호

발행연도: 2023.7

수록면: 311 - 324 (14page)

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목적: 본 연구는 포항지역에서 발생한 미세먼지 중 수용성무기이온(WSIIs)의 화학적특성 및 기여도, 전기전도도 측정을 통한 미세먼지 예측모델의 정확도 등을 평가하여 지역의 효과적인 미세먼지 관리대책 수립에 기여하고자 한다.
방법: 미세먼지 PM10과 PM2.5 시료는 2022년 4월부터 11월까지 중량포집장치(low volume air sampler)를 사용하여 동시에 채취되었다. 수용성무기이온을 분석하기 위해 초음파 추출방법으로 시료를 전처리 하였으며, Ca2+, Mg2+, K+, NH₃+, Na+의 양이온과 Cl-, NO₃-, SO₄2-의 음이온, 전기전도도 항목을 측정하였다.
결과 및 토의: 본 연구기간 동안 PM10과 PM2.5 중 WSIIs 평균농도는 각각 12.1 μg/m³, 8.5 μg/m³로 35.5%, 50.0%의 비중을 차지하였다. PM10과 PM2.5 시료에서 WSIIs 중 주요 조성성분인 NH₄+, NO₃-, SO₄2- 이온의 합은 각각 71%, 78%를 나타내었다. 또한 입자별 조성에서 NH₄+, K+, SO₄2-에 대한 PM2.5/PM10 비율은 각각 95%, 89%, 81%로 대부분 PM2.5에 존재하였다. NO₃-에 대한 PM2.5/PM10의 평균 비율은 54%였으나, 기온이 낮은 11월에는 79%로 급격히 상승하여 겨울철 PM2.5 발생에 기여도가 높게 나타났다. 시료채취기간(4월과 7월 제외)동안 수용성무기이온성분 중 양이온과 음이온의 이온 밸런스는 1:1 비율을 보여 중성성질의 미세먼지 특성을 나타내었다. 마지막으로 수용성무기이온성분의 전기전도도 측정값과 미세먼지 농도에 대한 회귀모델을 평가한 결과 PM2.5에 대한 MAE와 RMSE 값은 각각 1.8 μg/m³, 2.4 μg/m³로 PM10(MAE 7.5 μg/m³, RMSE 10.3 μg/m³)보다 낮은 수준을 보여 정확도와 정밀도가 높은 것으로 나타났다.
결론: 본 연구는 포항지역의 미세먼지 발생원을 수용성무기이온성분 분석을 통해 확인할 수 있었고, 미세먼지 농도 관측에 수용성무기이온성분의 전기전도도 측정값을 주요 매개변수로 활용할 수 있음을 제안하였다.

Objectives : This study aims to contribute to establishing the regional effective management of fine particulate matter by evaluating the chemical characteristics and contribution of fine particulate matter, and the accuracy of predictive model of fine particulate matter through the measurement of water-soluble inorganic ions (WSIIs) and electrical conductivity for fine particulate matter generated in Pohang.
Methods : PM10 and PM2.5 samples were simultaneously collected using a low volume air sampler from April to November 2022. For sample analysis, cations of Ca2+, Mg2+, K+, NH₄+, Na+ and anions of Cl-, NO₃-, SO₄2-, and electrical conductivity were measured after pretreatment by ultrasonic extraction.
Results and Discussion : The average concentrations of WSIIs for PM10 and PM2.5 in Pohang were 12.1 μg/m³ and 8.5 μg/m³, respectively, accounting for 35.5% and 50.0% of each fine particulate matter. The sum of NH₄+, NO₃-, SO₄2- concentration was found to account for the majority of 71% and 78% of WSIIs in PM10 and PM2.5, respectively. The PM2.5/PM10 ratios for NH₄+, K+, and SO₄2- were 95%, 89%, and 81%, respectively, mostly present in PM2.5. The average ratio of PM2.5/PM10 for NO₃- was 54%, but it rose sharply to 79% in November when the temperature was low, indicating an increase in contribution to the generation of PM2.5 in winter. During the sampling period excluding April and July, the ion balance for cations and anions was relatively good at a 1:1 ratio and showed chemical properties of fine particulate matter close to neutral. A regression model was evaluated for the measured electrical conductivity of WSIIs and the concentration of fine particulate matter. The MAE and RMSE values for PM2.5 were 1.8 μg/m³ and 2.4 μg/m³, respectively, which were lower than PM10 (MAE 7.5 μg/m³, RMSE 10.3 μg/m³), indicating high precision and accuracy.
Conclusion : This study confirmed the origin of fine particulate matter generated in Pohang through WSIIs analysis, and suggested that the measured electrical conductivity of WSIIs could be used as a key parameter for measuring the concentration of fine particulate matter.

#Fine Particulate Matter #Water-Soluble Inorganic Ions #Electrical Conductivity #Regression Model #PM< #SUB> #10< #/SUB> #PM< #SUB> #2.5< #/SUB> #미세먼지 #수용성무기이온성분 #전기전도도 #회귀모델

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