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논문 기본 정보

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학위논문
저자정보

최수연 (강원대학교, 강원대학교 대학원)

지도교수
한영지
발행연도
2021
저작권
강원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수12

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

초록· 키워드

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대기 중 초미세먼지(PM2.5)는 인체 건강에 대한 악영향을 미치며, 시정장애 등 다양한 문제를 야기한다. PM2.5는 화석연료의 연소, 자동차 배출가스, 소각로 등과 같은 인위적 오염원에서 직접 배출되는 1차 에어로졸과 대기 중 가스상 오염물질의 응축 및 입자상 오염물질과의 반응을 통해 생성되는 2차 에어로졸로 구분될 수 있으며, 대기 중 체류시간이 길어 장거리 이동이 가능하다.
지금까지 춘천에서 진행된 선행연구 결과에 의하면 춘천의 PM2.5는 중장거리 이동의 영향을 받은 것으로 파악되었으며, 2차 에어로졸의 활발한 생성이 중요하다고 제시되었다. 반면 바이오매스 연소를 포함하는 국지적 배출 역시 고농도 현상을 야기하는 것으로 추정되었다. 이러한 선행연구에서는 K+을 이용하여 바이오매스 연소 영향을 추정하였다. 그러나, K+는 바이오매스 연소 이외에 토양 및 해염입자로도 배출되기 때문에 바이오매스 연소의 영향을 파악하기에는 한계가 존재한다. 따라서 본 연구에서는 더 정확한 바이오매스 연소 지표 물질로 사용되고 있는 levoglucosan을 포함한 PM2.5의 화학적 구성 성분을 분석하여 바이오매스 연소 영향을 파악하고, PM2.5 농도를 높이는 주된 원인을 파악하고자 하였다.
연구기간 동안 PM2.5의 질량 농도와 더불어 PM2.5를 구성하는 8종의 수용성 무기이온(SO42-, NO3-, Cl-, Na+, K+, Mg2+, Ca2+, NH4+)과 유기탄소(organic carbon: OC), 무기탄소(elemental carbon: EC), 그리고 levoglucosan 및 그 이성질체(mannosan, galactosan)를 분석하였다. PM2.5 평균 질량 농도는 19.4 ± 13.1 μg/m3으로 연평균 대기환경기준 농도(15 μg/m3)를 초과하였으며, 일평균 기준 농도(35 μg/m3)를 초과한 시료는 전체 시료의 8%를 차지하였다. 바이오매스 연소 지표물질인 K+과 levoglucosan과의 상관분석 결과 통계적으로 유의하지만 다소 낮은 상관성을 나타내어 K+만으로는 바이오매스 연소 영향을 확인하기에는 한계가 있는 것으로 판단하였다. 또한 levoglucosan을 이용하여 PM2.5 농도에 대한 바이오매스 연소 영향을 추정한 결과 가을과 겨울의 바이오매스 영향이 큰 것으로 확인되었다. PM2.5 고농도 에피소드의 경우 바이오매스 연소 및 2차 생성 에어로졸의 생성이 중요하게 나타났으며, 바이오매스 연소는 장거리 수송으로도 유입되어 영향을 주는 것으로 확인되었다. 바이오매스 연소 지표자와 2차 무기 에어로졸 성분 사이의 좋은 상관성은, 바이오매스 연소 연기에서의 2차 무기에어로졸 생성 반응의 중요성을 시시한다.

