Characteristics and source apportionment of organic compounds in air particulate matter from Tianjin, China during 2005–2006

Abstract

2000년도 이후 급속한 경제발전과 도시화를 겪은 중국에서 대기 오염은 심각한 문제로 인식되고 있다. 우리나라는 중국과 인접해 있고 같은 편서풍대에 위치하기 때문에 과거부터 우리나라의 대기질이 중국의 대기질에 영향을 받아온 것은 잘 알려져 있다. 그 중 대기 입자상 물질(Particulate matter, PM)은 가시성을 떨어뜨리고, 흡입 시 인체에 유해하며, 장거리 수송을 통해 주변국에 영향을 줄 수 있다. 2010년도부터 고농도 haze event가 간헐적으로 발생함에 따라 PM에 대한 관심이 높아졌다. 수천 가지 화합물이 혼합된 형태의 PM은 조성에 따라 물리적 및 화학적 특징이 매우 다양하기 때문에 특정 화합물 분석법만으로 PM이 갖는 분포 특성을 파악하는 데에는 한계가 있다. 이러한 난점을 해결하기 위해 최근에는 다종유기화합물 분석을 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구에서는 실험실 내부 평가를 통해 얻은 다종유기화합물 분석법을 이용해 중국 톈진에서 채집한 시료를 분석했다. 대상 시료는 2005년 8월 22일부터 2006년 9월 29일까지 약 1년간 채집된 것으로 중국의 대기질 개선 정책(Air Pollution Prevention and Control Action Plan, APPCAP)이 시행되기 이전의 아카이브 시료다. PM내에서 중요도가 입증된 유기 화합물 162종을 분석했으며, 노말 알칸(n-alkanes), 다환방향족탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs), nitrated-PAHs(NPAHs), oxygenated-PAHs(OPAHs), 호판(hopanes), 스테란(steranes), 방향족산(aromatic acids), 그리고 바이오매스 연소 추적자로 널리 알려진 무수당(anhydrosugar)이 포함되어 있다. 시료의 추출에는 가속용매추출기(Accelerated Solvent Extraction, ASE)가 사용되었으며, 분석에는 가스 크로마토그래피-질량분석기(Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS)가 사용되었다. 모든 시료는 비극성 화합물의 정량이 끝난 후 극성 화합물의 정량을 위해 유도체화 과정을 거쳤다. 전체 시료채집 기간 동안 중국 톈진의 PM 내 유기화합물은 n-alkanes(38 %), PAHs (26%), 호판 및 스테란 (16%), OPAHs (12%), 바이오매스 연소 추적자(5 %), NPAHs (3%) 순으로 검출되었으며 분석된 총유기화합물의 평균 농도는 797 ng/m3이었다. 바이오매스 연소 추적자를 제외한 모든 유기화합물은 겨울에 가장 많이 검출되었고 여름에 가장 적게 검출되었다. 특히 PAHs는 겨울철 주거난방의 영향을 받아 비난방기간에 비해 난방기간에 4.5배 더 높게 검출되었다. n-alkanes의 CPI(Carbon Preference Index)를 계산한 결과 인위적인 오염원의 영향이 지배적이었다. NPAHs와 OPAHs는 PAHs의 대기중 광화학 반응에 의한 2차 생성이 활발한 여름철에 PAHs 와 높은 연관성을 보였다. 바이오매스 연소 추적자는 중국 북부의 농경지에서 6월 및 7월에 발생한 농경지 연소의 영향으로 최대 입자의 15%에 기여하는 것으로 확인되었다. PMF 모델을 이용하여 PM에 기여하는 오염원을 6가지(석탄 연소, 차량 배출, 바이오매스 연, 요리 및 화석연료의 사용, 입자의 2차생성 및 생물기원 오염원, 그리고 산업연소를 포함한 나머지 요인)로 산정했다. 전체 기간 동안 PM에 대한 기여는 석탄 연소가 30.1%로 가장 우세했으며 차량 배출, 바이오매스 연소가 그 뒤를 이었다. PM에 대한 오염원의 기여도는 난방기간 및 비난방기간에 따라 현저하게 다른 양상을 보였다. 여름철 수확기의 영향으로 비난방기간동안 바이오매스 연소의 기여가46.4%에 달했으며 다음으로 석탄 연소, 그리고 차량 배출이 기여도가 높은 오염원으로 산정되었다. 반면 난방기간에는 석탄연소가 34.6%로 가장 높게 기여했으며 차량 배기, 그리고 산업 배출을 포함한 나머지 오염원의 기여가 높게 나타났다. 본 연구 결과를 APPCAP 이후 중국에서 진행된 PM 내 유기물질에 대한 연구와 비교함으로써 대기 중으로 직접 방출되는1차 배출원의 영향이 현저하게 감소한 것을 확인했다. 특히 규제 대상이었던 석탄과 차량배출의 영향을 받는 일부 화합물의 대기 중 농도가 유의한 수준으로 감소했다. 하지만 최근에 들어 바이오매스 연소로 인한 고농도 PM 발생 사례가 빈번하게 보고되고 있다. 고농도 미세먼지 현상의 발생 빈도가 높아지며 PM의 생성 기작과 거동에 대한 중요도가 높아진 만큼 입자의 화학적 조성을 고려한 연구가 지속적으로 진행되어야 할 것으로 사료된다.