[환경공학실험]먼지 포집 1부

실험 목적

대기 중 먼지 측정법인 중량농도법과 베타선법을 이해하고, 하이볼륨에어샘플러를 사용하여 대기 중에 부유하는 먼지의 농도를 측정 할 수 있다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

먼지란 대기 중에 부유하는 고체 및 액체의 입자상 물질을 말하며, 환경정책기본법에서는 대기 중 먼지에 대한 환경 기준을 공기역학직경이 10μm 이하인 먼지(PM10)로 설정한다. 대기 중 먼지의 질량 농도를 측정할 수 있는 시험 방법은 크게 채취한 먼지를 직접 채취하는 중량농도법과 간접적으로 측정하는 베타선법으로 나뉜다. 

각각의 시험 방법들에서 측정하고자 하는 임계직경 이하의 입자를 채취하는 방법은 이용하는 힘에 따라 중력을 이용하는 중력침강형, 관성을 이용하는 관성충돌형, 원심력을 이용하는 원심분리형으로 나눌 수 있다.

 

2. 중량농도법

중량 농도법은 입경크기가 10μm 이하인 미세먼지(PM10)의 질량 농도를 측정하는 방법 중 하나로, 이하의 내용은 저용량 공기시료채취기를 기준으로 작성하였다. 시료채취기로 대기중 미세먼지 시료를 채취한 뒤 시료 채취 전과 후 필터의 무게 차이를 농도로 측정하는 방법이다. 시료 채취 전 필터는 특정 환경 조건(온도 범위: 15~30℃, 온도 조절: ±3℃, 습도 범위: 20~45%RH, 습도 조절: ±5%RH)에서 먼저 평형화 시켜준다. 

시료채취기의 시료채취필터에 관성으로 입경크기 10μm 이하의 먼지를 분리할 수 있는 구조를 갖는 도입부의 입경분리장치를 이용하여 대기 중 공기 시료를 일정한 유속으로 채취한다. 이 때 입경 분리장치는 입경분리 구조 형태에 따라 사이클론(cyclone) 방식과 임팩터(impactor) 방식으로 나누어진다. 먼지가 채취된 필터 시료는 채취 전 필터를 준비할 때와 같은 온도와 습도 조건에서 24시간 이상 평형화 단계를 거친 뒤 채취 이전과 이후의 무게를 측정하여 전체 질량 농도를 결정할 수 있다.

대기 중 PM10의 질량농도는 PM10 입경크기 영역에서 채취된 미세먼지의 전체 질량을 채취된 유량 부피로 나눈 값으로 계산한다. 이 때 단위는 μg/㎥이다. 시료 채취 시 온도와 압력은 시료 채취 동안의 온도와 압력의 평균을 내어 계산해야한다. 채취된 시료의 질량농도를 계산하는 절차는 다음 식을 따른다.

“V = Q₀×t “ (V: 대기 온도 압력 조건에서 채취 된 전체 유량(㎥), Q₀: 평균 샘플 유속 (㎥/min), t: 시료채취 시간). 최종적으로, 위 식에서 구한 전체 유량(V)값과 식 “PM₁₀ = (W_t-W_i)/v ×10⁶ ” (PM₁₀ : PM₁₀ 의 질량농도 (μg/㎥), W_t: 최종 필터의 무게 (g), W_i: 초기 필터의 무게 (g), 10⁶: g을 µg으로 전환)을 이용하면 PM₁₀ 의 질량농도를 구할 수 있다.

본 실험에서는 고용량 공기시료채취기를 이용하여 중량농도법으로 먼지의 농도를 측정한다. 시료의 채취에 사용하는 여과지는 일반적으로 유리섬유제 등을 사용하며 0.3μm의 입자상 물질을 99%이상 채취할 수 있어야한다. 또한 압력손실이 낮고, 가스상 물질의 흡착이 적고, 흡습성 및 대전성이 작으며, 분석에 방해되는 물질을 함유하지 않아야 한다. 

시료를 채취하기 전에는 앞서 언급한 것과 같이 여과지를 미리 질량분율 50% 염화칼슘용액을 제습제로 한 데시게이터 안에서 24시간 이상 보관하여 칭량한 후 여과지 무게를 측정하는 것이 중요하다. 또한 먼지를 채취한 후에도 여과지를 미리 온도 20℃, 상대습도 50%에서 24시간 이상 보관하였다가 일정한 값이 되면 무게를 재야 한다.

최종적으로, 고용량 공기시료 채취기를 사용하여 채취한 먼지의 질량농도(μg/㎥)는 포집된 먼지의 질량을 흡인 공기량으로 나누어 계산할 수 있으며 식은 앞서 저용량 공기시료채취기를 이용하여 PM₁₀의 농도를 측정하는 경우에서 언급한 것처럼 다음과 같다. 

“먼지농도(μg/㎥)=We-Ws/v×103”(We:채취 후 여과지 질량(mg),Ws:채취 전 여과지 질량(mg), V=Q×t=총 공기의 흡입량(㎥), Q:평균 유량(㎥/min), t:시료채취시간).이 때 평균 유량은 “Q=Q1+Q2/2”(Q:평균유량(㎥/min),Q1:시료채취 초기 유량(㎥/min),Q2:시료채취 종료 시 유량(㎥/min))식으로 구할 수 있다.

3. 베타선법

베타선법은 PM10 의 질량농도를 베타선법에 의해 측정하는 방법이다. 대기 중에 부유하는 10μm 이하의 먼지를 시료를 채취할 수 있는 필터에 채취하여 베타선을 투과시키면 입자상 물질의 질량농도를 연속적으로 측정할 수 있다. 시료를 채취하기 전의 바탕 필터와 미세먼지 시료를 채취하고 난 후의 필터에 베타선원으로부터 방출된 베타선이 흡수된 세기를 비교하여 측정하는 것이다.

이 때 시료 채취 전의 바탕 필터와 시료를 채취한 후 필터의 베타선 흡수 세기는 채취된 미세먼지의 질량밀도에 따라 식 “I = I0×exp(μX)”(I:시료채취 후 필터를 투과한 베타선 세기, I0:바탕 필터를 투과한 베타선 세기,μ:베타선 질량 흡수 계수(㎠/mg), X:채취된 먼지의 질량밀도(mg/㎠))을 만족하며 지수함수적으로 변한다.

μ는 베타선의 질량 흡수 계수로 기준이 되는 질량밀도를 갖는 표준 필터로 결정하는 상수로,먼지의 성분과는 무관하다.정리하자면,베타선 검출기로 시료 채취 전 후 필터를 통과한 베타선의 세기(I0)를 정확하게 측정한다면 채취된 먼지의 질량밀도값(X)을 계산할 수 있다.

따라서 최종적으로 대기 중 미세먼지의 단위 체적 당 질량 농도(Mc)는 시료채취 유량을 측정하여 다음 식을 이용하여 구할 수 있다.“Mc= K∙X∙A/QΔT=K∙X∙ln(I0/I)/μ∙Q∙ΔT”(Mc:대기 중 미세먼지의 질량농도(μg/㎥), X:채취된 먼지의 질량밀도(mg/㎠), A:시료채취 필터 면적(c), Q:시료채취 유량(L/min),Δt:시료채취 시간(min), K:단위환산계수(106))

 

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