목차

목 차
Ⅰ. 서론 1
1. PM2.5 정의 및 구성성분 1
2. 바이오매스 연소 3
3. 연구배경 5
4. 연구목적 8
Ⅱ. 실험방법 9
1. 시료 채취 9
2. PM2.5 질량 농도 11
3. 수용성 무기이온 11
4. 유기탄소(OC)와 무기탄소(EC) 13
5. Levoglucosan, Mannosan and Galactosan 15
6. 기상 및 기타 분석 자료 21
7. 정도 관리(Quarlity Assurance and Quality Control, QA/QC) 22
Ⅲ. 결과 26
1. PM2.5 질량농도 26
2. 수용성 이온성분 29
3. 탄소성분 34
1) 유기탄소(OC)와 무기탄소(EC) 34
2) Levoglucosan, Mannosan and Galactosan 41
3) 바이오매스 연소 영향 확인 46
4) 1차 유기탄소 및 2차 유기탄소 추정 53
5) 장거리 이동 바이오매스 연소 영향 59
4. 고농도 이벤트(High Concentration Episodes, HCE) 61
5. 주성분 분석(principal component analysis, PCA) 69
Ⅳ. 결론 72
□ 참고문헌 74
□ Abstract 91
표 목 차
Table 1. Information of levoglucosan, mannosan and galactosan 4
Table 2. Sampling information 10
Table 3. Analysis conditions of ion chromatography 12
Table 4. Experimental conditions for NISOH 5040 method 14
Table 5. GC/MS operating conditions 17
Table 6. Information of target polar compounds 18
Table 7. Summarized QA/QC results for PM2.5 component 23
Table 8. Result of calibration parameter (r2) and MDL (ng/m3) oflevoglucosan, mannosan and galactosan 24
Table 9. Results of recovery (%) of methyl β-D-xyropyranoside, a internal standard of levoglucosan, mannosan and galactosan 24
Table 10. Results of RSD (relative standard deviation, %) of levoglucosan, mannosan and galactosan 25
Table 11. Results of ESC (external standard check, %) of methyl β-D-xyropyranoside, levoglucosan, mannosan and galactosan 25
Table 12. Seasonally averaged PM2.5 mass concentration 27
Table 13. Seasonal average concentrations of ionic components in PM2.5 30
Table 14. Seasonal average concentrations of OC and EC 36
Table 15. Seasonal average concentration of OC and EC fraction 37
Table 16. Seasonal contribution of each OC fraction to total OC (%) 38
Table 17. Seasonal average concentrations of levoglucosan, mannosan and galactosan 42
Table 18. Seasonally estimated concentrations of POC and SOC 58
Table 19. Pearson correlation coefficients between PM2.5 components inHCE samples. Numbers in bold with two stars and with onestar indicate that the correlations were siginificant at the 0.01and 0.05 levels, respectly. 65
Table 20. Pearson correlation coefficients between PM2.5 components innon-HCE samples. Numbers in bold with two stars and withone star indicate that the correlations were siginificant at the0.01 and 0.05 levels, respectly. 66
Table 21. Factor loadings in PM2.5 components with representativegaseous polluants and meteorological parameters in principalcomponent analysis (PCA) 70
Table 22. Pearson correlation coefficients between OCbb and PM2.5component. Numbers in bold with two stars and with one starindicate that the correlations were siginificant at the 0.01 and0.05 levels, respectly. 71
그 림 목 차
Fig. 1. Annual emission rates of PM2.5 according to Clean Air Policy Support System (CAPSS) and annual average concentration of PM2.5 in major cities in Korea. 6
Fig. 2. Contribution of each emission sector to total PM2.5 emission in Chuncheon (CAPSS, 2017). 7
Fig. 3. Mass spectra of (a) methyl β-D-xyropyranoside, (b) levoglucosan, (c) mannosan and (d) galactosan. 19
Fig. 4. Ion chromatogram in SIM mode (m/z : 73, 204, 217) for (a)standard, (b) blank, (c) October 14, 2018 and (d) January 14,2019. 17
Fig. 5. Daily concentration of PM2.5 during the whole sampling period. 28
Fig. 6. Contribution of each ionic component to PM2.5 mass (%) duringthe whole sampling period. 31
Fig. 7. Contributions of each ionic component to PM2.5 mass (%) for eachseason. 32
Fig. 8. Correlation between 2[SO42-]+[NO3-] and [NH4+]. 33
Fig. 9. Correlation between EC and OC concentration. 39
Fig. 10. Relationship between OC and EC for each season. 40
Fig. 11. Temporal variation of levoglucosan, mannosan and galactosanduring the whole sampling period. 43
Fig. 12. Correlations between levoglucosan and galactosan (left panel) and between levoglucosan and mannosan (right panel). Blue, red, yellow, and green areas indicate the hardwood burning, softwood burning, grass burning, and crop residue burning, respectively. 44
Fig. 13. The LG/GA ratio (upper panel) and the LG/MN ratio (lower panel) for the whole sampling period. The blue, red, yellow, and green areas indicate the burning of hardwood, softwood, grass, and crop residue, respectively. 45
Fig. 14. Correlation between levoglucosan and K+ for (a) whole samplesand (b) without January 14, 2019 sample. 48
Fig. 15. Correlations between levoglucosan and K+ for each season. 49
Fig. 16. Correlation between levoglucosan and OC (left panel) andbetween levoglucosan and EC (right panel). 50
Fig. 17. Correlation between levoglucosan and OC (upper panel) and between levoglucosan and EC (lower panel). The yellow and purple symbols indicate the samples obtained during spring and summer and during fall and winter, respectively.. 51
Fig. 18. The percentage of levoglucosan in OC for each season. 52
Fig. 19. Correlations between OC and EC. The regression equation wasobtained using the lowest 10% of OC/EC ratio (red symbol) toestimate the primary organic carbon (POC). 56
Fig. 20. Concentrations (bar graphs) and contribution (symbol graphs) ofOC (upper panel) and EC emitted from biomass burning andvehicle. Concentration and fraction of SOC to OC were alsoindicated in upper panel. 57
Fig. 21. Air parcel trajectories arriving at the sampling site whenhighlevoglucosan and low NOx concentrations appeared (red symbol :fire spot). 60
Fig. 22. Comparison between the PM2.5 components of the HCE andnon-HCE samples. The red symbols indicate the increment ratioof each PM2.5 component during the HCE. 63
Fig. 23. Fraction of each component in the PM2.5 mass (left) and thefraction of each sugar component in the OC mass (right) forHCE and non-HCE samples. 64
Fig. 24. Backward trajectories for high concentration episodes (red symbol : fire spot). 67
Fig. 25. Comparison of the PM2.5 components collected on January 14,2019 with the average concentrations of constituents of PM2.5collected over the entire sampling period.. 68

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